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CN101392980B - 一种船运液化乙烯或乙烷蒸发气体的再液化方法 - Google Patents

一种船运液化乙烯或乙烷蒸发气体的再液化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种船运液化乙烯或乙烷蒸发气体的再液化方法，该方法包括：乙烯或乙烷蒸发气体的两级压缩，乙烯或乙烷蒸发气体被海水和制冷剂的先后冷却，乙烯或乙烷的相变潜热冷却，乙烯或乙烷蒸发气体再液化的入罐储存。该方法利用了乙烯或乙烷与制冷剂的相变化潜热进行热交换，由制冷剂循环制冷提供冷量，将乙烯或乙烷蒸发气体再液化回收。在该方法的制冷循环中，将低温返流气混合后再返回至冷箱冷却制冷剂，充分利用了返流气的冷量，提高了能量的回收利用率，且该工艺方法的海水换热前后温差符合环保规定。

Description

一种船运液化乙烯或乙烷蒸发气体的再液化方法
技术领域
本发明涉及液态石化产品的蒸发气体(BOG)再液化技术领域，具体是指一种船运液化乙烯或乙烷时，运输及卸货等过程因入热产生的BOG的再液化方法。
背景技术
乙烯工业是衡量一个国家石油化工的规模和发展程度的标志，无论发达国家还是发展中国家，凡有条件的都会极力促进乙烯工业的建设和发展。随着我国石化工业和国民经济的持续快速发展，对乙烯的需求持续增加。2007年我国乙烯消费量为2169万吨，而乙烯产量为1047万吨，自给率仅为48.3％；预计2010年我国乙烯生产能力将达1600万吨，乙烯需求当量将达2735万吨，当量需求满足率为58.5％，仍需依靠大量进口乙烯满足需求。
乙烯成本中裂解原料费用所占比例很大，世界富产天然气的地区都将廉价的天然气中的乙烷和丙烷作裂解原料制乙烯。中东地区(如沙特阿拉伯)资源丰富，当地乙烷价格为37.5美元/t，乙烯原料85％采用乙烷和丙烷，从而使其乙烯生产成本低达100美元/t。而我国的乙烯工业受资源限制，国内乙烯原料90％来自炼厂，原料偏重，多以石脑油为主，乙烯生产成本高达530美元/t。为了满足乙烯原料需求，2010年我国的石油对外依存度进一步加大。选择适当进口乙烷以补充乙烯原料的不足，对降低国内乙烯生产成本，缓解石油资源的短缺，具有显著的社会和经济意义。
世界上常采用低温槽船进行乙烯商业性海运，如美国等发达国家从中东进口液态乙烯，船运回国。常压下等重量的-104℃液化乙烯体积约为常态下气体乙烯的1/490，液化后的体积大大缩小，对乙烯的贮运较为有利。但在海运过程中由于低温乙烯储罐受外界环境热量的侵入，乙烯液货罐内液下泵运行时部分机械能转化为热能，都会使罐内液体乙烯气化产生闪蒸气，也即BOG(boiloff-gas)气体。蒸发气体的产生会使液货舱的液货乙烯温度升高，从而导致货舱压力的升高。过高的液货舱压力会破坏液货舱的结构，对其维护系统造成危险。但如果任其排入空气中，不但危险，在经济上也很不合算。因此，从船舶运输的安全性和经济性上考虑，都需要对蒸发气体进行再液化处理，以回收这部分BOG。乙烷与乙烯性质类似，常压下，与乙烷气体相同重量的液态乙烷，温度为-88℃，体积则只有1/435。在乙烷的海运中同样存在和乙烯海运的问题，也需要对蒸发的乙烷气体进行再液化回收处理。
液货在运输过程中产生的蒸气再液化的工艺，目前文献《低温液化气船再液化原理及再液化装置概述》(代乾，李品友.低温液化气船再液化原理及再液化装置概述.深冷技术，2005(1)：6-9)中有相关的技术报道。有关技术包括：《低温液化气船再液化原理及再液化装置概述》中所提到的多用途低温液化气船上的再液化装置，该装置主要用于液化乙烯、石油气、氨，以满足不同货物的载运要求。该装置采用复叠式直接制冷循环，即由一个以液货为制冷介质的开式循环和一个采用R22制冷剂的闭式制冷循环串联而成。在该装置的制冷剂闭式循环中，制冷剂气体与后续流程的返流气混合经压缩机压缩后，直接进入制冷剂冷凝器冷却，全靠海水冷却制冷剂，换热负荷较大。经冷却的制冷剂分成两股，一股经节流阀减压后进入换热器，冷却另一股制冷剂，换热后的制冷剂气体作为返流气。经冷却后的另一股制冷剂进入冷凝蒸发器冷却BOG气体，换热后的制冷剂气体进入一级压缩机构成循环。
该文章介绍的再液化装置中的R22制冷剂闭式制冷循环中，采用R22为制冷剂，R22由于其臭氧损耗指数为0.055，已被列入蒙特利尔议定书中受控物质之一，国际上已对R22、R502等含氯制冷剂规定了禁用期限。另外该装置再液化流程中的R22冷凝器，制冷剂的冷却基本全靠海水，换热负荷大，加大了投资费用。且由于受进口海水温度的限制，使得制冷剂冷却温度也受到制约。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种液化乙烯或乙烷船运过程中，产生的BOG再液化的工艺方法。该方法利用了乙烯或乙烷与制冷剂的相变化潜热进行热交换，由制冷剂循环制冷提供冷量，将乙烯或乙烷BOG再液化回收。在该方法的制冷剂R404A制冷循环中，将低温返流气混合后再返回至冷箱冷却制冷剂，充分利用了返流气的冷量，提高了能量的回收利用率，且该工艺方法的海水换热前后温差符合环保规定。
本发明的目的通过下述技术方案实现，一种船运液化乙烯或乙烷蒸发气体的再液化方法，包括以下具体步骤：
第一步乙烯或乙烷BOG的两级压缩
船上乙烯或乙烷液货罐出来的BOG气体进入一级压缩机压缩后，与低温返流气混合，再进入二级压缩机压缩，得到高温高压乙烯或乙烷气体。
第二步乙烯或乙烷BOG的冷却
经过两级压缩的高温高压乙烯或乙烷气体先进入海水换热器，通过与海水换热冷却，再进入乙烯或乙烷冷凝器，通过与制冷剂换热冷却至更低的温度。
第三步乙烯或乙烷的相变潜热冷却
从乙烯或乙烷冷凝器出来的乙烯或乙烷分成两股，一股进入闪蒸塔进行绝热闪蒸，从闪蒸塔塔顶出来的乙烯或乙烷气相出料作为低温返流气，塔底的乙烯或乙烷液相出料则作为冷源，进入换热器利用自身的相变潜热来冷却另一股乙烯或乙烷，使其进一步降温，换热后的乙烯或乙烷气体也作为低温返流气。
第四步乙烯或乙烷BOG再液化的入罐储存
经过换热器冷却的低温乙烯或乙烷，进入另一闪蒸塔绝热闪蒸，从闪蒸塔塔顶出来的乙烯或乙烷气相出料返回第一步的一级压缩机，塔底的乙烯或乙烷，即液货罐的BOG再液化后的液相出料，进入乙烯或乙烷液货罐储存。
上述船运液化乙烯或乙烷蒸发气体的再液化方法的第一步中，所述的制冷剂是R404A。
上述船运液化乙烯或乙烷蒸发气体的再液化方法的第一步中，所述的制冷剂由制冷循环提供，所述制冷循环的工作流程包括以下步骤：
第一步制冷剂气体的两级压缩
制冷剂气体经一级压缩机压缩后，进入海水换热器，通过与海水换热带走一部分热量，然后再进入二级压缩机压缩，得到高温高压制冷剂气体。常压下的海水通过泵提压后，分成两部分为制冷剂提供冷量。一部分进入一级压缩机出口的海水换热器，另一部分进入二级压缩机出口的海水换热器。
第二步制冷剂的冷却
经过两级压缩的高温高压制冷剂气体，先进入海水换热器，冷却，再进入冷箱，通过与返流低温制冷剂气体换热，进一步降温。
第三步制冷剂的相变潜热冷却
从冷箱出来的制冷剂，分成两股，一股进入闪蒸塔进行绝热闪蒸，从闪蒸塔塔顶出来的制冷剂气相出料作为低温返流气，塔底的制冷剂液相出料则作为冷源，利用自身的蒸发潜热冷却另一股制冷剂，使其进一步降温。换热后的制冷剂气体也作为低温返流气进入冷箱为压缩后的制冷剂提供冷量。
第四步制冷剂的返流冷却
被液相制冷剂自身的蒸发潜热冷却的低温制冷剂，进入另一闪蒸塔绝热闪蒸，从闪蒸塔塔顶出来的制冷剂气相作为低温返流气进入冷箱为压缩后的制冷剂提供冷量；塔底的制冷剂液相出料进入乙烯或乙烷冷凝器冷却乙烯或乙烷BOG。而提供冷量的制冷剂变成气相，也作为低温返流气。
第三步和第四步中描述的四股低温返流气混合后，进入冷箱为压缩后的制冷剂提供冷量，换热后的返流气再进入一级压缩机，构成封闭式的制冷剂循环体系。
第一步中，所述一级压缩机进料的温度范围-102℃～-85℃，压力范围0.11MPa～0.12MPa，提压至0.52MPa～0.56MPa；二级压缩机提压至1.72MPa～1.86MPa。
上述船运液化乙烯或乙烷蒸发气体的再液化方法的第三步中，所述闪蒸塔的压力范围为0.52MPa～0.56MPa。
上述船运液化乙烯或乙烷蒸发气体的再液化方法的第四步中，所述闪蒸塔的压力范围为0.11MPa～0.12MPa。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1.在本发明乙烯或乙烷BOG再液化系统中，进料经一级压缩机提压后，都与后续流程的低温返流气混合，以降低二级压缩机入口温度，从而提高二级压缩机压缩比，减小压缩机功耗，节约流程的操作费用。
2.本发明的制冷剂优选R404A。R404A是一种环保型臭氧损耗指数为零的制冷剂，无毒，安全性高，温度滑移小，属于近共沸制冷剂。压力和容积制冷量与R22具有相当的可比性。
3.在本发明的制冷剂制冷循环系统的第四步中，将多股低温返流气混合后进入冷箱为压缩后的制冷剂提供冷量；该工序充分利用了返流气冷量，将制冷剂温度进一步降低，实现了低温制冷剂能量的回收利用；同时也节省了循环制冷剂用量，从而节省了投资费用。
4.本发明根据我国乙烯工业的现状，通过将船运乙烯或乙烷过程中产生的乙烯或乙烷BOG再液化回收，不仅可以改善我国乙烯原料构成，降低能耗和生产成本，同时也可以缓解我国石油资源的短缺，因而具有显著的社会价值和经济价值。本发明乙烯或乙烷BOG再液化工艺的能量利用合理，故液化效率较高，同时制冷剂循环量较少，且制冷效果好，操作费用较低。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，下述具体实施例描述的是一6400M3容量的液态乙烯或乙烷运输船采用本发明进行乙烯或乙烷BOG再液化的方法。根据液货灌的设计要求，该运输船的乙烯或乙烷液货罐每天的BOG蒸发率大约为液货总量的0.2～0.38％，同时还要包括管线、其他设备入热、乙烯或乙烷装载或卸料等产生的BOG量；该运输船的BOG再液化系统要具备能处理1,500kg/h的BOG总量，以维持6400M3容量的船上液货罐压力不变的能力；且该BOG再液化系统还应具备液货罐内的乙烯或乙烷在90小时内液货的温升不能超过4℃，即乙烯在90小时内液货罐温度在-102℃～-98℃变化的能力。本发明的单元设备包括海水泵、BOG压缩机及制冷剂压缩机、换热器和闪蒸塔。具体工作步骤和工艺条件如下：
实施例一：液态乙烯BOG的再液化
第一步乙烯BOG的两级压缩
从船上乙烯液货罐蒸发出来的1500Kg/hr、-102.0℃、0.11MPa的乙烯BOG气体进入一级压缩机1，压缩到0.52MPa，温度由-102℃上升到-0.7℃。从一级压缩机出口的乙烯BOG与后续流程的返流气体S3及S5混合，被降温到-13.1℃，进入二级压缩机2压缩，压力升高到1.72MPa，温度为83.9℃。
第二步乙烯BOG的冷却
冷却装置包括海水换热器3和乙烯冷凝器4；经过两级压缩的高温高压乙烯气体，先进入海水换热器3，与海水换热，温度由83.9℃降低到38℃，压力降为1.69MPa。再进入乙烯冷凝器4与制冷剂S12换热，温度由38℃降到-38℃，压力降为1.59MPa。常压下的海水5400Kg/hr通过泵提压到0.50MPa后，进入海水换热器3，温度由32℃上升到40.3℃，压力降为0.30MPa。
第三步 乙烯的相变潜热冷却
从乙烯冷凝器4出来的乙烯进入分流器分成两股，其中一股S1以418Kg/hr进入闪蒸塔5进行绝热闪蒸，从塔顶分离出来的86Kg/hr，温度、压力分别为-70℃，0.52MPa的乙烯气体作为低温返流气S3。塔底乙烯液相出料S4为332Kg/hr，进入换热器6利用自身蒸发潜热将1830Kg/hr另一股乙烯BOG S2冷却至-66℃，压力降为1.52MPa，换热后的乙烯气体也作为低温返流气S5。
第四步 乙烯BOG再液化的入罐储存
经过换热器6被冷却的1830Kg/hr的低温乙烯进入另一闪蒸塔7进行绝热闪蒸，从塔顶分离出来的气体330Kg/hr，温度、压力分别为-102℃、0.11MPa，返回一级压缩机入口与乙烯液货罐蒸发出来的乙烯BOG气体混合被压缩。塔底液相出料1500Kg/hr进入乙烯液货罐储存。
上述方法中，第二步制冷剂R404A有制冷循环提供，制冷循环的步骤包括：
第一步制冷剂气体的两级压缩
7673Kg/hr、30.3℃、0.13MPa的制冷剂气体进入一级压缩机8，被压缩至0.59MPa，温度由30.3℃上升到96℃，进入海水换热器9与海水换热，温度降至38℃，压力降为0.56MPa。然后进入二级压缩机10，压缩至1.91MPa，温度为95.8℃。常压下的海水56556Kg/hr通过泵提压至0.50MPa，进入分流器分成两股，一股进入海水换热器9，流量为13117Kg/hr，温度由32℃上升到39.6℃，压力降至0.30MPa。另一股进入海水换热器11，流量为43439Kg/hr。
第二步制冷剂的冷却
冷却装置包括海水换热器11和冷箱12。经过两级压缩的高温高压制冷剂气体，先进入海水换热器11与海水换热，温度由95.8℃降至38℃，压力降为1.88MPa。海水的温度则由32℃上升到39.6℃，压力降至0.30MPa。经海水冷却的制冷剂再进入冷箱12，通过与第四步中的返流低温制冷剂气体S13换热，温度降至2℃。
第三步制冷剂的相变潜热冷却
从冷箱12出来的制冷剂进入分流器分成两股，一股S6以2087Kg/hr进入闪蒸塔13进行绝热闪蒸。从塔顶分离出来的气体610Kg/hr，温度、压力分别为-41.5℃、0.13MPa，作为低温返流气S8。塔底制冷剂液相出料S9为1477Kg/hr，进入换热器14，利用自身蒸发潜热将另一股5586Kg/hr的制冷剂S7冷却至-38℃，压力降为1.78MPa。换热后的制冷剂气体作为低温返流气S10。
第四步制冷剂的返流冷却
经过换热器14被冷却的5586Kg/hr的低温制冷剂，进入另一闪蒸塔15进行绝热闪蒸，从闪蒸塔塔顶出来的气体144Kg/hr，温度、压力分别为-41.62℃、0.13MPa，作为低温返流气S11。塔底制冷剂液相出料5442Kg/hr，利用自身蒸发潜热将压缩的乙烯BOG在换热器4由38℃冷却至-38℃，换热后的制冷剂气体作为低温返流气S14。上述四股低温返流气S8、S10、S11及S14混合后为返流低温制冷剂气体S13，温度、压力分别为-40.8℃，0.13MPa进入冷箱，作为冷源冷却压缩后的制冷剂气体，提供冷量的制冷剂气体温度由-40.8℃上升到30.3℃，再进入一级压缩机压缩8，构成制冷剂循环体系。
实施例二：液态乙烷BOG的再液化
第一步 乙烷气体的两级压缩
从船上乙烷液货罐蒸发出来的1480Kg/hr、-85.0℃、0.12MPa的乙烷BOG进入一级压缩机1，压缩到0.56MPa，温度由-85.0℃上升到2.8℃。从一级压缩机出口的乙烷BOG与后续流程的返流气体S3及S5混合，被降温到-6.1℃，进入二级压缩机2，压力升高到1.86MPa，温度为75.4℃。
第二步 乙烷BOG的冷却
冷却装置包括海水换热器3和乙烷冷凝器4；经过两级压缩的高温高压乙烷气体，先进入海水换热器3，与海水换热，温度由75.4℃降低到40℃，压力降为1.82MPa。再进入乙烷冷凝器4，与制冷剂S12换热，温度由40℃降到-20℃，压力降为1.75MPa。常压下的海水5044Kg/hr通过泵提压到0.50MPa后，进入海水换热器3，温度由32℃上升到40℃，压力降为0.30MPa。
第三步 乙烷的相变潜热冷却
从乙烷冷凝器4出来的乙烷进入分流器分成两股，其中流股S1以400Kg/hr进入闪蒸塔5进行绝热闪蒸，从塔顶分离出来的80Kg/hr，温度、压力分别为-49.7℃，0.56MPa的乙烷气体作为低温返流气S3。塔底乙烷液相出料S4为320Kg/hr，进入换热器6利用自身蒸发潜热将1877Kg/hr的另一股乙烷BOG S2冷却至-45℃，压力降为1.69MPa，换热后的乙烷气体也作为低温返流气S5。
第四步 乙烷BOG再液化的入罐储存
经过换热器6被冷却的1877Kg/hr的低温乙烷进入另一闪蒸塔7进行绝热闪蒸，从塔顶分离出来的气体397Kg/hr，温度、压力分别为-85℃、0.12MPa，返回一级压缩机入口与乙烷液货罐蒸发出来的乙烷BOG气体混合被压缩。塔底液相出料1480Kg/hr进入乙烷液货罐储存。
上述方法中，第二步制冷剂R404A有制冷循环提供，制冷循环的步骤与实施例一中的制冷循环步骤相同。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明的权利要求进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种船运液化乙烯或乙烷蒸发气体的再液化方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步乙烯或乙烷蒸发气体的两级压缩
船上乙烯或乙烷液货罐出来的乙烯或乙烷蒸发气体进入一级压缩机压缩后，与低温返流气混合，再进入二级压缩机压缩，得到高温高压乙烯或乙烷气体；
第二步乙烯或乙烷蒸发气体的冷却
经过两级压缩的高温高压乙烯或乙烷气体先进入海水换热器，通过与海水换热冷却，再进入乙烯或乙烷冷凝器，通过与制冷剂换热冷却至更低的温度；
第三步乙烯或乙烷的相变潜热冷却
从乙烯或乙烷冷凝器出来的乙烯或乙烷气体分成两股，一股进入闪蒸塔进行绝热闪蒸，从闪蒸塔塔顶出来的乙烯或乙烷气相出料作为低温返流气，塔底的乙烯或乙烷液相出料则作为冷源，进入换热器利用自身的相变潜热来冷却另一股乙烯或乙烷，使其进一步降温，换热后的乙烯或乙烷气体也作为低温返流气；
第四步乙烯或乙烷蒸发气体再液化的入罐储存
经过换热器冷却的低温乙烯或乙烷，进入另一闪蒸塔绝热闪蒸，从闪蒸塔塔顶出来的乙烯或乙烷气相出料返回第一步的一级压缩机，塔底的乙烯或乙烷即液货罐的蒸发气体再液化后的液相出料，进入乙烯或乙烷液货罐储存；
2.根据权利要求1所述的船运液化乙烯或乙烷蒸发气体的再液化方法，其特征在于：所述第一步中，所述一级压缩机进料的温度范围-102℃～-85℃，压力范围0.11MPa～0.12MPa，提压至0.52MPa～0.56MPa；所述二级压缩机提压至1.72MPa～1.86MPa。
3.根据权利要求1所述的船运液化乙烯或乙烷蒸发气体的再液化方法，其特征在于：所述第二步中，所述制冷剂是R404A。
4.根据权利要求1所述的船运液化乙烯或乙烷蒸发气体的再液化方法，其特征在于：所述第二步中，所述制冷剂由制冷循环提供，所述制冷循环由以下步骤实现：
第一步制冷剂气体的两级压缩
制冷剂气体经一级压缩机压缩后，进入海水换热器，通过与海水换热带走一部分热量，然后再进入二级压缩机压缩，得到高温高压制冷剂气体；常压下的海水通过泵提压后，分成两部分为制冷剂提供冷量；一部分进入一级压缩机出口的海水换热器，另一部分进入二级压缩机出口的海水换热器；
第二步制冷剂的冷却
经过两级压缩的高温高压制冷剂气体，先进入二级压缩机出口的海水换热器，冷却，再进入冷箱，通过与返流低温制冷剂气体换热，进一步降温；
第三步制冷剂的相变潜热冷却
从冷箱出来的制冷剂，分成两股，一股进入闪蒸塔进行绝热闪蒸，从闪蒸塔塔顶出来的制冷剂气相出料作为低温返流气，塔底的制冷剂液相出料则作为冷源，利用自身的蒸发潜热冷却另一股制冷剂，使其进一步降温；换热后的制冷剂气体也作为低温返流气进入冷箱为压缩后的制冷剂提供冷量；
第四步制冷剂的返流冷却
被液相制冷剂自身的蒸发潜热冷却的低温制冷剂，进入另一闪蒸塔绝热闪蒸，从闪蒸塔塔顶出来的制冷剂气相作为低温返流气进入冷箱为压缩后的制冷剂提供冷量；塔底的制冷剂液相出料进入乙烯或乙烷冷凝器冷却乙烯或乙烷蒸发气体；而提供冷量的制冷剂变成气相，也作为低温返流气；
第三步和第四步中的四股低温返流气混合后，进入冷箱为压缩后的制冷剂提供冷量，换热后的返流气再进入一级压缩机，构成封闭式的制冷剂循环体系。
5.根据权利要求4所述的船运液化乙烯或乙烷蒸发气体的再液化方法，其特征在于：所述船运液化乙烯或乙烷蒸发气体的再液化方法的第三步中，所述闪蒸塔的压力范围为0.52MPa～0.56MPa。
6.根据权利要求4所述的船运液化乙烯或乙烷蒸发气体的再液化方法，其特征在于：所述船运液化乙烯或乙烷蒸发气体的再液化方法的第四步中，所述闪蒸塔的压力范围为0.11MPa～0.12MPa。
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