本发明涉及轻烃回收领域，尤其是乙烷回收领域，具体为一种采用阶式制冷在天然气回收乙烷的工艺装置及方法，适用于各种原料气压力，针对乙烷回收工厂的原料气压力小于5mpa的气质条件，既具有较高的乙烷回收率，又有节省投资和降低能耗的优点。
背景技术：
乙烷是优质的急冷热裂解制乙烯的原料，具有烯烃收率高，副产品很少，工艺较简单，相应的投资减少，建设周期短，投资回报快等诸多优势，在中东和美国得到了大量利用，而我国由于自身石油储量较为贫瘠，乙烯进口量逐年攀升，在低成本高利润的刺激下，烯烃原料轻质化的需求越发强烈，而乙烷大量存在于外输的产品天然气中，目前利用率较低，根据最新的需求，为更高效地利用天然气，实现天然气产品多元化，大力发展乙烷回收技术具有重要意义。
目前天然气乙烷回收工厂主要多数采用“丙烷/丙烯预冷+膨胀机制冷”工艺。因为采用单组分制冷剂预冷，原料气预冷温度较低，主要依靠膨胀制冷提供冷量，当原料气压力不太高，不能提供足够的冷量时，乙烷收率则相对较低，不够经济。而“阶式制冷+膨胀机制冷工艺”既可以提供较低的预冷温度又可提高乙烷收率，适用于各种原料气压力，针对原料气压力不高时，可以解决投资高，能耗大，操作复杂的问题。
技术实现要素：
为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种采用阶式制冷的天然气乙烷回收装置及方法，具有能耗低、开车容易，单台压缩机功率较低，降低投资和操作简单灵活的优点。
本发明所采用的技术方案是：一种采用阶式制冷的天然气乙烷回收装置，包括冷箱、低温分离器、脱甲烷塔、脱乙烷塔、丙烷换热系统和乙烯换热系统，其中：冷箱的天然气出口与低温分离器连接，低温分离器的液相出口依次与脱甲烷塔、脱乙烷塔、脱乙烷塔顶冷凝器、脱乙烷塔塔顶回流罐、丙烷换热系统、乙烯换热系统相连；脱甲烷塔的塔顶气相依次与冷箱、膨胀机和产品气压缩机相连；乙烯换热系统的天然气出口与脱甲烷塔顶部入口相连；丙烷压缩机、丙烷冷凝器、丙烷换热系统循环连接；乙烯压缩机、丙烷换热系统、乙烯换热系统循环连接。
本发明还提供了一种采用阶式制冷的天然气乙烷回收方法，包括如下内容：
一、将原料气天然气进行精馏分离为乙烷产品、c3+和产品天然气：
3.0～7.0mpa.g的干燥含乙烷天然气经过冷箱预冷至-35～-75℃后进入低温分离器进行分离，分离出的气相大部分经过膨胀机膨胀至压力为2.0～4.0mpa.g后进入脱甲烷塔，分离出的少部分气相进入冷箱冷凝至-80～-95℃成液体后再进入脱甲烷塔上部；低温分离器分离出的液相节流至2.2～4.0mpa.g后进入脱甲烷塔；脱甲烷塔的压力控制在1.8～3.8mpa.g；
脱甲烷塔塔底出来的c2+进入脱乙烷塔，脱乙烷塔的压力控制在1.6～3.5mpa.g，经过脱乙烷塔分馏后，塔顶出来的气相经脱乙烷塔顶冷凝器冷凝至-30～5℃后经脱乙烷塔塔顶回流罐分离，得到的液体输送至脱乙烷塔塔顶作为其回流液，脱乙烷塔塔顶回流罐分离得到的气相为乙烷产品，进入丙烷换热系统；
脱甲烷塔塔顶出来的气相通过冷箱换热至10～35℃后，再依次通过膨胀机同轴增压端和产品气压缩机增压后大部分作为产品天然气外输，其余少部分进入丙烷换热系统；
二、丙烷换热系统为产品乙烷液化及过冷提供冷量：
经丙烷压缩机增压至1300～1700kpa的制冷剂丙烷经过丙烷冷凝器冷凝并冷却至30～50℃后进入丙烷换热系统，丙烷换热系统将气相乙烷产品冷凝并冷却至-34～-37℃，将回流的产品天然气预冷至-34～-37℃，并且将制冷剂乙烯冷凝并冷却至-34～-37℃；
三、乙烯换热系统为乙烷产品过冷和回流的产品气液化及过冷提供冷量：
经乙烯压缩机增压至1600～2400kpa的制冷剂乙烯依次通过乙烯换热系统冷凝并冷却至-36～-34℃后进入乙烯换热系统，乙烯换热系统将冷凝的乙烷产品过冷至-90～-85℃，将回流的产品天然气液化并过冷至-95～-90℃。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：适用于乙烷回收工厂各种原料气压力条件，针对压力小于5mpa的乙烷回收工厂，本发明可将单组分制冷剂多级节流，提高制冷效率，在一定程度上减小了乙烷回收装置制冷部分的制冷剂压缩机负荷。具有设计简单，采购容易，单台压缩机功率较低，降低投资、能耗低和操作简单灵活的优点。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本装置的工艺原理流程图。
具体实施方式
一种采用阶式制冷的天然气乙烷回收装置，如图1所示，包括：冷箱1、低温分离器2、膨胀机3、脱甲烷塔4、脱甲烷塔塔底重沸器5、脱乙烷塔6、脱乙烷塔顶冷凝器7、脱乙烷塔塔顶回流罐8、脱乙烷塔塔顶回流泵9、脱乙烷塔塔底重沸器10、产品气压缩机11、丙烷压缩机12、丙烷冷凝器13、丙烷换热系统14、乙烯压缩机15、乙烯换热系统16。一种采用阶式制冷的天然气乙烷回收装置主要分为三部分，分别为：精馏部分，丙烷制冷部分和乙烯制冷部分。
一、精馏部分：该部分将原料气天然气进行精馏分离为乙烷产品，c3+和产品天然气。
冷箱1是乙烷回收装置原料气预冷和低温气过冷的场所，冷箱1依次与低温分离器2、膨胀机3、脱甲烷塔4和产品气压缩机11连接。
低温分离器2出口的液相与脱甲烷塔4直接相连；脱甲烷塔4出口的液相与脱乙烷塔6直接相连；脱乙烷塔6与脱乙烷塔顶冷凝器7、脱乙烷塔顶回流罐8、脱乙烷塔顶回流泵9依次相连；脱乙烷塔顶回流泵9的出口与脱乙烷塔6塔顶入口相连；脱甲烷塔4底部设有脱甲烷塔底重沸器5，用于为脱甲烷塔4底部提供热量；脱乙烷塔6底部设有脱乙烷塔底重沸器10，用于为脱乙烷塔6底部提供热量。
二、丙烷制冷部分：该部分主要为产品乙烷液化及过冷提供冷量。
脱乙烷塔塔顶回流罐8出口的气相为乙烷产品，与丙烷换热系统14和乙烯换热系统16相连冷凝为液体后输送至乙烷储罐。
丙烷压缩机12出口气体依次与丙烷冷凝器13、丙烷换热系统14相连形成丙烷制冷系统循环。
三、乙烯制冷部分：该部分主要为回流的产品气液化及过冷提供冷量。
产品气压缩机11出口大部分直接外输，剩余部分需要冷凝为脱甲烷塔4提供冷量，因此依次与丙烷换热系统14和乙烯换热系统16相连，冷凝为液体后再与脱甲烷塔4相连。
乙烯压缩机15出口的气相依次与丙烷换热系统14和乙烯换热系统16相连形成乙烯制冷系统循环。
本发明还提供了一种采用阶式制冷从天然气中回收乙烷的方法，包括如下步骤：
1、精馏部分
3.0～7.0mpa.g的干燥含乙烷天然气与冷箱1相连，经过冷箱1预冷至-35～-75℃左右后，经过低温分离器2分离出的气相大部分(约60～80％左右)进入膨胀机3，膨胀后的气相压力至2.0～4.0mpa.g后直接进入脱甲烷塔4，剩余少部分气相继续进入冷箱1进一步冷凝至-80～-95℃成液体后再进入脱甲烷塔4上部。低温分离器2分离出的液相则节流至2.2～4.0mpa.g后直接进入脱甲烷塔4。脱甲烷塔的压力控制在1.8～3.8mpa.g。
脱甲烷塔4塔底出来的c2+直接进入脱乙烷塔6，脱乙烷塔6的压力控制在1.6～3.5mpa.g，经过脱乙烷塔6分馏后，塔顶出来的气相与脱乙烷塔顶冷凝器7相连，部分冷凝至-30～5℃左右后通过脱乙烷塔塔顶回流罐8分离得到的液体则通过脱乙烷塔塔顶回流泵9输送至脱乙烷塔6塔顶作为其回流液，脱乙烷塔塔顶回流罐8分离得到的气相则为乙烷产品。
脱甲烷塔4塔顶出来的气相通过冷箱1换热至10～35℃后，再依次通过膨胀机3同轴增压端和产品气压缩机11增压后80％～90％作为产品天然气外输。
2、丙烷制冷部分
丙烷换热系统14包括高压丙烷蒸发器、中压丙烷蒸发器和低压丙烷蒸发器，在该系统内将气相乙烷产品冷凝并冷却至-34～-37℃，将回流的产品天然气预冷至-34～-37℃，并且将制冷剂乙烯冷凝并冷却至-34～-37℃。
经丙烷压缩机12增压至1300～1700kpa的制冷剂丙烷经过丙烷冷凝器13冷凝并冷却至30～50℃后进入丙烷换热系统14，通过节流至15～23℃为高压丙烷蒸发器提供冷量，将回流的产品天然气和制冷剂乙烯预冷至18～26℃后进入中压丙烷蒸发器。高压丙烷蒸发器中的气相丙烷返回丙烷压缩机12的三级增压入口，分离出的液体丙烷则被继续节流至-15～-5℃进入中压丙烷蒸发器，为其提供冷量，将乙烷产品、回流的产品天然气和制冷剂乙烯冷却至-12～-2℃后进入低压丙烷蒸发器。中压丙烷蒸发器中的气相丙烷返回丙烷压缩机的二级增压入口，分离出的液体丙烷则被继续节流至-39～-37℃进入低压丙烷蒸发器，为其提供冷量，将乙烷产品、回流的产品天然气和制冷剂乙烯冷却至-36～-34℃进入乙烯换热系统。低压丙烷蒸发器分离出来的气相进入丙烷压缩机12的一级增压入口。丙烷则完成制冷循环。
3、乙烯制冷
乙烯换热系统16包括高压乙烯蒸发器、中压乙烯蒸发器和低压乙烯蒸发器，在该系统内将冷凝的乙烷产品过冷至-90～-85℃，将回流的产品天然气液化并过冷至-95～-90℃。
经乙烯压缩机15增压至1600～2400kpa的制冷剂乙烯依次通过乙烯换热系统冷凝并冷却至-36～-34℃后通过节流至-60～-50℃为高压乙烯蒸发器提供冷量，将回流的产品天然气和乙烷预冷却-57～47℃后进入中压乙烯蒸发器。高压乙烯蒸发器中的气相乙烯返回乙烯压缩机15的三级增压入口，分离出的液体乙烯则被继续节流至-81～-73℃进入中压乙烯蒸发器，为其提供冷量，将回流的产品天然气和乙烷冷却至-78～-70℃后进入低压乙烯蒸发器。中压乙烯蒸发器中的气相乙烯返回乙烯压缩机15的二级增压入口，分离出的液体乙烯则被继续节流至-98～-93℃进入低压乙烯蒸发器，为其提供冷量，将回流的产品天然气冷却至-95～-90℃后至脱甲烷塔4顶部作为其回流液，乙烷冷却至-90～-85℃后输送至乙烷储罐储存。低压乙烯蒸发器分离出来的气相进入乙烯压缩机15的一级增压入口。乙烯则完成制冷循环。
本发明中丙烷制冷部分可采用丙烯制冷，乙烯制冷部分可采用乙烷制冷。
本发明中脱甲烷塔和脱乙烷塔分别设有重沸器。
本发明中脱甲烷塔是板式塔也可以是填料和板式相结合的形式，脱乙烷塔可以是板式塔也可以是填料塔。
本发明中，丙烷换热系统根据乙烷产品的压力，还可以是单级换热，也可以是两级换热或者四级换热，相应的丙烷压缩机入口可以是一级增压，也可以是两级增压或者是四级增压。
本发明中，丙烷冷剂还可以是丙烯。
本发明中，根据丙烷压缩机出口压力的不同，丙烷冷凝器13是循环水冷凝，也可以采用空冷器冷凝。
本发明中，乙烯换热系统根据回流的产品天然气的压力，可以是两级换热或者四级换热，相应的乙烯压缩机入口可以是两级增压或者是四级增压。
本发明中，根据乙烷储存条件的要求和回流的产品天然气制冷温度的不同，乙烯冷剂还可以换成乙烷。
本发明中脱乙烷塔底出来的液相为c3+，可根据用户需求决定是否通过脱丁烷塔分馏得到lpg产品和稳定轻烃产品外售，也可以直接外售。实现产品多元化。