СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ЛЕТУЧИХ КОМПОНЕНТОВ ИЗ ПРИРОДНОГО ГАЗА Российский патент 2004 года по МПК F25J3/02 F25J3/08 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится в целом к способу сжижения потока многокомпонентного исходного подаваемого сырья путем использования низкотемпературного фракционирования. Более точно, изобретение относится к способу сжижения потока природного газа, содержащего компонент, более летучий по сравнению с метаном, для получения сжиженного природного газа под давлением (PLNG - pressurized liquefied natural gas) с низким содержанием более летучего компонента.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Благодаря своей способности к полному сгоранию и удобству применения природный газ стал широко использоваться в последние годы. Многие источники природного газа расположены на удаленных территориях, на больших расстояниях от любых рынков сбыта газа. Иногда имеется трубопровод для транспортирования поставляемого природного газа на рынок сбыта. В том случае, когда транспортировка по трубопроводам не осуществима, поставляемый природный газ часто перерабатывают в сжиженный природный газ (который называют "LNG" (liquefied natural gas)) для транспортировки на рынок.

Природный газ часто содержит разбавляющие газы, такие как азот и гелий. Наличие этих газов приводит к снижению теплотворной способности природного газа. Кроме того, некоторые из этих газов могут иметь независимое промышленное применение, если существует возможность их отделения от природного газа. Следовательно, отделение разбавляющих газов от природного газа может иметь двойной экономический эффект, а именно, увеличение теплотворной способности природного газа и получение годного для реализации газа, такого как гелий. В установках для сжижения природного газа также происходит удаление азота из природного газа, поскольку азот не будет оставаться в жидкой фазе во время транспортировки обычного сжиженного природного газа, который находится под атмосферным давлением или давлением, близким к атмосферному.

Обычно большинство известных способов разделения природного газа включают в себя, по меньшей мере, три отдельные рабочие операции или стадии. К этим операциям относятся: (1) операция предварительной обработки газа для удаления воды и кислотообразующих газов, таких как диоксид углерода и сульфид водорода, (2) операция отделения жидких продуктов в природном газе путем использования низких, но некриогенных температур для отделения и рекуперации этана и более тяжелых углеводородных компонентов и (3) операция отделения или отвода (задерживания) азота, часто выполняемая в установках для отвода азота (NRU - nitrogen rejection units). Отвод азота, как правило, осуществляют путем охлаждения азотсодержащего природного газа и фракционирования его в дистилляционной колонне.

Недавно было предложено производить богатую метаном жидкость, имеющую температуру свыше приблизительно -112^oС (-170^oF) и давление, достаточное для того, чтобы жидкость находилась при температуре начала ее кипения или температуре ниже точки начала кипения. Этот сжиженный природный газ под давлением иногда называют PLNG, чтобы отличить его от LNG (сжиженного природного газа), который находится под атмосферным или близким к атмосферному давлением. Давление сжиженного природного газа под давлением, как правило, будет иметь значение свыше приблизительно 1380 кПа (200 фунтов на кв. дюйм абсолютного давления). Одно из преимуществ способа производства сжиженного природного газа под давлением заключается в том, что сжиженный природный газ под давлением может содержать до приблизительно 10 мольных процентов азота. Однако азот приводит к снижению теплотворной способности сжиженного природного газа под давлением и к повышению температуры начала кипения полученного сжиженного природного газа под давлением. Следовательно, существует необходимость в усовершенствованном способе удаления азота из потока природного газа под давлением и одновременного получения сжиженного природного газа под давлением.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение в целом относится к процессу разделения, при котором происходит разделение потока исходного подаваемого сырья под давлением, содержащего метан и, по меньшей мере, один компонент с высокой летучестью, такой как гелий и водород, который имеет относительную летучесть, превышающую летучесть метана. В иллюстративных целях предполагается, что основная сепарация - это отделение N₂ от СН₄.

В предпочтительном варианте осуществления данного изобретения описан процесс отделения азота от азотсодержащего природного газа под давлением в целях получения сжиженного природного газа под давлением, который имеет низкое содержание азота и температуру свыше приблизительно -112^oС (-170^oF). Поток поступающего природного газа под давлением подают во фракционирующую ректификационную колонну под давлением свыше приблизительно 1380 кПа (200 фунтов на кв. дюйм абсолютного давления). Давление исходного природного газа предпочтительно составляет свыше приблизительно 4137 кПа (600 фунтов на кв. дюйм абсолютного давления), и он расширяется с помощью соответствующего средства расширения до более низкого давления перед подачей его во фракционирующую ректификационную колонну. Во фракционирующей ректификационной колонне образуется поток первой жидкости, который имеет низкое содержание азота, и поток первого пара, который имеет повышенное содержание азота. После этого поток пара охлаждается для образования паровой фазы и жидкой фазы. Паровую и жидкую фазы затем подвергают разделению фаз для образования потока второго пара и потока второй жидкости. Поток второй жидкости возвращается во фракционирующую ректификационную колонну в качестве флегмы (обратного стока). Поток второго пара предпочтительно используют для охлаждения поступающего потока исходного подаваемого сырья. Поток первой жидкости отводят из установки для фракционирования как поток продукта, который имеет низкое содержание азота, температуру свыше приблизительно -112^oС (-170^oF) и давление, достаточное для того, чтобы жидкий продукт находился при его температуре начала кипения или при температуре ниже точки начала кипения.

Возможно, но не обязательно, поток подаваемого исходного сырья разделяют на первый поток подаваемого исходного сырья и второй поток подаваемого исходного сырья. Первый поток подаваемого исходного сырья охлаждают посредством косвенного теплообмена с потоком, образованным в результате процесса во фракционирующей ректификационной колонне и отводимым из нее. Второй поток подаваемого исходного сырья охлаждают путем косвенного теплообмена с жидкостью, образованной в результате процесса во фракционирующей ректификационной колонне и отводимой из колонны. Первый и второй потоки подаваемого исходного сырья затем объединяют и подают во фракционирующую ректификационную колонну.

Одно преимущество настоящего изобретения заключается в том, что может быть получен жидкий продукт под давлением, который имеет низкое содержание азота, с помощью только одной фракционирующей ректификационной колонны, и при этом не возникает необходимости снижения давления во фракционирующей ректификационной колонне до значений, близких к атмосферному давлению, что является обычной практикой при удалении азота из сжиженного природного газа.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА
Настоящее изобретение и его преимущества будут лучше поняты при изучении нижеприведенного подробного описания и приложенного чертежа, который представляет собой принципиальную схему одного варианта осуществления данного изобретения. Чертеж не предназначен для исключения из объема изобретения других вариантов осуществления, которые являются результатом типовых и ожидаемых модификаций варианта осуществления, показанного на чертеже. Различные необходимые подсистемы, такие как клапаны, смесители для потоков жидкостей и газов, системы управления и датчики были удалены из изображения на чертеже для упрощения и ясности представленного изображения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Было установлено, что поток природного газа под давлением, содержащий метан и относительно летучий компонент, такой как азот, может быть подвергнут криогенной сепарации, и при этом необходимо только минимальное дополнительное криогенное охлаждение, чтобы получить сжиженный природный газ под давлением, который по существу свободен от азота, без снижения давления до значений, близких к атмосферному давлению.

В соответствии с данным открытием согласно настоящему изобретению предлагается способ разделения сжиженного природного газа под давлением, содержащего метан и, по меньшей мере, один компонент с высокой летучестью, такой как гелий и азот. Данный способ разделения позволяет получить сжиженный природный газ под давлением, который по существу свободен от компонента с высокой летучестью и который имеет температуру свыше приблизительно -112^oС (-170^oF) и давление, достаточное для того, чтобы жидкий продукт находился при температуре, равной температуре начала его кипения или ниже указанной температуры начала кипения. Этот богатый метаном продукт иногда в данном описании называется сжиженным природным газом под давлением ("PLNG").

Термин "точка начала кипения" в используемом в данном описании смысле относится к температуре и давлению, при которых жидкость начинает превращаться в газ. Например, если некоторый объем сжиженного природного газа под давлением удерживается при постоянном давлении, но его температура увеличивается, то температура, при которой пузырьки газа начинают образовываться в сжиженном природном газе под давлением, представляет собой точку начала кипения. Аналогичным образом, если некоторый объем сжиженного природного газа под давлением удерживается при постоянной температуре, но давление снижается, то давление, при котором начинается образование газа, определяет точку начала кипения. В точке начала кипения сжиженный газ представляет собой насыщенную жидкость.

Первое обстоятельство, которое следует учитывать при криогенной обработке природного газа, - это загрязненность. Не подвергнутый обработке, исходный природный газ, представляющий собой сырье, пригодное для способа по настоящему изобретению, может содержать природный газ, полученный из нефтяной скважины (попутный газ), или из газовой скважины (газ, полученный из газовой залежи (непопутный)). Состав природного газа может варьироваться существенным образом. При использовании термина "природный газ" в данном описании речь идет о потоке природного газа, содержащем метан (C₁) в качестве основного компонента. Как правило, природный газ также содержит этан (C₂), высшие углеводороды (С₃₊) и незначительные количества загрязняющих примесей, таких как вода, диоксид углерода, сульфид водорода, азот, бутан, углеводороды с шестью или более атомами углерода, сорные примеси, сульфид железа, парафин и сырую нефть. Растворимость этих загрязняющих примесей меняется в зависимости от температуры, давления и состава. При криогенных температурах СО₂, вода или другие загрязняющие примеси могут образовывать твердые частицы, которые могут забивать каналы для потока в криогенных теплообменниках. Этих потенциальных затруднений можно избежать за счет удаления таких загрязняющих примесей, если ожидается использование температур, значения которых равны или ниже температуры, соответствующей такому соотношению между температурой и давлением для данной загрязняющей примеси в чистом виде, которое приводит к образованию твердых частиц. В приведенном ниже описании изобретения предполагается, что поток природного газа подвергнут соответствующей обработке для удаления сульфидов и диоксида углерода и обезвоживанию для удаления воды путем использования традиционных и хорошо известных способов с целью получения потока "нейтрального, дезодорированного, обезвоженного" природного газа. Если поток природного газа содержит тяжелые углеводороды, которые могут вымораживаться в процессе сжижения, или если нежелательно присутствие тяжелых углеводородов в сжиженном природном газе под давлением, тяжелые углеводороды могут быть удалены с помощью процесса фракционирования перед получением сжиженного природного газа под давлением. При рабочих давлениях и температурах сжиженного природного газа под давлением умеренные количества азота в природном газе могут быть допустимыми, поскольку азот будет оставаться в жидкой фазе вместе с сжиженным природным газом под давлением. В данном описании предполагается, что природный газ содержит азот в количествах, достаточно больших для того, чтобы иметь основания для удаления азота по способу разделения в соответствии с данным изобретением. В данном описании изобретения предполагается, что содержание азота в потоке подаваемого исходного сырья предпочтительно находится в диапазоне от приблизительно 1 мол.% до приблизительно 15 мол.%.

Как показано на чертеже, поток 10 исходного природного газа поступает в установку для сжижения и предпочтительно разделяется на два потока 11 и 12. Поток 12 охлаждается с помощью теплообменника 30, через который циркулирует холодная жидкость из сепарационной колонны 34.

Поток 11 проходит через теплообменник 32, который находится в состоянии косвенного теплообмена с парами, отводимыми из верхней части установки 37 для разделения фаз. Термин "косвенный теплообмен" в том смысле, в котором он используется в данном описании и формуле изобретения, означает приведение двух потоков текучих сред в состояние теплообмена друг с другом без какого-либо физического контакта или смешивания текучих сред друг с другом. Потоки 11 и 12 соединяются, и объединенный поток (поток 15) пропускается через соответствующее средство 33 расширения, такое как обычный турбодетандер, с целью снижения давления и, тем самым, охлаждения потока пара перед тем, как он поступит в сепарационную колонну 34 на промежуточном уровне.

В варианте осуществления данного изобретения, показанном на чертеже, давление природного газа в потоке 10 подаваемого исходного сырья составляет свыше приблизительно 4137 кПа (600 фунтов на кв. дюйм абсолютного давления) и предпочтительно свыше приблизительно 4827 кПа (700 фунтов на кв. дюйм абсолютного давления), и этот газ предпочтительно находится при температурах ниже 40^oС; однако при необходимости можно использовать другие значения давления и температуры, и при этом система может быть соответствующим образом модифицирована. Если поток 10 подаваемого исходного сырья находится под давлением ниже приблизительно 4137 кПа (600 фунтов на кв. дюйм абсолютного давления), давление его может быть повышено с помощью соответствующего средства сжатия (непоказанного), которое может быть выполнено в виде одного или более компрессоров. Однако следует понимать, что детандер 33 не является существенным элементом изобретения. Если давление потока 10 подаваемого исходного сырья меньше 4137 кПа (600 фунтов на кв. дюйм абсолютного давления), и данный поток находится под давлением, равным или близким к давлению, которое необходимо создать для потока 20 продукта, поток 10 подаваемого исходного сырья может быть подан во фракционирующую ректификационную колонну 34 без пропускания его через средство 33 расширения.

Колонна 34 представляет собой типовую дистилляционную колонну, содержащую тарелки и/или насадку, которые обеспечивают необходимый контакт между жидкостями, проходящими вниз, и парами, поднимающимися вверх. Сепарационная колонна предпочтительно работает при давлениях, находящихся в интервале от приблизительно 1380 кПа (200 фунтов на кв. дюйм абсолютного давления) до приблизительно 4137 кПа (600 фунтов на кв. дюйм абсолютного давления). Сепарационная колонна 34 обеспечивает разделение потока 19 пара, обогащенного азотом, и потока 20 жидкости, обогащенного метаном. Поток 20 жидкости выходит из сепарационной колонны при температуре свыше приблизительно -112^oС и давлении, достаточном для того, чтобы жидкость находилась при температуре, равной или ниже температуры начала ее кипения. После этого жидкость направляют в подходящий резервуар, такой как неподвижный резервуар для хранения, или в транспортное средство, такое как судно, грузовой автомобиль или железнодорожный вагон для транспортировки сжиженного природного газа под давлением.

Поток 19 пара, выходящий из верхней части установки 34 для фракционирования, предназначенной для отвода азота, содержит метан, азот и другие легкие компоненты, такие как гелий и водород. Поток 19 пара проходит через теплообменник 35, охлаждение которого происходит с помощью холодильной установки 36 с замкнутым циклом. Данное изобретение не ограничено каким-либо типом теплообменника, но по экономическим соображениям предпочтительны ребристые пластинчатые теплообменники, теплообменники со спиральными трубами и регенеративные камерные теплообменники, при этом все теплообменники обеспечивают охлаждение путем косвенного теплообмена. Холодильная установка 36 может представлять собой любую обычную холодильную установку с замкнутым циклом, пригодную для конденсации значительной части потока 19 пара. Холодильная установка может содержать один или более из следующих (холодильных агентов): пропан, пропилен, этан, этилен, диоксид углерода, метан, азот или какой-либо другой пригодный холодильный агент. Холодильная установка 36 предпочтительно представляет собой многокомпонентную холодильную установку с замкнутым циклом, которая хорошо известна обычным специалистам в данной области техники как средство охлаждения путем косвенного теплообмена. Охлажденный поток, выходящий из теплообменника 35, проходит в установку 37 для разделения фаз, в которой образуется поток 23 пара, отводимый из верхней части установки для разделения и обогащенный азотом, и поток 22 жидкости, которая возвращается обратно в качестве флегмы в сепарационную колонну 34. Поток 23 пара пропускается через теплообменник 32 для охлаждения потока 11 подаваемого исходного сырья и для отвода холода из потока 23 пара. После выхода из теплообменника 32 поток пара пригоден для использования в качестве топливного газа для турбин, которые приводят в действие используемые в данном процессе компрессоры и насосы, или поток пара может быть подвергнут дополнительной обработке для рекуперации и улавливания годного для реализации азота и/или гелия.

При хранении, транспортировке и погрузочно-разгрузочных операциях, связанных с сжиженным природным газом, может иметь место значительное "выпаривание". Способ по данному изобретению в возможном варианте, но не обязательно, может обеспечить повторное сжижение таких паров, выделившихся при испарении (кипении) (boil-off vapors), а также удаление азота, содержащегося в парах, выделившихся при испарении. Основной источник азотной примеси в парах, выделившихся при испарении, - это тот азот, который содержится в сжиженном природном газе, представляющем собой источник образования паров, выделившихся при испарении. Азот, более летучий по сравнению с сжиженным природным газом, мгновенно испаряется в первую очередь и концентрируется в парах, выделившихся при испарении. Например, сжиженный природный газ, содержащий 0,3 мольного процента N₂, может образовать пар, содержащий приблизительно 3 мольных процента N₂. При более высоких температурах и давлении сжиженного природного газа под давлением азот мгновенно испаряется еще более быстро по сравнению с обычным сжиженным природным газом, находящимся под атмосферным или близким к атмосферному давлением.

Как показано на чертеже, пары, выделившиеся при испарении, могут быть введены в процесс по изобретению с помощью потока 17. Несмотря на то, что на чертеже показано введение потока 17 паров, выделившихся при испарении, в обрабатываемый поток в точке между детандером 33 и фракционирующей ректификационной колонной 34, в свете идей данного изобретения для специалиста в данной области техники очевидно, что пары, выделившиеся при испарении, могут быть введены в любом месте в данном процессе до того, как поток подаваемого исходного сырья будет введен в колонну 34, и, кроме того, пары, выделившиеся при испарении, могут быть введены непосредственно в колонну 34. Пары, выделившиеся при испарении и вводимые в процесс разделения по данному изобретению, должны находиться под давлением, равным или близким к давлению потока, в который вводятся пары, выделившиеся при испарении. В зависимости от давления паров, выделившихся при испарении, может потребоваться регулирование давления этих паров с помощью компрессора с целью увеличения их давления или расширение этих паров с целью снижения их давления с тем, чтобы это давление стало равным или близким к давлению потока, в который вводятся пары, выделившиеся при испарении.

Пример.

Было выполнено моделирование баланса массы и энергии с целью иллюстрирования варианта осуществления, показанного на чертеже, и результаты приведены ниже в таблице. Данные, представленные в таблице, приведены для того, чтобы обеспечить лучшее понимание варианта осуществления, показанного на чертеже, но не следует рассматривать изобретение как ограниченное ими без необходимости. Температуры и расходы не следует рассматривать как ограничения изобретения, которое может иметь множество вариантов с точки зрения значений температур и расходов, принимая во внимание изложенные здесь соображения.

Данные были получены путем использования имеющейся на рынке программы моделирования процессов, называемой HYSYS^ТМ (продается фирмой Hyprotech Ltd. , Калгари, Канада); однако для получения данных могут быть использованы другие имеющиеся на рынке программы моделирования процессов, включая, например, HYSIM^ТМ, PROII^ТМ и ASPEN PLUS^ТМ, которые известны обычным специалистам в данной области техники.

Данный пример иллюстрирует преимущество настоящего изобретения при получении сжиженного природного газа под давлением с уменьшенным содержанием азота в одной колонне без снижения давления в процессе до значений, близких к атмосферному давлению, что, как правило, практикуется в обычных установках для отвода азота.

Для специалиста в данной области техники, в частности для того, кто ознакомится с идеями данного изобретения, очевидны многие модификации и варианты реализации конкретных процессов, описанных выше. Например, в соответствии с изобретением можно использовать множество значений температур и давлений в зависимости от конструкции установки в целом и состава подаваемого исходного газа. Кроме того, ряд агрегатов для охлаждения подаваемого исходного газа может быть дополнен или реконфигурирован в зависимости от общих требований к конструкции для достижения оптимального и эффективного заданного теплообмена. Как было рассмотрено выше, конкретные раскрытые варианты осуществления и примеры не должны использоваться для ограничения объема изобретения, который следует определять исходя из нижеприведенных пунктов формулы изобретения и их эквивалентов.

Раскрыт способ удаления, по меньшей мере, одного компонента, обладающего высокой летучестью, такого как азот, из природного газа под давлением для получения сжиженного природного газа под давлением, который имеет низкое содержание азота и температуру свыше приблизительно -112^oС (-170^oF). Исходный природный газ под давлением, содержащий азот, расширяют и подают во фракционирующую ректификационную колонну. Во фракционирующей ректификационной колонне образуется поток первого пара, который имеет повышенное содержание азота, и поток первой жидкости. Поток пара охлаждают для образования паровой фазы и жидкой фазы. После этого паровую и жидкую фазы подвергают разделению фаз для образования потока второго пара и потока второй жидкости. Поток второй жидкости возвращают во фракционирующую ректификационную колонну в качестве флегмы. Поток второго пара предпочтительно используют для охлаждения поступающего потока исходного сырья. Поток первой жидкости отводят из установки для фракционирования в качестве потока продукта, имеющего низкое содержание азота. Использование изобретения позволит получить жидкий продукт под давлением с низким содержанием азота с помощью только одной ректификационной колонны. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Способ получения сжиженного природного газа под давлением, имеющего низкое содержание компонента, более летучего по сравнению с метаном, из потока подаваемого природного газа, представляющего собой исходное сырье и содержащего более летучий компонент, включающий следующие стадии:

(а) подачу потока исходного сырья в установку для фракционирования для образования первой жидкости, имеющей низкое содержание летучего компонента, первого пара с повышенным содержанием летучего компонента;

(b) охлаждение первого пара для образования паровой фазы и жидкой фазы;

(с) разделение паровой фазы и жидкой фазы со стадии (b) с образованием потока второго пара и потока второй жидкости;

(d) возврат потока второй жидкости в установку для фракционирования в качестве флегмы и

(е) отвод из установки для фракционирования первой жидкости в качестве потока жидкого продукта, который имеет низкое содержание летучего компонента, температуру свыше приблизительно -112°С (-170°F) и давление, достаточное для того, чтобы жидкий продукт находился при температуре начала его кипения или при температуре ниже точки начала кипения.

(а) охлаждение одной части потока подаваемого природного газа путем косвенного теплообмена с потоком пара, образованного в результате процесса в установке для фракционирования и отводимого из нее;

(b) охлаждение второй части потока подаваемого природного газа путем косвенного теплообмена с потоком жидкости, образованной в результате процесса в установке для фракционирования и отводимой из этой установки;

(с) объединение охлажденных потоков подаваемого исходного сырья по стадиям (а) и (b);

(d) расширение объединенного потока подаваемого исходного сырья для уменьшения его температуры и давления;

(е) подачу расширенного потока исходного сырья в установку для фракционирования с образованием потока первой жидкости, имеющего низкое содержание летучего компонента, и потока первого пара с повышенным содержанием летучего компонента;

(f) охлаждение потока первого пара для образования паровой фазы и жидкой фазы;

(g) разделение паровой фазы и жидкой фазы со стадии (f) с образованием потока второго пара и потока второй жидкости;

(h) возврат потока второй жидкости в установку для фракционирования в качестве флегмы;

(i) использование потока второго пара для охлаждения потока подаваемого исходного сырья на стадии (а) и

(j) отвод из установки для фракционирования первой жидкости в качестве потока продукта, который имеет низкое содержание летучего компонента, температуру свыше приблизительно -112°С (-170°F) и давление, достаточное для того, чтобы жидкий продукт находился при температуре начала его кипения или при температуре ниже точки начала кипения.