СПОСОБ УДАЛЕНИЯ АЗОТА Российский патент 2014 года по МПК F25J3/02 

Изобретение касается способа удаления фракции с высоким содержанием азота из исходной фракции, содержащей в основном азот и углеводороды, при этом исходная фракция частично конденсируется и ректификационным методом разделяется на фракцию с высоким содержанием азота и фракцию с высоким содержанием метана.

Такого рода способ удаления фракции с высоким содержанием азота из исходной фракции, содержащей в основном азот и углеводороды, будет поясняться ниже на примере технологического процесса, изображенного на фиг.1.

По трубопроводу 1 подводится исходная фракция, содержащая в основном азот и углеводороды, которая, например, подается из предшествующей установки для получения сжиженного природного газа (установки LNG - СПГ). Она обладает предпочтительно давлением, превышающим 25 бар. При необходимости она была подвергнута предварительной обработке, такой как удаление серы, удаление двуокиси углерода, сушка и пр. В теплообменнике E1 посредством технологических потоков, о которых ниже еще будет сказано подробнее, она охлаждается и частично конденсируется. После клапана d частично сконденсированная исходная фракция подается затем по трубопроводу 1' в высоконапорную колонну T1.

Эта высоконапорная колонна T1 вместе с низконапорной колонной T2 образует две колонны T1/T2. Термическое взаимодействие разделительных колонн T1 и T2 осуществляется посредством конденсатора/кипятильника E3.

Из нижней части высоконапорной колонны T1 по трубопроводу 2 отводится жидкая фракция с высоким содержанием углеводородов, в теплообменнике E2 посредством технологических потоков, о которых ниже еще будет сказано подробнее, переохлаждается и затем через трубопровод 2' и расширительный клапан a подается в низконапорную колонну T2 в верхней области.

По трубопроводу 3 из верхней области колонны T1 для предварительного разделения отводится жидкая фракция с высоким содержанием азота. Частичный поток этой фракции по трубопроводу 3' в виде возвратного продукта подается в колонну T1 для предварительного разделения. Отведенная по трубопроводу 3 фракция с высоким содержанием азота в теплообменнике E2 переохлаждается и через трубопровод 3'' и расширительный клапан b подается в низконапорную колонну T2 выше точки подачи описанной выше фракции с высоким содержанием метана.

По трубопроводу 4 в головной части низконапорной колонны T2 отводится фракция с высоким содержанием азота. Содержание метана в ней составляет обычно менее 1 объемн. %. В теплообменниках E2 и E1 фракция с высоким содержанием азота затем подогревается и при необходимости перегревается, прежде чем она отводится по трубопроводу 4'' и сбрасывается в атмосферу или при необходимости используется в других целях.

По трубопроводу 5 из нижней части низконапорной колонны T2 отводится жидкая фракция с высоким содержанием метана, которая наряду с метаном включает в себя содержащиеся в исходной фракции высшие углеводороды. Содержание азота в ней составляет обычно менее 5 объемн. %. Фракция с высоким содержанием метана посредством насоса P доводится до наибольшего возможного давления - это давление составляет обычно от 5 до 15 бар. В теплообменнике E2 жидкая фракция с высоким содержанием метана подогревается и при необходимости частично выпаривается. По трубопроводу 5' она затем подается в теплообменник E1 и в нем полностью выпаривается и перегревается посредством подлежащей охлаждению исходной фракции.

Посредством компрессора V фракция с высоким содержанием метана затем сжимается до желаемого выпускного давления, которое в стандартном случае соответствует давлению исходной фракции в трубопроводе 1, и по трубопроводу 5'' выводится из технологического процесса.

Такого рода способы для удаления фракции с высоким содержанием азота из исходной фракции, содержащей в основном азот и углеводороды, осуществляются в т.н. устройствах для удаления азота (NRU, Nitrogen Rejection Unit). Удаление азота из смесей азот/углеводороды осуществляется всегда тогда, когда повышенное содержание азота препятствует применению смеси азот/углеводороды по назначению. Так, например, содержание азота превышает характерные составляющие более 5 молярных % спецификации систем трубопроводов природного газа, в которых транспортируется смесь азот/углеводороды. Эксплуатация газовых турбин также возможна только до определенного содержания азота в газообразном топливе.

Такие устройства для удаления азота, как правило, имеют конструкцию, аналогичную устройству для разделения воздуха с двумя колоннами, которое, например, описано с помощью фиг.1, в качестве центрального технологического узла, и в стандартном случае расположены в т.н. низкотемпературной камере (Cold Box).

В зависимости от области применения возможность использования устройства для удаления азота может иметь большое значение. Препятствием для высокой возможности использования является продолжительное время, которое необходимо для того, чтобы снова запустить в работу технологический процесс после прерывания подачи исходной фракции, содержащей в основном азот и углеводороды (исходный газ устройства для удаления азота). Прерывания подачи исходного газа устройства для удаления азота могут возникать в зависимости от предшествующих технологических процессов или соответственно оборудования несколько раз в год, например вследствие выхода из строя предшествующего компрессора для исходного газа устройства для удаления азота или предшествующей установки СПГ/ГКЖ (NGL - газоконденсатных жидкостей). Кроме того, может произойти неисправность внутри устройства для удаления азота, при которой становится необходимым прерывание подачи исходного газа устройства для удаления азота.

В этой связи следует различать новый пуск в эксплуатацию из горячего состояния (Warm start-up, горячий пуск) и холодного состояния (Cold restart, холодный перезапуск). Горячий пуск требует сравнительно много времени, так как все оборудование снова должно быть охлаждено до низких температур и должны быть восстановлены уровни жидкости в технологическом процессе. Холодный перезапуск после сравнительно коротких перерывов в подаче исходного газа устройства для удаления азота - под ними следует понимать время прекращения подачи от нескольких минут до 24 ч - из холодного состояния может, напротив, осуществляться относительно быстро.

Во время простоя устройства для удаления азота из-за неизбежных потерь на изоляцию происходит нагрев разделительной колонны (разделительных колонн), а также теплообменников, трубопроводов и пр. По прошествии определенного времени подогрева, которое определяется размером оборудования и условиями окружающей среды, холодный перезапуск больше невозможен. Причиной этого являются неизбежно возникающие, недопустимые механические напряжения, которые возникают тогда, когда в (частично) подогретые теплообменники подаются холодные жидкости или газы из технологического процесса. Поэтому в таком случае устройство для удаления азота должно быть нагрето до температуры окружающей среды, прежде чем может быть осуществлен горячий пуск.

Поэтому в случае более продолжительных перерывов в подаче исходного газа устройства для удаления азота, которые могут быть обусловлены неисправностями оборудования или работами по техническому обслуживанию, устройство для удаления азота должно быть полностью нагрето, прежде чем может быть осуществлен горячий пуск, требующий много времени. Эта процедура при определенных обстоятельствах может продолжаться более одной недели. Это долгое время горячего пуска является потерянным производственным временем и поэтому может приводить к значительным финансовым потерям. Это происходит, в частности, тогда, когда устройство для удаления азота интегрировано в другое оборудование, производительность которого зависит от работоспособности устройства для удаления азота, например можно назвать установки СПГ с подготовкой газообразного топлива для газовых турбин с помощью устройства для удаления азота.

Задачей настоящего изобретения является указать такого рода способ удаления фракции с высоким содержанием азота из исходной фракции, содержащей в основном азот и углеводороды, который предотвратит описанные выше недостатки.

Для решения этой задачи предлагается такого рода способ удаления фракции с высоким содержанием азота из исходной фракции, содержащей в основном азот и углеводороды, отличающийся тем, что во время прерывания подачи исходной фракции применяемая (применяемые) для ректификационного разделения разделительная колонна (разделительные колонны), а также служащие для частичной конденсации исходной фракции и охлаждения и нагрева образующихся при ректификационном разделении технологических потоков теплообменники посредством одной или нескольких различных охлаждающих сред удерживаются на уровнях температуры, которые по существу соответствуют уровням температуры во время нормального режима эксплуатации разделительной колонны (разделительных колонн) и теплообменников.

Под последовательностью понятий «удерживать на уровне температуры, который по существу соответствует уровню температуры во время нормального режима эксплуатации» должен пониматься уровень температуры, который не более чем на 20 К отличается от того уровня температуры, который устанавливается во время нормального режима эксплуатации, и который гарантирует отсутствие возникновения недостатков, связанных с нагревом разделительной колонны (разделительных колонн) и/или теплообменников.

Другой предпочтительный вариант осуществления предлагаемого изобретением способа удаления фракции с высоким содержанием азота из исходной фракции, содержащей в основном азот и углеводороды, отличается тем, что в качестве охлаждающей среды применяется или соответственно будет применяться фракция с высоким содержанием углеводородов, предпочтительно сжиженный природный газ (СПГ), отпарной газ, жидкий и/или газообразный азот.

В соответствии с изобретением во время прерывания подачи исходной фракции теперь уже устройство для удаления азота удерживается в холодном состоянии за счет того, что при подаче одной или нескольких различных охлаждающих сред разделительная колонна (разделительные колонны), трубопроводы, насосы, теплообменники и пр. устройства для удаления азота охлаждаются на протяжении периода прерывания подачи.

Предлагаемый изобретением способ удаления фракции с высоким содержанием азота из исходной фракции, содержащей в основном азот и углеводороды, а также другие предпочтительные варианты его осуществления, которые являются предметами зависимых пунктов патентной формулы изобретения, ниже поясняются более подробно на примерах осуществления, изображенных на фиг. 2-4.

Далее при пояснении изображенных на фиг. 2-4 примеров осуществления подробно поясняются только отличия от изображенного на фиг. 1 осуществления способа.

При изображенном на фиг.2 осуществлении предлагаемого изобретением способа в две разделительные колонны T1/T2 во время прерывания подачи исходной фракции - клапаны c и d в трубопроводе 1 или соответственно 1' на протяжении этого периода времени закрыты - по трубопроводам 6-6''' подается надлежащая охлаждающая среда для охлаждения колонн T1 и T2, предпочтительно сжиженный природный газ (СПГ). На фиг. 2-4 не изображены регулировочные клапаны, которые должны быть предусмотрены в трубопроводах 6-6''', посредством которых возможно регулирование количеств охлаждающей среды.

Подача сжиженного природного газа по трубопроводам 6-6' в низконапорную колонну T2 при этом имеет особое значение, так как в случае нагрева этой колонны выпаренная в ней жидкость должна сбрасываться в атмосферу или соответственно в факельную систему. Если происходит нагрев высоконапорной колонны T1 и связанное с ним выпаривание содержащейся в ней жидкости, то образовавшийся газ снова конденсировался бы благодаря конденсатору E3. Эта обратная конденсация функционирует, однако, только до тех пор, пока в нижней части разделительной колонны T2 имеется достаточно большое количество холодной жидкости. Тем не менее, в случае продолжительного прерывания также необходима, а по меньшей мере целесообразна подача охлаждающей среды по трубопроводам 6'' и 6''' в колонну T1. В частности, неплотности на клапанах a и b при продолжительном времени простоев приводят к потерям жидкости в высоконапорной колоне T1.

По участкам трубопровода 7, 1 и 7' охлаждающая среда направляется через теплообменник E1. Эта охлаждающая среда должна иметь температуру, аналогичную той температуре, которую при нормальном режиме эксплуатации имеет исходная фракция, подаваемая по трубопроводу 1 в теплообменник E1. В качестве охлаждающей среды предпочтительным образом применяется горячий газообразный азот. После прохождения через теплообменник E1 азот по трубопроводу 7' сбрасывается в атмосферу.

Кроме того, по участкам трубопровода 8, 4' и 4'' охлаждающая среда направляется через теплообменники E2 и E1. Эта охлаждающая среда, которая предпочтительным образом представляет собой холодный газообразный азот, имеет температуру, аналогичную температуре потока с высоким содержанием азота, отводимого при нормальном режиме эксплуатации по трубопроводу 4. Подача охлаждающей среды или соответственно охлаждающих сред к теплообменникам E2 и E1 на практике должна осуществляться так, чтобы по возможности происходило полное одновременное охлаждение трубопроводов между теплообменниками и колоннами.

Посредством описанных выше потоков охлаждающей среды возможно поддержание профилей температуры колонн T1/T2, а также теплообменников E1/E2 на протяжении периода прерывания, так чтобы по окончании периода прерывания мог быть реализован быстрый повторный пуск технологического процесса разделения или соответственно устройства для удаления азота, без возникновения нежелательных термических напряжений в материалах колонн, теплообменников и пр.

В изображенном на фиг.3 варианте осуществления предлагаемого изобретением способа по участкам трубопровода 9, 5' и 9' другая охлаждающая среда направляется через теплообменники E2 и E1. При этом в качестве охлаждающей среды предпочтительно применяется холодный газообразный азот или сжиженный природный газ. Этот вариант осуществления дополнительно способствует удержанию в холодном состоянии технологического процесса разделения или соответственно устройства для удаления азота.

Другой предпочтительный вариант осуществления предлагаемого изобретением способа изображен на фиг.4. В этом варианте посредством трубопроводов 10 и 11 горячий газообразный азот и сжиженный природный газ смешиваются и подаются по трубопроводу 12 в участок 4 трубопровода, и по участкам 4' и 4'' трубопровода направляются через теплообменники E2 и E1. Подача другой охлаждающей среды по трубопроводу 9, которая была описана выше, может быть реализована опционально. Изображенный на фиг.4 вариант осуществления предлагаемого изобретением способа обладает тем преимуществом, что можно обойтись без часто затратного предоставления холодного азота.

Очевидно, что наряду с упомянутым сжиженным газом и азотом в качестве охлаждающих сред могут также применяться другие одно- или многокомпонентные, газообразные или жидкие среды. В случае интеграции технологического процесса разделения или соответственно устройства для удаления азота в установку СПГ или ГКЖ в качестве охлаждающей среды может также применяться образующийся отпарной газ.

Посредством осуществления предлагаемого изобретением способа теперь уже даже после продолжительных прерываний подачи исходного газа устройства для удаления азота может быть реализовано быстрое установление нормального режима эксплуатации, так как образующее устройство для удаления азота оборудование (разделительные колонны, теплообменники и пр.) посредством охлаждающей среды или сред могут удерживаться на уровнях температуры, которые по существу соответствуют уровням температуры во время нормального режима эксплуатации устройства для удаления азота.

Необходимые для предлагаемого изобретением способа дополнительные затраты на оборудование и технологию, включающие в себя предоставление необходимой охлаждающей среды или соответственно охлаждающих сред, являются сравнительно низкими, так что достигаемые с помощью предлагаемого изобретением способа преимущества, без сомнений, оправдывают эти дополнительные затраты.

Изобретение относится к способу удаления фракции с высоким содержанием азота из исходной фракции, содержащей в основном азот и углеводороды. Исходная фракция частично конденсируется и ректификационным методом разделяется на фракцию с высоким содержанием азота и фракцию с высоким содержанием метана. В соответствии с изобретением во время прерывания подачи исходной фракции применяемая (применяемые) для ректификационного разделения разделительная колонна (разделительные колонны) (T1/T2), а также служащие для частичной конденсации (E1) исходной фракции и охлаждения и нагрева образующихся при ректификационном разделении технологических потоков теплообменники (E2) посредством одной или нескольких различных охлаждающих сред (6-11) удерживаются на уровнях температуры, которые по существу соответствуют уровням температуры во время нормального режима эксплуатации разделительной колонны (разделительных колонн) (T1/T2) и теплообменников (E1, E2). 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ удаления фракции с высоким содержанием азота из исходной фракции, содержащей в основном азот и углеводороды, при котором исходную фракцию частично конденсируют и ректификационным методом разделяют на фракцию с высоким содержанием азота и фракцию с высоким содержанием метана, отличающийся тем, что во время прерывания подачи исходной фракции применяемая (применяемые) для ректификационного разделения разделительная колонна (разделительные колонны) (T1/T2), а также служащие для частичной конденсации (E1) исходной фракции и охлаждения и нагрева образующихся при ректификационном разделении технологических потоков теплообменники (E2) посредством одной или нескольких различных охлаждающих сред (6-11) удерживаются на уровнях температуры, которые по существу соответствуют уровням температуры во время нормального режима эксплуатации разделительной колонны (разделительных колонн) (T1/T2) и теплообменников (E1, E2).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве охлаждающей среды (6-11) применяют фракцию с высоким содержанием углеводородов, предпочтительно сжиженный природный газ (СПГ), отпарной газ, жидкий и/или газообразный азот.