Уровень техники
[0001] Настоящее изобретение относится к способу сжижения сырьевого потока природного газа и удаления из него азота. Настоящее изобретение также относится к установке (такой как, например, установка сжижения природного газа или другой вид технологического оборудования) для сжижения сырьевого потока природного газа и удаления из него азота.
[0002] В способах сжижения природного газа часто желательно или необходимо, например, из-за требований к чистоте и/или получению, удалять азот из сырьевого потока при сведении к минимуму потерь продукта (метана). Удаляемый азотный продукт может использоваться в качестве топливного газа или сбрасываться в атмосферу. При использовании в качестве топливного газа азотный продукт должен содержать достаточное количество метана (обычно >30 мол. %) для сохранения своей теплотворной способности. В этом случае отделение азота не так трудно из-за нестрогих требований к чистоте азотного продукта, и задачей является выбор наиболее эффективного способа с минимальным дополнительным оборудованием и энергопотреблением. Однако, во многих установках сжиженного природного газа (СПГ) малого и среднего масштаба, которые приводятся в действие электродвигателями, существует очень небольшая потребность в топливном газе, и азотный продукт должен сбрасываться в атмосферу. При сбросе азотный продукт должен соответствовать строгим требованиям к чистоте (например, >95 мол. % или >99 мол. %), из-за экологических соображений и/или в связи с требованиями к извлечению метана. Эти требования к чистоте создают трудности при отделении. В случае очень высокой концентрации азота (как правило, более 10 мол. %, в некоторых случаях до 20 мол. % или даже выше) в подаваемом сырье природного газа применение специальной установки удаления азота (NRU) оказывается надежным способом для эффективного удаления азота и получения чистого (>99 мол. %) азотного продукта. В большинстве случаев, однако, природный газ содержит примерно от 1 мол. % до 10 мол. % азота. Когда концентрация азота в подаваемом сырье находится в пределах этого диапазона, применимость NRU будет затруднена высокими капитальными затратами из-за сложности дополнительного оборудования. Ряд документов известного уровня техники предлагает альтернативные решения для удаления азота из природного газа, включающие добавление рециркуляционного потока азота в NRU или использование специальной ректификационной колонны. Однако, эти способы часто очень сложны, требуют большого количества оборудования (что связано с капитальными затратами), сложны в эксплуатации и/или неэффективны, особенно для сырьевых потоков с пониженными концентрациями азота (<5 мол. %). Кроме того, часто бывает, что концентрация азота в подаваемом сырье природного газа будет меняться время от времени, что означает, что, даже при работе с сырьем, которое в настоящее время имеет высокие содержания азота, нельзя гарантировать, что это будет сохраняться во всех случаях. Поэтому было бы желательно разработать способ, который является простым, рентабельным и способным эффективно удалять азот из подаваемого сырья природного газа при низких концентрациях азота.
[0003] В US 3721099 описан способ сжижения природного газа и отделения азота от сжиженного природного газа с помощью ректификации. В этом способе подаваемое сырье природного газа предварительно охлаждается и частично сжижается в серии теплообменников и разделяется в фазовом сепараторе на жидкую и парообразную фазы. Парообразный поток природного газа далее сжижается и переохлаждается в трубчатом змеевике в нижней части колонны двойной ректификации, обеспечивая паровую нагрузку в колонне высокого давления. Жидкие потоки природного газа из трубчатого змеевика затем дополнительно переохлаждаются в теплообменнике, расширяются в расширительном клапане и вводятся и разделяются в колонне высокого давления. Обогащенный метаном жидкий поток, отводимый из нижней части ректификационной колонны высокого давления, и обогащенный метаном жидкий поток, полученный из фазового сепаратора, переохлаждаются в дополнительных теплообменниках, расширяются с помощью расширительного клапана, и вводятся и разделяются в колонне низкого давления. Орошение в колонне низкого давления обеспечивается потоком жидкого азота, полученным в результате сжижения в теплообменнике потока азота, полученного из верхней части колонны высокого давления. Обедненный азотом СПГ продукт (преимущественно жидкий метан), содержащий примерно 0,5% азота, получают из нижней части колонны низкого давления и направляют в резервуар для хранения СПГ. Обогащенные азотом потоки получают из верхней части колонны низкого давления (содержащие примерно 95 мол. % азота) и из верхней части колонны высокого давления. Обогащенные азотом потоки и отпарной газ из резервуара СПГ нагреваются в различных теплообменниках с обеспечением для них охлаждения.
[0004] В US 7520143 описан способ, в котором сбрасываемый поток азота, содержащий 98 мол. % азота, отделяется с помощью колонны для удаления азота. Сырьевой поток природного газа сжижается в первой (теплой) секции главного теплообменника с получением потока СПГ, который отводится из промежуточного местоположения теплообменника, расширяется в расширительном клапане и направляется в нижнюю часть колонны удаления азота. Кубовая жидкость из колонны удаления азота переохлаждается во второй (холодной) секции главного теплообменника и расширяется через клапан в испарительный барабан с получением обедненного азотом СПГ продукта (менее 1,5 мол. % азота) и обогащенного азотом потока, который имеет более низкую чистоту (30 мол. % азота), чем сбрасываемый поток азота, и который используется в качестве топливного газа. Пар головного погона из колонны удаления азота разделяется, при этом часть пара отводится в виде сбрасываемого потока азота, и остальное конденсируется в теплообменнике в испарительном барабане для обеспечения орошения колонны удаления азота. Охлаждение главного теплообменника обеспечивается замкнутой системой охлаждения, использующей смешанный хладагент.
[0005] В US 2011/0041389 описан способ, несколько похожий на способ, описанный в US 7520143, в котором сбрасываемый поток азота высокой чистоты (как правило, 90-100% по объему азота) отделяется от сырьевого потока природного газа в ректификационной колонне. Сырьевой поток природного газа охлаждают в теплой секции главного теплообменника с получением охлажденного потока природного газа. Часть этого потока отводится из первого промежуточного местоположения главного теплообменника, расширяется и направляется в нижнюю часть ректификационной колонны в качестве десорбирующего газа. Остальная часть потока дополнительно охлаждается и сжижается в промежуточной секции главного теплообменника с образованием потока СПГ, который отводится из второго (более холодного) промежуточного местоположения теплообменника, расширяется и направляется в промежуточное местоположение ректификационной колонны. Кубовая жидкость из ректификационной колонны отводится в виде обедненного азотом потока СПГ, переохлаждается в холодной секции главного теплообменника и расширяется в фазовом сепараторе с получением обедненного азотом СПГ продукта и обогащенного азотом потока, который сжимают и рециркулируют обратно в сырьевой поток природного газа. Пар головного погона из ректификационной колонны разделяется, при этом часть пара отводится в виде сбрасываемого потока азота высокой чистоты, и остальное конденсируется в теплообменнике в фазовом сепараторе с обеспечением орошения для ректификационной колонны.
[0006] В IPCOM000222164D, документе из базы данных ip.com, описан способ, в котором самостоятельная установка удаления азота (NRU) используется для получения обедненного азотом потока природного газа и сбрасываемого потока чистого азота. Сырьевой поток природного газа предварительно охлаждается и частично сжижается в теплом теплообменнике и разделяется в фазовом сепараторе на парообразный и жидкий потоки природного газа. Парообразный поток сжижается в холодном теплообменнике и направляется в верхнее или в промежуточное местоположение ректификационной колонны. Жидкий поток дополнительно охлаждается в холодном теплообменнике, отдельно от парообразного потока и параллельно с ним, и после этого направляется в промежуточное местоположение ректификационной колонны (ниже местоположения ввода парообразного потока). Паровая нагрузка ректификационной колонны обеспечивается с помощью нагревания и испарения части обедненной азотом кубовой жидкости из ректификационной колонны в холодном теплообменнике, тем самым обеспечивая также и охлаждение для устройства. Остальная часть обедненной азотом кубовой жидкости перекачивается, нагревается и испаряется в теплом теплообменнике, тем самым обеспечивая охлаждение для этого устройства, и выходит из теплого теплообменника в виде полностью испаренного парообразного потока. Обогащенный азотом пар головного погона, отведенный из ректификационной колонны, нагревается в холодном и теплом теплообменниках с обеспечением дополнительного охлаждения указанных устройств. Там, где парообразный поток вводится в промежуточное местоположение ректификационной колонны, дополнительное орошение для колонны может обеспечиваться конденсацией части пара головного погона и возвращением его в колонну. Это может осуществляться с помощью нагревания пара головного погона в теплообменнике-экономайзере, разделения нагретого пара головного погона и конденсации части нагретого пара головного погона в теплообменнике-экономайзере, и возвращения сконденсированной части в верх ректификационной колонны. В данном способе не используется внешнее охлаждение.
[0007] В US 2011/0289963 описан способ, в котором колонна десорбции азота используется для отделения азота от потока природного газа. В этом способе сырьевой поток природного газа охлаждается и частично сжижается в теплой секции главного теплообменника посредством теплообмена с одним смешанным хладагентом. Частично сконденсированный природный газ отводится из главного теплообменника и разделяется в фазовом сепараторе или в дистилляционном сосуде на парообразный и жидкий потоки природного газа. Жидкий поток дополнительно охлаждается в холодной секции главного теплообменника перед расширением и введением в колонну десорбции азота. Обедненный азотом СПГ продукт (содержащий 1-3 об. % азота) отводится из нижней части десорбционной колонны, и обогащенный азотом парообразный поток (содержащий менее 10 об. % метана) отводится из верха десорбционной колонны. Парообразный поток природного газа из фазового сепаратора или дистилляционного сосуда расширяется и охлаждается в отдельных теплообменниках и вводится в верхнюю часть десорбционной колонны для обеспечения орошения. Охлаждение дополнительных теплообменников обеспечивается испарением части кубовой жидкости из десорбционной колонны (тем самым обеспечивается также и паровая нагрузка колонны) и нагреванием обогащенного азотом парообразного потока, отводимого из верха десорбционной колонны.
[0008] В US 8522574 описан другой способ, в котором азот отводится из сжиженного природного газа. В этом способе сырьевой поток природного газа сначала охлаждается и сжижается в главном теплообменнике. Жидкий поток после этого охлаждается во вторичном теплообменнике и расширяется в емкости мгновенного испарения, где обогащенный азотом пар отделяется от обогащенной метаном жидкости. Парообразный поток дополнительно расширяется и поступает в верхнюю часть ректификационной колонны. Жидкий поток из емкости мгновенного испарения разделяется, при этом одна часть водится в промежуточное местоположение ректификационной колонны, и другая часть нагревается во вторичном теплообменнике и вводится в нижнюю часть ректификационной колонны. Обогащенный азотом пар головного погона, полученный из ректификационной колонны, проходит через вторичный теплообменник и нагревается в нем с обеспечением дополнительного охлаждения указанного теплообменника. Продукт сжиженного природного газа извлекают из низа ректификационной колонны.
[0009] В US 2012/019883 описан способ сжижения потока природного газа и удаления из него азота. Сырьевой поток природного газа сжижается в главном теплообменнике, расширяется и вводится в низ разделительной колонны. Охлаждение главного теплообменника обеспечивается замкнутой системой охлаждения с циркулирующим смешанным хладагентом. Обедненный азотом СПГ, отводимый из низа разделительной колонны, расширяется и далее разделяется в фазовом сепараторе. Обедненный азотом СПГ из фазового сепаратора направляется в резервуар для хранения СПГ. Парообразный поток из фазового сепаратора объединяется с отпарным газом из резервуара для хранения СПГ, нагревается в главном теплообменнике с обеспечением дополнительного охлаждения для главного теплообменника, сжимается и рециркулирует в сырьевой поток природного газа. Обогащенный азотом пар (90-100 об. % азота), отведенный из верха разделительной колонны, также нагревается в главном теплообменнике с обеспечением дополнительного охлаждения главного теплообменника.
Краткое изложение сущности изобретения
[0010] В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается способ сжижения сырьевого потока природного газа и удаления из него азота, причем способ включает в себя:
(а) пропускание сырьевого потока природного газа через главный теплообменник для охлаждения потока природного газа и сжижения всего указанного потока или его части, с образованием в результате первого потока СПГ;
(b) отведение первого потока СПГ из главного теплообменника;
(с) расширение и частичное испарение сжиженного или частично сжиженного потока природного газа, и введение указанного потока в ректификационную колонну, в которой поток разделяется на парообразную и жидкую фазы, при этом сжиженный или частично сжиженный поток природного газа является первым потоком СПГ, или является по меньшей мере частично сжиженным обогащенным азотом потоком природного газа, полученным в результате отделения обогащенного азотом потока природного газа от первого потока СПГ или от сырьевого потока природного газа, и по меньшей мере частичного сжижения указанного потока в главном теплообменнике;
(d) образование обогащенного азотом парообразного продукта из пара головного погона, отведенного из ректификационной колонны;
(e) обеспечение орошения для ректификационной колонны с помощью конденсации части пара головного погона из ректификационной колонны в теплообменнике-конденсаторе; и
(f) образование второго потока СПГ из кубовой жидкости, отведенной из ректификационной колонны;
при этом охлаждение для главного теплообменника и для теплообменника-конденсатора обеспечивается замкнутой системой охлаждения, причем хладагент, циркулирующий по замкнутой системе охлаждения, проходит через главный теплообменник и нагревается в нем, и проходит через теплообменник-конденсатор и нагревается в нем.
[0011] В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предлагается установка для сжижения сырьевого потока природного газа и удаления из него азота, причем установка включает в себя:
главный теплообменник, имеющий канал охлаждения для приема сырьевого потока природного газа и пропускания сырьевого потока природного газа через теплообменник для охлаждения потока и сжижения всего потока или его части, с образованием первого потока СПГ;
расширительное устройство и ректификационную колонну, находящиеся в сообщении по текучей среде с главным теплообменником, для приема, расширения и частичного испарения сжиженного или частично сжиженного потока природного газа и разделения указанного потока в ректификационной колонне на парообразную и жидкую фазы, при этом сжиженный или частично сжиженный поток природного газа является первым потоком СПГ, или является по меньшей мере частично сжиженным обогащенным азотом потоком природного газа, полученным в результате отделения обогащенного азотом потока природного газа от первого потока СПГ или от сырьевого потока природного газа, и по меньшей мере частичного сжижения указанного потока в главном теплообменнике;
теплообменник-конденсатор для обеспечения орошения для ректификационной колонны с помощью конденсации части пара головного погона, полученного из ректификационной колонны; и
замкнутую систему охлаждения для обеспечения охлаждения главного теплообменника и теплообменника-конденсатора, причем хладагент, циркулирующий по замкнутой системе охлаждения, проходит через главный теплообменник и нагревается в нем, и проходит через теплообменник-конденсатор и нагревается в нем.
[0012] Предпочтительные аспекты настоящего изобретения включают в себя следующие аспекты, пронумерованные от #1 до #21:
#1. Способ сжижения сырьевого потока природного газа и удаления из него азота, причем способ включает в себя:
(а) пропускание сырьевого потока природного газа через главный теплообменник для охлаждения потока природного газа и сжижения всего указанного потока или его части, с образованием в результате первого потока СПГ;
(b) отведение первого потока СПГ из главного теплообменника;
(с) расширение и частичное испарение сжиженного или частично сжиженного потока природного газа, и введение указанного потока в ректификационную колонну, в которой поток разделяется на парообразную и жидкую фазы, при этом сжиженный или частично сжиженный поток природного газа является первым потоком СПГ, или является по меньшей мере частично сжиженным обогащенным азотом потоком природного газа, полученным в результате отделения обогащенного азотом потока природного газа от первого потока СПГ или от сырьевого потока природного газа, и по меньшей мере частичного сжижения указанного потока в главном теплообменнике;
(d) образование обогащенного азотом парообразного продукта из пара головного погона, отведенного из ректификационной колонны;
(e) обеспечение орошения для ректификационной колонны с помощью конденсации части пара головного погона из ректификационной колонны в теплообменнике-конденсаторе; и
(f) образование второго потока СПГ из кубовой жидкости, отведенной из ректификационной колонны;
при этом охлаждение для главного теплообменника и для теплообменника-конденсатора обеспечивается замкнутой системой охлаждения, причем хладагент, циркулирующий по замкнутой системе охлаждения, проходит через главный теплообменник и нагревается в нем, и проходит через теплообменник-конденсатор и нагревается в нем.
#2. Способ по аспекту #1, в котором хладагент, который проходит через теплообменник-конденсатор и нагревается в нем, после этого проходит через главный теплообменник и дополнительно нагревается в нем.
#3. Способ по аспекту #1 или #2, в котором нагретый хладагент, который получен после охлаждения, подается в главный теплообменник и в теплообменник-конденсатор, сжимается в одном или более компрессорах и охлаждается в одном или более последующем охладителе с образованием сжатого хладагента; сжатый хладагент проходит через и охлаждается в главном теплообменнике с образованием охлажденного сжатого хладагента, который отводится из главного теплообменника; и охлажденный сжатый хладагент после этого разделяется, при этом часть хладагента расширяется и возвращается непосредственно в главный теплообменник для прохождения через главный теплообменник и нагревания в нем, и другая часть хладагента расширяется и направляется в теплообменник-конденсатор для прохождения через теплообменник-конденсатор и нагревания в нем.
#4. Способ по любому из аспектов #1-#3, в котором хладагент, циркулирующий по замкнутой системе охлаждения, является смешанным хладагентом.
#5. Способ по аспекту #4, в котором нагретый смешанный хладагент, который получают после охлаждения, подается в главный теплообменник и в теплообменник-конденсатор, сжимается, охлаждается в главном теплообменнике и разделяется при охлаждении с образованием некоторого количества сжиженных или частично сжиженных потоков охлажденного хладагента различных составов, при этом поток охлажденного хладагента с максимальной концентрацией более легких компонентов, полученный из холодного конца главного теплообменника, разделяется и расширяется с образованием потока хладагента, который нагревается в теплообменнике-конденсаторе, и потока хладагента, который возвращается в холодный конец главного теплообменника для нагревания там.
#6. Способ по любому из аспектов #1-#5, в котором охлаждение теплообменника-конденсатора обеспечивается как замкнутой системой охлаждения, так и нагреванием пара головного погона, отведенного из ректификационной колонны.
#7. Способ по аспекту #6, в котором:
стадия (е) включает в себя нагревание пара головного погона, отведенного из ректификационной колонны, в теплообменнике-конденсаторе, сжатие первой части нагретого пара головного погона, охлаждение и по меньшей мере частичная конденсация сжатой части в теплообменнике-конденсаторе, и расширение и повторное введение охлажденной и по меньшей мере частично сконденсированной части обратно в верх ректификационной колонны; и
стадия (d) включает в себя образование обогащенного азотом парообразного продукта из второй части нагретого пара головного погона.
#8. Способ по любому из аспектов #1-#7, в котором стадия (c) включает в себя расширение и частичное испарение первого потока СПГ и введение указанного потока в ректификационную колонну для разделения потока на парообразную и жидкую фазы.
#9. Способ по аспекту #8, где способ дополнительно включает в себя направление второго СПГ потока в резервуар для хранения СПГ.
#10. Способ по любому из аспектов #1-#7, в котором стадия (c) включает в себя расширение и частичное испарение по меньшей мере частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа и введение указанного потока в ректификационную колонну для разделения потока на парообразную и жидкую фазы, в котором по меньшей мере частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа образуется в результате отделения обогащенного азотом потока природного газа от первого потока СПГ и по меньшей мере частичного сжижения указанного потока в главном теплообменнике.
#11. Способ по аспекту #10, в котором по меньшей мере частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа образуются с помощью (i) расширения, частичного испарения и разделения первого потока СПГ или потока СПГ, образованного из части первого потока СПГ, с образованием обедненного азотом СПГ продукта и рециркуляционного потока, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа, (ii) сжатия рециркуляционного потока с образованием сжатого рециркуляционного потока, и (iii) пропускания сжатого рециркуляционного потока через главный теплообменник, отдельно от сырьевого потока природного газа и параллельно с ним, для охлаждения сжатого рециркуляционного потока и по меньшей мере частичного сжижения всего потока или его части, в результате чего образуется по меньшей мере частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа.
#12. Способ по аспекту #11, в котором первый поток СПГ или поток СПГ, образованный из части первого потока СПГ, расширяется и передается в резервуар для хранения СПГ, в котором часть СПГ испаряется, образуя, таким образом, обогащенные азотом пары природного газа и обедненный азотом СПГ продукт, и обогащенные азотом пары природного газа отводятся из резервуара с образованием рециркуляционного потока.
#13. Способ по аспекту #11 или #12, где способ дополнительно включает в себя расширение, частичное испарение и разделение второго потока СПГ с образованием дополнительных обогащенных азотом паров природного газа для рециркуляционного потока и дополнительного обедненного азотом СПГ продукта.
#14. Способ по любому из аспектов #1-#7, в котором стадия (c) включает в себя расширение и частичное испарение по меньшей мере частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа и введение указанного потока в ректификационную колонну для разделения потока на парообразную и жидкую фазы, в котором по меньшей мере частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа образуется в результате отделения обогащенного азотом потока природного газа от сырьевого потока природного газа и по меньшей мере частичного сжижения указанного потока в главном теплообменнике.
#15. Способ по аспекту #14, в котором стадия (а) включает в себя (i) введение сырьевого потока природного газа в теплый конец главного теплообменника, охлаждение и по меньшей мере частичное сжижение сырьевого потока природного газа, и отведение охлажденного и по меньшей мере частично сжиженного потока из промежуточного местоположения главного теплообменника, (ii) расширение, частичное испарение и разделение охлажденного и по меньшей мере частично сжиженного потока с образованием обогащенного азотом парообразного потока природного газа и обедненного азотом жидкого потока природного газа, и (iii) раздельное повторное введение парообразного и жидкого потоков в промежуточное местоположение главного теплообменника и параллельно дополнительное охлаждение парообразного потока и жидкого потока, при этом жидкий поток дополнительно охлаждается с образованием первого потока СПГ, и парообразный поток дополнительно охлаждается и по меньшей мере частично сжижается с образованием по меньшей мере частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа.
#16. Способ по аспекту #15, где способ дополнительно включает в себя:
(g) расширение, частичное испарение и разделение второго потока СПГ с образованием обедненного азотом СПГ продукта и рециркуляционного потока, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа;
(h) сжатие рециркуляционного потока с образованием сжатого рециркуляционного потока; и
(i) возвращение сжатого рециркуляционного потока в главный теплообменник для охлаждения и по меньшей мере частичного сжижения вместе с сырьевым потоком природного газа или отдельно от него.
#17. Способ по аспекту #16, в котором стадия (g) включает в себя расширение второго потока СПГ, транспортировку расширенного потока в резервуар для хранения СПГ, в котором часть СПГ испаряется, образуя, таким образом, обогащенные азотом пары природного газа и обедненный азотом СПГ продукт, и отведение обогащенных азотом паров природного газа из резервуара с образованием рециркуляционного потока.
#18. Способ по аспекту #16 или #17, где способ дополнительно включает в себя расширение, частичное испарение и разделение первого потока СПГ с образованием дополнительных обогащенных азотом паров природного газа для рециркуляционного потока и дополнительного обедненного азотом СПГ продукта.
#19. Способ по любому из аспектов #15-#18, в котором:
стадия (a) (ii) включает в себя расширение, частичное испарение и разделение охлажденного и по меньшей мере частично сжиженного потока с образованием обогащенного азотом парообразного потока природного газа, потока десорбирующего газа, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа, и обедненного азотом жидкого потока природного газа; и
стадия (c) дополнительно включает в себя введение потока десорбирующего газа в низ ректификационной колонны.
#20. Способ по любому из аспектов #1-#19, в котором сжиженный или частично сжиженный поток природного газа вводится в ректификационную колонну в промежуточном местоположении колонны, и паровая нагрузка ректификационной колонны обеспечивается нагреванием и испарением части кубовой жидкости в теплообменнике-ребойлере с помощью косвенного теплообмена со сжиженным или частично сжиженным потоком природного газа перед введением указанного потока в ректификационную колонну.
#21. Установка для сжижения сырьевого потока природного газа и удаления из него азота, причем установка включает в себя:
главный теплообменник, имеющий канал охлаждения для приема сырьевого потока природного газа и пропускания сырьевого потока природного газа через теплообменник для охлаждения потока и сжижения всего потока или его части, с образованием первого потока СПГ;
расширительное устройство и ректификационную колонну, находящиеся в сообщении по текучей среде с главным теплообменником, для приема, расширения и частичного испарения сжиженного или частично сжиженного потока природного газа и разделения указанного потока в ректификационной колонне на парообразную и жидкую фазы, при этом сжиженный или частично сжиженный поток природного газа является первым потоком СПГ, или является по меньшей мере частично сжиженным обогащенным азотом потоком природного газа, полученным в результате отделения обогащенного азотом потока природного газа от первого потока СПГ или от сырьевого потока природного газа, и по меньшей мере частичного сжижения указанного потока в главном теплообменнике;
теплообменник-конденсатор для обеспечения орошения для ректификационной колонны с помощью конденсации части пара головного погона, полученного из ректификационной колонны; и
замкнутую систему охлаждения для обеспечения охлаждения главного теплообменника и теплообменника-конденсатора, причем хладагент, циркулирующий по замкнутой системе охлаждения, проходит через главный теплообменник и нагревается в нем, и проходит через теплообменник-конденсатор и нагревается в нем.
Краткое описание чертежей
[0013] На фиг. 1 представлена принципиальная технологическая схема, иллюстрирующая способ и установку для сжижения и удаления азота из потока природного газа в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0014] На фиг. 2 представлена принципиальная технологическая схема, иллюстрирующая способ и установку в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0015] На фиг. 3 представлена принципиальная технологическая схема, иллюстрирующая способ и установку в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0016] На фиг. 4 представлен график, иллюстрирующий кривые охлаждения для теплообменника-конденсатора, используемого в способе и установке, проиллюстрированных на фиг.1.
Подробное описание
[0018] Как отмечалось выше, в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается способ сжижения сырьевого потока природного газа и удаления из него азота, причем способ включает в себя:
(а) пропускание сырьевого потока природного газа через главный теплообменник для охлаждения потока природного газа и сжижения (и, как правило, переохлаждения) всего указанного потока или его части, с образованием в результате первого потока СПГ;
(b) отведение первого потока СПГ из главного теплообменника;
(с) расширение и частичное испарение сжиженного или частично сжиженного потока природного газа, и введение указанного потока в ректификационную колонну, в которой поток разделяется на парообразную и жидкую фазы, при этом сжиженный или частично сжиженный поток природного газа является первым потоком СПГ, или является по меньшей мере частично сжиженным обогащенным азотом потоком природного газа, полученным в результате отделения обогащенного азотом потока природного газа от первого потока СПГ или от сырьевого потока природного газа, и по меньшей мере частичного сжижения указанного потока в главном теплообменнике;
(d) образование обогащенного азотом парообразного продукта из пара головного погона, отведенного из ректификационной колонны;
(e) обеспечение орошения для ректификационной колонны с помощью конденсации части пара головного погона из ректификационной колонны в теплообменнике-конденсаторе; и
(f) образование второго потока СПГ из кубовой жидкости, отведенной из ректификационной колонны;
при этом охлаждение для главного теплообменника и для теплообменника-конденсатора обеспечивается замкнутой системой охлаждения, причем хладагент, циркулирующий по замкнутой системе охлаждения, проходит через главный теплообменник и нагревается в нем, и проходит через теплообменник-конденсатор и нагревается в нем.
[0019] Используемый в настоящем документе термин «природный газ» включает также синтетический газ и заменители природного газа. Сырьевой поток природного газа содержит метан и азот (причем метан, как правило, является главным компонентом). Как правило, сырьевой поток природного газа имеет концентрацию азота от 1 мол. % до 10 мол. %, и описанные здесь способы и установка могут эффективно удалять азот из сырьевого потока природного газа, даже если концентрация азота в сырьевом потоке природного газа относительно низкая, как например, 5 мол. % или ниже. Поток природного газа также обычно будет содержать другие компоненты, такие как, например, один или несколько других углеводородов и/или другие компоненты, такие как гелий, углекислый газ, водород и т.д. Однако, он не должен содержать каких-либо дополнительных компонентов в концентрациях, которые вызовут замерзание в главном теплообменнике при охлаждении и сжижении потока. Соответственно, перед введением в главный теплообменник, сырьевой поток природного газа может быть предварительно обработан при необходимости для удаления воды, кислых газов, ртути и тяжелых углеводородов из сырьевого потока природного газа, чтобы понизить концентрацию любых таких компонентов в сырьевом потоке природного газа до таких уровней, которые не вызовут каких-либо проблем замерзания.
[0020] Как употребляется в настоящем документе, и если не указано иное, поток является «обогащенным азотом», если концентрация азота в потоке выше, чем концентрация азота в сырьевом потоке природного газа. Поток является «обедненным азотом», если концентрация азота в потоке ниже, чем концентрация азота в сырьевом потоке природного газа. В способе в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, как описано выше, обогащенный азотом парообразный продукт имеет более высокую концентрацию азота, чем по меньшей мере частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа (и таким образом может быть описан как дополнительно обогащенный азотом, по сравнению с сырьевым потоком природного газа). Если сырьевой поток природного газа содержит другие компоненты в дополнение к метану и азоту, потоки, которые «обогащены азотом», могут также быть обогащены другими легкими компонентами (например, другими компонентами, имеющими точку кипения, аналогичную или более низкую, чем точка кипения азота, как например, у гелия), и потоки, которые «обеднены азотом», могут также быть обеднены и другими тяжелыми компонентами (например, другими компонентами, имеющими точку кипения, аналогичную или более высокую, чем точка кипения метана, как например, у более тяжелых углеводородов).
[0021] В описанных в данном документе способах и установке, если не указано иное, потоки могут быть расширены и/или, в случае жидких или двухфазных потоков, расширены и частично испарены с помощью пропускания потока через любое подходящее расширительное устройство. Поток может, например, быть расширен и частично испарен с помощью пропускания через расширительный клапан или клапан Джоуля-Томсона, или любое другое устройство для осуществления (по существу) изоэнтальпического расширения (и, следовательно, мгновенного испарения) потока. Дополнительно или в качестве альтернативы, поток может, например, быть расширен и частично испарен с помощью пропускания и расширения с совершением работы через устройство совершения работы, такое как, например, гидравлическая турбина или турбодетандер, осуществляя тем самым (по существу) изоэнтропическое расширение потока.
[0022] Используемый в настоящем документе термин «ректификационная колонна» относится к колонне (или серии колонн), содержащей одну или более секцию разделения, причем каждая секция разделения состоит из вставок, таких как насадка и/или одна или несколько тарелок, которые увеличивают контакт и, тем самым, усиливают массоперенос между поднимающимся вверх паром и текущей вниз жидкостью, протекающей через секцию внутри колонны. Таким образом, концентрация более легких компонентов (таких как азот) в паре головного погона, т.е. паре, который собирается наверху колонны, повышается, и концентрация более тяжелых компонентов (таких как метан) в кубовой жидкости, т.е. жидкости, которая собирается внизу колонны, увеличивается. «Верх» колонны относится к части колонны выше секций разделения. «Низ» колонны относится к части колонны ниже секций разделения. «Промежуточное местоположение» колонны относится к местоположению между верхом и низом колонны, как правило, между двумя секциями разделения, которые расположены последовательно.
[0023] Используемый в настоящем документе термин «главный теплообменник» относится к теплообменнику, ответственному за охлаждение и сжижение всего потока природного газа или его части, с образованием первого потока СПГ. Как будет описано ниже более подробно, теплообменник может состоять из одной или более секций охлаждения, расположенных последовательно и/или параллельно. Каждая из таких секций может представлять собой отдельный теплообменник, имеющий свой собственный корпус, но точно так же секции могут быть объединены в единственном теплообменнике с общим корпусом. Теплообменник (теплообменники) может быть любого подходящего типа, в числе прочего таким как кожухотрубный, спирально-змеевиковый или ребристый пластинчатый тип теплообменника. В таких устройствах каждая секция охлаждения, как правило, будет включать в себя собственный пучок труб (если теплообменник представлен кожухотрубным или спирально-змеевиковым типом) или набор пластин и ребер (если теплообменник представлен ребристым пластинчатым типом). Как употребляется в настоящем документе, «теплый конец» и «холодный конец» главного теплообменника являются сравнительными выражениями, относящимися к концам главного теплообменника, которые имеют (соответственно) самую высокую и самую низкую температуру, и не подразумевает каких-либо конкретных температурных диапазонов, если не указано иное. Фраза «промежуточное местоположение» главного теплообменника относится к местоположению между теплым и холодным концами, как правило, между двумя секциями охлаждения, которые расположены последовательно.
[0024] Как отмечалось выше, частично или полностью охлаждение для главного теплообменника и для теплообменника-конденсатора обеспечивается замкнутой системой охлаждения, причем хладагент, циркулирующий по замкнутой системе охлаждения, проходит через главный теплообменник и нагревается в нем, и проходит через теплообменник-конденсатор и нагревается в нем. Замкнутая система охлаждения может быть любого подходящего типа. Приводимые в качестве примера системы охлаждения, содержащие одну или более замкнутую систему, которые могут использоваться в соответствии с настоящим изобретением, включают в себя систему на одном смешанном хладагенте (SMR), систему двух смешанных хладагентов (DMR), гибридную систему смешанного хладагента с предварительным пропановым охлаждением (C3MR), систему с циклом расширения азота (или циклом расширения других газов) и каскадную систему охлаждения.
[0025] В некоторых вариантах осуществления хладагент, который проходит через теплообменник-конденсатор и нагревается в нем, после этого проходит через главный теплообменник и дополнительно нагревается в нем.
[0026] В некоторых вариантах осуществления нагретый хладагент, который получен после охлаждения, подается в главный теплообменник и в теплообменник-конденсатор, сжимается в одном или более компрессорах и охлаждается в одном или более последующем охладителе с образованием сжатого хладагента; сжатый хладагент проходит через и охлаждается в главном теплообменнике с образованием охлажденного сжатого хладагента, который отводится из главного теплообменника; и охлажденный сжатый хладагент после этого разделяется, при этом часть хладагента расширяется (перед и/или после разделения охлажденного сжатого хладагента) и возвращается непосредственно в главный теплообменник для прохождения через главный теплообменник и нагревания в нем, и другая часть хладагента расширяется и направляется в теплообменник-конденсатор для прохождения через теплообменник-конденсатор и нагревания в нем.
[0027] В некоторых вариантах осуществления хладагент, который циркулирует по замкнутой системе охлаждения, которая обеспечивает охлаждение главного теплообменника и теплообменника-конденсатора, является смешанным хладагентом. Нагретый смешанный хладагент, который получают после охлаждения, подается в главный теплообменник и в теплообменник-конденсатор, может быть сжат, охлажден в главном теплообменнике и разделяется при охлаждении с образованием некоторого количества сжиженных или частично сжиженных потоков охлажденного хладагента различных составов, при этом поток охлажденного хладагента с максимальной концентрацией более легких компонентов, полученный из холодного конца главного теплообменника, потом разделяется и расширяется (перед или после разделения) с образованием потока хладагента, который нагревается в теплообменнике-конденсаторе, и потока хладагента, который возвращается в холодный конец главного теплообменника для нагревания там.
[0028] В предпочтительном варианте осуществления охлаждение для теплообменника-конденсатора обеспечивается как замкнутой системой охлаждения, так и нагреванием пара головного погона, отведенного из ректификационной колонны. В данном варианте осуществления стадия (е) может включать в себя нагревание пара головного погона, отведенного из ректификационной колонны, в теплообменнике-конденсаторе, сжатие первой части нагретого пара головного погона, охлаждение и по меньшей мере частичная конденсация сжатой части в теплообменнике-конденсаторе, и расширение и повторное введение охлажденной и по меньшей мере частично сконденсированной части обратно в верх ректификационной колонны; и стадия (d) может включать в себя образование обогащенного азотом парообразного продукта из второй части нагретого пара головного погона.
[0029] В одном варианте осуществления способа стадия (c) включает в себя расширение и частичное испарение первого потока СПГ и введение указанного потока в ректификационную колонну для разделения потока на парообразную и жидкую фазы. В данном варианте осуществления второй поток СПГ предпочтительно направляют в резервуар для хранения СПГ.
[0030] В другом варианте осуществления, стадия (c) способа включает в себя расширение и частичное испарение по меньшей мере частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа и введение указанного потока в ректификационную колонну для разделения потока на парообразную и жидкую фазы, при этом по меньшей мере частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа образуется в результате отделения обогащенного азотом потока природного газа от первого потока СПГ и по меньшей мере частичного сжижения указанного потока в главном теплообменнике.
[0031] В данном варианте осуществления по меньшей мере частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа может быть получен с помощью (i) расширения, частичного испарения и разделения первого потока СПГ или потока СПГ, образованного из части первого потока СПГ, с образованием обедненного азотом СПГ продукта и рециркуляционного потока, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа, (ii) сжатия рециркуляционного потока с образованием сжатого рециркуляционного потока, и (iii) пропускания сжатого рециркуляционного потока через главный теплообменник, отдельно от сырьевого потока природного газа и параллельно с ним, для охлаждения сжатого рециркуляционного потока и по меньшей мере частичного сжижения всего потока или его части, в результате чего образуется по меньшей мере частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа. Предпочтительно, резервуар для хранения СПГ используется для разделения первого потока СПГ или потока СПГ, образованного из части первого потока СПГ, с образованием обедненного азотом СПГ продукта и рециркуляционного потока. Таким образом, первый поток СПГ или поток СПГ, образованный из части первого потока СПГ, может быть расширен и передан в резервуар для хранения СПГ, в котором часть СПГ испаряется, образуя, таким образом, обогащенные азотом пары природного газа и обедненный азотом СПГ продукт, и обогащенные азотом пары природного газа могут после этого быть отведены из резервуара с образованием рециркуляционного потока.
[0032] В варианте осуществления, описанном в параграфе выше, способ также может дополнительно включать в себя расширение, частичное испарение и разделение второго потока СПГ с образованием дополнительных обогащенных азотом паров природного газа для рециркуляционного потока и дополнительного обедненного азотом СПГ продукта. В этом и других вариантах осуществления, где как первый поток СПГ, так и второй поток СПГ расширяются, частично испаряются и разделяются с получением обогащенных азотом паров природного газа для рециркуляционного потока и обедненного азотом СПГ продукта, это может быть осуществлено с помощью объединения первого и второго потоков СПГ и после этого расширения, частичного испарения и разделения объединенного потока; с помощью отдельного расширения и частичного испарения потоков, объединения расширенных потоков, и после этого разделения объединенного потока; или с помощью расширения, частичного испарения и разделения каждого потока по отдельности.
[0033] В другом варианте осуществления, стадия (c) способа включает в себя расширение и частичное испарение по меньшей мере частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа и введение указанного потока в ректификационную колонну для разделения потока на парообразную и жидкую фазы, при этом по меньшей мере частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа образуется в результате отделения обогащенного азотом потока природного газа от сырьевого потока природного газа и по меньшей мере частичного сжижения указанного потока в главном теплообменнике.
[0034] В данном варианте осуществления стадия (а) способа может включать в себя (i) введение сырьевого потока природного газа в теплый конец главного теплообменника, охлаждение и по меньшей мере частичное сжижение сырьевого потока природного газа, и отведение охлажденного и по меньшей мере частично сжиженного потока из промежуточного местоположения главного теплообменника, (ii) расширение, частичное испарение и разделение охлажденного и по меньшей мере частично сжиженного потока с образованием обогащенного азотом, парообразного потока природного газа и обедненного азотом, жидкого потока природного газа, и (iii) раздельное повторное введение парообразного и жидкого потоков в промежуточное местоположение главного теплообменника и параллельно дополнительное охлаждение парообразного потока и жидкого потока, при этом жидкий поток дополнительно охлаждается с образованием первого потока СПГ, и парообразный поток дополнительно охлаждается и по меньшей мере частично сжижается с образованием по меньшей мере частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа.
[0035] В варианте осуществления, описанном в параграфе выше, способ может дополнительно включать в себя: (g) расширение, частичное испарение и разделение второго потока СПГ с образованием обедненного азотом СПГ продукта и рециркуляционного потока, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа; (h) сжатие рециркуляционного потока с образованием сжатого рециркуляционного потока; и (i) возвращение сжатого рециркуляционного потока в главный теплообменник для охлаждения и по меньшей мере частичного сжижения вместе с сырьевым потоком природного газа или отдельно от него. Способ может дополнительно включать в себя расширение, частичное испарение и разделение первого потока СПГ с образованием дополнительных обогащенных азотом паров природного газа для рециркуляционного потока и дополнительного обедненного азотом СПГ продукта. Опять же, предпочтительно, резервуар для хранения СПГ используется для разделения второго и/или первого потока СПГ с образованием обедненного азотом СПГ продукта и рециркуляционного потока.
[0036] Стадия (a)(ii) способа может дополнительно включать в себя расширение, частичное испарение и разделение охлажденного и по меньшей мере частично сжиженного потока с образованием обогащенного азотом парообразного потока природного газа, потока десорбирующего газа, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа, и обедненного азотом жидкого потока природного газа. Стадия (c) может затем дополнительно включать в себя введение потока десорбирующего газа в низ ректификационной колонны.
[0037] Сжиженный или частично сжиженный поток природного газа может вводиться в ректификационную колонну в промежуточном местоположении колонны, и паровая нагрузка ректификационной колонны может обеспечиваться нагреванием и испарением части кубовой жидкости в теплообменнике-ребойлере с помощью косвенного теплообмена с сжиженным или частично сжиженным потоком природного газа перед введением указанного потока в ректификационную колонну.
[0038] Также как отмечалось выше, в соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предлагается установка для сжижения сырьевого потока природного газа и удаления из него азота, причем установка включает в себя:
главный теплообменник, имеющий канал охлаждения для приема сырьевого потока природного газа и пропускания сырьевого потока природного газа через теплообменник для охлаждения потока и сжижения всего потока или его части, с образованием первого потока СПГ;
расширительное устройство и ректификационную колонну, находящиеся в сообщении по текучей среде с главным теплообменником, для приема, расширения и частичного испарения сжиженного или частично сжиженного потока природного газа и разделения указанного потока в ректификационной колонне на парообразную и жидкую фазы, при этом сжиженный или частично сжиженный поток природного газа является первым потоком СПГ, или является по меньшей мере частично сжиженным обогащенным азотом потоком природного газа, полученным в результате отделения обогащенного азотом потока природного газа от первого потока СПГ или от сырьевого потока природного газа, и по меньшей мере частичного сжижения указанного потока в главном теплообменнике;
теплообменник-конденсатор для обеспечения орошения для ректификационной колонны с помощью конденсации части пара головного погона, полученного из ректификационной колонны; и
замкнутую систему охлаждения для обеспечения охлаждения главного теплообменника и теплообменника-конденсатора, причем хладагент, циркулирующий по замкнутой системе охлаждения, проходит через главный теплообменник и нагревается в нем, и проходит через теплообменник-конденсатор и нагревается в нем.
[0039] Используемый в настоящем документе термин «сообщение по текучей среде» указывает, что рассматриваемые устройства или системы соединены друг с другом таким образом, что указываемые потоки могут быть отправлены и получены рассматриваемыми устройствами или системами. Устройства или системы могут, например, быть соединены с помощью подходящих труб, каналов или других форм трубопроводов для передачи рассматриваемых потоков.
[0040] Установка согласно второму аспекту изобретения подходит для осуществления способа в соответствии с первым аспектом изобретения. Таким образом, различные предпочтительные или необязательные признаки и варианты осуществления установки в соответствии со вторым аспектом будут ясны из предшествующего описания различных предпочтительных или необязательных вариантов осуществления и признаков способа в соответствии с первым аспектом.
[0041] Исключительно в качестве примера различные предпочтительные варианты осуществления изобретения будут теперь описаны со ссылкой на фиг. 1-4. На этих фигурах, если признак является общим более чем на одной фигуре, этому признаку приписывается один и тот же номер позиции на каждой фигуре для ясности и краткости.
[0042] На фиг. 1 проиллюстрирован способ и установка для сжижения и удаления азота из потока природного газа в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0043] Сырьевой поток 100 природного газа сначала проходит через серию каналов охлаждения в главном теплообменнике для охлаждения, сжижения и (обычно) переохлаждения сырьевого потока природного газа с образованием в результате первого потока 112 СПГ, как будет описано более подробно ниже. Сырьевой поток природного газа содержит метан и азот. Как правило, сырьевой поток природного газа имеет концентрацию азота от 1 мол. % до 10 мол. %, и описанные здесь способы и установка могут эффективно удалять азот из природного газа, даже если концентрация азота в сырьевом потоке природного газа относительно низкая, такая как 5 мол. % или ниже. Как хорошо известно в области техники, сырьевой поток природного газа не должен содержать каких-либо дополнительных компонентов в концентрациях, которые вызовут замерзание в главном теплообменнике при охлаждении и сжижении потока. Соответственно, перед введением в главный теплообменник, сырьевой поток природного газа может быть предварительно обработан при необходимости для удаления воды, кислых газов, ртути и тяжелых углеводородов из сырьевого потока природного газа, чтобы понизить концентрацию любых таких компонентов в сырьевом потоке природного газа до таких уровней, которые не вызовут каких-либо проблем замерзания. Соответствующее оборудование и методы для осуществления эффективной дегидратации, удаления кислого газа, удаления ртути и удаления тяжелых углеводородов хорошо известны. Поток природного газа также должен иметь давление выше давления окружающей среды, и, таким образом, может быть сжат и охлажден по мере необходимости в одном или нескольких компрессорах и последующих охладителях (не показаны) перед введением в главный теплообменник.
[0044] В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 1, главный теплообменник состоит из трех последовательных секций охлаждения, а именно, теплой секции 102, в которой сырьевой поток 100 природного газа предварительно охлаждается, средней или промежуточной секции 106, в которой охлажденный сырьевой поток 104 природного газа сжижается, и холодной секции 110, в которой сжиженный сырьевой поток 108 природного газа переохлаждается, при этом конец теплой секции 102, в который вводится сырьевой поток 100 природного газа, таким образом, является теплым концом главного теплообменника, и конец холодной секции 110, из которого отводится первый поток 112 СПГ, таким образом, является холодным концом главного теплообменника. Как будет понятно, выражения «теплый» и «холодный» в данном контексте относятся только к относительным температурам внутри секций охлаждения, и не подразумевают каких-либо конкретных температурных диапазонов. В конфигурации, проиллюстрированной на фиг.1, каждая из этих секций представляет собой отдельный теплообменник, имеющий свой собственный кожух, оболочку или другой вид корпуса, но точно так же две или три секции могут быть объединены в единственном теплообменнике с общим корпусом. Теплообменник (теплообменники) может быть любого подходящего типа, в числе прочего таким как кожухотрубный, спирально-змеевиковый или ребристый пластинчатый тип теплообменника. В таких устройствах каждая секция охлаждения, как правило, будет включать в себя собственный пучок труб (если теплообменник представлен кожухотрубным или спирально-змеевиковым типом) или набор пластин и ребер (если теплообменник представлен ребристым пластинчатым типом).
[0045] В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.1, первый (переохлажденный) поток 112 СПГ, отведенный с холодного конца главного теплообменника, после этого расширяется, частично испаряется и вводится в ректификационную колонну 162, в которой поток разделяется на парообразную и жидкую фазу с образованием обогащенного азотом парообразного продукта 170 и второго (обедненного азотом) потока 186 СПГ.
[0046] Ректификационная колонна 162 в данном варианте осуществления содержит две секции разделения, каждая из которых состоит из вставок, таких как насадка и/или одна или несколько тарелок, которые увеличивают контакт и, тем самым, усиливают массоперенос между поднимающимся вверх паром и текущей вниз жидкостью внутри колонны. Первый поток 112 СПГ охлаждается в теплообменнике-ребойлере 174, образуя охлажденный поток 156, который после этого расширяется и частично испаряется при прохождении через расширительное устройство, такое как, например, клапан 158 Джоуля-Томсона или устройство совершения работы (например, гидравлическая турбина или турбодетандер (не показаны)), образуя расширенный и частично испаренный поток 160, который вводится в промежуточное местоположение ректификационной колонны между секциями разделения, для разделения на парообразную и жидкую фазы. Кубовая жидкость из ректификационной колонны 162 обеднена азотом (по сравнению с первым потоком 112 СПГ и сырьевым потоком 100 природного газа). Пар головного погона из ректификационной колонны 162 обогащен азотом (по сравнению с первым потоком 112 СПГ и сырьевым потоком 100 природного газа).
[0047] Паровая нагрузка для ректификационной колонны 162 обеспечивается с помощью нагревания и по меньшей мере частичного испарения потока 182 кубовой жидкости из колонны в теплообменнике-ребойлере 174 и возвращения нагретого и по меньшей мере частично испаренного потока 184 в низ колонны, обеспечивая таким образом десорбирующий газ в колонну. Остальная часть кубовой жидкости, не испарявшаяся в теплообменнике-ребойлере 174, отводится из ректификационной колонны 162 с образованием второго потока 186 СПГ. В проиллюстрированном варианте осуществления второй поток 186 СПГ после этого дополнительно расширяется, например, при прохождении потока через расширительное устройство, такое как клапан 188 Джоуля-Томсона или турбодетандер (не показан), с образованием расширенного потока СПГ, который вводится в резервуар 128 для хранения СПГ, из которого может отводиться обедненный азотом СПГ продукт 196.
[0048] Орошение ректификационной колонны 162 обеспечивается с помощью конденсации части пара 164 головного погона из ректификационной колонны в теплообменнике-конденсаторе 154. Остальная часть пара головного погона, которая не конденсируется в теплообменнике-конденсаторе 154, отводится из ректификационной колонны 162 с образованием обогащенного азотом парообразного продукта 170. Охлаждение теплообменника-конденсатора 154 обеспечивается с помощью замкнутой системы охлаждения, которая также обеспечивает охлаждение для главного теплообменника. В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.1, часть охлаждения для теплообменника-конденсатора 154 также обеспечивается самим холодным паром 164 головного погона.
[0049] В частности, холодный пар 164 головного погона, отводимый из верха ректификационной колонны 162, сначала нагревается в теплообменнике-конденсаторе 154. Часть нагретого головного погона затем сжимается в компрессоре 166, охлаждается в последующем охладителе 168 (использующем хладагент, такой как, например, воздух или вода при температуре окружающей среды), дополнительно охлаждается и по меньшей мере частично сжижается в теплообменнике-конденсаторе 154, расширяется, например, через расширительное устройство, такое как клапан 176 Джоуля-Томсона или турбодетандер (не показан), и возвращается в верх ректификационной колонны 162, тем самым обеспечивая орошение в колонну. Остальная часть нагретого головного погона после пропускания через регулировочный клапан 169 (который может регулировать рабочее давление ректификационной колонны 162) образует поток 170 обогащенного азотом парообразного продукта. Дополнительное охлаждение теплообменника-конденсатора 154 обеспечивается потоком хладагента 222, подаваемого по замкнутой системе охлаждения, которая также обеспечивает охлаждение для главного теплообменника, как будет теперь описано более подробно.
[0050] Как отмечалось выше, частично или полностью охлаждение главного теплообменника обеспечивается с помощью замкнутой системы охлаждения, которая может быть любого подходящего типа. Приводимые в качестве примера системы охлаждения, которые могут использоваться, включают в себя систему на одном смешанном хладагенте (SMR), систему двух смешанных хладагентов (DMR), гибридную систему смешанного хладагента с предварительным пропановым охлаждением (C3MR), систему с циклом расширения азота (или циклом расширения других газов) и каскадную систему охлаждения. В системах SMR и с циклом расширения азота охлаждение обеспечивается для всех трех секций 102, 106, 110 главного теплообменника с помощью одного смешанного хладагента (в случае системы SMR) или с помощью азота (в случае системы с циклом расширения азота), циркулирующего по замкнутой системе охлаждения. В системах DMR и C3MR, две отдельные замкнутые системы охлаждения, в которых циркулируют два отдельных хладагента (два различных смешанных хладагента в случае системы DMR, и пропановый хладагент и смешанный хладагент в случае системы C3MR), используются для подачи хладагента в главный теплообменник, так что разные секции главного теплообменника могут охлаждаться с помощью разных замкнутых систем. Работа цикла SMR, DMR, C3MR, расширения азота и других таких замкнутых систем охлаждения хорошо известна.
[0051] В качестве примера, в варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.1, охлаждение главного теплообменника обеспечивается системой с одним смешанным хладагентом (SMR), при этом каждая из секций 102, 106 и 110 охлаждения главного теплообменника включает в себя теплообменник спирально-змеевикового типа. В данном типе замкнутой системы циркулирующий смешанный хладагент состоит из смеси компонентов, такой как смесь азота, метана, этана, пропана, бутана и изопентана. Нагретый смешанный хладагент 250, выходящий из теплого конца главного теплообменника, сжимается в компрессоре 252 с образованием сжатого потока 256. Сжатый поток затем проходит через последующий охладитель для охлаждения и частичной конденсации потока, и после этого разделяется в фазовом сепараторе на парообразный поток 258 и жидкий поток 206. Парообразный поток 258 дополнительно сжимается в компрессоре 260 и охлаждается и частично конденсируется с образованием потока 200 смешанного хладагента высокого давления при температуре окружающей среды. Последующие охладители могут использовать любую подходящую окружающую теплопоглотительную среду, такую как воздух, пресная вода, морская вода или вода из испарительной градирни.
[0052] Поток 200 смешанного хладагента высокого давления разделяется в фазовом сепараторе на парообразный поток 204 и жидкий поток 202. Жидкие потоки 202 и 206 затем переохлаждаются в теплой секции 102 главного теплообменника, перед понижением давления и объединением с образованием потока 228 холодного хладагента, который проходит через межтрубную зону теплой секции 102 главного теплообменника, где он испаряется и нагревается с обеспечением охлаждения указанной секции. Парообразный поток 204 охлаждается и частично сжижается в теплой секции 102 главного теплообменника, выходя в виде потока 208. Поток 208 затем разделяется в фазовом сепараторе на парообразный поток 212 и жидкий поток 210. Жидкий поток 210 переохлаждается в средней секции 106 главного теплообменника, и после этого его давление понижается с образованием потока 230 холодного хладагента, который проходит через межтрубную зону средней части 106 главного теплообменника, где он испаряется и нагревается с обеспечением охлаждения указанной секции. Парообразный поток 212 конденсируется и переохлаждается в средней секции 106 и холодной секции 110 главного теплообменника, выходя в виде потока 214, который после этого разделяется на две части.
[0053] Большая часть 216 потока 214 хладагента расширяется с обеспечением потока 232 холодного хладагента, который пропускается через межтрубную зону холодной секции 110 главного теплообменника, где он испаряется и нагревается с обеспечением охлаждения указанной секции. Нагретый хладагент (полученный из потока 232), выходящий из межтрубной зоны холодной секции 110, объединяется с потоком 230 хладагента в межтрубную зону средней секции 106, где он далее нагревается и испаряется, обеспечивая дополнительный хладагент для этой секции. Объединенный нагретый хладагент, выходящий из межтрубной зоны средней секции 106, объединяется с потоком 228 хладагента в межтрубную зону теплой секции 102, где он дополнительно нагревается и испаряется, обеспечивая дополнительный хладагент для этой секции. Объединенный нагретый хладагент, выходящий из межтрубной зоны теплой секции 102, полностью испаряется и предпочтительно перегревается примерно на 5°C, и выходит в виде потока 250 нагретого смешанного хладагента, завершая таким образом цикл охлаждения.
[0054] Другая, меньшая часть 218 (как правило, менее 20%) потока 214 хладагента используется для обеспечения охлаждения теплообменника-конденсатора 154, который, как описано выше, обеспечивает орошение для ректификационной колонны 164, причем указанная часть нагревается в теплообменнике-конденсаторе 154 с обеспечением его охлаждения перед возвращением в главный теплообменник и дополнительным нагреванием в нем. В частности, меньшая часть 218 потока хладагента 214 расширяется, например, с помощью пропускания потока через клапан 220 Джоуля-Томсона или другой подходящий тип расширительного устройства (такой как, например, турбодетандер), с образованием потока 222 холодного хладагента. Поток 222 затем нагревается и по меньшей мере частично испаряется в теплообменнике-конденсаторе 154 перед возвращением в главный теплообменник с помощью объединения с нагретым хладагентом (полученным из потока 232), выходящим из межтрубной зоны холодной секции 110 главного теплообменника и входящим в межтрубную зону средней секции 106 с потоком 230 хладагента.
[0055] Использование теплообменника-конденсатора 154 (и, в частности, использование азотного теплонасосного цикла, включающего в себя теплообменник-конденсатор 154, компрессор 166 и последующий охладитель 168) для охлаждения верха ректификационной колонны 162 позволяет получить обогащенный азотом продукт 170 повышенной чистоты. Использование замкнутой системы охлаждения для обеспечения также охлаждения теплообменника-конденсатора 154 повышает общую эффективность способа за счет сведения к минимуму разницы внутренних температур в теплообменнике-конденсаторе 154, при этом смешанный хладагент обеспечивает охлаждение при соответствующей температуре, когда происходит конденсация азотного рециркулята.
[0056] Это проиллюстрировано с помощью кривых охлаждения, изображенных на фиг. 4, которые получены для теплообменника-конденсатора 154 при работе в соответствии с вариантом осуществления, представленным на фиг.1 и описанным выше. Предпочтительно, давление нагнетания компрессора 166 выбирают таким образом, что сжатая и нагретая часть пара 172 головного погона, которая должна быть охлаждена в теплообменнике-конденсаторе 154, конденсируется при температуре чуть выше температуры, при которой смешанный хладагент испаряется. Пар 164 головного погона, отведенный из ректификационной колонны 162, может входить в теплообменник-конденсатор 154 при температуре своей точки росы (примерно -159°C), и нагреваться до близкого к окружающей среде состояния. После отведения обогащенного азотом парообразного продукта 170 остальной пар головного погона далее сжимается в компрессоре 166, охлаждается в последующем охладителе 168 до температуры, близкой к температуре окружающей среды, и возвращается в теплообменник-конденсатор 154 для охлаждения и конденсации, обеспечивая орошение для ректификационной колонны 162, как описано ранее.
[0057] Обратимся теперь к фиг. 2 и 3, на которых проиллюстрированы дополнительные способы и установка для сжижения и удаления азота из потока природного газа в соответствии с альтернативными вариантами осуществления настоящего изобретения. Данные варианты осуществления отличаются от варианта осуществления, показанного на фиг.1, тем, что в этих вариантах осуществления поток, который направляется в ректификационную колонну 162 для разделения на парообразную и жидкую фазы, не является первым потоком 112 СПГ, а вместо этого представляет собой по меньшей мере частично сжиженный обогащенный азотом поток (144 или 344) природного газа, полученный в результате отделения обогащенного азотом потока природного газа от первого потока СПГ или от сырьевого потока природного газа.
[0058] В способе и установке, проиллюстрированных на фиг.2, по меньшей мере частично сжиженный обогащенный азотом поток 144 природного газа, направляемый в ректификационную колонну 162 и разделяемый в ней, образуется в результате отделения обогащенного азотом потока 130 природного газа от первого потока 112 СПГ и по меньшей мере частичного сжижения указанного потока в главном теплообменнике.
[0059] В частности, первый поток 112 СПГ, отводимый из холодного конца главного теплообменника, расширяется, например, с помощью пропускания потока через расширительное устройство, такое как клапан 124 Джоуля-Томсона или турбодетандер (не показан), с образованием расширенного потока 126 СПГ, который вводится в резервуар 128 для хранения СПГ. Внутри резервуара 128 для хранения СПГ часть СПГ испаряется в результате первоначального расширения и введения СПГ в резервуар и/или в результате нагревания с течением времени под воздействием окружающей среды (поскольку резервуар для хранения не может быть совершенно изолирован), образуя обогащенные азотом пары природного газа, которые собираются и отводятся из свободного пространства в верхней части резервуара в виде рециркуляционного потока 130, оставляя при этом обедненный азотом СПГ продукт, который хранится в резервуаре и может быть отведен в виде потока 196 продукта. В альтернативном варианте осуществления (не показан) резервуар 128 для хранения СПГ может быть заменен на фазовый сепаратор (такой как испарительный барабан) или другой тип разделительного устройства, в котором расширенный поток 126 СПГ разделяется на жидкую и парообразную фазы, образующие, соответственно, обедненный азотом СПГ продукт 196 и рециркуляционный поток 130, состоящий обогащенных азотом паров природного газа. В случае, когда используется резервуар для хранения СПГ, обогащенные азотом пары природного газа, которые собираются и отводятся из свободного пространства в верху резервуара, также могут называться танковым газом (TFG) или отпарным газом (BOG). В случае, когда используется фазовый сепаратор, обогащенные азотом пары природного газа, которые образуются в фазовом сепараторе и отводятся из него, также могут называться мгновенно выделяющимся отходящим газом (EFG).
[0060] Рециркуляционный поток 130, состоящий из обогащенных азотом паров природного газа, затем повторно сжимается в одном или более компрессорах 132 и охлаждается в одном или более последующем охладителе 136 с образованием сжатого рециркуляционного потока 138, который рециркулирует в главный теплообменник (поэтому данный поток называется рециркуляционным потоком). В последующих охладителях может использоваться любой подходящий тип хладагента, как например, вода или воздух при температуре окружающей среды. Сжатые и охлажденные обогащенные азотом пары природного газа, выходящие из последующего охладителя 136, также могут быть разделены (не показано), при этом часть указанного газа образует сжатый рециркуляционный поток 138, который направляется в главный теплообменник, и другая часть (не показана) отводится и используется для других целей, таких как потребность в топливе самой установки (не показано). Сжатый рециркуляционный поток 138 в результате охлаждения в последующем охладителе (охладителях) 136 находится приблизительно при той же температуре (например, окружающей среды), что и сырьевой поток 100 природного газа, и вводится отдельно в теплый конец главного теплообменника и проходит через отдельный канал охлаждения или серию каналов охлаждения, которые идут параллельно каналам охлаждения, в которых охлаждается сырьевой поток природного газа, чтобы отдельно охладить сжатый рециркуляционный поток в теплой, средней и холодной секциях 102, 106 и 110 главного теплообменника, при этом сжатый рециркуляционный поток охлаждается и по меньшей мере частично сжижается с образованием первого по меньшей мере частично сжиженного (т.е. частично или полностью сжиженного) обогащенного азотом потока 144 природного газа.
[0061] Первый по меньшей мере частично сжиженный (т.е. частично или полностью сжиженный) обогащенный азотом поток 144 природного газа, отведенный из холодного конца главного теплообменника, после этого расширяется, частично испаряется и вводится в ректификационную колонну 162, в которой поток разделяется на парообразную и жидкую фазы с образованием обогащенного азотом парообразного продукта 170 и второго (обедненного азотом) потока 186 СПГ, аналогично первому потоку 112 СПГ в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1 и описанном выше. В частности, первый по меньшей мере частично сжиженный обогащенный азотом поток 144 природного газа охлаждается в теплообменнике-ребойлере 174, образуя охлажденный поток 456, который после этого расширяется и частично испаряется, например, с помощью прохождения через расширительное устройство, такое как клапан 458 Джоуля-Томсона или турбодетандер (не показан), образуя расширенный и частично испаренный поток 460, который вводится в промежуточное местоположение ректификационной колонны между секциями разделения, для разделения на парообразную и жидкую фазы.
[0062] Пар головного погона из ректификационной колонны 162, который в данном варианте осуществления дополнительно обогащен азотом (т.е. обогащен азотом относительно первого по меньшей мере частично сжиженного обогащенного азотом потока 144 природного газа, и таким образом дополнительно обогащен азотом относительно сырьевого потока 100 природного газа), опять же обеспечивает обогащенный азотом парообразный продукт 170.
[0063] Кубовая жидкость из ректификационной колонны 162 опять же обеспечивает второй поток 186 СПГ, который и в этом случае транспортируется в резервуар 128 для хранения СПГ. В частности, второй поток 186 СПГ, отведенный из низа ректификационной колонны 162, после этого расширяется, например, при прохождении потока через клапан 188 Джоуля-Томсона или турбодетандер (не показан), с образованием расширенного потока при приблизительно таком же давлении, что и расширенный первый поток 126 СПГ. Расширенный второй поток СПГ аналогичным образом вводится в резервуар 128 для хранения СПГ, в котором, как описано выше, часть СПГ испаряется, образуя обогащенные азотом пары природного газа, которые отводятся из свободного пространства в верху резервуара в виде рециркуляционного потока 130, при этом остается обедненный азотом СПГ продукт, который хранится в резервуаре и может быть отведен в виде потока 196 продукта. Таким образом, в данном варианте осуществления второй поток 186 СПГ и первый поток 112 СПГ расширяются, объединяются и вместе разделяются на рециркуляционный поток 130 и СПГ продукт 196. Однако, в альтернативном варианте осуществления (не показан), второй поток 186 СПГ и первый поток 112 СПГ могут быть расширены и введены в разные резервуары для хранения СПГ (или другие типы разделительных систем) с образованием отдельных рециркуляционных потоков, которые после этого объединяют, и отдельных потоков СПГ продукта. Аналогичным образом, в еще одном варианте осуществления (не показан), второй поток 186 СПГ и первый поток 112 СПГ (если они имеют сходное давление или приведены к нему) могут быть объединены перед расширением через клапан Джоуля-Томсона, турбодетандер или другой тип расширительного устройства, и после этого объединенный расширенный поток вводится в резервуар для хранения СПГ (или другой тип разделительной системы).
[0064] Вариант осуществления, изображенный на фиг. 2, обеспечивает простое и эффективное средство сжижения природного газа и удаления азота с получением высокочистого СПГ продукта и потока азота высокой чистоты, который может быть сброшен в атмосферу при соответствии экологическим требованиям к чистоте и без существенной потери метана. В качестве альтернативы поток 170 азота также может использоваться где-либо еще, как например, в качестве топлива, если содержание метана достаточно высоко. В частности, рециркуляционный поток обогащен азотом по сравнению с сырьевым потоком природного газа и первым СПГ и, таким образом, с помощью по меньшей мере частичного сжижения рециркуляционного потока (образуя, таким образом, первый по меньшей мере частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа) и последующего разделения данного потока в ректификационной колонне вместо первого потока СПГ, получают обогащенный азотом парообразный продукт существенно более высокой чистоты (т.е. с более высокой концентрацией азота) для аналогичных стадий разделения. Аналогичным образом, хотя рециркуляционный поток может быть охлажден и по меньшей мере частично сжижен с помощью добавления специального теплообменника и системы охлаждения для осуществления этого, использование главного теплообменника и связанной с ним существующей системы охлаждения для охлаждения и по меньшей мере частичного сжижения рециркуляционного потока, так что он может быть разделен на обогащенный азотом продукт и дополнительный СПГ продукт, дает более компактный и экономически эффективный способ и установку.
[0065] В способе и установке, проиллюстрированных на фиг.3, по меньшей мере частично сжиженный обогащенный азотом поток 344 природного газа, направляемый в ректификационную колонну 162 и разделяемый в ней, образуется в результате отделения обогащенного азотом потока 307 природного газа от сырьевого потока 100 природного газа и по меньшей мере частичного сжижения указанного потока в главном теплообменнике.
[0066] В частности, в варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.3, сырьевой поток 100 природного газа сначала пропускается через серию каналов охлаждения в главном теплообменнике для охлаждения потока природного газа, для сжижения и (как правило) переохлаждения одной его части с образованием в результате первого потока 112 СПГ, и для по меньшей мере частичного сжижения другой его части, с образованием в результате этого первого по меньшей мере частично сжиженного обогащенного азотом потока 344 природного газа. Сырьевой поток 100 природного газа вводится в теплый конец главного теплообменника и проходит через первый канал охлаждения, проходящий через теплую секцию 102 и среднюю секцию 106 главного теплообменника, в котором поток охлаждается и по меньшей мере частично сжижается, с образованием в результате этого охлажденного и по меньшей мере частично сжиженного потока 341 природного газа. Охлажденный и по меньшей мере частично сжиженный поток 341 природного газа после этого отводится из промежуточного местоположения главного теплообменника, между средней и холодной секциями главного теплообменника, и расширяется, частично испаряется и разделяется в разделительной системе, состоящий из расширительного устройства, такого как клапан 342 Джоуля-Томсона или устройство совершения работы (например, гидравлическая турбина или турбодетандер (не показаны)), и фазового сепаратора 308 (такого как испарительный барабан), с образованием обогащенного азотом парообразного потока 307 природного газа и обедненного азотом жидкого потока 309 природного газа. Парообразный поток 307 и жидкий поток 309 затем по отдельности повторно вводятся в промежуточное местоположение главного теплообменника, между средней секцией 106 и холодной секцией 110. Жидкий поток 309 пропускается через второй канал охлаждения, проходящий через холодную секцию 110 главного теплообменника, в которой поток переохлаждается с образованием первого (переохлажденного) потока 112 СПГ. Парообразный поток 307 пропускается через третий канал охлаждения, который проходит через холодную секцию 110 главного теплообменника отдельно от второго канала охлаждения и параллельно с ним, где поток охлаждается и по меньшей мере частично сжижается с образованием первого по меньшей мере частично сжиженного (т.е. частично или полностью сжиженного) обогащенного азотом потока 344 природного газа. Первый поток 112 СПГ и первый по меньшей мере частично сжиженный обогащенный азотом поток 344 природного газа после этого отводятся из холодного конца главного теплообменника.
[0067] Первый по меньшей мере частично сжиженный обогащенный азотом поток 344 природного газа после этого, аналогично первому потоку 112 СПГ в варианте осуществления, показанном на фиг.1, расширяется, частично испаряется и вводится в ректификационную колонну 162, в которой поток разделяется на парообразную и жидкую фазы, с образованием обогащенного азотом парообразного продукта 170 и второго (обедненного азотом) потока 186 СПГ. Однако, в варианте осуществления, изображенном на фиг. 3, не используется теплообменник-ребойлер для обеспечения паровой нагрузки в ректификационной колонне 162. Таким образом, первый по меньшей мере частично сжиженный обогащенный азотом поток 344 природного газа просто расширяется и частично испаряется, например, с помощью прохождения через расширительное устройство, такое как клапан 358 Джоуля-Томсона или турбодетандер (не показан), образуя расширенный и частично испаренный поток 360, который вводится в промежуточное местоположение ректификационной колонны между секциями разделения для разделения на парообразную и жидкую фазы. Вместо использования теплообменника-ребойлера, десорбирующий газ для ректификационной колонны 162 обеспечивается с помощью части 374 обогащенных азотом паров природного газа, полученных из фазового сепаратора 308. В частности, обогащенные азотом пары природного газа, образованные фазовым сепаратором 308, разделяются с образованием двух парообразных потоков 307, 374 обогащенного азотом природного газа. В альтернативном случае, ребойлер для данного варианта осуществления может быть обеспечен точно так же, как проиллюстрировано на фиг. 1 и фиг. 2. Аналогичным образом, десорбирующий пар на фиг. 1 и фиг. 2 может быть получен из теплого природного газа, полученного между средним и холодным пучками, как показано на фиг. 3, или из теплого конца, или из любого другого промежуточного местоположения установки сжижения (не показано). Поток 307 пропускается через и дополнительно охлаждается в холодной секции 110 главного теплообменника с образованием первого по меньшей мере частично сжиженного обогащенного азотом потока 344 природного газа, как описано выше. Поток 374 расширяется, например, с помощью пропускания через клапан 384 Джоуля-Томсона или турбодетандер (не показан), и вводится в качестве потока десорбирующего газа в низ ректификационной колонны 162.
[0068] Как и в варианте осуществления, изображенном на фиг.2, первый поток 112 СПГ, отводимый из холодного конца главного теплообменника (вместе со вторым потоком 186 СПГ), опять же расширяется и направляется в резервуар 128 для хранения СПГ (или другое разделительное устройство) с обеспечением обедненного азотом СПГ продукта 196 и рециркуляционного потока 130, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа. Однако, в варианте осуществления, показанном на фиг. 3, сжатый рециркуляционный поток 138, образованный в результате сжатия рециркуляционного потока в компрессоре 132 и охлаждения сжатого рециркуляционного потока 134 в последующем охладителе 136, рециркулирует обратно в главный теплообменник с помощью введения обратно в сырьевой поток 100 природного газа, так что он охлаждается и по меньшей мере частично сжижается в главном теплообменнике вместе с сырьевым потоком природного газа и как его часть.
[0069] Как и в варианте осуществления, изображенном и описанном на фиг. 2, вариант осуществления, изображенный на фиг. 3, представляет способ и установку, которая имеет относительно низкое количество единиц оборудования, является эффективной, простой и удобной в эксплуатации и обеспечивает производство как потока высокочистого продукта СПГ, так и потока азота высокой чистоты даже с сырьевыми композициями природного газа с относительно низким содержанием азота. За счет разделения первого по меньшей мере частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа в ректификационной колонне вместо первого потока СПГ получают обогащенный азотом парообразный продукт значительно более высокой чистоты, и за счет использования главного теплообменника и связанной с ним системы охлаждения для образования указанного первого по меньшей мере частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа, а не за счет добавления специального теплообменника и системы охлаждения для осуществления этого, обеспечиваются более компактные и экономически эффективные способ и установка.
Пример
[0070] Для иллюстрации работы изобретения следует способ, описанный и изображенный на фиг. 1 (с использованием процесса охлаждения SMR), позволяющий получить сбрасываемый поток азота с 1% метана и продукт сжиженного природного газа с 1% азота. Состав подаваемого сырья природного газа показан в таблице 1, и в таблице 2 перечислены составы основных потоков. Данные были получены с использованием программного обеспечения ASPEN Plus. Как можно видеть из данных, способ эффективно удаляет азот из потока сжиженного природного газа.
Условия и состав сырьевого природного газа
Составы и условия потоков
(-153)
(-160)
(-192)
(23)
(-153)
(-137)
(-118)
(-162)
(1,5)
(1,5)
(0,12)
(0,10)
(3,1)
(0,5)
(2,0)
(0,10)
(кг-моль/ч)
(2668)
(2668)
(272)
(56)
(200)
(200)
(2668)
(2429)
[0071] Следует иметь в виду, что изобретение не ограничено подробностями, описанными выше со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, но что многочисленные модификации и варианты могут быть сделаны в пределах сущности или объема изобретения, как определено в следующих пунктах формулы изобретения.
Способ сжижения сырьевого потока природного газа и удаления азота из него включает в себя пропускание сырьевого потока природного газа через главный теплообменник с образованием первого потока СПГ и разделение сжиженного или частично сжиженного потока природного газа в дистилляционной колонне с образованием обогащенного азотом парообразного продукта. Замкнутая система охлаждения обеспечивает охлаждение главного теплообменника и теплообменника-конденсатора, который обеспечивает орошение для дистилляционной колонны. Хладагент, циркулирующий по замкнутой системе охлаждения, проходит через главный теплообменник и через теплообменник-конденсатор и нагревается в них. Техническим результатом является увеличение чистоты производимых продуктов и повышение компактности установки. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.
1. Способ сжижения сырьевого потока природного газа и удаления из него азота, включающий:
(а) пропускание сырьевого потока природного газа через главный теплообменник для охлаждения потока природного газа и сжижения всего указанного потока или его части, с образованием в результате первого потока СПГ;
(b) отведение первого потока СПГ из главного теплообменника;
(с) расширение и частичное испарение по меньшей мере частично сжиженного, обогащенного азотом потока природного газа, и введение указанного потока в дистилляционную колонну, в которой поток разделяется на парообразную и жидкую фазы;
(d) образование обогащенного азотом парообразного продукта из пара головного погона, отведенного из дистилляционной колонны;
(e) обеспечение орошения для дистилляционной колонны с помощью конденсации части пара головного погона из дистилляционной колонны в теплообменнике-конденсаторе; и
(f) образование второго потока СПГ из кубовой жидкости, отведенной из дистилляционной колонны;
при этом охлаждение для главного теплообменника и для теплообменника-конденсатора обеспечивается замкнутой системой охлаждения, причем хладагент, циркулирующий по замкнутой системе охлаждения, проходит через главный теплообменник и нагревается в нем, и проходит через теплообменник-конденсатор и нагревается в нем; и
при этом частично сжиженный, обогащенный азотом поток природного газа образуется с помощью (i) расширения, частичного испарения и разделения первого потока СПГ или потока СПГ, образованного из части первого потока СПГ, с образованием обедненного азотом СПГ продукта и рециркуляционного потока, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа, (ii) сжатия рециркуляционного потока с образованием сжатого рециркуляционного потока, и (iii) пропускания сжатого рециркуляционного потока через главный теплообменник, отдельно от сырьевого потока природного газа и параллельно с ним, для охлаждения сжатого рециркуляционного потока и по меньшей мере частичного сжижения всего потока или его части, в результате чего образуется по меньшей мере частично сжиженный, обогащенный азотом поток природного газа или
при этом частично сжиженный, обогащенный азотом поток природного газа образуется на стадии (а), при этом стадия (а) включает в себя (i) введение сырьевого потока природного газа в теплый конец главного теплообменника, охлаждение и по меньшей мере частичное сжижение сырьевого потока природного газа, и отведение охлажденного и по меньшей мере частично сжиженного потока из промежуточного местоположения главного теплообменника, (ii) расширение, частичное испарение и разделение охлажденного и по меньшей мере частично сжиженного потока с образованием обогащенного азотом парообразного потока природного газа и обедненного азотом жидкого потока природного газа, и (iii) раздельное повторное введение парообразного и жидкого потоков в промежуточное местоположение главного теплообменника и параллельно дополнительное охлаждение парообразного потока и жидкого потока, при этом жидкий поток дополнительно охлаждается с образованием первого потока СПГ, и парообразный поток дополнительно охлаждается и по меньшей мере частично сжижается с образованием по меньшей мере частично сжиженного, обогащенного азотом потока природного газа.
2. Способ по п.1, в котором хладагент, который проходит через теплообменник-конденсатор и нагревается в нем, после этого проходит через главный теплообменник и дополнительно нагревается в нем.
3. Способ по любому одному из пп.1 или 2, в котором нагретый хладагент, который получен после охлаждения, подается в главный теплообменник и в теплообменник-конденсатор, сжимается в одном или более компрессорах и охлаждается в одном или более последующем охладителе с образованием сжатого хладагента; сжатый хладагент проходит через и охлаждается в главном теплообменнике с образованием охлажденного сжатого хладагента, который отводится из главного теплообменника; и охлажденный сжатый хладагент после этого разделяется, при этом часть хладагента расширяется и возвращается непосредственно в главный теплообменник для прохождения через и нагревания в главном теплообменнике, и другая часть хладагента расширяется и направляется в теплообменник-конденсатор для прохождения через и нагревания в теплообменнике-конденсаторе.
4. Способ по любому одному из пп.1 или 2, в котором хладагент, циркулирующий по замкнутой системе охлаждения, является смешанным хладагентом.
5. Способ по п.4, в котором нагретый смешанный хладагент, который получают после охлаждения, подается в главный теплообменник и в теплообменник-конденсатор, сжимается, охлаждается в главном теплообменнике и разделяется при охлаждении с образованием некоторого количества сжиженных или частично сжиженных потоков холодного хладагента различных составов, при этом поток холодного хладагента с максимальной концентрацией более легких компонентов, полученный из холодного конца главного теплообменника, разделяется и расширяется с образованием потока хладагента, который нагревается в теплообменнике-конденсаторе, и потока хладагента, который возвращается в холодный конец главного теплообменника для нагревания там.
6. Способ по любому одному из пп.1, 2 или 5, в котором охлаждение для теплообменника-конденсатора обеспечивается как замкнутой системой охлаждения, так и нагреванием пара головного погона, отведенного из дистилляционной колонны.
7. Способ по п.6, в котором:
стадия (е) включает в себя нагревание пара головного погона, отведенного из дистилляционной колонны, в теплообменнике-конденсаторе, сжатие первой части нагретого пара головного погона, охлаждение и по меньшей мере частичная конденсация сжатой части в теплообменнике-конденсаторе, и расширение и повторное введение охлажденной и по меньшей мере частично сконденсированной части обратно в верх дистилляционной колонны; и
стадия (d) включает в себя образование обогащенного азотом парообразного продукта из второй части нагретого пара головного погона.
8. Способ по любому одному из пп. 1, 2, 5 или 7, в котором по меньшей мере частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа образуется с помощью (i) расширения, частичного испарения и разделения первого потока СПГ или потока СПГ, образованного из части первого потока СПГ, с образованием обедненного азотом СПГ продукта и рециркуляционного потока, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа, (ii) сжатия рециркуляционного потока с образованием сжатого рециркуляционного потока, и (iii) пропускания сжатого рециркуляционного потока через главный теплообменник, отдельно от сырьевого потока природного газа и параллельно с ним, для охлаждения сжатого рециркуляционного потока и по меньшей мере частичного сжижения всего потока или его части, в результате чего образуется по меньшей мере частично сжиженный, обогащенный азотом поток природного газа.
9. Способ по п.8, где способ дополнительно включает в себя расширение, частичное испарение и разделение второго потока СПГ с образованием дополнительных обогащенных азотом паров природного газа для рециркуляционного потока и дополнительного обедненного азотом СПГ продукта.
10. Способ по любому одному из пп. 1, 2, 5 или 7, при этом частично сжиженный, обогащенный азотом поток природного газа образуется на стадии (а), при этом стадия (а) включает в себя (i) введение сырьевого потока природного газа в теплый конец главного теплообменника, охлаждение и по меньшей мере частичное сжижение сырьевого потока природного газа, и отведение охлажденного и по меньшей мере частично сжиженного потока из промежуточного местоположения главного теплообменника, (ii) расширение, частичное испарение и разделение охлажденного и по меньшей мере частично сжиженного потока с образованием обогащенного азотом парообразного потока природного газа и обедненного азотом жидкого потока природного газа, и (iii) раздельное повторное введение парообразного и жидкого потоков в промежуточное местоположение главного теплообменника и параллельно дополнительное охлаждение парообразного потока и жидкого потока, при этом жидкий поток дополнительно охлаждается с образованием первого потока СПГ, и парообразный поток дополнительно охлаждается и по меньшей мере частично сжижается с образованием по меньшей мере частично сжиженного, обогащенного азотом потока природного газа.
11. Способ по п.10, где способ дополнительно включает в себя:
(g) расширение, частичное испарение и разделение второго потока СПГ с образованием обедненного азотом СПГ продукта и рециркуляционного потока, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа;
(h) сжатие рециркуляционного потока с образованием сжатого рециркуляционного потока; и
(i) возвращение сжатого рециркуляционного потока в главный теплообменник для охлаждения и по меньшей мере частичного сжижения вместе с сырьевым потоком природного газа или отдельно от него.
12. Установка для сжижения сырьевого потока природного газа и удаления из него азота, причем установка включает в себя:
главный теплообменник, имеющий канал охлаждения для приема сырьевого потока природного газа и пропускания сырьевого потока природного газа через теплообменник для охлаждения сырьевого потока природного газа и сжижения всего потока или его части, с образованием первого потока СПГ, и имеющий отдельный канал охлаждения для приема сжатого рециркуляционного потока и пропускания сжатого рециркуляционного потока через главный теплообменник, отдельно от сырьевого потока природного газа и параллельно с ним, для охлаждения сжатого рециркуляционного потока и по меньшей мере частичного сжижения всего потока или его части, в результате чего образуется по меньшей мере частично сжиженный, обогащенный азотом поток природного газа;
расширительное устройство и разделительное устройство, находящиеся в сообщении по текучей среде с главным теплообменником, для приема, расширения, частичного испарения и разделения первого потока СПГ или потока СПГ, образованного из части первого потока СПГ, с образованием обедненного азотом СПГ продукта и рециркуляционного потока, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа;
компрессор для приема и сжатия рециркуляционного потока с образованием сжатого рециркуляционного потока;
расширительное устройство и дистилляционную колонну, находящиеся в сообщении по текучей среде с главным теплообменником, для приема, расширения и частичного испарения частично сжиженного, обогащенного азотом потока природного газа и разделения указанного потока в дистилляционной колонне на парообразную и жидкую фазы;
теплообменник-конденсатор для обеспечения орошения для дистилляционной колонны с помощью конденсации части пара головного погона, полученного из дистилляционной колонны; и
замкнутую систему охлаждения для обеспечения охлаждения главного теплообменника и теплообменника-конденсатора, причем хладагент, циркулирующий по замкнутой системе охлаждения, проходит через главный теплообменник и нагревается в нем, и проходит через теплообменник-конденсатор и нагревается в нем.
13. Установка для сжижения сырьевого потока природного газа и удаления из него азота, причем установка включает в себя:
главный теплообменник, имеющий первый канал охлаждения для приема сырьевого потока природного газа и пропускания сырьевого потока природного газа через теплообменник из теплого конца главного теплообменника в промежуточное местоположение теплообменника для охлаждения и по меньшей мере частичного сжижения сырьевого потока природного газа, и имеющий второй и третий каналы охлаждения для раздельного приема, соответственно, обедненного азотом жидкого потока природного газа и обогащенного азотом парообразного потока природного газа, и параллельного пропускания указанных потоков через теплообменник из промежуточного местоположения теплообменника в холодный конец теплообменника, при этом жидкий поток дополнительно охлаждается с образованием первого потока СПГ, и парообразный поток дополнительно охлаждается и по меньшей мере частично сжижается с образованием по меньшей мере частично сжиженного, обогащенного азотом потока природного газа;
расширительное устройство и разделительное устройство, находящиеся в сообщении по текучей среде с главным теплообменником, для приема по меньшей мере частично сжиженного сырьевого потока природного газа из первого канала охлаждения главного теплообменника и расширения, частичного испарения и разделения указанного потока с образованием обедненного азотом жидкого потока природного газа и обогащенного азотом парообразного потока природного газа, которые поступают, соответственно, во второй и третий канал охлаждения главного теплообменника;
расширительное устройство и дистилляционную колонну, находящиеся в сообщении по текучей среде с главным теплообменником, для приема, расширения и частичного испарения частично сжиженного, обогащенного азотом потока природного газа и разделения указанного потока в дистилляционной колонне на парообразную и жидкую фазы;
теплообменник-конденсатор для обеспечения орошения для дистилляционной колонны с помощью конденсации части пара головного погона из дистилляционной колонны; и
замкнутую систему охлаждения для обеспечения охлаждения главного теплообменника и теплообменника-конденсатора, причем хладагент, циркулирующий по замкнутой системе охлаждения, проходит через главный теплообменник и нагревается в нем, и проходит через теплообменник-конденсатор и нагревается в нем.
| Многоступенчатая активно-реактивная турбина | 1924 |
|
SU2013A1 |
| DE 102009015766 A1, 07.10.2010 | |||
| DE 102011109234 A1, 07.02.2013 | |||
| Способ разделения газового потока под высоким давлением | 1987 |
|
SU1553018A3 |
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) | 1989 |
|
RU2040293C1 |
