СПОСОБ КРИОГЕННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ПОТОКА ПРИРОДНОГО ГАЗА Российский патент 2020 года по МПК F25J3/02 

Настоящее изобретение относится к способу криогенного разделения подаваемого потока природного газа на газ, содержащий наиболее летучие соединения подаваемого потока, и на жидкий продукт, содержащий наиболее тяжелые соединения подаваемого потока.

При эксплуатации залежей природного газа может быть предусмотрено множество этапов. Сравнительно общепринятым этапом после сушки и удаления примесей является отделение жидкостей, связанных с природным газом (NGL).

Часто требуется отделение тяжелых углеводородов, или, в более широком смысле, NGL (газоконденсатных жидкостей), из природного газа, например, таких как этан, бутан, пропан или углеводороды C5+ и C6+ (т.е. имеющих по меньшей мере пять атомов углерода и имеющих более шести атомов углерода).

У этого этапа может быть множество преимуществ, но часто они заключаются в повышении качества различных продуктов (этан, пропан и т.п.), которые обычно продаются значительно дороже, чем продукт природного газа. Часто продаются углеводороды, которые имеют по меньшей мере три атома углерода, такие как пропан, бутан и продукты конденсации.

Описано множество промышленных устройств, которые обеспечивают возможность фракционирования газового сырья на остаточный газ, содержащий наиболее летучие соединения сырья, и на жидкий продукт, содержащий наиболее тяжелые соединения сырья, это выполняется с целью получения в указанном жидком продукте указанных компонентов сырья с высокой степенью извлечения.

В связи с этим, можно, например, отметить извлечение сжиженного нефтяного газа (содержащиеся в нем углеводороды имеют от трех до четырех атомов углерода) из природного газа или газа нефтеперерабатывающего завода, извлечение этана, предназначенного, в частности, для питания установок парового крекинга, или десульфуризацию и отбензинивание природных газов за счет извлечения содержащих серу соединений, таких как оксисульфид углерода и меркаптаны.

Существует несколько технологий для получения углеводородов, имеющих по меньшей мере три атома углерода, из природного газа.

Одна из наиболее эффективных технологий представляет собой способ, при котором используют двухколонный турбодетандер, в котором первая колонна представляет собой абсорбер, предназначенный для инициации извлечения как можно большего количества пропана, а вторая колонна представляет собой деэтанизатор.

Конденсация верхнего потока деэтанизатора, как правило, частично выполняется посредством текучей среды, поступающей из нижней части абсорбера. Эта текучая среда частично испаряется для вхождения в основную обменную линию, которая требует двухфазного введения.

Это делает способ очень сложным для обеспечения хорошего распределения в этом теплообменнике.

Такой способ описан в документах US 4690702 и US 5114450.

Поэтому авторы настоящего изобретения разработали решение, позволяющее устранить вышеизложенные проблемы.

Объектом настоящего изобретения является способом криогенного разделения подаваемого потока природного газа на газ, содержащий наиболее летучие соединения подаваемого потока, и на жидкий продукт, содержащий наиболее тяжелые соединения подаваемого потока, включающий по меньшей мере следующие этапы:

- этап a): по меньшей мере частичная конденсация подаваемого потока природного газа в первой системе теплообмена;

- этап b): введение по меньшей мере частично конденсированного потока, полученного на этапе a), в абсорбционную колонну на уровень введения, расположенный в нижней части указанной абсорбционной колонны, причем указанная абсорбционная колонна образует в верхней части поток газа, содержащий наиболее летучие соединения, и в нижней части жидкий продукт;

- этап c): введение жидкого продукта, полученного на этапе b), в колонну фракционирования для получения в нижней части колонны фракционирования жидкого продукта, содержащего наиболее тяжелые соединения подаваемого потока, и в верхней части колонны фракционирования дистиллят, по меньшей мере частично конденсированный во второй системе теплообмена;

- этап d): введение на уровень, расположенный в верхней части абсорбционной колонны, газовой фазы конденсированного дистиллята, полученного на этапе c), в качестве подаваемого потока абсорбционной колонны;

характеризующийся тем, что поток газа, полученный в верхней части абсорбционной колонны на этапе b), используют для конденсирования дистиллята, образованного в верхней части колонны фракционирования, во второй системе теплообмена.

Согласно другим вариантам осуществления другим объектом настоящего изобретения является:

способ, определенный выше, характеризующийся тем, что включает до этапа d) этап конденсирования дистиллята, полученного в верхней части колонны фракционирования, в третьей системе теплообмена;

способ, определенный выше, характеризующийся тем, что все потоки газа, полученные в верхней части абсорбционной колонны на этапе b), используют для конденсирования дистиллята, полученного в верхней части колонны фракционирования, во второй системе теплообмена;

способ, определенный выше, характеризующийся тем, что поток газа, полученный в верхней части абсорбционной колонны на этапе b), разделен на несколько потоков, по меньшей мере один из которых используют для конденсирования дистиллята, полученного в верхней части колонны фракционирования, во второй системе теплообмена;

способ, определенный выше, характеризующийся тем, что жидкую фазу конденсированного дистиллята, полученного на этапе c), используют в качестве возвратного потока в верхней части колонны фракционирования.

Таким образом, решения способа, которые являются объектом настоящего изобретения, позволяют обойтись без двухфазного поступления потока, или по меньшей мере ограничить слишком высокое соотношение L/V (жидкость/пар) в потоке, отобранного в нижней части абсорбционной колонны, до его введения в основную систему теплообмена перед его введением в колонну фракционирования.

Решение A: однократное использование верхнего потока абсорбционной колонны для конденсирования верхнего потока колонны фракционирования в специальном обменнике имеет, в частности, преимущества: предотвращение двухфазного поступления потока, отобранного в нижней части абсорбционной колонны, в основную обменную линию и ограничение давления доставки насоса на выходном отверстии нижней части абсорбционной колонны.

Решение B: разделение верхней текучей среды абсорбционной колонны на несколько потоков, по меньшей мере один из которых обеспечивает конденсацию в верхнем конденсаторе колонны фракционирования: это обеспечивает лучшее управление верхним конденсатором колонны фракционирования.

Решение C: конденсирование возвратной текучей среды абсорбционной колонны в специальном обменнике за счет только верхней части абсорбционной колонны: это обеспечивает упрощение основной обменной линии.

Поток углеводородов, который необходимо превратить в жидкость, как правило, представляет собой поток природного газа, полученный из месторождений природного газа, нефтяных коллекторов или сети внутреннего газопровода, в которой газ распределяется за счет трубопровода.

Как правило, поток природного газа по существу состоит из метана. Предпочтительно, подаваемый поток содержит по меньшей мере 80 мол. % метана. В зависимости от источника природный газ содержит некоторое количество углеводородов тяжелее метана, таких как, например, этан, пропан, бутан и пентан, а также определенных ароматических углеводородов. Поток природного газа также содержит не углеводородные продукты, такие как H₂O, N₂, CO₂, H₂S и другие содержащие серу соединения, ртуть и т.д.

Таким образом, подаваемый поток, содержащий природный газ, предварительно обработан перед введением в теплообменник, что обеспечивает возможность проведения первого этапа охлаждения способа, который является объектом настоящего изобретения. Эта предварительная обработка включает уменьшение содержания и/или удаление нежелательных компонентов, таких как CO₂ и H₂S, или другие этапы, такие как предварительное охлаждение и/или повышение давления. Учитывая, что эти меры хорошо известны специалисту в данной области техники, они не описаны более подробно в настоящем документе.

Выражение «природный газ», как применяется в настоящей заявке на патент, относится к любой композиции, содержащей углеводороды, в том числе по меньшей мере метан. Он включает «необработанное» соединение (до любой обработки или промывки) и также любое соединение, которое было частично, по существу или полностью обработано для уменьшения содержания и/или извлечения одного или нескольких соединений, включая без ограничения серу, диоксид углерода, воду, ртуть и некоторые тяжелые и ароматические углеводороды.

Теплообменник может представлять собой любой теплообменник, любой блок или другое устройство, подходящее для прохождения определенного количества потоков, и, следовательно, позволяющее по меньшей мере одной системе осуществить прямой или непрямой теплообмен между одной или несколькими линиями жидкого охладителя и одним или несколькими подаваемыми потоками.

Настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на фиг. 1-3.

На фиг. 1 показана структурная схема способа согласно уровню техники, описанному во вводной части настоящего описания.

На фиг. 2 показана структурная схема варианта осуществления реализации способа согласно настоящему изобретению.

На фиг. 3 показана структурная схема определенного варианта осуществления реализации способа согласно настоящему изобретению.

На фиг. 1 подаваемый поток природного газа 1 введен в основной теплообменник 2 для охлаждения. Газ, охлажденный 3 таким образом, частично конденсируют и вводят в фазовый сепаратор 4. Газовую фазу 5 в верхней части фазового сепаратора 4 вводят в турбину 6 для рекуперации энергии расширения и для конденсирования части потока 5, а затем его введения в абсорбционную колонну 7, содержащую нижнюю часть 7' и верхнюю часть 7''. Жидкую фазу 8 после расширения 9 в абсорбционную колонну 7 вводят в нижнюю часть этого фазового сепаратора 4. Абсорбционная колонна образует жидкость 10 в нижней части колонны и остаточный газ 11 в верхней части колонны. Жидкость 10 повторно нагревают в теплообменнике 12, в котором она частично испаряется. Поток, повторно нагретый 13 таким образом, затем вводят в основной обменник 2; тогда это введение 13 в значительной степени является двухфазным введением.

В верхней части абсорбционной колонны 7 остаточный газ 11, содержащий только продукты, более летучие, чем этан, повторно нагревают в теплообменнике 2; при этом поток, полученный из него 14, далее сжимают и отправляют в установку A обработки.

Поток 13' в выходном отверстии теплообменника 2, полученный из нижней части абсорбционной колонны 7, вводят в колонну 15 фракционирования. Эта колонна 15 образует в нижней части 16 повторно подогретый жидкий продукт 18 за счет использования подогревателя 17 для получения жидкости, обогащенной пропаном и обедненной по этану. Газ 20 образуют в верхней части 19 колонны 15 фракционирования. Этот газ 20 конденсируют в теплообменнике 12, и продукт 21, который выходит из обменника 12, вводят в фазовый сепаратор 22. Газовая фаза 23 в верхней части фазового сепаратора 22 выполняет функцию возвратного потока в абсорбционной колонне 7. Жидкость 25 в нижней части фазового сепаратора 22 выполняет функцию возвратного потока 26 в верхней части колонны 15 фракционирования. Насос 30 необходим для закачки жидкости 25.

Проблема, связанная с двухфазным введением потока 13 в основной теплообменник 2, решается посредством способа, который является объектом настоящего изобретения.

Это происходит из-за того, что, как показано на фиг. 2, остаточный газ 11 в верхней части абсорбционной колонны 7, которая содержит только продукты более летучие, чем этан, повторно нагревается в теплообменнике 27, расположенном непосредственно ниже по потоку относительно верхней части указанной колонны 7. Газ, повторно нагретый 28 таким образом в выходном отверстии теплообменника 27, затем вводят в теплообменник 12 в верхней части колонны фракционирования до введения в основной обменник 2 с целью образования потока 14, который далее сжимают и отправляют в установку A обработки.

В отличие от того, что показано на фиг. 1, поток 10 жидкости в нижней части абсорбционной колонны 7 закачивают за счет использования насоса 29 и затем вводят 13 непосредственно в основной обменник 2 для образования потока 13', который отправляют в колонну 15 фракционирования.

Преимуществами такого способа являются:

энергоэффективность: таким образом давление абсорбционной колонны 7 увеличивают до максимума;

простота обменников: ни один из трех теплообменников 2, 27, 12 не имеет двухфазного введения; разности температур в холодных текучих средах и горячих текучих средах являются приемлемыми (т.е. менее 25-30°C, разности, превышение которых может привести к повреждению обменников алюминиевого паяного типа).

В качестве альтернативы, возможны другие конфигурации, такие как, например, следующие: теплообменник 12 может быть встроен в колонну 15 фракционирования. Обменник 27, в свою очередь, может быть размещен непосредственно над абсорбционной колонной 7. Преимущество его наземной установки заключается в том, что можно избежать обратной закачки.

Другой вариант осуществления схематично представлен на фиг. 3. По сравнению со структурной схемой по фиг. 2, изменение заключается в разделении текучей среды 11 в верхней части абсорбционной колонны 7 на несколько потоков 11' и 11''. Поток 11' предусматривает конденсацию в конденсаторе 12 в верхней части колонны 15 фракционирования.

Поток 11' вводят в конденсатор 12 в верхней части колонны 15 фракционирования, а затем вводят в основной обменник 2. Поток 11'' вводят непосредственно в основной обменник 2.

Жидкость 10 нижней части абсорбционной колонны 7 закачивают, а затем вводят непосредственно в основной обменник 2.

Регулирующий клапан может точно управлять фракцией, отправленной в верхнюю часть колонны 15 фракционирования, обеспечивая точное и эффективное управление установкой.

Преимущества:

лучшее управление конденсатором 12 верхней части колонны 15 фракционирования;

сведение к минимуму количества единиц оборудования, в то же время сохраняя однофазное введение жидкости 13 из абсорбционной колонны в
теплообменник 2.

В качестве альтернативы, возможны другие конфигурации, такие как, например, следующие: теплообменник 12 может быть встроен непосредственно над абсорбционной колонной 7. Преимущество его наземной установки заключается в том, что можно избежать обратной закачки.

В дополнение, настоящее изобретение может быть преимущественно комбинировано с его встраиванием между колоннами и обменниками. В случае, соответствующем фиг. 2 и фиг. 3, предусмотрена конфигурация, обеспечивающая встраивание в одном и том же модуле, колонне 15 и обменнике 12, в то же время исключающая использование, например, насоса 30 и корпуса, предназначенного для обменника 12. В этом случае указанный модуль характеризуется тем, что сепаратор устанавливается непосредственно над колонной 15 фракционирования, причем над этим сепаратором устанавливается конденсатор. Конденсатор соединен с верхней частью колонны фракционирования и с сепаратором со стороны конденсирования. Нижняя часть сепаратора соединена с колонной фракционирования (опосредовано, как правило, с клапаном между двумя частями). Таким образом, под модулем понимается единая конструкция, содержащая колонну 15, сепаратор и теплообменник 12.

Настоящее изобретение относится к газовой промышленности. Предложен способ криогенного разделения подаваемого потока (1) природного газа на газ, содержащий наиболее летучие соединения (14), и на жидкий продукт (18), содержащий наиболее тяжелые соединения. Частично конденсируют подаваемый поток (1) природного газа в первой системе (2) теплообмена. Вводят частично конденсированный поток (3) в нижнюю часть абсорбционной колонны (7). Абсорбционная колонна (7) образует в верхней части поток (11) газа, содержащий наиболее летучие соединения, и в нижней части жидкий продукт (10). Вводят жидкий продукт (10) в колонну (15) фракционирования для получения в нижней части (16) колонны (15) фракционирования жидкого продукта (18) и в верхней части (19) колонны фракционирования дистиллята (21). Вводят в верхнюю часть абсорбционной колонны (7) газовую фазу (23) конденсированного дистиллята (21) в качестве подаваемого потока (24) абсорбционной колонны (7). Поток (11) газа разделяют на несколько потоков (11', 11''), по меньшей мере один (11') из которых используют для конденсирования дистиллята (21) во второй системе (12) теплообмена. Техническим результатом является усовершенствование управления верхним конденсатором колонны фракционирования. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ криогенного разделения подаваемого потока (1) природного газа на газ, содержащий наиболее летучие соединения (14) подаваемого потока (1), и на жидкий продукт (18), содержащий наиболее тяжелые соединения подаваемого потока (1), включающий по меньшей мере следующие этапы:

- этап a): по меньшей мере частичная конденсация подаваемого потока (1) природного газа в первой системе (2) теплообмена;

- этап b): введение по меньшей мере частично конденсированного потока (3), полученного на этапе a), в абсорбционную колонну (7) на уровень введения, расположенный в нижней части указанной абсорбционной колонны, причем указанная абсорбционная колонна образует в верхней части поток (11) газа, содержащий наиболее летучие соединения, и в нижней части жидкий продукт (10);

- этап c): введение жидкого продукта, полученного на этапе b), в колонну (15) фракционирования для получения в нижней части (16) колонны (15) фракционирования жидкого продукта (18), содержащего наиболее тяжелые соединения подаваемого потока, и в верхней части (19) колонны фракционирования дистиллята (21), по меньшей мере частично конденсированного во второй системе (12) теплообмена;

- этап d): введение на уровень, расположенный в верхней части абсорбционной колонны (7), газовой фазы (23) конденсированного дистиллята (21), полученного на этапе c), в качестве подаваемого потока (24) абсорбционной колонны (7);

отличающийся тем, что поток (11) газа, полученный в верхней части абсорбционной колонны (7) на этапе b), разделяют на несколько потоков (11', 11''), по меньшей мере один (11') из которых используют для конденсирования дистиллята (21), образованного в верхней части (19) колонны (15) фракционирования, во второй системе (12) теплообмена.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что включает до этапа d) этап конденсирования дистиллята (21), полученного в верхней части (19) колонны (15) фракционирования, в третьей системе (27) теплообмена.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что жидкую фазу (25) конденсированного дистиллята (21), полученного на этапе c), используют в качестве возвратного потока (26) в верхней части колонны (15) фракционирования.