СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЧИСТОГО АЗОТА ИЗ ПОТОКА ПРИРОДНОГО ГАЗА, СОДЕРЖАЩЕГО АЗОТ Российский патент 2023 года по МПК F25J1/00 

Настоящее изобретение относится к области сжижения природного газа. Сжижение природного газа заключается в конденсации природного газа и его переохлаждении до температуры, которая является достаточно низкой для обеспечения сохранения его в жидком состоянии при атмосферном давлении. Затем его транспортируют в танкерах-метановозах.

В настоящее время международный рынок сжиженного природного газа (LNG) быстро растет, однако вся производственная цепочка LNG требует значительных инвестиций. Таким образом, снижение уровня этих инвестиций на тонну полученного LNG является главной целью. Также важно уменьшить углеродный след за счет уменьшения расхода топлива.

В документе US 6105389 предложен способ сжижения, включающий две охлаждающие смеси, циркулирующие в двух независимых замкнутых контурах. Каждый из контуров работает посредством компрессора, передающего охлаждающей смеси мощность, необходимую для охлаждения природного газа. Каждый компрессор приводится в действие газовой турбиной, которую выбирают из стандартного ассортимента, представленного на рынке. Однако мощность газовых турбин, доступных в настоящее время, ограничена.

В документе US 6763680 описан способ сжижения, в котором сжиженный природный газ под давлением расширяют за по меньшей мере два этапа с получением по меньшей мере двух газообразных фракций. Сжиженный природный газ под давлением охлаждают, в то же время обеспечивая повторное испарение в колонне для деазотизации. На выходе колонны получают первую обедненную азотом жидкую фракцию и первую обогащенную азотом газообразную фракцию. Эту жидкую фракцию снова расширяют для образования сжиженного природного газа, обедненного азотом, и второй газообразной фракции. По меньшей мере одну газообразную фракцию повторно сжимают и затем смешивают с природным газом до конденсации.

Кроме того, способ сжижения природного газа, как описано в существующем уровне техники, является неподходящим, когда указанный природный газ, который должен быть сжижен, имеет чрезмерное содержание азота.

Более того, не всегда является желательным использование газа, который имеет слишком высокую концентрацию азота, для сети, в частности для обеспечения хорошего функционирования газовых турбин.

Одна из целей настоящего изобретения заключается в обеспечении возможности снижения капитальных затрат, необходимых для установок для сжижения. Другая цель настоящего изобретения заключается в достижении при лучших условиях отделения азота, который может содержаться в газе, и удаления некоторого количества азота, содержащегося в природном газе, в атмосферу в форме чистого азота. Термин «чистый азот» относится к азоту, содержащему от 50 ppm до 1% метана в соответствии с действующим законодательством.

Таким образом, авторы настоящего изобретения разработали решение, обеспечивающее получение сжиженного природного газа, обедненного азотом, из подаваемого потока природного газа, который может содержать более 4 мол.% азота, в то же время экономя энергию и сводя к минимуму затраты, требуемые для внедрения процессов такого типа.

Одним объектом настоящего изобретения является способ сжижения подаваемого потока природного газа, включающий следующие этапы:

этап а): охлаждение подаваемого потока газа с получением потока сжиженного природного газа при температуре Т1 и при давлении P1b;

этап b): введение потока, полученного на этапе а), в колонну для деазотизации при давлении Р2 и при температуре Т2, которая ниже Т1, с получением в кубе колонны указанной колонны деазотизированного потока сжиженного природного газа и в верхней части указанной колонны потока пара, обогащенного азотом;

этап с): по меньшей мере частичная конденсация по меньшей мере части потока пара, обогащенного азотом, полученного на этапе b), в теплообменнике с получением двухфазного потока;

этап d): введение двухфазного потока, полученного на этапе с), в емкость разделения фаз с получением по меньшей мере двух фаз, включающих поток жидкости и поток газа, обогащенного азотом;

этап е); введение потока газа, полученного на этапе d), в дистилляционную колонну при давлении Р2, получая в верхней части поток, обогащенный азотом, содержащий менее 1 мол.% метана, и в кубе колонны поток жидкости, содержащий менее 10 мол.% азота;

характеризующийся тем, что по меньшей мере часть потока жидкости, полученного на этапе b), используют на этапе с) для Охлаждения указанной по меньшей мере части потока пара, обогащенного азотом, полученного на этапе Ь), в указанном теплообменнике.

Согласно другим вариантам осуществления объектом настоящего изобретения также является:

- Способ, как описан выше, характеризующийся тем, что во время выполнения этапа а) указанный подаваемый поток природного газа и вторую охлаждающую смесь охлаждают посредством косвенного теплообмена с по меньшей мере одной первой охлаждающей смесью с получением охлажденного природного газа и второй охлажденной охлаждающей смеси, и затем охлажденный природный газ конденсируют и охлаждают посредством косвенного теплообмена со второй охлажденной охлаждающей смесью и с по меньшей мере некоторым количеством потока газа, полученного на этапе d), с получением сжиженного природного газа.

- Способ, как описан выше, характеризующийся тем, что поток, обогащенный азотом, полученный на этапе е), содержит менее 100 молярных ppm метана, и поток жидкости, полученный на этапе е), содержит менее 4 мол.% азота.

- Способ, как описан выше, характеризующийся тем, что до этапа b) поток, полученный на этапе а), охлаждают в приспособлении для повторного испарения указанной колонны для деазотизации до температуры Т2.

- Способ, как описан выше, характеризующийся тем, что поток, охлажденный до температуры Т2, расширяют в приспособлении для расширения до введения в колонну для деазотизации.

- Способ, как описан выше, характеризующийся тем, что по меньшей мере часть потока жидкости, полученного на этапе d), используют в качестве возвратного потока в верхней части колонны для деазотизации.

- Способ, как описан выше, характеризующийся тем, что он включает следующие этапы:

этап f): часть потока жидкости, полученного на этапе b), которую не используют на этапе с), охлаждают посредством косвенного теплообмена со второй газообразной фракцией, полученной на этапе g), с получением охлажденной жидкой фракции и второй нагретой газообразной фракции;

этап g): охлажденную жидкую фракцию, полученную на этапе f), расширяют и затем ее вводят во вторую емкость (В1) разделения фаз с получением сжиженного природного газа и второй газообразной фракции;

этап h): по меньшей мере часть второй нагретой газообразной фракции, полученной на этапе g), сжимают до давления Р1;

этап i): по меньшей мере часть потока жидкости, полученного на этапе е), охлаждают посредством косвенного теплообмена;

этап j): поток, полученный на этапе i), смешивают с расширенной смесью, полученной на этапе g), до введения в указанную вторую емкость (В1) разделения фаз.

- Способ, как описан выше, характеризующийся тем, что содержание азота в потоке газа, обогащенном азотом, полученном на этапе е), составляет более 50 мол. %.

- Способ, как описан выше, характеризующийся тем, что Т1 составляет от -140°С до -120°С.

- Способ, как описан выше, характеризующийся тем, что Р2 составляет от 3 бар абсолютного давления до 10 бар абсолютного давления.

- Способ, как описан выше, в котором на этапе а) смесь природного газа и вторую охлаждающую смесь охлаждают до температуры от -70°С до -35°С посредством теплообмена с первой охлаждающей смесью.

- Способ, как описан выше, в котором первая охлаждающая смесь содержит в качестве мольной доли следующие компоненты:

этан: от 30% до 70%

пропан: от 30% до 70%

бутан: от 0% до 20%.

Способ, как описан выше, в котором вторая охлаждающая смесь содержит в качестве мольной доли следующие компоненты:

азот: от 0% до 20%

метан: от 30% до 70%

этан: от 30% до 70%

пропан: от 0% до 10%.

Способ согласно настоящему изобретению эффективно обеспечивает возможность значительного увеличения производительности при добавлении ограниченного количества дополнительных единиц оборудования.

Способ согласно настоящему изобретению является особенно преимущественным, когда каждый из охлаждающих контуров использует охлаждающую смесь, которая является полностью конденсированной, расширенной и испаренной.

В контексте настоящей заявки на патент термин «подаваемый поток» относится к любой композиции, содержащей углеводороды, включая по меньшей мере метан.

Теплообменник может представлять собой любой теплообменник, любую установку или другое устройство, подходящее для обеспечения возможности прохождения определенного количества потоков и, таким образом, обеспечения возможности прямого или косвенного теплообмена между одной или несколькими линиями охлаждающей текучей среды и одним или несколькими подаваемыми потоками.

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут лучше понятны и станут более ясными при чтении описания, приведенного ниже со ссылкой на фигуру, на которой схематически представлен процесс сжижения согласно настоящему изобретению.

На фигуре подаваемый поток 1 природного газа вводят в блок S1 теплообменника при температуре Т1.

Этот блок S1 может содержать один или несколько теплообменников E1, Е2 и один или несколько охлаждающих компрессоров K1, K2.

Как правило, подаваемый поток 1 может содержать метан, этан, пропан, углеводороды, содержащие по меньшей мере четыре атома углерода. Этот поток может содержать следы загрязняющих веществ, например от 0 до 1 ppm Н₂О, 4 ppm H₂S, 50 ppm СО₂ и т.д. Молярное процентное содержание азота в этом подаваемом потоке может составлять более 4%.

В соответствии со способом сжижения природного газа, схематично представленным на фигуре, поток 1 природного газа вводят при давлении Р1, составляющим от 4 МПа до 7 МПа, и при температуре от 0°С до 60°С в блок S1. Главный поток 1 природного газа смешивают с газом 50 с образованием смеси природного газа, циркулирующей в блоке S1. Смесь, образованная таким образом, выходит из блока S1 в сжиженном состоянии через трубу 10 при температуре предпочтительно на по меньшей мере 10°С выше, чем температура образования пузырьков сжиженного природного газа, полученного при атмосферном давлении (температура образования пузырьков обозначает температуру, при которой первые пузырьки пара образуются в сжиженном природном газе при заданном давлении) и при давлении P1b, идентичном давлению Р1 на входе природного газа, без учета потерь давления.

Например, природный газ выходит из блока S1 при температуре от -105°С до -145°С и при давлении от 4 МПа до 7 МПа. При таких температурных условиях и условиях давления природный газ не остается полностью жидким после расширения до атмосферного давления.

Природный газ, циркулирующий в трубе 10, охлаждают в испарителе Е4 повторного испарения колонны С1 для деазотизации.

Природный газ 12 охлаждают посредством нагрева нижней части (25, 26) колонны С1 за счет косвенного теплообмена и затем расширяют в расширительном элементе VI. Двухфазную смесь 13, полученную на выходе элемента VI, вводят в колонну С1 на уровне N1. Обогащенную азотом газообразную фракцию 100 извлекают в верхней части колонны С1. Газообразную фракцию 100 разделяют на две части 38 и 22. Одну часть 22 нагревают, сжимают посредством компрессора K4 и отправляют в сеть; она может служить в качестве топливного газа, источника энергии для работы установки для сжижения.

Другую часть 38 отправляют для охлаждения 39 в теплообменнике Е5 и затем разделяют в емкости В2 разделения фаз в форме газообразной фракции 21 и жидкой фракции 40. Жидкую фракцию 40, удаленную из емкости В2, используют в качестве возвратного потока в верхней части колонны С1.

Обедненную азотом жидкую фракцию 31, удаленную из куба колонны С1, разделяют на две части 32 и 34. Первую часть 32 охлаждают в теплообменнике Е3 и затем расширяют в расширительном элементе 33' до давления от 0,05 МПа до 0,5 МПа. Вторую часть 34 жидкой фракции 31 расширяют 35 в расширительном элементе 34', и затем она питает теплообменник Е5. Испарение этого потока 35 приводит к образованию потока 36 и обеспечивает большую часть охлаждения, необходимого для охлаждения потока 38 газа, полученного из верхней части колонны С1 в теплообменнике Е5.

Расширительные элементы, такие как VI, 33' и 34', могут представлять собой расширительную турбину, расширительный клапан или сочетание турбины и клапана. Двухфазную смесь, полученную на выходе расширительного элемента 33, разделяют в емкости В1 разделения фаз в форме газообразной фракции 41 и жидкой фракции 61. Газообразную фракцию 41 вводят в теплообменник Е3. В теплообменнике Е3 газообразная фракция 41 охлаждает жидкую фракцию 32, полученную из потока 31 жидкости, извлеченного в кубе колонны С1, и ее затем отправляют посредством трубы 42 в компрессор K3. Смесь 49 газа, покидающую компрессор K3, отправляют в теплообменник Е103 для охлаждения воздухом или водой. Смесь 50 газа, покидающую теплообменник Е103, затем смешивают с потоком 1 природного газа, циркулирующим в блоке S1.

Жидкая фракция 61, удаленная из резервуара В1, образует полученный сжиженный природный газ (LNG).

Более конкретно, деазотизированный поток 31 LNG, полученный в нижней части колонны СО, делят на две части:

Первую меньшую часть, поток 34, расширяют в клапане 34' до низкого давления РЗ от 0,05 МПа до 0,5 МПа для образования потока 35, и она питает теплообменник Е5. Испарение этого потока, которое приводит к образованию потока 36, обеспечивает большую часть охлаждения, необходимого для охлаждения верхнего пара в теплообменнике Е5.

Вторую большую часть, поток 32, охлаждают против течения относительно газа мгновенного испарения, потока 41, для образования потока 33, который расширяют до давления Р3 для смешивания с потоком 36, и для образования потока 37, который питает испарительный резервуар В1 LNG.

Газообразную фракцию 21, удаленную из емкости В2, вводят при давлении Р2 в дистилляционную колонну С2, получая в верхней части чистый азот 411, а в нижней части жидкость 421 с низким содержанием азота, т.е. содержащую менее 10 мол. % азота, предпочтительно менее 4%.

Верхний газ этой колонны С2, поток 411, состоящий из чистого азота, например содержащий менее 1 мол. % метана, предпочтительно менее 100 молярных ppm метана, нагревают в теплообменнике E11 до температуры, близкой комнатной температуре.

Часть, поток 414, сжимают до высокого давления Р4 в многоступенчатом компрессоре K5 с образованием потока 418 после охлаждения до комнатной температуры. Р4, как правило, составляет больше 15 бар абсолютного давления. Р2 составляет, например, от 3 бар абсолютного давления до 10 бар абсолютного давления.

Затем поток 418 расширяют, например в клапане V2 (или в гидравлической турбине), и он затем питает колонну С2 на верхнем плато. Он составляет возвратный поток.

Очень небольшую часть потока 1 отводят для образования потока 452, который охлаждают в теплообменнике E11. Этот поток 452 обеспечивает возможность сохранения в теплообменнике Е11 температурных условий, совместимых с использованием пластинчатого теплообменника. При запуске установки обеспечивают дополнительное охлаждение за счет расширения части этого потока 452.

Поток 421 расширяют посредством клапана V3. Расширенный поток 422 вводят в теплообменник Е11 против течения относительно потока 418, затем удаляют 423 и наконец смешивают с потоком 37, который вводят в резервуар В1.

Таким образом, способ согласно настоящему изобретению обеспечивает возможность получения сжиженного природного газа, обедненного азотом, в то же время экономя энергию, начиная с потока природного газа, содержащего намного большее количество азота, чем количество, допустимое в соответствии с техническими требованиями.

В дополнение, способ согласно настоящему изобретению обеспечивает возможность получения топливного газа, в котором содержание азота соответствует техническим требованиям для различных единиц оборудования и для чистого азота. Термин «чистый азот» относится к азоту, содержащему от 50 молярных ppm до 1 мол.% метана в соответствии с действующим законодательством.

Для дальнейшей иллюстрации реализации способа, как схематически представлено на фигуре и как описано выше, данные для реализации указанного способа согласно настоящему изобретению проиллюстрированы посредством следующего примера с числовыми значениями.

Эти данные собраны в представленной ниже таблице.

Природный газ поступает по линии 01 при давлении 60 бар и при температуре 15°С. Состав этого газа в мольных долях является следующим:

метан: 90%

этан: 2,5%

метан: 90%пропан: 1%

изобутан: 0,3%

н-бутан: 0,2%

азот: 6%.

Охлаждающая смесь контура (PR) предварительного охлаждения состоит на 50% из этана и на 50% из пропана, расходы скорректированы согласно необходимости.

Поток 22, отправленный в сеть газопровода, предназначен для питания турбин. Содержание азота в газе в сети должно соответствовать работе газовых турбин. Поток 22 в вышеприведенном примере с числовыми значениями содержит 44 мол. % азота. Способ согласно настоящему изобретению имеет преимущество, заключающееся в обеспечении большей гибкости в отношении выбора расхода потока 22, чтобы получить требуемое содержание азота в сети за счет смешивания с подаваемым газом или другими источниками газов, предназначенными для сети.

Изобретение относится к способу сжижения потока природного газа, включающему следующие этапы: a): охлаждение входящего потока газа с получением потока сжиженного природного газа при температуре T1; b): нагнетание потока, полученного на этапе a), в колонну для деазотизации при давлении P2 и при температуре T2, которая ниже T1, с получением в нижней части указанной колонны деазотизированного потока сжиженного природного газа и в верхней части потока пара, обогащенного азотом; c): конденсация потока пара, обогащенного азотом, полученного на этапе b), в теплообменнике; d): нагнетание потока, полученного на этапе c), в емкость разделения фаз с получением потока жидкости и потока газа, обогащенного азотом; e): нагнетание потока газа, полученного на этапе d), в дистилляционную колонну при давлении P2, получая в верхней части поток, обогащенный азотом, содержащий менее 1 % метана, и в нижней части поток жидкости, содержащий менее 10 % азота. По меньшей мере одну часть потока жидкости, полученного на этапе b), используют на этапе c) для охлаждения потока пара, обогащенного азотом, полученного на этапе b), в указанном теплообменнике; этап f): часть потока жидкости, полученного на этапе b), которую не используют на этапе с), охлаждают посредством косвенного теплообмена со второй газообразной фракцией, полученной на этапе g), с получением охлажденной жидкой фракции и второй нагретой газообразной фракции. Способ также включает этап g): охлажденную жидкую фракцию, полученную на этапе f), расширяют и затем ее вводят во вторую емкость (В1) разделения фаз с получением сжиженного природного газа и второй газообразной фракции; этап h): по меньшей мере часть второй нагретой газообразной фракции, полученной на этапе g), сжимают до давления Р1; этап i): по меньшей мере часть потока жидкости, полученного на этапе е), охлаждают посредством косвенного теплообмена; этап j): поток, полученный на этапе i), смешивают с расширенной смесью, полученной на этапе g), до введения в указанную вторую емкость (В1) разделения фаз. Технический результат - снижение капитальных затрат и энергозатрат. 11 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ сжижения подаваемого потока (1) природного газа, включающий следующие этапы:

этап а): охлаждение подаваемого потока (1) газа с получением потока (10) сжиженного природного газа при температуре Т1 и при давлении P1b;

этап b): введение потока, полученного на этапе а), в колонну (С1) для деазотизации при давлении Р2 и при температуре Т2, которая ниже Т1, с получением в кубе колонны указанной колонны деазотизированного потока (31) сжиженного природного газа и в верхней части указанной колонны потока (100) пара, обогащенного азотом;

этап с): по меньшей мере частичная конденсация по меньшей мере части (38) потока (100) пара, обогащенного азотом, полученного на этапе b), в теплообменнике (Е5) с получением двухфазного потока (39);

этап d): введение двухфазного потока (39), полученного на этапе с), в емкость (В2) разделения фаз с получением по меньшей мере двух фаз, включающих поток (40) жидкости и поток (21) газа, обогащенного азотом;

этап е): введение по меньшей мере части потока (21) газа, полученного на этапе d), в дистилляционную колонну (С2) при давлении Р2, получая в верхней части поток (411), обогащенный азотом, содержащий менее 1 мол.% метана, и в кубе колонны поток (421) жидкости, содержащий менее 10 мол.% азота;

причем по меньшей мере часть (34) потока (31) жидкости, полученного на этапе b), используют на этапе с) для охлаждения указанной по меньшей мере части (38) потока (100) пара, обогащенного азотом, полученного на этапе b), в указанном теплообменнике (Е5);

отличающийся тем, что он включает следующие этапы:

этап f): часть потока жидкости, полученного на этапе b), которую не используют на этапе с), охлаждают посредством косвенного теплообмена со второй газообразной фракцией, полученной на этапе g), с получением охлажденной жидкой фракции и второй нагретой газообразной фракции;

этап g): охлажденную жидкую фракцию, полученную на этапе f), расширяют и затем ее вводят во вторую емкость (В1) разделения фаз с получением сжиженного природного газа и второй газообразной фракции;

этап h): по меньшей мере часть второй нагретой газообразной фракции, полученной на этапе g), сжимают до давления Р1;

этап i): по меньшей мере часть потока жидкости, полученного на этапе е), охлаждают посредством косвенного теплообмена;

этап j): поток, полученный на этапе i), смешивают с расширенной смесью, полученной на этапе g), до введения в указанную вторую емкость (В1) разделения фаз.

2. Способ по предыдущему пункту, отличающийся тем, что во время выполнения этапа а) указанный подаваемый поток природного газа и вторую охлаждающую смесь охлаждают посредством косвенного теплообмена с по меньшей мере одной первой охлаждающей смесью с получением охлажденного природного газа и второй охлажденной охлаждающей смеси, и затем охлажденный природный газ конденсируют и охлаждают посредством косвенного теплообмена с по меньшей мере второй охлажденной охлаждающей смесью с получением сжиженного природного газа.

3. Способ по предыдущему пункту, отличающийся тем, что поток (411), обогащенный азотом, полученный на этапе е), содержит менее 100 молярных ppm метана, и поток (421) жидкости, полученный на этапе е), содержит менее 4 мол.% азота.

4. Способ по предыдущему пункту, отличающийся тем, что до этапа b) поток, полученный на этапе а), охлаждают в приспособлении для повторного испарения указанной колонны для деазотизации до температуры Т2.

5. Способ по предыдущему пункту, отличающийся тем, что поток, охлажденный до температуры Т2, расширяют в приспособлении для расширения до введения в колонну для деазотизации.

6. Способ по одному из пп. 3-5, отличающийся тем, что по меньшей мере часть потока (40) жидкости, полученного на этапе d), используют в качестве возвратного потока в верхней части колонны для деазотизации.

7. Способ по одному из пп. 3-6, отличающийся тем, что содержание азота в потоке газа, обогащенном азотом, полученном на этапе е), составляет более 50 мол.%.

8. Способ по одному из пп. 3-7, отличающийся тем, что Т1 составляет от -140 до -120°С.

9. Способ по одному из пп. 3-8, отличающийся тем, что Р2 составляет от 3 до 10 бар абсолютного давления.

10. Способ по одному из пп. 3-9, отличающийся тем, что на этапе а) смесь природного газа и вторую охлаждающую смесь охлаждают до температуры от -70 до -35°С посредством теплообмена с первой охлаждающей смесью.

11. Способ по предыдущему пункту, отличающийся тем, что первая охлаждающая смесь содержит в качестве мольной доли следующие компоненты:

- этан: от 30 до 70 %;

- пропан: от 30 до 70 %;

бутан: от 0 до 20 %.

12. Способ по любому из пп. 10 и 11, отличающийся тем, что вторая охлаждающая смесь содержит в качестве мольной доли следующие компоненты:

- азот: от 0 до 20 %;

- метан: от 30 до 70 %;

- этан: от 30 до 70 %;

- пропан: от 0 до 10 %.