Отвод азота из конденсированного природного газа - RU2337130C2

Чертежи

Показать все 7 чертежа(ей)

Описание

Уровень техники

Сырой природный газ содержит в основном метан, а также содержит многочисленные микросоставляющие (примеси), такие как вода, сероводород, двуокись углерода, ртуть, азот и легкие углеводороды, как правило, имеющие от двух до шести атомов углерода. Некоторые из этих составляющих, такие как вода, сероводород, двуокись углерода и ртуть, представляют собой загрязнения, которые являются вредными для последующих стадий процесса, таких как переработка природного газа или производство сжиженного природного газа (СПГ), и эти загрязнения должны удаляться перед этими стадиями переработки. После удаления этих загрязнений углеводороды, более тяжелые, чем метан, конденсируются и извлекаются в виде жидкостей природного газа (NGL), а остающийся газ, который содержит, прежде всего, метан, азот и оставшиеся легкие углеводороды, охлаждают и конденсируют с получением конечного продукта - СПГ.

Поскольку сырой природный газ может содержать 1-10% молярных азота, удаление азота является необходимым во многих схемах производства СПГ. Для отвода азота из СПГ перед хранилищем конечного продукта могут использоваться установка отвода азота (NRU) и/или одна или несколько стадий испарения. Отвод азота требует дополнительного принудительного охлаждения, и это принудительное охлаждение может обеспечиваться за счет расширения исходных материалов в систему отвода азота, за счет расширения извлеченного газа, обогащенного азотом, за счет использования части принудительного охлаждения, предусмотренного для сжижения, или с помощью их сочетаний. В зависимости от способа отвода азота отведенный азот по-прежнему может содержать значительную концентрацию метана, и, если это так, этот отведенный поток азота не может выпускаться наружу и должен подаваться в систему сгорания установки.

При производстве СПГ сжижение, как правило, осуществляется при повышенных давлениях в пределах от 500 до 1000 фунт/кв.дюйм, и по этой причине СПГ из секции сжижения должен подвергнуться уменьшению давления или испаряться при давлении, близком к атмосферному давлению. На этой стадии испарения испаренный газ, содержащий оставшийся азот, и испаренный продукт - метан - откачивают для использования в качестве топлива. Для сведения к минимуму образования испаренного газа процесс сжижения, как правило, включает в себя конечную стадию переохлаждения, которая требует дополнительного принудительного охлаждения.

При определенных операциях с СПГ генерация потоков горючих газов на конечных стадиях процесса сжижения может быть нежелательной. Это уменьшает доступные возможности для утилизации отведенного азота, поскольку удаление в атмосферу является возможным, только если отводимый азот содержит низкие концентрации метана, например, примерно ниже 5% молярных. Такие низкие концентрации метана в отведенном азоте могут поддерживаться только посредством эффективной установки отвода азота, и это требует достаточного принудительного охлаждения для осуществления разделения азота и метана.

В области СПГ имеется необходимость в усовершенствованных способах отвода азота, которые сводят к минимуму отвод метана и которые эффективно встраиваются в систему принудительного охлаждения СПГ. Настоящее изобретение, как описывается ниже и определяется в прилагаемой формуле изобретения, удовлетворяет эту потребность посредством создания вариантов осуществления способа для удаления азота из СПГ при минимальных потерях метана, при этом способ объединяет производство и хранение СПГ с эффективным принудительным охлаждением для отвода азота и охлаждения конечного продукта.

Сущность изобретения

Один из вариантов осуществления настоящего изобретения включает способ отвода азота из конденсированного природного газа, который включает в себя: (a) введение конденсированного природного газа в дистилляционную колонну, в первом положении в ней, извлечение обогащенного азотом потока пара из головной части дистилляционной колонны и извлечение очищенного потока сжиженного природного газа из нижней части колонны; (b) введение потока холодного орошения в дистилляционную колонну во втором положении, выше первого положения, в котором принудительное охлаждение для создания потока холодного орошения получают посредством сжатия и совершающего внешнюю работу расширения потока холодильного агента, содержащего азот; и (c) либо (1) охлаждение очищенного потока сжиженного природного газа или охлаждение потока конденсированного природного газа, либо (2) охлаждение как очищенного потока сжиженного природного газа, так и потока конденсированного природного газа, где принудительное охлаждение при (1) или (2) получается посредством сжатия и совершающего внешнюю работу расширения потока холодильного агента, содержащего азот. Поток холодильного агента может содержать весь поток обогащенных азотом паров из дистилляционной колонны или его часть. Обогащенный азотом поток пара из головной части колонны может содержать менее чем 5% молярных метана и может содержать менее чем 2% молярных метана.

Способ, кроме того, может включать в себя охлаждение конденсированного природного газа перед введением в дистилляционную колонну с помощью косвенного теплообмена с испаряющейся жидкостью, извлекаемой из нижней части дистилляционной колонны, для создания потока испаренных донных фракций и охлажденного потока конденсированного природного газа и введение потока испаренных донных фракций в дистилляционную колонну для создания в ней парообразования при кипении. Давление охлажденного конденсированного природного газа может быть понижено посредством расширительного клапана или детандера перед дистилляционной колонной.

Поток холодного орошения, принудительное охлаждение для создания потока холодного орошения и принудительное охлаждение для охлаждения либо (i) очищенного потока сжиженного природного газа, или потока конденсированного природного газа, либо (ii) как очищенного потока сжиженного природного газа, так и потока конденсированного природного газа могут обеспечиваться посредством

(1) объединения обогащенного азотом потока пара из головной части дистилляционной колонны с обогащенным азотом потоком, после расширения с совершением внешней работы, с получением объединенного холодного потока, обогащенного азотом;

(2) нагрева объединенного холодного потока, обогащенного азотом, чтобы обеспечить с помощью косвенного теплообмена принудительное охлаждение для получения потока холодного орошения и принудительное охлаждение для охлаждения либо (i) очищенного потока сжиженного природного газа, или потока конденсированного природного газа, либо (ii) как очищенного потока сжиженного природного газа, так и потока конденсированного природного газа, тем самым генерируя нагретый поток, обогащенный азотом;

(3) дополнительного нагрева нагретого потока, обогащенного азотом, с помощью косвенного теплообмена со сжатым потоком, обогащенным азотом, с обеспечением тем самым охлажденного сжатого потока, обогащенного азотом, и дополнительно нагретого потока, обогащенного азотом;

(4) отведения первой части дополнительно нагретого потока, обогащенного азотом, в виде потока отведенного азота и сжатия второй части дополнительно нагретого потока, обогащенного азотом, для создания сжатого потока, обогащенного азотом, из (3);

(5) отведения первой части охлажденного сжатого потока, обогащенного азотом, и расширения с совершением внешней работы части охлажденного сжатого потока, обогащенного азотом, для обеспечения обогащенного азотом потока после расширения с совершением внешней работы из (1); и

(6) охлаждения второй части охлажденного сжатого потока, обогащенного азотом, с помощью косвенного теплообмена с холодным потоком, обогащенным азотом, для обеспечения холодного сжатого потока, обогащенного азотом, и уменьшения давления холодного сжатого потока, обогащенного азотом, для обеспечения потока холодного орошения.

Очищенный поток сжиженного природного газа может охлаждаться с помощью косвенного теплообмена с обогащенным азотом потоком пара из головной части дистилляционной колонны и холодным потоком холодильного агента, обогащенного азотом, с получением продукта - сжиженного природного переохлажденного газа.

Альтернативно поток холодного орошения, принудительное охлаждение для обеспечения потока холодного орошения и принудительное охлаждение для охлаждения либо (i) очищенного потока сжиженного природного газа, или потока конденсированного природного газа, либо (ii) как очищенного потока сжиженного природного газа, так и потока конденсированного природного газа могут обеспечиваться посредством

(1) нагрева обогащенного азотом потока пара из головной части дистилляционной колонны, чтобы обеспечить с помощью косвенного теплообмена первую часть принудительного охлаждения для генерирования потока холодного орошения и охладить либо (i) очищенный поток сжиженного природного газа, или поток конденсированного природного газа, либо (ii) как очищенный поток сжиженного природного газа, так и поток конденсированного природного газа, создавая тем самым нагретый поток обогащенного азотом пара;

(2) отвода первой части нагретого потока обогащенного азотом пара в виде потока отведенного азота и сжатия второй части нагретого потока обогащенного азотом пара для создания сжатого потока, обогащенного азотом;

(3) объединения сжатого потока, обогащенного азотом, с обогащенным азотом нагретым потоком, расширенным с совершением внешней работы, для создания объединенного потока, обогащенного азотом, и сжатия объединенного потока, обогащенного азотом, для создания объединенного сжатого потока, обогащенного азотом;

(4) охлаждения объединенного сжатого потока, обогащенного азотом, с получением охлажденного сжатого потока, обогащенного азотом, расширения с совершением внешней работы первой части охлажденного сжатого потока, обогащенного азотом, с получением холодного потока холодильного агента, обогащенного азотом, и нагрева холодного потока холодильного агента, обогащенного азотом, для обеспечения с помощью косвенного теплообмена второй части принудительного охлаждения для генерирования потока холодного орошения и для охлаждения либо (i) очищенного потока сжиженного природного газа, или потока конденсированного природного газа, либо (ii) как очищенного сжиженного природного газа, так и потока конденсированного природного газа, создавая тем самым нагретый поток, обогащенный азотом, расширенный с совершением внешней работы; и

(5) охлаждения второй части охлажденного сжатого потока, обогащенного азотом, с помощью косвенного теплообмена с обогащенным азотом потоком пара из головной части дистилляционной колонны и холодным потоком холодильного агента, обогащенного азотом, для создания холодного сжатого потока, обогащенного азотом, и уменьшения давления холодного сжатого потока, обогащенного азотом, для создания потока холодного орошения.

Очищенный поток сжиженного природного газа может подвергаться переохлаждению с помощью косвенного теплообмена с обогащенным азотом потоком пара из головной части дистилляционной колонны и холодным потоком холодильного агента, обогащенного азотом, для создания продукта - переохлажденного сжиженного природного газа.

Способ может, кроме того, включать в себя уменьшение давления холодного сжатого потока, обогащенного азотом, с созданием холодного двухфазного потока, обогащенного азотом, разделение холодного двухфазного потока, обогащенного азотом, с получением холодного потока жидкости, обогащенной азотом, и холодного потока пара, обогащенного азотом, уменьшение давления холодного потока жидкости, обогащенной азотом, для создания потока холодного орошения, и объединение холодного потока обогащенного азотом пара с холодным потоком холодильного агента, обогащенного азотом, из (4). Кроме того, способ также может включать в себя уменьшение давления холодного потока обогащенного азотом пара для создания потока пара с пониженным давлением и объединение потока пара с пониженным давлением либо с холодным потоком холодильного агента, обогащенного азотом, из (4), либо с обогащенным азотом потоком пара из головной части дистилляционной колонны согласно (1).

Если это желательно, часть холодного потока жидкости, обогащенной азотом, может испаряться в промежуточном конденсаторе, в дистилляционной колонне, между первым и вторым положениями в ней, с формированием испаренного потока, обогащенного азотом, и испаренный поток, обогащенный азотом, объединяют с холодным потоком обогащенного азотом пара.

Способ может, кроме того, включать в себя уменьшение давления потока конденсированного природного газа с образованием двухфазного потока, разделение двухфазного потока на поток обогащенной метаном жидкости и поток пара, обогащенного азотом, охлаждение потока обогащенной метаном жидкости с помощью косвенного теплообмена с обогащенным азотом потоком пара из головной части дистилляционной колонны и холодным потоком обогащенного азотом холодильного агента для создания входного потока конденсированного природного переохлажденного газа, дополнительное охлаждение входного потока конденсированного природного переохлажденного газа с помощью косвенного теплообмена с испаренной жидкостью, извлекаемой из нижней части дистилляционной колонны, для создания потока испаренных донных фракций, введение потока испаренных донных фракций в дистилляционную колонну для создания в ней парообразования при кипении, охлаждение потока обогащенного азотом пара с помощью косвенного теплообмена с обогащенным азотом потоком пара из головной части дистилляционной колонны и холодным потоком обогащенного азотом холодильного агента для создания охлажденного входного потока природного газа и введение охлажденного входного потока природного газа в дистилляционную колонну в точке, промежуточной между первым и вторым положением в ней.

Необязательно очищенный поток сжиженного природного газа может подвергаться переохлаждению с помощью косвенного теплообмена с обогащенным азотом потоком пара из головной части дистилляционной колонны и с холодным потоком холодильного агента, обогащенного азотом.

После охлаждения второй части охлажденного сжатого потока, обогащенного азотом, с помощью косвенного теплообмена с обогащенным азотом потоком пара из головной части дистилляционной колонны и холодным потоком обогащенного азотом холодильного агента и перед уменьшением давления холодного сжатого потока, обогащенного азотом, для создания потока холодного орошения холодный сжатый поток, обогащенный азотом, может дополнительно охлаждаться с помощью косвенного теплообмена с испаренной жидкостью, отводимой из нижней части дистилляционной колонны, создавая тем самым поток испаренных донных фракций, и введение потока испаренных донных фракций в дистилляционную колонну для создания в ней парообразования при кипении.

Альтернативно поток холодного орошения, принудительное охлаждение для создания потока холодного орошения и принудительное охлаждение для охлаждения либо (i) очищенного потока сжиженного природного газа, или потока конденсированного природного газа, либо (ii) как очищенного потока сжиженного природного газа, так и потока конденсированного природного газа могут обеспечиваться посредством

(1) нагрева холодного потока обогащенного азотом пара, чтобы обеспечить первую часть принудительного охлаждения для получения потока холодного орошения и принудительного охлаждения для охлаждения либо (i) очищенного потока сжиженного природного газа, или потока конденсированного природного газа, либо (ii) как очищенного потока сжиженного природного газа, так и потока конденсированного природного газа, создавая тем самым нагретый поток пара, обогащенного азотом;

(2) сжатия нагретого потока обогащенного азотом пара для создания обогащенного азотом сжатого потока;

(3) объединения обогащенного азотом сжатого потока с обогащенным азотом нагретым потоком, расширенным с совершением внешней работы, для создания объединенного потока, обогащенного азотом, и сжатия объединенного потока, обогащенного азотом, для создания объединенного сжатого потока, обогащенного азотом;

(4) охлаждения обогащенного азотом объединенного сжатого потока с получением обогащенного азотом охлажденного сжатого потока, расширения с совершением внешней работы первой части обогащенного азотом охлажденного сжатого потока с получением холодного потока обогащенного азотом холодильного агента и нагрева холодного потока обогащенного азотом холодильного агента, чтобы обеспечить вторую часть принудительного охлаждения для охлаждения либо (ii) очищенного потока сжиженного природного газа, или потока конденсированного природного газа, либо (ii) как очищенного потока сжиженного природного газа, так и потока конденсированного природного газа, создавая тем самым нагретый поток, обогащенный азотом, расширенный с совершением внешней работы, из (3);

(f) охлаждения второй части обогащенного азотом охлажденного сжатого потока с помощью косвенного теплообмена с холодным обогащенным азотом потоком пара из головной части колонны и холодным потоком обогащенного азотом холодильного агента для создания обогащенного азотом холодного сжатого потока и уменьшения давления обогащенного азотом холодного сжатого потока, для создания холодного потока обогащенного азотом холодильного агента; и

(g) частичной конденсации пара из головной части дистилляционной колонны в конденсаторе в головной части колонны с помощью косвенного теплообмена с холодным потоком обогащенного азотом холодильного агента, с образованием двухфазного потока из головной части колонны и обогащенного азотом потока пара, из (1), разделения двухфазного потока из головной части колонны на паровую часть и жидкую часть, возвращения жидкой части в дистилляционную колонну в виде потока холодного орошения и отвода паровой части как потока отведенного азота.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя способ для отвода азота из конденсированного природного газа, который включает в себя

(a) введение исходного материала конденсированного природного газа в дистилляционную колонну в первом положении в ней, извлечение обогащенного азотом потока пара из головной части дистилляционной колонны и извлечение очищенного потока сжиженного природного газа из нижней части колонны; и

(b) введение потока холодного орошения в дистилляционную колонну во втором положении, выше первого положения, где поток холодного орошения и принудительное охлаждение для создания потока холодного орошения получают посредством стадий, которые включают в себя сжатие всего обогащенного азотом потока пара из головной части колонны или его части, с образованием обогащенного азотом сжатого потока, расширение с совершением внешней работы части обогащенного азотом сжатого потока для генерирования принудительного охлаждения для создания потока холодного орошения и охлаждение и уменьшение давления другой части сжатого потока, обогащенного азотом, для создания потока холодного орошения.

Питание для дистилляционной колонны в виде конденсированного природного газа может обеспечиваться за счет охлаждения конденсированного природного газа с помощью косвенного теплообмена с испаренной жидкостью, извлекаемой из нижней части дистилляционной колонны, для создания потока испаренных донных фракций и введения потока испаренных донных фракций в дистилляционную колонну для создания в ней парообразования при кипении.

Альтернативно поток холодного орошения и принудительное охлаждение для создания потока холодного орошения могут обеспечиваться путем

(a) нагрева обогащенного азотом потока пара из головной части дистилляционной колонны, чтобы обеспечить первую часть принудительного охлаждения для создания потока холодного орошения, тем самым обеспечивая нагретый поток пара, обогащенный азотом;

(b) извлечения первой части нагретого потока пара, обогащенного азотом, как потока отведенного азота, и сжатия второй части нагретого потока пара, обогащенного азотом, с обеспечением сжатого потока, обогащенного азотом;

(c) объединения сжатого потока, обогащенного азотом, с нагретым потоком, обогащенным азотом, после расширения с совершением внешней работы для создания объединенного потока, обогащенного азотом, и сжатия объединенного потока, обогащенного азотом, с получением объединенного сжатого потока, обогащенного азотом;

(d) охлаждения объединенного сжатого потока, обогащенного азотом, с получением охлажденного сжатого потока, обогащенного азотом, расширения с совершением внешней работы первой части обогащенного азотом охлажденного сжатого потока с получением холодного потока холодильного агента, обогащенного азотом, и нагрева холодного потока холодильного агента, обогащенного азотом, для создания второй части принудительного охлаждения, для создания потока холодного орошения, получая тем самым нагретый поток, обогащенный азотом, после расширения с совершением внешней работы; и

(e) охлаждения второй части охлажденного сжатого потока, обогащенного азотом, с помощью косвенного теплообмена с обогащенным азотом потоком пара из головной части дистилляционной колонны и холодным потоком холодильного агента, обогащенного азотом, для создания холодного сжатого потока, обогащенного азотом, уменьшения давления холодного сжатого потока, обогащенного азотом, для создания холодного потока с пониженным давлением, обогащенного азотом, и введения холодного потока с пониженным давлением, обогащенного азотом, в дистилляционную колонну, как потока холодного орошения.

Давление конденсированного природного газа перед дистилляционной колонной может понижаться за счет прохождения исходных материалов охлажденного сжиженного природного газа через детандер для плотных текучих сред.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения относится к системе для отвода азота из конденсированного природного газа, которая содержит

(a) дистилляционную колонну, имеющую первое положение для введения конденсированного природного газа, второе положение для введения потока холодного орошения, где второе положение находится выше первого положения, головную линию для извлечения обогащенного азотом потока пара из головной части колонны и линию для извлечения очищенного потока сжиженного природного газа из нижней части колонны;

(b) средства компрессии для сжатия холодильного агента, содержащего азот, с получением сжатого холодильного агента, содержащего азот;

(c) детандер для расширения с совершением внешней работы первой части содержащего азот сжатого холодильного агента с получением холодного холодильного агента после расширения с совершением внешней работы;

(d) средства теплообмена для нагрева холодного холодильного агента после расширения с совершением внешней работы и для охлаждения с помощью косвенного теплообмена с холодным холодильным агентом после расширения с совершением внешней работы второй части содержащего азот сжатого холодильного агента, либо (1) очищенного потока сжиженного природного газа, или потока конденсированного природного газа, либо (2) как очищенного потока сжиженного природного газа, так и потока конденсированного природного газа; и

(e) средства для уменьшения давления охлажденной второй части содержащего азот сжатого холодильного агента, отведенного из средств теплообмена, чтобы обеспечить принудительное охлаждение для дистилляционной колонны.

Система может также содержать средства в виде трубопровода для объединения обогащенного азотом потока пара из головной части колонны и обогащенного азотом холодного газа после расширения с совершением внешней работы, для формирования холодного объединенного потока, обогащенного азотом, где средство теплообмена содержит один или несколько проходных каналов для нагрева обогащенного азотом холодного объединенного потока, чтобы получить нагретый объединенный поток, обогащенный азотом. Средства компрессии могут включать в себя одноступенчатый компрессор для сжатия нагретого объединенного потока, обогащенного азотом.

Средства теплообмена могут содержать первую группу проходных каналов для нагрева обогащенного азотом потока пара из головной части колонны с образованием нагретого обогащенного азотом потока пара из головной части колонны и вторую группу проходных каналов для нагрева холодного холодильного агента после расширения с совершением внешней работы, с образованием нагретого холодильного агента после расширения с совершением внешней работы. Средства компрессии могут включать в себя компрессор, имеющий первую ступень и вторую ступень, где система содержит средства в виде трубопровода для переноса нагретого обогащенного азотом потока пара головной части колонны из средства теплообмена на вход первой ступени компрессора и средства в виде трубопровода для переноса нагретого холодильного агента после расширения с совершением внешней работы из средства теплообмена на вход второй ступени компрессора.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя систему для отвода азота из конденсированного природного газа, которая содержит

(a) дистилляционную колонну, имеющую первое положение для введения конденсированного природного газа в дистилляционную колонну, второе положение для введения потока холодного орошения в дистилляционную колонну, где второе положение находится выше первого положения, линию для извлечения обогащенного азотом потока пара из головной части дистилляционной колонны и линию для извлечения очищенного потока сжиженного природного газа из нижней части колонны;

(b) средства компрессии для сжатия всего обогащенного азотом потока пара из головной части колонны или его части с получением сжатого потока пара, обогащенного азотом;

(c) детандер для расширения с совершением внешней работы первого обогащенного азотом охлажденного сжатого потока пара, с получением холодного обогащенного азотом потока после расширения с совершением внешней работы;

(d) средство теплообмена, содержащее:

(d1) первую группу проходных каналов для нагрева холодного обогащенного азотом потока после расширения с совершением внешней работы, с получением теплого обогащенного азотом потока после расширения с совершением внешней работы;

(d2) вторую группу проходных каналов для нагрева обогащенного азотом потока пара из головной части дистилляционной колонны с получением теплого обогащенного азотом головной части потока пара;

(d3) третью группу проходных каналов для охлаждения сжатого потока пара, обогащенного азотом, с помощью косвенного теплообмена с холодным обогащенным азотом потоком после расширения с совершением внешней работы и обогащенным азотом потоком пара из головной части дистилляционной колонны, с получением первого охлажденного сжатого потока пара, обогащенного азотом, и второго охлажденного сжатого потока пара, обогащенного азотом; и

(e) средства для уменьшения давления второго охлажденного сжатого потока пара, обогащенного азотом, с получением потока холодного орошения и средства для введения потока холодного орошения в дистилляционную колонну во втором положении.

Данная система может, кроме того, содержать средство в виде ребойлера для охлаждения конденсированного природного газа перед введением в дистилляционную колонну с помощью косвенного теплообмена с испаренным потоком, извлеченным из нижней части дистилляционной колонны, с образованием тем самым испаренного потока и средства для введения испаренного потока в нижнюю часть дистилляционной колонны для получения в ней парообразования при кипении. Средства компрессии могут включать в себя компрессор, имеющий первую ступень и вторую ступень, и система может содержать средство в виде трубопровода для переноса теплого обогащенного азотом потока пара из головной части колонны, из средства в виде теплообменника на вход первой ступени компрессора и средство в виде трубопровода для переноса теплого обогащенного азотом потока после расширения с совершением внешней работы из средств теплообмена на вход второй ступени компрессора.

Краткое описание некоторых видов чертежей

Фиг.1 представляет собой блок-схему варианта осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 представляет собой блок-схему альтернативного варианта осуществления настоящего изобретения.

Фиг.3 представляет собой первую модификацию варианта осуществления, иллюстрируемого на блок-схеме фиг.2.

Фиг.4 представляет собой вторую модификацию варианта осуществления, иллюстрируемого на блок-схеме фиг.2.

Фиг.5 представляет собой третью модификацию варианта осуществления, иллюстрируемого на блок-схеме фиг.2.

Фиг.6 представляет собой четвертую модификацию варианта осуществления, иллюстрируемого на блок-схеме фиг.2.

Фиг.7 представляет собой пятую модификацию варианта осуществления, иллюстрируемого на блок-схеме фиг.2.

Фиг.8 представляет собой блок-схему другого альтернативного варианта осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Варианты осуществления настоящего изобретения включают в себя способы для удаления азота из конденсированного природного газа с минимальными потерями метана с использованием встроенного способа принудительного охлаждения для отвода азота, для получения очищенного сжиженного природного газа (СПГ). Принудительное охлаждение для охлаждения либо (1) очищенного СПГ, или конденсированного природного газа, либо (2) как очищенного СПГ, так и конденсированного природного газа обеспечивается посредством системы принудительного охлаждения рецикла с использованием сжатия и расширения с совершением внешней работы азота, удаленного из конденсированного природного газа. Поток холодного орошения для дистилляционной колонны с отводом азота также получают из системы принудительного охлаждения рецикла.

Следующие определения относятся к используемым здесь терминам. Конденсированный природный газ определяется как природный газ, который охлаждают с получением плотной или конденсированной фазы, обогащенной метаном. Конденсированный природный газ может существовать при давлениях ниже критического давления в частично конденсированном, двухфазном состоянии пар-жидкость, в полностью конденсированном насыщенном жидком состоянии или в полностью конденсированном переохлажденном состоянии. Альтернативно конденсированный природный газ может существовать при давлениях выше критического давления как плотная текучая среда, имеющая свойства, подобные жидкости.

Конденсированный природный газ получают из сырого природного газа, который обрабатывают для удаления примесей, которые замерзали бы при низких температурах, необходимых для сжижения, или были бы вредны для сжижающего оборудования. Эти примеси включают в себя воду, ртуть и кислотные газы, такие как двуокись углерода, сероводород и, возможно, другие примеси, содержащие серу. Очищенный сырой природный газ может дополнительно перерабатываться для удаления некоторых содержащихся в нем углеводородов, более тяжелых, чем метан. После этих стадий предварительной переработки конденсированный природный газ может содержать азот в концентрациях, находящихся в пределах от 1 до 10% молярных.

Очищенный СПГ представляет собой конденсированный природный газ, из которого удалена часть азота, присутствующая изначально. Очищенный СПГ может содержать, например, более чем 95% молярных углеводородов и, возможно, более чем 99% молярных углеводородов, прежде всего метана. Косвенный теплообмен представляет собой обмен тепла между протекающими потоками, которые являются физически разделенными, в теплообменнике или теплообменниках. Поток отведенного азота или отведенный поток азота представляет собой поток, содержащий азот, который удален из конденсированного природного газа. Поток, обогащенный азотом, представляет собой поток, который содержит более чем 50% молярных азота, может содержать более чем 90% молярных азота и, возможно, может содержать более чем 99% молярных азота.

Система принудительного охлаждения с замкнутым циклом представляет собой систему принудительного охлаждения, содержащую средства сжатия, теплообмена и понижения давления, в которых холодильный агент рециркулирует без непрерывного преднамеренного отвода холодильного агента. Как правило, малое количество восполняющего холодильного агента является необходимым из-за небольших потерь при протечках из системы. Система принудительного охлаждения с открытым циклом представляет собой систему принудительного охлаждения, содержащую средства сжатия, теплообмена и понижения давления, в которых циркулирует холодильный агент, часть холодильного агента непрерывно отводят из контура рециркуляции, и дополнительный холодильный агент непрерывно вводят в контур циркуляции. Как будет описано ниже, холодильный агент, непрерывно вводимый в контур циркуляции, может получаться из технологического потока, охлаждаемого посредством систем принудительного охлаждения.

Первый неограничивающий пример настоящего изобретения иллюстрируется в варианте осуществления, представленном на фиг.1. Питание (сырьевой поток) конденсированного природного газа, который был ожижен с помощью любого способа принудительного охлаждения, поступает в процесс через линию 1. Способ принудительного охлаждения для сжижения может включать в себя, например, метан/этан(или этилен)/пропановый каскад, единый смешанный холодильный агент, смешанный холодильный агент с предварительно охлажденным пропаном, двойной смешанный холодильный агент или любую форму принудительного охлаждения детандерным циклом, или их сочетания. Паровые и/или жидкостные детандеры также могут включаться в качестве части общей системы принудительного охлаждения, где это является экономически выгодным. Конденсированный природный газ в линии 1, как правило, находится при -150 - -220°F и 500-1000 фунт/кв.дюйм.

Конденсированный природный газ необязательно может охлаждаться в теплообменнике 3 ребойлера за счет испаренной жидкости, подаваемой через линию 5 от дистилляционной колонны 7 для отвода азота. Испаренный поток возвращается через линию 9 для создания парообразования при кипении в дистилляционной колонне 7. Если желательно, могут использоваться другие способы охлаждения конденсированного природного газа или создания парообразования при кипении в дистилляционной колонне 7. Охлажденный конденсированный природный газ в линии 11, давление которого может необязательно понижаться посредством расширительного клапана 13, вводят в дистилляционную колонну 7, в промежуточном положении в ней. Альтернативно могут использоваться вместо расширительного клапана 13 для понижения давления охлажденного конденсированного природного газа гидравлическая расширительная турбина или детандер. В других альтернативах давление конденсированного природного газа в линии 1 может быть понижено пропусканием через расширительный клапан (не показан) или гидравлическую расширительную турбину (не показана) вместо уменьшения давления охлажденного конденсированного природного газа в линии 11 или в дополнение к нему.

Охлажденный конденсированный природный газ разделяют в дистилляционной колонне 7, как правило, работающей при 50-250 фунт/кв.дюйм, с получением потока пара из головной части колонны, обогащенного азотом, в линии 15 и очищенного продукта - СПГ в линии 17. Очищенный СПГ в линии 17 может переохлаждаться до температур в пределах от -230 до -260°F в теплообменнике 19 с помощью косвенного теплообмена с холодным холодильным агентом (описывается ниже) и поступать в хранилище продукта - СПГ через линию 20. Давление переохлажденного продукта - СПГ, как правило, понижают примерно до атмосферного давления (не показано) перед хранилищем, что может обеспечить дополнительное удаление азота, если это желательно.

Обогащенный азотом поток пара из головной части колонны в линии 15 объединяют с холодным потоком, обогащенным азотом, после расширения с совершением внешней работы в линии 21 (описывается ниже) для создания объединенного холодного потока, обогащенного азотом, в линии 23. Этот поток нагревают в теплообменнике 19, чтобы обеспечить принудительное охлаждение для переохлаждения очищенного СПГ в линии 17, как описано выше. Поток, обогащенный азотом, проходит из теплообменника 19 через линию 25 и дополнительно нагревается в теплообменниках 27 и 29 для создания в них принудительного охлаждения. Дополнительно нагретый поток, обогащенный азотом, откачивают из теплообменника 29 через линию 31. Первую часть потока в линии 31 откачивают через линию 33 и удаляют как поток отведенного азота. Этот отведенный поток, как правило, содержит 1-5% молярных метана и может необязательно извлекаться в атмосферу вместо поступления в систему сгорания установки. Вторая часть потока в линии 31 поступает через линию 35 при давлении, как правило, между 100 и 400 фунт/кв.дюйм в компрессор 37, в котором его сжимают примерно до 600-1400 фунт/кв.дюйм, для создания сжатого потока, обогащенного азотом, в линии 39. Этот поток охлаждают в теплообменнике 29 и разделяют на главный охлажденный сжатый поток, обогащенный азотом, в линии 41 и меньший охлажденный сжатый поток, обогащенный азотом, в линии 42.

Компрессор 37, как правило, представляет собой центробежный компрессор, содержащий одну или несколько крыльчаток, работающих последовательно, и может содержать промежуточные охладители и/или конечные охладители, как известно в данной области. Отдельный компрессор 37 имеет один поток откачки и один выходящий поток без каких-либо дополнительных потоков откачки между крыльчатками.

Альтернативно вместо отбора нагретого отводимого азота через линию 33 часть, равная отводимому потоку в линии 33, может отбираться из линии 15, линии 23, линии 25 или линии 28, подвергаться расширению с совершением внешней работы до более низкого давления и нагреваться в виде отдельного потока (не показан) для создания дополнительного принудительного охлаждения в способе.

Охлажденный сжатый поток, обогащенный азотом, в линии 41 подвергается расширению с совершением внешней работы посредством детандера 43 для создания холодного обогащенного азотом потока после расширения с совершением внешней работы в линии 21, описанного выше. Охлажденный сжатый поток, обогащенный азотом, в линии 42 дополнительно охлаждают в теплообменниках 27 и 19 с получением переохлажденной жидкости (если находится при подкритических условиях) или холодной плотной текучей среды (если находится при надкритических условиях), и давление у полученного холодного сжатого потока, обогащенного азотом, в линии 45 понижают посредством расширительного клапана 47, и его вводят в верхнюю часть дистилляционной колонны 7 для отвода азота для создания в ней холодного орошения. Альтернативно понижение давления потока в линии 45 может осуществляться посредством расширения с совершением внешней работы. Хотя теплообменники 19, 27 и 29 представлены как отдельные теплообменники, они могут объединяться в один или два теплообменника, если это желательно. Сжатый поток, обогащенный азотом, может предварительно охлаждаться с помощью холодильного агента, такого как пропан, перед охлаждением в теплообменнике 29 в любом варианте осуществления настоящего изобретения.

Пример на фиг.1 представляет собой интегрированный процесс, в котором используется система принудительного охлаждения рецикла азота детандерного типа, чтобы обеспечить принудительное охлаждение, для переохлаждения очищенного потока продукта - СПГ, а также для работы дистилляционной колонны, которая отводит азот из входного потока конденсированного природного газа. Часть сжатого рецикла азота не расширяют, но вместо этого сжижают и используют в качестве флегмы для колонны для отвода азота. Этот пример представляет собой тип способа с открытым циклом; то есть азот, отводимый из колонны, с небольшим количеством метана, как правило, от 1 до 5% молярных метана, смешивают с холодильным агентом - азотом. По этой причине поток рецикла азота имеет равновесный уровень содержания метана, который равен уровню содержания метана в отводимом потоке азота в линии 15 из колонны. Азот во входном потоке конденсированного природного газа в линии 1 обеспечивает восполнение азота в системе принудительного охлаждения рецикла для компенсации общего количества азота, который отводится через линию 33. Поток отводимого азота в линии 33, как правило, имеет достаточную чистоту, то есть имеет достаточно низкое содержание метана, то есть он может быть выпущен в атмосферу и не должен использоваться в качестве топлива.

Другой неограничивающий пример настоящего изобретения иллюстрируется в варианте осуществления, представленном на фиг.2. В этом варианте осуществления для сжатия потока холодильного агента, обогащенного азотом, используют две ступени сжатия. Это дает возможность для работы дистилляционной колонны 7 при давлении, более низком, чем выходное давление детандера 219. В примере варианта осуществления на фиг.2 поток пара, обогащенного азотом, из головной части колонны в линии 15 не объединяют с холодным потоком, обогащенным азотом, после расширения с совершением внешней работы в линии 21, как в варианте осуществления на фиг.1. Вместо этого эти два потока нагревают по отдельности в теплообменниках 201, 203 и 205 с получением дополнительно нагретых потоков, обогащенных азотом, при различных давлениях в линиях 207 и 209 соответственно. Часть нагретого потока низкого давления, обогащенного азотом, в линии 207 выводят в виде потока отведенного азота через линию 211. Этот отводимый поток, как правило, содержит 1-5% молярных метана и необязательно может сбрасываться в атмосферу вместо направления в систему сгорания установки. Остающуюся часть потока в линии 207 сжимают в первой ступени компрессора 213 до давления, как правило, в пределах от 100 до 400 фунт/кв.дюйм и объединяют с нагретым после расширения с совершением внешней работы потоком промежуточного давления в линии 209. Объединенный поток дополнительно сжимают во второй ступени компрессора 215 до давления, как правило, в пределах от 600 до 1400 фунт/кв.дюйм для создания сжатого потока, обогащенного азотом, в линии 217.

Компрессоры 213 и 215 работают последовательно, с двумя потоками откачки и одним выходящим потоком. Каждый компрессор, как правило, представляет собой центробежный компрессор, содержащий одну или несколько крыльчаток, работающих последовательно, и может включать в себя промежуточные охладители и/или конечные охладители, как известно в данной области. Объединенные компрессоры 213 и 215 могут работать как единая машина с множеством крыльчаток, имеющих общий привод, в которых всасывание при самом низком давлении обеспечивается за счет подпитки потоком, остающимся после того, как отводимый поток 211 отбирают из потока 207, и в котором всасывание при промежуточном давлении обеспечивается за счет подпитки потоком 209.

Сжатый поток, обогащенный азотом, в линии 217 охлаждают в теплообменнике 205, и охлажденный поток в линии 229 разделяют на две части. Первую и главную часть подвергают расширению с совершением внешней работы в детандере 219, с получением холодного обогащенного азотом потока после расширения с совершением внешней работы в линии 21, а вторую, меньшую часть в линии 221, дополнительно охлаждают в теплообменниках 203 и 201 с получением переохлажденной жидкости (если находится при подкритических условиях) или холодной плотной текучей среды (если находится при надкритических условиях) в линии 45. У холодного сжатого потока, обогащенного азотом, в линии 45 давление понижают посредством расширительного клапана 47, и его вводят в верхнюю часть дистилляционной колонны 7 для отвода азота, для создания в ней холодного орошения, как описано выше для варианта осуществления фиг.1. Альтернативно уменьшение давления потока в линии 45 может осуществляться посредством расширения с совершением внешней работы. Хотя теплообменники 201, 203, и 205 показаны как отдельные обменники, они могут объединяться в одном или двух теплообменниках, если это желательно. Очищенный СПГ в линии 17 переохлаждается, как правило, до -230 - -260°F в теплообменнике 201 с помощью косвенного теплообмена с холодным потоком холодильного агента и поступает через линии 15 и 21. Конечный переохлажденный продукт-СПГ поступает в хранилище продукта-СПГ через линию 20. Давление переохлажденного продукта - СПГ, как правило, понижается примерно до атмосферного давления (не показано) перед хранилищем.

Альтернативно вместо извлечения нагретого отведенного азота через линию 211 часть, равная отводимому потоку в линии 211, может извлекаться из линии 15, линии 223 или линии 227, и извлеченный газ может подвергаться расширению с совершением внешней работы примерно при атмосферном давлении и нагреваться как отдельный поток (не показан) для создания дополнительного принудительного охлаждения для способа.

В родственном варианте осуществления поток пара из головной части колонны, обогащенный азотом, в линии 15 из дистилляционной колонны 7 может нагреваться в отдельном теплообменнике (не показан), сжиматься, охлаждаться в отдельном теплообменнике и объединяться с холодным обогащенным азотом потоком после расширения с совершением внешней работы в линии 21 для повторного нагрева в теплообменниках 201, 203 и 205. Это является несколько менее эффективным, чем способ, представленный на фиг.2, но может быть полезным при переоборудовании или расширении существующей системы принудительного охлаждения установки.

Другие особенности варианта осуществления фиг.2, не обсужденные выше, являются подобными соответствующим особенностям варианта осуществления фиг.1.

Дополнительный неограничивающий пример настоящего изобретения иллюстрируется в варианте осуществления, представленном на фиг.3. В этом варианте осуществления, который представляет собой модификацию варианта осуществления на фиг.2, у холодного сжатого потока, обогащенного азотом, в линии 45 понижают давление посредством расширительного клапана 301, его вводят в разделительную емкость 303 и разделяют на поток пара в линии 305 и поток жидкости в линии 307. Пар в линии 305 объединяют с обогащенным азотом холодным потоком после расширения с совершением внешней работы в линии 21 для повторного нагрева в теплообменниках 201, 203 и 205. У жидкости в линии 307 дополнительно понижают давление посредством расширительного клапана 47 и вводят ее в верхнюю часть дистилляционной колонны 7 для отвода азота, для создания в ней потока холодного орошения, как описано выше для варианта осуществления фиг.2.

Альтернативно разделительная емкость 303 может работать при более низком давлении, чем у выходного потока из детандера 219, и обогащенный азотом холодный поток после расширения с совершением внешней работы в линии 21 и пар в линии 305 могут нагреваться по отдельности, в дополнительных каналах теплообменников 201, 203 и 205. В этой альтернативе пар в линии 305 может подвергаться расширению с совершением внешней работы и, например, объединяться с потоком пара из головной части, обогащенного азотом, в линии 15 перед нагревом в теплообменниках 201, 203 и 205.

В другой альтернативе разделительная емкость 303 может работать при более высоком давлении, чем у выходного потока из детандера 219 и у обогащенного азотом холодного потока после расширения с совершением внешней работы в линии 21. Пар в линии 305 может подвергаться расширению с совершением внешней работы и объединяться с обогащенным азотом холодным потоком после расширения с совершением внешней работы в линии 21 или с потоком пара из головной части, обогащенным азотом, в линии 15 перед нагревом в теплообменниках 201, 203 и 205.

Другие особенности варианта осуществления на фиг.3, не обсужденные выше, аналогичны соответствующим особенностям варианта осуществления на фиг.2.

Другой неограничивающий пример настоящего изобретения иллюстрируется в варианте осуществления, представленном на фиг.4. В этом варианте осуществления, который представляет собой модификацию варианта осуществления на фиг.3, часть жидкости из разделительной емкости 303 отбирают через линию 405 и испаряют в промежуточном конденсаторе 401, в дистилляционной колонне 403 для отвода азота, и полученный пар возвращают через линию 407 в разделительную емкость 303. Оставшаяся часть жидкости из разделительной емкости 303 протекает через линию 409, давление в ней понижают с помощью расширительного клапана 411, и поток с пониженным давлением вводят в дистилляционную колонну 403 в виде орошающей жидкости. Использование промежуточного конденсатора 401 понижает количество флегмы, требуемое для головной части колонны, повышая, таким образом, обратимость и эффективность процесса фракционирования. Испаренная жидкость в линии 407 из промежуточного конденсатора необязательно может подвергаться расширению с совершением внешней работы до более низкого давления, такого как давление в колонне, нагреваться в теплообменниках 201, 203 и 205 и сжиматься для рециклирования. Другие особенности варианта осуществления на фиг.4, не обсуждавшиеся здесь, аналогичны соответствующим особенностям варианта осуществления на фиг.3.

Дополнительный неограничивающий пример настоящего изобретения иллюстрируется в варианте осуществления, представленном на фиг.5. В этом варианте осуществления, который представляет собой модификацию варианта осуществления на фиг.2, у исходных материалов конденсированного природного газа понижают давление с помощью расширительного клапана 501, и полученный двухфазный поток разделяют в разделительной емкости 503 на обогащенный азотом пар в линии 505 и обогащенную метаном жидкость в линии 507. Пар в линии 505 охлаждают и частично или полностью конденсируют в теплообменнике 201, а у охлажденного потока в линии 509 необязательно понижают давление с помощью расширительного клапана 511 и вводят в качестве орошения с примесями в промежуточной точке дистилляционной колонны 513.

Жидкость в линии 507 переохлаждается в теплообменнике 508 и/или теплообменнике 3 ребойлера, а у жидкости в линии 11 необязательно понижают давление с помощью расширительного клапана 13 и ее вводят в более низкой промежуточной точке в дистилляционную колонну 513. Когда жидкость в линии 507 переохлаждается в теплообменнике 508 и/или теплообменнике 3 ребойлера, дистилляционная колонна 513 может работать при давлении, примерно равном давлению хранилища продукта - СПГ, и в этом случае переохлаждение очищенного продукта - СПГ, отведенного из дистилляционной колонны 513 через линию 517, может и не потребоваться.

Необязательно дистилляционная колонна 513 может работать при более высоком давлении, и очищенный продукт - СПГ из нижней части колонны может переохлаждаться в теплообменнике 201. Затем система принудительного охлаждения рецикла обеспечивала бы принудительное охлаждение для переохлаждения конденсированного природного газа, вводимого в колонну, как описано выше, и для переохлаждения очищенного продукта - СПГ из колонны.

Другие особенности варианта осуществления, представленного на фиг.5, не обсуждающиеся выше, аналогичны соответствующим особенностям варианта осуществления на фиг.2.

Другой неограничивающий пример настоящего изобретения иллюстрируется в варианте осуществления, представленном на фиг.6, который представляет собой модификацию варианта осуществления на фиг.2. На фиг.6 орошение и принудительное охлаждение для дистилляционной колонны 7 для отвода азота обеспечивают за счет охлаждения второй части сжатого потока, обогащенного азотом, в линии 221, в теплообменнике 203 и в модифицированном теплообменнике 601 ребойлера для получения частично или полностью конденсированного потока рецикла в линии 603. У этого потока давление понижается за счет расширительного клапана 605 и его вводят в дистилляционную колонну 7 в виде потока орошения.

Выходящий поток в линии 21 из детандера 219, как правило, находится при промежуточном уровне давления и его нагревают в теплообменниках 605, 203 и 205 отдельно от нагрева находящегося при более низком давлении потока пара из головной части, обогащенного азотом, в линии 15. Исходное сырье конденсированного природного газа в линии 1 переохлаждают в теплообменнике 601 ребойлера и у него необязательно понижают давление с помощью расширительного клапана 13 или в детандере для плотной фазы (не показан), которые могут иметь двухфазный выходящий поток.

Конденсированный природный газ, вводимый в линию 1, и поток орошения из дистилляционной колонны в линии 603 могут необязательно охлаждаться в отдельных ребойлерах, один в боковом ребойлере, а другой в ребойлере в нижней части колонны (не показан). Это будет обеспечивать парообразование при кипении (нагрузку по пару) при двух различных уровнях температуры посредством нагрева двух различных жидких потоков, берущих начало в дистилляционной колонне 7, в положениях, разделенных ступенями дистилляции. Альтернативно либо конденсированный природный газ, поступающий в линию 1, либо поток орошения, поступающий в линию 603, может использоваться в обоих ребойлерах. Поток орошения для дистилляционной колонны может необязательно быть получен из промежуточного уровня давления, например из выходного потока из детандера в линии 21. Этот поток орошения с промежуточным давлением можно конденсировать в ребойлере колонны.

Другие особенности вариантов осуществления, представленные на фиг.6 и не обсуждающиеся выше, аналогичны соответствующим особенностям в варианте осуществления на фиг.2.

Дополнительный неограничивающий пример настоящего изобретения иллюстрируется в варианте осуществления, представленном на фиг.7, который представляет собой другую модификацию варианта осуществления на фиг.2. В варианте осуществления на фиг.7 в дистилляционной колонне 701 используется опосредованный головной конденсатор 703, который принудительно охлаждают посредством испарения холодной сжатой текучей среды, обогащенной азотом, поставляемой через линию 45 и расширительный клапан 47. Пар, обогащенный азотом, из дистилляционной колонны 701 проходит через линию 705 и частично конденсируется в головном конденсаторе 703. Частично конденсированный поток разделяют в сепараторе 706 на жидкий поток в линии 707 и поток пара в линии 709. Жидкий поток возвращают в колонну через линию 707 в виде потока орошения, а поток пара откачивают через линию 709, как отведенный азот. Этот поток необязательно может извлекаться, когда содержание метана меньше, примерно, чем 5% молярных; если это желательно, этот поток отведенного азота может нагреваться перед откачкой в теплообменниках 201, 203 и 205.

Исходное сырье в виде конденсированного природного газа, который сжижают посредством любого способа принудительного охлаждения, поступает в процесс через линию 1. Способ принудительного охлаждения для сжижения может включать в себя, например, метан/этан(или этилен)/пропановый каскад, единый (отдельный) смешанный холодильный агент, смешанный холодильный агент с предварительно охлажденным пропаном, двойной смешанный холодильный агент или любую форму принудительного охлаждения с детандерным циклом, или их сочетания. Паровые и/или жидкостные детандеры также могут включаться как часть общей системы принудительного охлаждения, когда это экономически выгодно. Конденсированный природный газ в линии 1, как правило, находится при -150 - -220°F и 500-1000 фунт/кв.дюйм.

Исходное сырье в виде конденсированного природного газа может охлаждаться в теплообменнике 3 ребойлера посредством испарения жидкости, подаваемой через линию 5, от дистилляционной колонны 701 для отвода азота. Испаренный поток возвращают через линию 9 для создания парообразования при кипении в дистилляционной колонне 701. Могут использоваться другие способы охлаждения конденсированного природного газа или создания парообразования при кипении для дистилляционной колонны 701, если это желательно. Охлажденный конденсированный природный газ в линии 11, у которого давление необязательно может уменьшаться посредством расширительного клапана 13, вводят в дистилляционную колонну 701 в промежуточном положении в ней. Альтернативно гидравлическая расширительная турбина или детандер для плотной фазы может использоваться вместо расширительного клапана 13 для понижения давления охлажденного конденсированного природного газа. В других альтернативах у конденсированного природного газа в линии 1 давление может понижаться с помощью расширительного клапана (не показан) или гидравлической расширительной турбины (не показана) в дополнение к уменьшению давления охлажденного конденсированного природного газа в линии 11 или вместо него.

Принудительное охлаждение для дистилляционной колонны 701 обеспечивают с помощью системы принудительного охлаждения с замкнутым циклом, которая представляет собой модификацию системы принудительного охлаждения с открытым циклом фиг.2. В варианте осуществления на фиг.7 поток испаренного обогащенного азотом холодильного агента при низком давлении в линии 15 нагревают в теплообменниках 201, 203 и 205, и конечный нагретый поток в линии 207 сжимают в первой ступени 213 компрессора, как правило, до 100-400 фунт/кв.дюйм, объединяют с нагретым расширенным обогащенным азотом потоком при промежуточном давлении в линии 209 и сжимают во второй ступени 215 компрессора примерно до 600-1400 фунт/кв.дюйм. В противоположность варианту осуществления на фиг.2 никакого отведенного потока азота из потока холодильного агента, обогащенного азотом, в линии 207 не откачивается. Сжатый поток в линии 217 охлаждают в теплообменнике 205 и первую часть охлажденного потока в линии 229 подвергают расширению с совершением внешней работы в детандере 219 для создания холодного обогащенного азотом потока после расширения с совершением внешней работы в линии 21. Оставшуюся часть потока через линию 221 охлаждают в теплообменниках 203 и 201 для получения холодной сжатой текучей среды, обогащенной азотом, в линии 45.

Холодильный агент, обогащенный азотом, используемый в системе принудительного охлаждения с замкнутым циклом, описанной выше, может быть получен из отведенного потока азота в линии 709, в этом случае холодильный агент будет содержать примерно 90-99% молярных азота, а остаток представляет собой метан. Альтернативно для холодильного агента может использоваться азот с чистотой более 99% молярных, и в этом случае он может быть получен из внешнего источника.

Альтернативно отведенный поток азота в линии 709 с выхода головной части конденсатора 703 может объединяться с испаренным потоком холодильного агента, обогащенного азотом, в линии 15 и нагреваться в теплообменниках 201, 203 и 205. Весь отведенный азот можно отбирать из объединенного нагретого потока низкого давления в линии 207, и остаток направляют на компрессор 213 первой ступени для рециклирования. В этой альтернативе система принудительного охлаждения будет системой с открытым циклом, подобной системе варианта осуществления фиг.2, но в ней будет использоваться непрямой головной конденсатор флегмы вместо непосредственного добавления флегмы из системы принудительного охлаждения.

Необязательно обогащенный азотом жидкий поток промежуточного давления может использоваться в системе принудительного охлаждения с замкнутым циклом для создания принудительного охлаждения для опосредованного головной части конденсатора 703. Испаренный поток холодильного агента, обогащенного азотом, в линии 15, например, можно объединять с обогащенным азотом потоком промежуточного давления после расширения с совершением внешней работы в линии 21 для нагрева в теплообменниках 201, 203 и 205, для устранения первой ступени 213 компрессора. Это даст систему принудительного охлаждения с замкнутым циклом, которая представляет собой модификацию системы принудительного охлаждения с открытым циклом фиг.1. Поток отведенного азота в линии 709 из выходящего потока из головной части конденсатора 703 может также нагреваться отдельно в теплообменниках 201, 203 и 205 для рекуперации принудительного охлаждения перед сбрасыванием в атмосферу.

Конечный неограничивающий пример настоящего изобретения иллюстрируется в альтернативном варианте осуществления, представленном на фиг.8. Исходное сырье в виде конденсированного природного газа, который сжижают посредством соответствующего способа принудительного охлаждения, поступает в процесс через линию 1. Конденсированный природный газ охлаждают в теплообменнике 3 ребойлера посредством испарения жидкости, подаваемой через линию 5 из дистилляционной колонны 7 для отвода азота, и испаренный поток возвращают через линию 9 для создания парообразования при кипении в дистилляционной колонне 7. Охлажденный конденсированный природный газ в линии 11, у которого давление может быть понижено с помощью гидравлической расширительной турбины или детандера 801, вводят в дистилляционную колонну 7 в промежуточном положении в ней. Альтернативно для понижения давления охлажденного конденсированного природного газа вместо гидравлической расширительной турбины 801 может использоваться расширительный клапан. В других альтернативах у конденсированного природного газа в линии 1 давление может быть понижено с помощью расширительного клапана (не показан) или гидравлической расширительной турбины (не показана) в дополнение к уменьшению давления охлажденного конденсированного природного газа в линии 11 или вместо него.

Охлажденный конденсированный природный газ разделяют в дистилляционной колонне 7, работающей при давлении вблизи давления хранения продукта - СПГ, то есть 15-25 фунт/кв.дюйм, с получением потока пара из головной части, обогащенного азотом, в линии 15 и очищенного продукта - СПГ в линии 803. Очищенный СПГ в линии 803, как правило, не требует переохлаждения и может направляться непосредственно в хранилище продукта - СПГ.

Обогащенный азотом поток пара из головной части колонны низкого давления в линии 15 нагревают в теплообменниках 805 и 807 с получением дополнительно нагретого потока, обогащенного азотом, в линии 809. Часть нагретого потока, обогащенного азотом, в линии 809 высвобождают в виде потока отведенного азота через линию 811. Этот отведенный поток, как правило, содержит 1-5% молярных метана и необязательно может выпускаться в атмосферу вместо направления в систему сгорания установки. Оставшуюся часть потока в линии 809 сжимают в первой ступени компрессора 813, как правило, до 100-400 фунт/кв.дюйм, а затем объединяют с нагретым потоком промежуточного давления после расширения с совершением внешней работы в линии 815. Объединенный поток дополнительно сжимают во второй ступени компрессора 817 до давления примерно 600-1400 фунт/кв.дюйм для создания сжатого потока, обогащенного азотом, в линии 819.

Сжатый поток, обогащенный азотом, в линии 819 охлаждается в теплообменнике 807 и разделяется на две части. Первая и главная часть подвергается расширению с совершением внешней работы в детандере 821 с получением холодного обогащенного азотом потока после расширения с совершением внешней работы в линии 823, а вторая меньшая часть в линии 825 дополнительно охлаждается в теплообменнике 805 с получением переохлажденной жидкости (если находится при подкритических условиях) или холодной плотной текучей среды (если находится при надкритических условиях) в линии 827. У холодного сжатого потока, обогащенного азотом, в линии 827 давление понижается посредством расширительного клапана 849, и его вводят в верхнюю часть дистилляционной колонны 7 для создания в ней холодного орошения. Альтернативно уменьшение давления потока в линии 827 может осуществляться посредством расширения с совершением внешней работы. Хотя теплообменники 805 и 807 представлены как отдельные теплообменники, они могут объединяться в единый теплообменник, если это желательно.

В любом из указанных выше вариантов осуществления уменьшение давления технологических потоков может осуществляться с помощью либо дросселирующих клапанов, либо детандеров; детандеры могут представлять собой детандеры с вращающимися лопастями (то есть турбины), либо расширительные машины поршневого действия. Работа расширения, генерируемая детандерами, может использоваться для приведения в действие другого вращающегося оборудования, такого как компрессоры. Уменьшение давления потоков жидкости или плотной текучей среды может осуществляться посредством детандеров, как правило, известных как гидравлические турбины или детандеры для плотных текучих сред.

ПРИМЕР

Вариант осуществления настоящего изобретения, как он описывается со ссылкой на фиг.1, может иллюстрироваться следующим далее неограничивающим примером. Поток исходных материалов конденсированного природного газа со скоростью потока 100 фунтмоль в час, содержащий (в % молярных) 4,0% азота, 88,0% метана, 5,0% этана и 3,0% пропана и более тяжелых углеводородов, при -165°F и 741 фунт/кв.дюйм, подают через линию 1 и охлаждают до -190°F в теплообменнике 3 ребойлера. Поток исходных материалов охлажденного СПГ в линии 11 от ребойлера расширяют посредством расширительного клапана 13 до 144 фунт/кв.дюйм и вводят в промежуточном положении в дистилляционную колонну 7. Очищенный поток продукта - СПГ откачивают через линию 17 со скоростью потока 96,94 фунтмоль в час, и он содержит (в % молярных) 1,00% азота, 90,75% метана, 5,16% этана и 3,09% пропана и более тяжелых углеводородов при -190°F и 147 фунт/кв.дюйм. Этот поток продукта - СПГ переохлаждают до -235°F в теплообменнике 19 и направляют в хранилище через линию 20.

Поток пара из головной части колонны, обогащенный азотом, откачивают из дистилляционной колонны 7 через линию 15 со скоростью потока 34,48 фунтмоль в час, и он содержит 99,00% молярных азота и 1,00% молярный метана при -272°F и 141 фунт/кв.дюйм. Этот поток объединяют с холодным обогащенным азотом потоком после расширения с совершением внешней работы в линии 21 от турбодетандера 43 для получения объединенного холодного потока, обогащенного азотом, в линии 23. Объединенный поток нагревают в теплообменниках 19, 27 и 29, чтобы обеспечить принудительное охлаждение, для переохлаждения очищенного СПГ в линии 17 и для охлаждения сжатого потока, обогащенного азотом, в линии 42, тем самым получая нагретый поток азота низкого давления в линии 31.

Поток низкого давления, обогащенный азотом, в линии 31 теперь при 97°F и 131 фунт/кв.дюйм, содержащий 99,00% молярных азота и 1,00% молярный метана, разделяют на отведенный поток в линии 33, имеющий скорость потока 3,06 фунтмоль в час, и главный технологический поток со скоростью потока 135,49 фунтмоль в час в линии 35. Этот главный технологический поток сжимают до 1095 фунт/кв.дюйм в компрессоре 37, и полученный поток, обогащенный азотом, высокого давления в линии 39 при 100°F охлаждают до -123°F в теплообменнике 29. Главную часть охлажденного потока из теплообменника 29 откачивают через линию 41 со скоростью потока 104,07 фунтмоль в час и подвергают расширению с совершением внешней работы в турбодетандере 43. Остаток охлажденного потока из теплообменника 29 со скоростью потока 31,42 фунтмоль в час протекает через линию 42, через теплообменники 27 и 19, где он охлаждается с образованием плотной холодной сверхкритической текучей среды при -235°F. Эта холодная текучая среда протекает через линию 45, расширяется до 141 фунт/кв.дюйм посредством расширительного клапана 47 и вводится в верхнюю часть дистилляционной колонны 7 в качестве потока орошения.

Поток пара из головной части колонны, обогащенный азотом, извлеченный из дистилляционной колонны 7 через линию 15, объединяют с холодным обогащенным азотом потоком после расширения с совершением внешней работы из турбодетандера 43 в линии 21 при -270°F и 141 фунт/кв.дюйм для получения объединенного холодного потока, обогащенного азотом, в линии 23 при 138,55 фунтмоль в час. Затем этот объединенный поток нагревают до -162°F в теплообменниках 19 и 27, чтобы обеспечить принудительное охлаждение, для переохлаждения очищенного потока продукта - СПГ в линии 17 и для конденсирования и переохлаждения потока в линии 42, как описано выше. Объединенный поток азота низкого давления дополнительно нагревается до 97°F в теплообменнике 29 для охлаждения сжатого потока, обогащенного азотом, высокого давления в линии 39.

Способ настоящего примера отводит примерно 76% азота, содержащегося в исходном сырье - конденсированном природном газе - для дистилляционной колонны 7, с получением очищенного потока продукта - СПГ в линии 20, содержащего 1,00% молярный азота, что является достаточным для удовлетворения спецификациям продукта - СПГ в большинстве случаев. Если требуется более низкое содержание азота в очищенном продукте - СПГ, в дистилляционную колонну 7 могут подаваться дополнительные флегма (на повторное кипячение) и поток орошения, чтобы подстроиться под более высокий уровень отвода азота. У переохлажденного потока продукта - СПГ в линии 20 перед хранением обычно понижается давление, как правило, до 15-17 фунт/кв.дюйм. Если более высокое содержание азота в продукте - СПГ является допустимым, потоки флегмы и орошения в дистилляционную колонну 7 могут уменьшаться для создания более низкого уровня отвода азота.

Данный пример также предусматривает отведенный поток, обогащенный азотом, через линию 33, который содержит только 1,00% молярный метана. Более высокие или более низкие уровни метана в отведенном потоке могут получаться за счет соответствующих регулировок скоростей потоков испаренной флегмы и орошения в дистилляционную колонну 7. Отведенный поток, обогащенный азотом, имеет достаточно низкую концентрацию метана, так что он может сбрасываться в атмосферу и его не нужно использовать в качестве топлива.

Реферат

Изобретение может быть использовано в технологии обработки природного газа. Способ отвода азота включает введение конденсированного природного газа в первом положении дистилляционной колонны, отбор обогащенного азотом потока пара из головной части дистилляционной колонны и отбор очищенного потока сжиженного природного газа из нижней части колонны. Поток холодного орошения вводят в дистилляционную колонну во втором положении, находящемся выше первого положения. Способ также включает либо охлаждение очищенного потока сжиженного природного газа, или охлаждение потока конденсированного природного газа, либо охлаждение как очищенного потока сжиженного природного газа, так и потока конденсированного природного газа. Технический результат: удаление азота с минимальными потерями метана и обеспечение принудительного охлаждения сжиженного природного газа. 5 н. и 28 з.п. ф-лы, 8 ил.

Формула