Извлечение гелия из потоков природного газа - RU2606223C2

Чертежи

Показать все 7 чертежа(ей)

Описание

Ссылка на сопутствующие заявки

В настоящей заявке испрашивается приоритет по предварительной заявке на патент US 61/510854, поданной 22 июля 2011 под названием "Извлечение гелия из потоков природного газа", которая полностью включена в настоящее описание путем ссылки.

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к выделению гелия из природного газа в процессе высокого давления.

Предпосылки

Гелий является вторым по распространенности химическим элементом во вселенной после водорода и образуется во время ядерного синтеза водорода в звездах. Он является важным промышленным газом, используемым для охлаждения, в криогенной технике, для создания инертных атмосфер, для освещения, исследований и в испытательных лабораториях. Однако общее количество гелия на земле ограничено, поскольку гелий утекает в атмосферу и теряется.

Почти весь гелий на Земле сформировался под поверхностью земли при радиоактивном распаде других элементов, таких как уран, по большей части в результате распада за счет излучения альфа-частиц (заряженных групп ядер гелия). Гелий может накапливаться в пластах-коллекторах природного газа в смеси с другими газами, такими как метан, сульфид водорода, диоксид углерода и азот. Содержание гелия в природном газе может находиться в диапазоне концентраций от нескольких частей на миллион до нескольких процентов. Этот гелий может быть потенциально ценным побочным продуктом при добыче природного газа, если его можно извлекать экономически эффективно.

В прошлом многие компании, занимающиеся переработкой природного газа не выделяли гелий, поскольку достижение необходимых очень низких температур требовало больших затрат. Гелий имеет более низкую точку кипения, чем любой другой элемент, равную приблизительно -269°C (-452°F). Для сравнения, метан имеет точку кипения приблизительно -259°C (-434°F), а азот имеет точку кипения приблизительно -196°C (-321°F). Диоксид углерода имеет точку сублимации приблизительно -78°C (108°F) и не образует жидкости при атмосферном давлении. Другой компонент, который можно найти в природном газе, сульфид водорода, имеет точку кипения приблизительно -60°C (-76°F).

Некоторые процессы применения и отгрузки природного газа, такие как производство сжиженного природного газа (LNG), могут генерировать температуры, необходимые для выделения гелия. В известных схемах извлечения гелия гелий извлекают в виде пара либо из жидкого метана, в установке LNG, из жидкого азота в установке удаления азота (NRU), либо из деметанизированного потока, орошающего установку по извлечению газового конденсата (NGL). Все эти процессы понижают температуру газа до тех пор, пока почти все компоненты, кроме гелия, перейдут в жидкую фазу, номинально до приблизительно -157°C (-250°F) для LMG или NRU, или до -101°C (-150°F) для установки по извлечению газового конденсата. В этих условиях гелий получают в виде пара, являющегося побочным продуктом. Однако имеется потребность в установке по извлечению гелия из потока газа без использования процессов и установок LNG, NRU или получения газового конденсата.

В 1950-х и 1960-х правительство признало стратегическое значение гелия и выступило в защиту мер по консервации и добыче, включая увеличение извлечения из природных газовых потоков. Например, как часть этой инициативы, в публикации Guccione, E. "New Approach to Recovery of Helium from Natural Gas", Chem. Engr., Sep. 30, 1963, pp. 76-78 описывается установка, используемая для выделения гелия из природного газа на месторождении Хьюготон. Месторождение Хьюготон простирается от западного Канзаса через узкий выступ территории Оклахомы до узкого выступа территории Техаса. После очистки природного газа для удаления CO₂ и H₂S на установке сначала конденсируются более тяжелые углеводороды, затем азот и метан, создавая поток продукта, состоящего приблизительно на 65% из гелия и приблизительно на 35% из азота.

На этой установке, как и на установках LNG, для осуществления сепарации была использована последовательность этапов охлаждения с фазовым переходом. На первом этапе охлаждения исходное сырье охлаждалось пропановой холодильной машиной с замкнутым контуром, чтобы удалить пентаны и более тяжелые углеводороды. На втором этапе использовали метановую холодильную машину с замкнутым контуром в сочетании с отгонной колонной для генерирования потока обогащенной жидкости с концентрацией гелия приблизительно 0,001 мол.%. Газообразный продукт из этой отгонной колонны дополнительно охлаждался метановой холодильной машиной и подавался на конечную отгонную колонну. В верхней части конечной отгонной колонны имелась отгонная колонна с азотной холодильной машиной, а в нижней части - метановая холодильная машина. Газ из этой колонны обеспечивал обогащенный гелием поток продукта.

Установка, описанная Guccione, была довольно сложной, и в ней использовались три отдельных цикла охлаждения. В каждом из этих трех циклов использовался собственный хладагент и компрессоры, т.е. цикл охлаждения пропаном, цикл охлаждения метаном и цикл охлаждения азотом. Подобные циклы часто используют для достижения температур, необходимых для производства LNG, что может создавать потоки продукта, обогащенные гелием, в качестве побочного продукта.

Подобные системы были описаны в публикации Wilson R.W. and Newsom H.R., "Helium: Its Extraction and Purification", J. Petrol. Tech., 20, pp. 341-344 (1968), где приведены общие соображения по конструированию криогенных установок, предназначенных для выделения сырого гелия из природного газа. Как правило, в этих установках по извлечению гелия используется множество циклов охлаждения с замкнутым контуром, основанных на таких хладагентах, как пропан, метан и азот.

Было предложено несколько систем для отгонки гелия из природного газа без экстенсивных циклов охлаждения с замкнутым контуром. Например, в патенте US 5011521, выданном Gottier et al., описан процесс отгонки под низким давлением для производства сырого гелия. Этот процесс может предварительно фракционировать находящуюся под давлением смесь исходных газов, содержащую гелий, в которую могут входить гелий, природный газ и азот, с получением обогащенного гелием потока с содержанием гелия более 30 об.%. Процесс включает ожижение и переохлаждение находящейся под давлением смеси газов, содержащей гелий, за счет косвенного теплообмена. Сжиженную и переохлажденную исходную смесь газов подвергают расширению с получением частично испаренного разделяемого сырьевого потока. Этот частично испаренный разделяемый сырьевой поток подвергают отгонке в колонне криогенной дистилляции, тем самым создавая обогащенный гелием поток и кубовый остаток. Колонна криогенной дистилляции кипятится путем испарения по меньшей мере части обедненного гелием потока. Однако этот процесс зависит от переохлаждения, необходимого для полного ожижения, что может оказаться невозможным при увеличении концентрации гелия.

Для получения потока природного газа с целью извлечения гелия можно использовать различные технологии отделения кислых газов, таких как CO₂, H₂S, и других компонентов от потока природного газа. Например, в патенте US 5335504, выданном Durr et al., раскрывается процесс извлечения диоксида углерода из потока природного газа. Этот процесс можно использовать для извлечения CO₂, который нагнетался для повышения нефтеотдачи. Этот процесс основан на криогенной дистилляционной колонне, но он не достигает температур, требуемых для существенного повышения концентрации гелия.

Кроме того, в патенте US 4318723, выданном Holmes, раскрывается процесс криогенного дистиллятивного отделения кислых газов от метана, далее именуемый "процесс Райана-Холмса". Процесс Райана-Холмса является способом недопущения образования твердой фазы во время криогенного дистиллятивного отделения кислых газов от метана. Этот способ включает добавление агента для управления образованием твердой фазы в зону дистилляционной колонны, в которой может образоваться твердая фаза. Типичными агентами являются С₂-С₅ алканы или другие неполярные жидкости, смешивающиеся с метаном в условиях колонны. Предотвращение образования твердой фазы позволяет добиться более полного отделения.

Другой способ криогенной очистки природного газа описан в опубликованной международной заявке на патент WO/2008/091316, в которой описана башня с зоной регулируемого замораживания (Controlled Freeze Zone (CFZ)). Башня с зоной регулируемого замораживания представляет собой криогенную дистилляционную колонну, которая позволяет разделять поток текучей среды, содержащей по меньшей мере метан и диоксид углерода. Криогенная дистилляционная колонна имеет нижнюю отгонную секцию, верхнюю ректификационную секцию и промежуточную секцию распыления. Промежуточная секция распыления содержит множество распыляющих форсунок, которые нагнетают жидкость в поток зоны замораживания. Форсунки сконфигурированы так, что распыляемая жидкость охватывает по существу весь внутренний диаметр промежуточной секции распыления. Поток из зоны замораживания жидкости обычно содержит метан при температуре и под давлением, при которых образуются и твердые частицы диоксида углерода, и поток пара, обогащенного метаном. Колонна может дополнительно содержать одну или более перегородок, расположенных под форсунками для создания фрикционного сопротивления гравитационному потоку потока из зоны замораживания жидкости. Это способствует отделению и извлечению газообразного метана. Имеются дополнительные внутренние компоненты, улучшающие теплоперенос и способствующие отделению газообразного метана.

В дополнение к более новым криогенным технологиям, традиционно были использованы различные технологии получения природного газа для поставки потребителям. Совместно эти технологии именуются "обработка теплого газа" ("warm gas processing"). При обработке теплого газа сырой газ обрабатывают для удаления кислых газов, таких как сероводород и диоксид углерода. Исторически эта операция выполнялась с помощью аминовой очистки, при которой амин взаимодействует с кислым газом. При истощении амин можно подвергать регенерации для удаления кислого газа. Недавно появилась новая технология, основанная на применении полимерных мембран для отделения диоксида углерода и сероводорода от потока природного газа.

Кислые газы затем можно направить в установку по извлечению серы, которая преобразует сероводород в кислом газе в содержащие серу продукты, такие как элементарная сера и серная кислота. После очистки от кислых газов можно удалить водяной пар, используя множество известных способов.

Из оставшегося продукта можно извлекать другие компоненты, такие как ртуть и природный газовый конденсат. В результате получается газ, который может содержать метан с множеством инертных и углеводородных компонентов, включая, помимо прочих, азот и гелий. Компоненты с более высоким углеродным числом, такие как C₂S и выше, можно извлекать и продавать отдельно, как природный газовый конденсат (NGL), жидкий пропан (LPG) и т.п.

Технологии, описанные выше, не предусматривают генерирование потока продукта, имеющего по существу повышенную концентрацию гелия. Однако эти технологии могут давать поток газа, который может быть использован как источник сырья для сепаратора гелия.

Краткое описание изобретения

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения предлагается способ извлечения гелия из природного газа (LNG). Способ включает протекание потока сжатого природного газа через холодильную камеру для конденсации жидкостей. Охлажденный поток дозированно подают в криогенную отгонную колонну и из верхней части криогенной отгонной колонны отбирают сырой гелий. Поток жидкого продукта извлекают из нижней части криогенной отгонной колонны. Для регулирования температуры в холодильной камере мгновенно испаряют первую порцию потока жидкого продукта в холодильной камере с образованием первого потока мгновенно испаренного газа, мгновенно испаряют вторую порцию потока жидкого продукта в холодильной камере с образованием второго потока мгновенно испаренного газа и регулируют отношение первой порции ко второй порции для регулирования температуры в холодильной камере.

Сырой гелий можно пропускать через холодильную камеру для дополнительного охлаждения. Далее, сырой гелий можно пропускать через криогенный концентратор для повышения концентрации гелия. После концентрации сырой гелий можно подавать потребителю по трубопроводу.

В одном варианте осуществления первый поток мгновенно испаренного газа можно сжимать так, чтобы он по существу соответствовал давлению второго потока мгновенно испаренного газа, и эти два потока можно объединить. Объединенный поток может быть сжат с образованием потока продукта. Поток продукта может включать низкокалорийный природный газ, который можно использовать для производства электроэнергии.

Согласно другому варианту осуществления предлагается система для извлечения гелия из потока природного газа. Система включает холодильную камеру, выполненную с возможностью охлаждения сырьевого потока, и криогенную отгонную колонну, выполненную с возможностью разделения сырьевого потока на газообразный поток легких фракций и жидкий кубовой остаток, при этом газообразный поток легких фракций имеет повышенную концентрацию гелия. Для мгновенного испарения по меньшей мере части жидкого кубового остатка в первый газовый поток в теплообменнике в холодильной камере для охлаждения сырьевого потока можно сконфигурировать клапан Джоуля-Томпсона (J-T).

Система может включать установку криогенной дистилляции, такую как установка криогенной дистилляции Райана-Холмса, например, для подачи исходного сырьевого потока. Далее, система может включать установку обработки теплого газа для подачи сырьевого потока.

В систему может быть включен концентратор гелия для повышения концентрации гелия в конечном продукте. Концентратор гелия может включать вторую холодильную камеру для охлаждения потока верхних газов из криогенной отгонной колонны с образованием второго охлажденного потока и клапан Джоуля-Томпсона, выполненный с возможностью мгновенного испарения второго охлажденного потока с образованием двухфазного потока. Можно установить сепаратор для разделения газообразного и жидкого компонентов двухфазного потока.

Система может включать теплообменник для продукта, выполненный с возможностью охлаждения потоков в установке криогенной очистки, используя холод от потока жидкого кубового остатка. Для мгновенного испарения второй части потока жидкого кубового остатка во второй газовый поток может быть сконфигурирован второй клапан Джоуля-Томпсона, при этом отношение потоков через клапан Джоуля-Томпсона и второй клапан Джоуля-Томпсона можно использовать для управления температурой холодильной камеры.

Система может включать компрессор для повышения давления первого газового поток до давления, при котором осуществляется продажа. Компрессор также можно использовать для повышения давления второго газового потока так, чтобы оно соответствовало давлению первого газового потока. Электростанция может быть выполнена с возможностью сжигания первого газового потока как топлива, являющегося низкокалорийным природным газом.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения предлагается способ использования низкокалорийного природного газа с месторождения. Способ включает добычу низкокалорийного природного газа из скважины, осушку низкокалорийного природного газа для удаления по меньшей мере части присутствующего в нем водяного пара и удаление по меньшей мере части природного газового конденсата, присутствующего в низкокалорийном природном газе. Из низкокалорийного природного газа можно удалять кислые газы и по меньшей мере часть гелия можно извлечь из низкокалорийного природного газа в криогенной отгонной колонне, при этом энергию для снижения температуры с целью извлечения гелия получают за счет мгновенного испарения по меньшей мере части жидкого кубового остатка из криогенной отгонной колонны в холодильной камере. После извлечения гелия низкокалорийный природный газ можно направлять потребителям, например, на электростанции.

Температуру холодильной камеры можно регулировать, управляя отношением между двумя частями жидкого кубового остатка, каждая из которых подвергается мгновенному испарению, при этом одна часть подвергается мгновенному испарению при первом давлении, а другая часть подвергается мгновенному испарению при более низком давлении. Дополнительное количество гелия можно извлечь из низкокалорийного природного газа с помощью концентратора гелия.

Краткое описание чертежей

Преимущества предлагаемых технологий будут более понятны из нижеследующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, где:

фиг.1 - блок-схема системы, которая генерирует поток сырого гелия и предоставляет остальной газ как поток продукта;

фиг.2 - блок-схема колонны отгонки гелия;

фиг.3 - чертеж системы, в которой может использоваться колонна отгонки гелия для получения потока сырого гелия из верхнего газа из процесса криогенной сепарации;

фиг.4 - чертеж системы, в которой используется концентратор гелия в дополнение к колонне отгонки гелия;

фиг.5 - схема системы, в которой используется колонна отгонки гелия для получения гелиевого продукта из потока газа, поступающего из установки обработки теплого газа;

фиг.6 - график кривой замораживания CO₂; и

фиг.8 - блок-схема способа извлечения гелия из потока природного газа, например, с использованием систем, описанных со ссылкой на фиг. 1-5.

Подробное описание

В следующем разделе подробного описании описаны конкретные варианты осуществления предлагаемых технологий. Однако в той мере, в которой следующее описание относится к конкретному варианту осуществления или конкретному применению предлагаемых технологий, оно предназначено только для иллюстративных целей и просто дает описание примерных вариантов осуществления. Соответственно, эти технологии не ограничиваются конкретными описанными вариантами осуществления, а включают все альтернативы, модификации и эквиваленты, которые попадают в пределы сущности и объема прилагаемой формулы изобретения.

Сначала, для облегчения понимания, дается определение некоторых терминов, используемых в настоящей заявке. Если определение используемого в тексте заявки термина не дано, его следует трактовать согласно самому широкому определению, которое ему дают специалисты в данной области и которое отражено по меньшей мере в одной печатной публикации или в патенте. Далее, предлагаемые технологии не ограничиваются использованием терминов, приведенных ниже, поскольку все эквиваленты, синонимы, новообразования и термины или способы, которые служат той же или подобной цели, считаются включенными в объем прилагаемой формулы изобретения.

"Кислые газы" являются примесями, которые часто встречаются в потоках природного газа. Обычно эти газы включают диоксид углерода и сероводород, хотя кислоты также могут образовывать любое количество других примесей. Кислые газы обычно извлекают, вводя поток газа в контакт с абсорбентом, таким как амин, который может взаимодействовать с кислыми газами. Когда абсорбент "наполняется" кислыми газами, можно использовать этап десорбции, чтобы отделить кислые газы от абсорбента. Очищенный абсорбент обычно возвращают в процесс для дополнительной абсорбции.

"Холодильная камера" относится к изолированной камере, которая охватывает наборы технологического оборудования, такого как теплообменники, колонны и фазовые сепараторы. Такие наборы технологического оборудования могут выполнять весь данный процесс или только часть.

"Компрессор" относится к устройству для сжатия рабочего газа, включая парогазовые смеси или выхлопные газы, и включает насосы, турбины компрессора, осевые компрессоры, поршневые компрессоры, ротационные пластинчатые компрессоры или винтовые компрессоры, а также устройства и комбинации устройств, выполненные с возможностью сжатия рабочего газа.

"Криогенная дистилляция" была использована для отделения диоксида углерода от метана, поскольку относительная летучесть между метаном и диоксидом углерода достаточно высока. Пар, отводимый с верха колонны, обогащен метаном, а кубовой остаток обогащен диоксидом углерода и другими более тяжелыми углеводородами. Криогенная дистилляция требует правильной комбинации давления и температуры для извлечения требуемого продукта.

Термин "газ" используется взаимозаменяемо с термином "пар" и означает вещество или смесь веществ в газообразном состоянии, в отличие от жидкого или твердого состояния. Аналогично, термин "жидкость" означает вещество или смесь веществ в жидком состоянии, в отличие от газообразного или твердого состояния.

"Теплообменник" означает любую колонну, башню, установку или другую конструкцию, выполненную с возможностью пропускать один или более потоков и влиять на прямой или косвенный теплообмен между одной или более линиями хладагента и одним или более сырьевыми потоками. Примеры включают, помимо прочих, кожухотрубный теплообменник, криогенный катушечный теплообменник или паяный теплообменник из алюминиевых пластин радиаторного типа.

"Углеводород" представляет собой органическое соединение, которое включает, главным образом, элементы водород и углерод, хотя в небольших количествах в нем могут присутствовать азот, сера, кислород, металлы или любое количество других элементов. В настоящем описании термин "углеводороды", как правило, относится к органическим материалам, которые добывают из углеводорода, содержащегося в подземных породных слоях, называемых пластами. Например, природный газ в основном состоит из углеводорода метана.

"Сжиженный природный газ" или "LNG" представляет собой криогенную жидкую форму природного газа, обычно содержащего большую долю метана, но также может содержать следовые количества других элементов и/или соединений, включая, но не ограничиваясь ими, этан, пропан, бутан, диоксид углерода, азот, гелий, сероводород или их комбинации. Природный газ можно обработать, чтобы удалить один или более компонентов (например, гелия) или примесей (например, воды и/или тяжелых углеводородов) и затем конденсировать в жидкость почти при атмосферном давлении путем охлаждения.

Термин "природный газ" относится к многокомпонентному газу, полученному из нефтяной скважины (попутный газ) или из подземного газового месторождения (не содержащего нефть). Состав и давление природного газа могут значительно меняться. Типичный поток природного газа содержит метан (C₁), являющийся существенным компонентом. Сырой природный газ также обычно содержит этан (C₂), высокомолекулярные углеводороды, один или более кислых газов (таких как диоксид углерода, сероводород, карбонилсульфид (сероксид углерода, сульфидоксид углерода), сероуглерод и меркаптаны) и незначительные количества примесей, таких как вода, гелий, азот, сульфид железа, парафин и сырая нефть.

Низкокалорийный природный газ означает природный газ с теплотворной способностью ниже, чем коммерческие стандарты для трубопроводного транспорта, например, менее 1000 BTU (британских тепловых единиц, (252 ккал)) на стандартный кубический фут (0,0283168 м³). Хотя низкокалорийный природный газ можно довести до соответствия стандартам трубопроводного транспорта, это может оказаться экономически нецелесообразным. По этой причине, в прошлом месторождения с низкокалорийным природным газом не разрабатывались. Однако низкокалорийный природный газ можно использовать для сжигания на электростанциях, преобразуя тепловую энергию в электроэнергию.

"Клапан Джоуля-Томпсона" относится к устройству для расширения пара и, тем самым, для снижения его температуры. В клапане Джоуля-Томпсона используется принцип Джоуля-Томпсона, согласно которому расширение газа приводит к сопутствующему охлаждению газа. В различных вариантах осуществления, описываемых в данной заявке, клапан Джоуля-Томпсона можно заменить на другие расширительные устройства, такие как турбоэспандер и т.п.

"Давление" представляет собой силу, прилагаемую газом к единице площади стенок объема. Давление может выражаться в фунтах на кв.дюйм. "Атмосферное давление" относится к локальному давлению воздуха. "Абсолютное давление" относится к сумме атмосферного давления (14,7 фунтов на кв.дюйм или 101,353 кПа при стандартных условиях) и манометрического давления. "Манометрическое давление" относится к давлению, измеренному манометром, который показывает только давление, превышающее локальное атмосферное давление (т.е. манометрическое давление 0 фунтов на кв.дюйм соответствует абсолютному давлению 14,7 фунтов на кв.дюйм). Термин "давление пара" имеет принятое в термодинамике значение. Для чистого компонента в замкнутой системе при данном давлении компонент давления пара по существу равен суммарному давлению в системе.

"Сепаратор" представляет собой емкость, в которой поступающее двухфазное сырье разделяется на отдельные фракции пара и жидкости. Обычно емкость имеет достаточную площадь для того, чтобы пар и жидкость разделялись под действием силы тяжести.

Термин "по существу", используемый в отношении количества материала или конкретной его характеристики, относится к количеству, достаточному для создания эффекта, который этот материал или характеристика предназначены создавать. Точная степень допустимого отклонения в некоторых случаях может зависеть от конкретного контекста.

Обзор

Как указано выше, в известных технологиях выделения гелия из потоков природного газа обычно используют множество систем охлаждения с замкнутым контуром, например, каскадные холодильные системы, для охлаждения сырьевых потоков до криогенных температур и конденсации материалов. Это может существенно удорожить и усложнить и системы очистки природного газа. В случае газовых потоков, требующих удаления азота, таких как сырьевые потоки для производства LNG, может быть целесообразным включение этапа извлечения гелия. Однако на месторождениях низкокалорийного природного газа, который может использоваться непосредственно для производства электроэнергии без извлечения азота, выделение гелия может быть экономически нецелесообразным.

Описываемые в данной заявке варианты осуществления предусматривают систему и способы получения обогащенного гелием потока из потока природного газа без использования отдельных холодильных установок с замкнутым контуром. В таких системах и способах используются преимущества энергии, создаваемой сжатием для охлаждения в одной или более холодильных камерах.

На фиг.1 приведена блок-схема системы 100, которая вырабатывает сырой гелиевый продукт 102 и подает оставшийся газ в виде потока 104 продукта. Этот газ может, например, использоваться для подачи на электростанцию 106. Система 100 не ограничивается показанными блоками, но может иметь любое количество конфигураций, включая, например, подачу потока 104 продукта другим потребителям по коммерческому трубопроводу.

В системе 100 можно использовать одну или более эксплуатационных скважин 108 для создания потока 110 сырого природного газа. В некоторых вариантах осуществления поток сырого природного газа может содержать существенное количество азота и быть низкокалорийным, например, от 500 до 950 британских тепловых единиц на кв.фут (BTU).

Поток 110 сырого природного газа можно подавать на установку 112 осушки, в которой водяной пар может быть удален с использованием абсорбционной осушки гликолем, сиккативом или с помощью установки короткоцикловой безнагревной адсорбции, а также другими способами. Установка 112 осушки не ограничивается последующими этапами производства, показанными на чертеже.

Осушенный поток 114 можно подать на систему 116 очистки, в которой можно использовать любое количество процессов для удаления кислых газов 118 и других примесей. В некоторых вариантах осуществления система 116 очистки может быть расположена перед установкой 112 осушки. Установка очистки может быть установкой криогенной дистилляции, работающей, например, по способу Райана-Холмса. Можно использовать и другие технологии криогенной дистилляции, такие как "зона регулируемого замораживания" (CFZ), доступная от ExxonMobil, описанная в международной опубликованной заявке на патент WO/2008/091316, которая полностью включена в настоящее описание путем ссылки. Для очистки также можно также использовать некриогенные способы, такие как системы обработки теплого газа.

Кислые газы 118, полученные в результате очистки, можно продавать на рынке. Например, поток CO₂ может быть продан для повышения нефтеотдачи пласта или поток H₂S можно использовать для производства серы по способу Клауса. В дополнение к удалению кислых газов 118, система 116 очистки также может удалять углеводороды с более высоким углеродным числом, например, C₂S и выше. Углеводороды с более высоким углеродным числом можно конденсировать с образованием, помимо прочего, потока 120 газоконденсата (NGL), который также можно продавать как продукт.

Полученный сырьевой газовый поток 122 может быть смесью метана и различных инертных газов, таких как азот и гелий. Ранее такой сырьевой газовый поток 122 использовали непосредственно как поток низкокалорийного природного газа, например, для производства электроэнергии. Это позволяло экономить на расходах по удалению азота и других компонентов. Однако, как описано в настоящей заявке, гелий может быть ценным побочным продуктом, который можно извлекать и продавать. Соответственно, сырьевой газовый поток 122 можно подавать на вход колонны 124 отгонки гелия. В зависимости от используемой системы 116 очистки, сырьевой газовый поток 122 может быть холодным потоком или теплым потоком. В обоих случаях сырьевой газовый поток 122 может иметь высокое давление. В некоторых вариантах осуществления можно использовать дополнительные этапы сжатия и охлаждения для повышения давления на входе колонны 124 отгонки гелия.

Колонна 124 отгонки гелия создает сырой гелиевый продукт 102. В различных вариантах осуществления сырой гелиевый продукт 102 может содержать приблизительно 20 мол.% гелия или выше. Сырой гелиевый продукт можно продавать непосредственно в том виде, в котором он получен, или его можно использовать как сырье в другом процессе очистки для получения конечного гелиевого продукта, например, с концентрацией гелия 99% или выше. Удаление сырого гелиевого продукта 102 дает поток 104 продукта, который может содержать азот и метан.

В зависимости от содержания азота поток 104 продукта можно считать низкокалорийным природным газом, который можно использовать, например, как топливо для электростанции 106. Электростанция 106 может предоставлять для продажи другие, более ценные продукты, включая электроэнергию 126, подаваемую в сеть, теплоту 128 для других процессов, или и то, и другое. В некоторых вариантах осуществления электростанция 106 может закупать поток 104 продукта из трубопровода, соединенного с производителем.

На фиг.2 приведена блок-схема колонны 124 отгонки гелия. В настоящем описании термин "колонна отгонки гелия" охватывает все оборудование, используемое для получения потока продукта с повышенным содержанием гелия, включая любые холодильные камеры, колонны для отгонки или дополнительные концентраторы гелия. В колонне 124 отгонки гелия сырьевой газовый поток 122 сначала охлаждают в холодильной камере 202 под давлением для сжижения почти всего газового потока и образования холодного потока 204. В некоторых вариантах осуществления сырьевой газ 122 может быть сжатым холодным потоком от установки криогенной дистилляции, таким как из процесса с регулируемой зоной замораживания (CFZ) или из процесса Райана-Холмса. В других вариантах осуществления сырьевой газ 122 может поступать от установки обработки теплого газа. Если сырьевой газ 122 имеет недостаточно высокое давление, например давление, описанное в примерах, перед колонной 124 отгонки гелия в линию сырьевого газа 122 можно установить один или более компрессоров. Сжатое сырье можно пропускать через теплообменник перед тем, как оно попадет в колонну 124 отгонки гелия, чтобы уделить теплоту, образовавшуюся при сжатии.

Охлажденный поток 204 затем можно подать в колонну 206 криогенной отгонки. Охлажденный поток 204 можно дозировать в колонну с помощью клапана 208 регулирования расхода, например, приводной мембранной задвижки (DMV) или вентиля. В различных вариантах осуществления, описанных в этом документе, клапан 208 регулирования расхода используется просто для регулирования расхода в колонну 206 криогенной отгонки, а не для управления температурой. Поток 210 верхнего пара из колонны 206 криогенной отгонки можно регулировать нагрузкой 212 ребойлера для максимального извлечения гелия и концентрации гелия в потоке 210 пара. Нагрузка 212 ребойлера может способствовать охлаждению потока 122 сырьевого газа в холодильной камере 202. Остальную работу по охлаждению сырьевого газа в холодильной камере 202 можно выполнять путем нагревания потока 210 верхнего пара для образования потока 102 сырого гелиевого продукта и путем испарения потока 214 жидкого продукта из нижней части колонны 206 криогенной отгонки.

Регулирование температуры в холодильной камере 202 можно осуществлять одним или более клапанами 216 и 218 Джоуля-Томпсона (J-T)) на потоке 214 жидкого продукта. Когда поток 214 жидкого продукта мгновенно вскипает на клапанах 216 и 218 Джоуля-Томпсона и попадает в холодильную камеру 202, из холодильной камеры 202 можно удалить тепловую энергию. В одном варианте осуществления первый клапан 216 Джоуля-Томпсона может допускать больший перепад давления, чем второй клапан 218 Джоуля-Томпсона, при этом баланс расхода между этими двумя клапанами 216 и 218 Джоуля-Томпсона можно использовать для управления температурой в холодильной камере 202. Разница в перепадах давления приводит к образованию двух потоков 220 и 222 дроссельного газа.

Первый поток 220 дроссельного газа может иметь меньшее давление, чем второй поток 222 дроссельного газа, и может быть сжат на первой ступени 224 компрессоре, чтобы иметь такое же давление, как и второй поток 222 дроссельного газа. Эти два потока 220 и 222 дроссельного газа затем можно объединить и пропустить через вторую ступень 226 компрессора для достижения окончательного товарного давления потока 104 продукта. Поскольку установка сжижения газа, т.е. холодильная камера 202 работает при высоком давлении, требуемая температура для сжижения потока газа может быть выше, чем в процессе получения LNG или в установке по удалению азота (NRU). Это делает колонну 124 отгонки гелия более устойчивой к более высокому содержанию СО₂ или Н₂О, чем процессы по получению LNG или NRU.

В одном варианте осуществления на линии потока 210 верхнего пара после колонны 206 криогенной отгонки можно установить концентратор гелия, как описано со ссылками на фиг. 4. Концентратор гелия может обеспечивать более высокую концентрацию гелия в потоке 210 верхнего пара. Однако добавление концентратора гелия может сделать колонну 124 отгонки гелия более подверженной засорению диоксидом углерода. Поэтому использование концентратора гелия потребует более низких уровней СО₂, сравнимых с процессом удаления азота (NRU).

Другие варианты осуществления описаны далее.

Вариант 1: Способ извлечения гелия из природного газа (LNG), включающий этапы, на которых:

- пропускают поток сжатого природного газа через холодильную камеру для конденсации жидкостей;

- дозируют охлажденный поток в колонну криогенной отгонки;

- извлекают сырой гелиевый продукт из верхней части колонны криогенной отгонки; и

- извлекают поток жидкого продукта из нижней части колонны криогенной отгонки, причем температурой в холодильной камере управляют путем

мгновенного испарения первой части потока жидкого продукта в холодильную камеру для образования первого потока дроссельного газа,

мгновенного испарения второй части потока жидкого продукта в холодильную камеру для образования второго потока дроссельного газа; и

- управляют отношением первой части ко второй части для регулирования температуры в холодильной камере.

Вариант 2: Способ по варианту 1, включающий этап, на котором сырой гелиевый продукт пропускают через холодильную камеру для дополнительного охлаждения.

Вариант 3: Способ по вариантам 1 или 2, включающий этап, на котором сырой гелиевый продукт пропускают через криогенный концентратор для повышения концентрации гелия.

Вариант 4: Способ по любому из вариантов 1-3, включающий этапы, на которых:

сжимают первый поток дроссельного газа так, чтобы его давление по существу соответствовало давлению второго потока дроссельного газа;

объединяют первый поток дроссельного газа и второй поток дроссельного газа для образования объединенного потока; и

сжимают объединенный поток для образования потока продукта.

Вариант 5: Способ по любому из вариантов 1-4, включающий этап, на котором создают поток продукта, содержащий низкокалорийный природный газ.

Вариант 6: Способ по любому из вариантов 1-5, включающий этап, на котором из потока продукта вырабатывают электроэнергию.

Вариант 7: Способ по любому из вариантов 1-6, включающий этап, на котором подают сырой гелиевый продукт по трубопроводу к потребителю.

Вариант 8: Система для извлечения гелия из потока природного газа, содержащая:

холодильную камеру, выполненную с возможностью охлаждать сырьевой поток;

колонну криогенной отгонки, выполненную с возможностью разделять сырьевой поток на газовый верхний поток и жидкий нижний поток, при этом газовый верхний поток содержит повышенную концентрацию гелия; и

клапан Джоуля-Томпсона (J-T), выполненный с возможностью мгновенно испарять по меньшей мере часть жидкого нижнего потока в первый газовый поток, поступающий в теплообменник в холодильной камере для охлаждения сырьевого потока.

Вариант 9: Система по варианту 8, включающая криогенную дистилляцию.

Вариант 10: Система по варианту 8 или 9, включающая криогенную дистилляцию Райана-Холмса.

Вариант 11: Система по любому из вариантов 8-10, содержащая установку обработки теплого газа.

Вариант 12: Система по любому из вариантов 8-11, содержащая концентратор гелия, при этом концентратор гелия содержит:

вторую холодильную камеру, выполненную с возможностью охлаждать поток верхнего газа из колонны криогенной отгонки гелия для образования второго охлажденного потока;

клапан Джоуля-Томпсона, выполненный с возможностью мгновенного испарения второго охлажденного потока для образования двухфазного потока; и

сепаратор, выполненный с возможностью разделять газообразный и жидкий компоненты двухфазного потока.

Вариант 13: Система по любому из вариантов 8-12, содержащая теплообменник продукта, выполненный с возможностью охлаждать потоки установки в установке криогенной очистки, используя холод от жидкого нижнего потока.

Вариант 14: Система по любому из вариантов 8-13, содержащая второй клапан Джоуля-Томпсона, выполненный с возможностью мгновенного испарения второй части жидкого нижнего потока во второй газовый поток, при этом отношение расходов между первым клапаном Джоуля-Томпсона и вторым клапаном Джоуля-Томпсона используют для управления температурой холодильной камеры.

Вариант 15: Система по любому из вариантов 8-14, содержащая компрессор, выполненный с возможностью повышать давление первого газового потока до товарного давления.

Вариант 16: Система по варианту 14 или 15, содержащая компрессор, выполненный с возможностью повышать давление второго газового потока до соответствия давлению первого газового потока.

Вариант 17: Система по любому из вариантов 8-16, содержащая электростанцию, выполненную с возможностью сжигать низкокалорийный природный газ, содержащий по меньшей мере первый газовый поток.

Вариант 18: Способ использования низкокалорийного природного газа с месторождения, включающий этапы, на которых:

добывают низкокалорийный природный газ из скважины;

осушают низкокалорийный природный газ для удаления по меньшей мере части водяного пара;

удаляют по меньшей мере часть газового конденсата из низкокалорийного природного газа;

удаляют по меньшей мере часть кислых газов из низкокалорийного природного газа;

удаляют по меньшей мере часть гелия из низкокалорийного природного газа в колонне криогенной отгонки, причем энергию для понижения температуры с целью удаления гелия обеспечивают путем мгновенного испарения в холодильной камере по меньшей мере части продукта жидкого кубового остатка из колонны криогенной отгонки; и

подают низкокалорийный природный газ потребителям.

Вариант 19: Способ по варианту 18, включающий этап, на котором регулируют температуру холодильной камеры, управляя отношением между двумя частями жидкого кубового остатка, каждая из которых подвергается мгновенному испарению, при этом одну часть мгновенно испаряют при первом давлении, а другую часть мгновенно испаряют при более низком давлении.

Вариант 20: Способ по вариантам 18 или 19, включающий этап, на котором извлекают дополнительную часть гелия из низкокалорийного природного газа, используя концентратор гелия.

Примеры

Три варианта осуществления настоящего изобретения описаны со ссылками на фиг.3, 4 и 6. Два варианта, описываемые со ссылками на фиг.3 и 4, могут быть использованы для извлечения гелия из сырья, полученного криогенной дистилляцией, например, процессом Райана-Холмса или процессом с зоной регулируемого замораживания (CFZ). Второй пример, описываемый со ссылкой на фиг.4, включает концентратор гелия для создания более концентрированного потока гелия, но более низкого уровня CO₂ в сырьевом газе. Третий пример, описываемый со ссылкой на фиг.6, можно использовать для извлечения гелия из сырья, полученного способом обработки теплого газа, например, процессом с использованием растворителя или из установки извлечения газового конденсата с повышенным уровнем CO₂. В одном варианте концентратор гелия, описанный со ссылкой на фиг.4, можно также ввести в систему, показанную на фиг.6.

На фиг.3 представлена схема системы 300, в которой может быть использована колонна 124 отгонки гелия для создания потока гелия из верхнего газа из процесса криогенной сепарации. Элементы, обозначенные одинаковыми позициями, описаны со ссылками на фиг.1 и 2. Данные моделирования процесса для системы 300 в каждой из точек, обозначенных ромбом, приведены в таблице 1.

В этом примере часть холода утилизируют в теплообменнике 302 продукта, который может отбирать теплоту от различных других потоков в процессе криогенной дистилляции перед колонной 124 отгонки гелия. Поток 214 жидкого продукта из колонны 206 криогенной отгонки можно мгновенно испарять с помощью двух клапанов 216 и 218 Джоуля-Томпсона, как описано со ссылкой на фиг.2. Потоки 304 и 306 мгновенно испаренного пара используются для охлаждения холодильной камеры 202 до того, как они пройдут через теплообменник 302 продукта. Полученные потоки 220 и 222 мгновенно испаренного газа затем можно сжать и объединить, как описано со ссылкой на фиг.2. Аналогично, поток 210 верхнего пара способствует охлаждению холодильной камеры 202, образуя поток 308 подогретого продукта, который пропускают через теплообменник 302 продукта для содействия охлаждению других потоков. Теплообменник 302 продукта может быть интегрирован в холодильную камеру 202 для создания единой холодильной камеры.

На фиг. 4 представлена схема системы 400, в которой в дополнение к колонне 124 отгонки гелия используется концентратор 402 гелия. Элементы с одинаковыми позициями описаны со ссылками на фиг. 1, 2 и 3. Данные моделирования процесса для системы 400 в каждой из точек, обозначенных ромбом, приведены в таблице 2

В системе 400 концентратор 402 гелия может повысить концентрацию гелия в сыром гелиевом продукте 102 до приблизительно 50%. Концентратор 402 гелия включает вторую холодильную камеру 404. Верхний поток 406 из колонны 206 криогенной отгонки пропускают через вторую холодильную камеру 404 для дополнительного охлаждения верхнего потока 406 и конденсации дополнительного количества жидкостей.

Конденсированный поток 408 мгновенно испаряют на клапане 410 Джоуля-Томпсона и двухфазный поток 412 подают на сепаратор 414. В сепараторе 414 жидкость 416 концентратора гелия из нижней части сепаратора 414 подается насосом 418 для возврата жидкости 416 концентратора гелия через вторую холодильную камеру 404 для содействия охлаждению второй холодильной камеры 404. Полученный нагретый поток 420 соединяется с потоком 214 жидкого продукта, например, после первого клапана 216 Джоуля-Томпсона.

Газовый поток 422 из верхней части сепаратора 414 возвращается через вторую холодильную камеру 404 для содействия охлаждению верхнего потока 406, образуя подогретый поток 424. Подогретый поток 424 пропускают через холодильную камеру 202 для содействия охлаждению сырьевого газа 122 перед его подачей в теплообменник 302 продукта в виде подогретого потока 306 продукта, который выходит в виде сырого гелиевого продукта 102.

На фиг.5 показана схема системы 500, в которой используется колонна 124 отгонки гелия для создания потока 102 гелиевого продукта из газового потока, полученного от установки теплой обработки газа. Одинаковые элементы обозначены такими же позициями, как описано со ссылкой на фиг.1 и 2. Данные моделирования процесса для системы 500 приведены в таблице 3. Как видно из колонки 5-1, температура сырьевого потока 122 газа значительно выше, составляя приблизительно 37,8°C (100°F), чем для вариантов, показанных на фиг.3 и 4, в которых температура сырьевого потока 122 газа равна -101,9°C (-151,4°F).

Систему 500 можно использовать с концентратором гелия, как описано со ссылкой на фиг.4. Концентратор гелия повышает концентрацию гелия в потоке 102 гелиевого продукта, но может увеличить чувствительность системы 500 к засорению CO₂ в потоке 122 сырьевого газа, как описано со ссылкой на фиг.6.

На фиг.6 показан график 600 кривой 602 замораживания CO₂. Ось Х 604 представляет температуру системы в градусах Фаренгейта, а ось Y 606 представляет концентрацию CO₂ в логарифмической шкале. Кривая 602 замораживания CO₂ делит график на две зоны 608 и 610. Первая зона 608 представляет условия, при которых образуется твердая CO₂, а вторая зона 610 представляет условия, при которых твердая CO₂ не образуется. Варианты, описанные со ссылками на фиг.3 и 5, используют минимальную температуру 612 текучей среды, равную приблизительно -127,5°C (-197,5°F), в колонне 206 криогенной отгонки для извлечения сырого гелия. Это соответствует максимальному содержанию 614 CO₂ в потоке 214 жидкого продукта из нижней части колонны 206 криогенной отгонки, равному приблизительно 0,415 мол.% перед образованием твердой CO₂ в колонне 206 криогенной отгонки.

Наоборот, вариант, описанный со ссылкой на фиг.4, в котором применяется концентратор 402 гелия, использует минимальную температуру 616 текучей среды, равную приблизительно -178,1°C (-288,6°F). Это соответствует максимальному содержанию 618 CO₂ приблизительно 0,00029 мол.% (3 части на миллион по объему) в жидкости 416 концентратора гелия, что соответствует приблизительно 25 частям на миллион по объему в сырьевом газе.

Способ извлечения гелия

На фиг.7 представлена схема способа 700 извлечения гелия из потока природного газа, например, с использованием систем, описанных со ссылками на фиг.1-5. Способ 700 начинается этапом 702, на котором сжатый природный газ пропускают через холодильную камеру для охлаждения потока и конденсации жидкостей. В зависимости от содержания гелия и других, не сконденсировавшихся газов, охлажденный поток может быть двухфазным потоком.

На этапе 704 охлажденный поток можно дозировать в колонну криогенной дистилляции. Дозирование выполняют для управления расходом в колонну и регулирования состава материалов, выходящих из колонны. Соответственно, это не обязательно должно выполняться клапаном Джоуля-Томпсона или с помощью другого устройства, создающего перепад давления. Колонна остается под высоким давлением, которое может предотвратить загрязнение, возникающее при образовании твердой CO₂.

На этапе 706 фракцию, обогащенную гелием, можно извлечь из верхней или газовой фазы колонны криогенной отгонки, как показано на фиг.3 и 5, или из верхнего газа концентратора гелия, как показано на фиг.4. Как описано в вышеприведенных примерах, концентрация гелия может находиться в пределах от приблизительно 20 мол.% до приблизительно 50 мол.%. На этапе 708 поток, обогащенный гелием, может быть пропущен через разные холодильные камеры для охлаждения сырьевого потока, например, через холодильную камеру 202, в которой охлаждается сырьевой поток для колонны 206 криогенной отгонки, и вторую холодильную камеру 404 (фиг.4), в которой охлаждается сырьевой поток для сепаратора 414. На этапе 710 обогащенный гелием поток может быть выведен в виде потока продукта, например, на установку криогенной очистки, используемую для получения гелия высокой чистоты (более 99,9%).

На этапе 712 поток жидкости удаляют из нижней части колонны криогенной отгонки или и из колонны криогенной отгонки, и из сепаратора в концентраторе гелия. На этапе 714 жидкий поток можно подвергать мгновенному испарению на одном или более клапанах Джоуля-Томпсона для управления температурой в холодильной камере. Мгновенное испарение может дать поток пара низкого давления, как показано в вышеприведенных примерах, и поэтому можно использовать одну или более ступеней компрессора для сжатия потока пара до товарного давления, перед выводом сжатого газа в виде потока низкокалорийного продукта.

Описанные системы и способы могут почти полностью извлекать гелий из природного газа в зоне регулируемого замораживания (CFZ) или в установке, работающей по процессу Райана-Холмса. Эти системы и способы могут быть интегрированы по теплоте, например, в единственной холодильной камере в рамках известных криогенных конструкций. Эти системы и способы не требуют криогенного входного сырья, но могут также использоваться для извлечения гелия из остаточного газа установки по получению газового конденсата (NGL) или из других процессов обработки теплого сырьевого газа.

Используя только колонну 206 криогенной отгонки, как описано со ссылками на фиг.3 и 5, можно получить сырой гелиевый продукт 102 чистотой до 25%. В этих вариантах осуществления сырьевой газ может содержать повышенные уровни CO₂ (до 0,42 мол.%) без образования твердой CO₂. В потоке сырого гелиевого продукта 102 можно получить более высокую концентрацию гелия, до 50% чистоты, когда используется концентратор 402 гелия, как описано со ссылкой на фиг.4.

Хотя данные технологии могут допускать различные модификации и альтернативные формы, примерные варианты осуществления, обсужденные выше, представлены только в качестве примера. Однако следует понимать, что эти технологии не ограничиваются конкретными описанными вариантами осуществления. Действительно, представленные технологии включает все альтернативы, модификации и эквиваленты, входящие в изобретательскую идею и объем прилагаемой формулы изобретения.

Реферат

Изобретение относится к способу и системе для выделения гелия из природного газа в процессе высокого давления. Способ включает этапы, где пропускают поток сжатого природного газа высокого давления через холодильную камеру для конденсации по меньшей мере части потока сжатого природного газа с получением охлажденного потока, дозируют охлажденный поток в колонну криогенной отгонки, извлекают сырой гелиевый продукт из верхней части колонны криогенной отгонки и извлекают поток жидкого продукта из нижней части колонны криогенной отгонки. При этом температурой в холодильной камере управляют путем мгновенного испарения первой части потока жидкого продукта в холодильную камеру для образования первого потока дроссельного газа при первом давлении и мгновенного испарения второй части потока жидкого продукта в холодильную камеру для образования второго потока дроссельного газа при давлении, которое выше первого давления, а температуру в холодильной камере регулируют посредством управления отношением первой части ко второй части. Причем мгновенное испарение осуществляется посредством клапана Джоуля-Томсона. Технический результат заключается в получении гелия с повышенной концентрацией. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 7 ил., 3 табл., 3 пр.

Формула