CN104736504A - 用于深度的进料气体烃露点调整的构造和方法 - Google Patents

Abstract

一种天然气处理设施，其能够实现使用单个的分馏装置从富进料气体物流中回收至少98%的丁烷和更重质的组分，以及约60%至80%的丙烷烃，所述分馏装置在两个不同的压力下运行，其在分馏装置的上段接收来自涡轮膨胀机的变冷的气体和在下段接收C5+液体，同时在下段产生C2-蒸气物流，将所述C2-蒸气物流用作至上段的回流。最为典型地，设计的配置和方法在不使用外部冷冻的情况下运行。

Description

用于深度的进料气体烃露点调整的构造和方法

发明领域

本发明的领域是从进料气体中去除和回收天然气液体（NGL），以满足管道烃露点和热值的规格。

发明背景

在本领域中已知众多的从天然气中回收C2，C3，和更重质组分的方法和系统，然而它们的全部或几乎全部是为了NGL的高回收率（即，超过90%）而被构造，且需要使用涡轮膨胀机和深度冷冻（refrigeration），其是昂贵的且仅当存在相当大的下游市场时其才是经济上合算的。随着对冷凝物部分（即，C5和更重质组分）需求增加以及对LPG（即C2，C3，和C4）组分的需求减少，高回收率所需要的高资金投入和运行成本通常是不能够合算的。另一方面，为了传输中的安全，需要管道运行设备来生产商品气体（sales gas）以满足在烃露点和热值方面的管道规格。在大多数情况下，需要从进料气体中回收超过98%的C4和更重质的烃，而C3的回收率可低至60%。鉴于需求的改变，目前已知的能够达到超过90%的C3回收率的NGL处理设施过于复杂，且从经济角度来看通常是不能够合算的。

例如，众多具有对进料气体的高NGL回收率的NGL处理设施包括低温分馏和涡轮膨胀过程，如在 U.S. Pat. No.4,157,904（Campbell等）, No.4,251,249（Gulsby），No.4,617,039（Buck），No.4,690,702（Paradowski等），No.5,275,005 （Campbell等），No.5,799,507（Wilkinson等），和No.5,890,378（Rambo 等），以及U.S. Pat. App. No. 2002/0166336（Wilkinson等），和WO 2011/126710（Johnke等）中描述的。通过引用它们的全部内容的方式来结合在此讨论的这些和全部其他外部资料。在结合的文献中对术语的定义或使用与在此提供的对该术语的定义不一致或相反的地方，应用在此提供的对该术语的定义且不应用所述文献中对该术语的定义。

然而，尽管全部的这些过程可达到非常高的NGL回收率，仍然存在一些困难。其中，NGL回收过程使用高膨胀比率的涡轮膨胀机从而产生低水平的冷冻，其需要对残余气体的再压缩。此外，当处理具有相对高水平的C5+烃的富气体物流时，经常需要另外的外部冷冻。通常，此类处理构造是复杂的且难以运行的。例如，Campbell等在U.S. Pat. No. 6,182,469中描述了其中使用冷残余气体和中间再沸器（side reboiler）在热交换器中将进料气体冷却（cool）的设施，如在现有技术图1中所表述的。然后在分离器中分离经冷凝的进料气体的液体并将其进料至脱甲烷塔。可替代地，如由Sorensen在U.S. Pat. No. 5,953,935中描述的，可添加吸收器到脱甲烷塔的上游，如在现有技术图2中所表述的。在此类构造中，将来自进料分离器和吸收器底部的液体进料至脱甲烷塔。在此类构造中为进一步增加NGL的回收率，通过用脱甲烷塔顶部蒸气使其变冷（chill）来冷却和回流吸收器的顶部流出物。

在还进一步已知的构造中，如在 U.S. Pat. No. 6,244,070（Lee等）和U.S. Pat. No. 5,890,377（Foglietta）中描述的，将再沸器的功能整合至使进料变冷中，且在这些构造中，将来自中间分离器的液体进料至下游脱甲烷塔中的各个位置以用于NGL回收。这些过程还包括向NGL过程提供冷却的各种手段。在现有技术图3和4中表述了示例性的遵循此类方案的已知构造。

尽管此类复杂的构造适合于达到超过95%的高C2和C3回收率，由于它们的相对高的膨胀比率和用于添加的冷冻的能量需求，对于C4+和适度的C3回收率（例如60至75%）来说它们趋向于是不具有成本效益的。因此，尽管已知从进料气体中回收NGL的各种构造和方法，当需要适度的C3回收率时它们中的全部或几乎全部均遭遇一种或多种缺点。因此，仍然存在对提供用于改进的NGL回收的方法和构造的需要。

发明内容

本发明主题是针对从气体物流中回收C4和更重质烃，以及对C3的适度的回收率（多至75%）的构造和方法，以满足由气体物流产生的管道气体的烃露点和热值的规格。

在本发明主题的一个优选的方面中，对包含C3和C4和更重质组分的天然气的烃露点的调整方法具有如下步骤：使用经冷却的进料气体的液相和分馏装置上段的顶部产物来在进料气体交换器中冷却进料气体。在另一个步骤中，在相分离器中将经冷却的进料气体分离成液相和蒸气相，且将液相进料至分馏装置的下段，而将蒸气相进料至分馏装置的上段。在尤其优选的方面中，分馏装置的上段和下段连接至彼此以使得膨胀装置（通常为JT阀）降低上段的压力并向上段提供下段的蒸气产物，且使得泵增加下段的压力并向下段提供上段的液体产物。在又一个步骤中，使用分馏装置的上段的顶部产物中的冷冻内容物（refrigeration content）在顶部交换器中将下段的蒸气产物冷却。在此类方法中，通常优选运行分馏装置使得从进料气体中的C3的回收率为60%至80%，且从进料气体中C4和更重质组分的回收率为至少95%。

通常进一步优选在450至550 psig的压力下运行分馏装置，且在比下段压力低至少10 psig，且更为典型地低至少30 psig的压力下运行上段。关于温度，通常优选在-65 °F至-55 °F的温度下运行上段，且在25 °F至300 °F的温度下运行下段。

此外，设计的方法将还包括以下步骤：在分别将蒸气相和液相进料至分馏装置的上段和下段之前，在涡轮膨胀机中使蒸气相膨胀并在第二膨胀装置中降低液相的压力。尽管不限制发明主题，通常优选进行进料气体冷却和/或对下段蒸气产物的冷却而不使用外部冷冻。

在本发明主题的另一个优选的方面中，用于对从进料气体源传送的天然气进料气体的烃露点控制的处理设施将包括进料气体交换器，所述进料气体交换器流体连接至进料气体源且将所述进料气体交换器构造为使用经冷却的进料气体的液相和分馏装置上段的顶部产物来冷却进料气体。设计的设施还将包含相分离器，所述相分离器流体连接至进料气体交换器，且将所述相分离器构造为将经冷却的进料气体分离成液相和蒸气相。最为典型地，分馏装置包含被构造为接收液相的下段和被构造为在上段接收蒸气相的上段。尤其优选的分馏装置具有连接至彼此的上段和下段，使得膨胀装置降低上段的压力并向上段提供下段的蒸气产物，且使得泵增加下段的压力并向下段提供上段的液体产物。所述设施包括顶部交换器，且将其构造为使用分馏装置上段的顶部产物来冷却蒸气产物。

在特别优选的设施中，包括第二膨胀装置，且将所述第二膨胀装置构造为接收液相并降低液相的压力，以及包括涡轮膨胀机并将所述涡轮膨胀机构造为接收蒸气相和降低蒸气相的压力。尤其设计的是所述泵以至少10 psig，且更典型地至少30 psig的量增加液体产物压力，且将分馏装置构造为在450至550 psig的压力下运行。因此，将分馏装置的上段和下段构造为在至少10 psig的压力差下运行。进一步尤其优选的是将分馏装置的上段构造为在-65 °F至-55 °F的温度下运行且其中将分馏装置的下段构造为在25 °F至300 °F的温度下运行，和/或将进料气体交换器，分馏装置，和膨胀装置构造为能够实现60%-80%的C3回收率而不使用外部冷冻。

由下面的对发明优选的实施方式连同附图的详细说明，本发明的各种对象，特征，方面和优点将变得明显。

附图简要说明

现有技术图1是用于NGL回收的一种已知构造的示意图，其中使用冷残余气体和中间再沸器来在热交换器中冷却进料气体。

现有技术图2是用于NGL回收的另一种已知构造的示意图，其中在脱甲烷塔的上游放置吸收器/分馏塔。

现有技术图3是用于NGL回收的又一种已知构造的示意图，其中将再沸器和进料气体压缩整合到使进料变冷中。

现有技术图4是用于NGL回收的进一步的已知构造的示意图，其中将再沸器和经压缩的残余气体循环整合到使进料变冷中。

图5是根据本发明主题的用于NGL回收的示例性构造的示意图。

图6是列出图5的示例性的NGL回收设施中的气体物流的经计算的组成的表格。

详细说明

发明人已经发现了其中资金和运行成本被显著地降低的NGL回收的各种构造和方法，尤其是其中富进料气体得到处理，以及其中需要C4+回收率与适度的C3回收率的构造和方法。除了其他优点之外，通过减少设备服务的数量，通过消除外部冷冻，和降低对残余气体压缩的需要，设计的构造和方法显著地降低了复杂性和成本。

在特别优选的构造和方法中，在相对高的压力下冷却进料气体（通常为包含C3，和C4和更重质组分的天然气），由此发生部分冷凝。然后将蒸气相和液相分离，将液相膨胀至较低压力以向进料气体提供冷却。在降低压力之后，将液相进料至分馏塔的下段，而经由涡轮膨胀机使蒸气相膨胀并将其进料至分馏装置的上段。由于在相对高的压力（通常为450至550 psig）下运行分馏装置，对再压缩的需要显著地降低。

此外，优选所述分馏装置为单个的分馏塔，其具有至少两个不同压力段和增压泵，所述增压泵在所述段之间流体连接以提供压力差并将液体从上段（相对于下段其压力较低）泵送至下段，其产生富含甲烷和乙烷的蒸气物流。在还进一步优选的方面中，通过分馏装置顶部流出物来将富含甲烷和乙烷的蒸气物流冷却并部分冷凝，然后将其作为回流进料至顶部段。因此应意识到的是此类过程将显著地降低资金和运行成本，特别是其中需求98%的C4和更重质烃以及适度的C3回收率（通常为60%-80%）的过程。如在此使用的，且除非文中另外指示，术语“连接至”旨在包括直接连接（其中连接至彼此的两个元件彼此接触）和间接连接（其中至少一个另外的元件位于这两个元件之间）两者。因此，术语“连接至”和“与…连接”作为同义词使用。

设计的构造和方法在处理相对的富气体物流（例如，至少3%的C3，和至少2.5%的C4+）中是特别有利的，其中将进料气体冷却以实现从进料气体中去除至少一些的C4+液体以保持相对的贫气体到达下游单元。优选的设施进一步包括涡轮膨胀机和分馏装置，所述涡轮膨胀机接收至少部分的消耗了C4+的蒸气相，所述分馏装置接收来自相分离器的C4+液体。还进一步优选所述分馏装置接收回流形式的来自分馏装置下段的C2-蒸气（富含甲烷和乙烷的蒸气）。值得注意地，在现有技术中使用的回流通常是液相，而在设计的内容中甲烷和乙烷蒸气是两相物流，最为优选地，分馏装置的下段在比上段更高的压力（例如，高至少5 psi，更典型地至少20 psi）下运行。

在图5中表述了一种示例性的设施构造，其中在分子筛干燥器51中将在约1170 psig的压力和约96 °F温度下的，具有如图6的表格中所示的典型组成的湿进料气体1干燥，形成物流2。使用来自残余气体物流16的冷冻内容物和液体物流6中，将由此干燥的气体物流2在交换器52中冷却至约12 °F的温度，形成物流3。然后将由此变冷的气体物流3在相分离器53中分离成液体部分物流5，和蒸气部分物流4。

经由JT阀54将液体部分5的压力降低至约510 psig的压力，使其变冷至约-16 °F形成物流6，在作为物流7进入分馏装置70的下段71（例如，在前五个进料盘以内）之前，在交换器52中将所述物流6加热至约82 °F。在约-57 °F下经由涡轮膨胀机55使蒸气部分4膨胀至约500 psig以形成物流8，将所述物流8进料至分馏装置70的上段72（例如，在前三个进料盘以内）。如在此使用的，与数字联用的术语“约”是指由低于该数字的绝对值的20%开始至高于该数字的绝对值20%的数字的范围，包括端点。例如，术语“约-150 °F”指-120 °F至-180 °F的范围，且术语“约1500 psig”是指1200 psig至1800 psig的范围。此外，且除非文中有相反指示，应当将在此阐述的全部范围解释为包括它们的端点，且应将末端开放的范围解释为包括商业上可行的值。相似地，应当将所有值的列表视作包括中间值，除非文中有相反指示。

分馏装置70的运行压力为约450至约550 psig，且上段温度为约-65 °F至约-55 °F，以及下段为约25 °F至约300 °F。顶部气体物流14是甲烷含量为约85 mol%的残余气体。应意识到的是分馏装置70在用于两个段的两种不同压力下运行，下段71在比上段72高至少5 psig，更典型地10 psig，甚至更典型地20 psig，且最典型地至少30 psig下运行。为在上段和下段之间产生这种压力差，增压泵61泵送液体物流10，通常从膨胀机入口物流8的下方的盘泵送，以形成物流11，将所述物流11进料至分馏装置的下段71。

下段71充当使用再沸器62的洗提器，其使在底部液体物流12中的乙烷含量保持为不大于2 摩尔%，其是满足LPG产品的蒸气压规格所需要的。下段71产生蒸气侧线物流9，所述蒸气侧线物流9含有约5-6mol%的丙烷和更重质的组分。使用分馏装置顶部物流14（来自上段）中的冷冻内容物，在交换器63中将侧线物流冷却至约-50 °F的温度以形成物流9。由此冷凝了大部分的丙烷，且两相混合物的压力经由JT阀60降低至约480 psig，并作为顶部回流被进料至分馏装置70的上段72，所述顶部回流为两相的状态。该回流构造与迄今为止的需要回流为单独液相的已知构造和方法不同。两相回流构造避免了额外的回流罐和回流泵的复杂性，且其由于不需要外部冷冻而为更有效率的手段。

通过冷却进料气体来在交换器52中回收在残余气体16中的残余冷冻内容物。通过由涡轮膨胀机55驱动的压缩机56来将在约88 °F下的经温热的残余气体物流17压缩至约670 psig的压力，形成物流18。通过残余气体压缩机57来进一步地将物流18压缩至约1200 psig，形成物流19，在作为物流20被传送至商品气体管道之前通过空气冷却器58将所述物流19冷却。

关于进料气体，通常设计合适的进料气体将包含C1，C2和C3+，且还可包含N₂和CO₂。因此，应意识到的是进料气体的性质可显著地改变，且将设施中的全部进料气体视作合适的进料气体，只要它们包含C1和C3组分，且更典型地包含C1-C5和更重质组分，且最为典型地包含C1-C6和更重质组分。因此，特别优选的进料气体包括天然气，炼厂气，和合成气物流，其获自其他烃类物质，例如煤，原油，石脑油，油页岩，焦油砂，和褐煤。合适的气体还可含有相对少量的较重质的烃，例如丙烷，丁烷，戊烷等，以及氢气，氮气，二氧化碳和其他气体。取决于特定的进料气体，进料气体的压力可改变。然而，通常优选的是进料气体的压力为约700 psig至约1400 psig，且更通常为约1000 psig至约1400 psig。

关于最为合适的应用，设计的构造和方法使用单个的分馏装置来回收至少98%的C4和更重质的烃，以及60%-80%的C3组分，而未使用外部冷冻。因此，应注意到的是进行了进料气体冷却和/或对下段的蒸气产物的冷却而未使用外部冷冻。还应认识到的是尽管通常优选单个塔的构造，也认为具有对应于上段和下段的功能的两个分开的塔是适合在此使用的。进一步设计在本构造和方法中使用的干燥器，分离器，分馏装置，热交换器，JT阀，残余气体压缩机，和涡轮膨胀机为本领域技术人员熟知的常规装置。

除了设计的构造的其他优点之外，应当特别认识到分离器从进料气体产生了富集C5+的液体和消耗了C5+的蒸气。因此，可在分馏装置的下段有利地分馏由此产生的富集C5的液体以满足蒸气压规格。还进一步地，应注意到将液体从上段抽出并通过泵对所述液体加压，使下段能够在比上段高的压力下运行，且因此能够实现经由JT阀来提供冷却，这产生了至塔的回流，同时从下段再生的蒸气被残余气体冷却，向上段提供了两相回流物流，而不需要完全冷凝回流物流。

此外，应认识到的是通过使用进料冷却器和进料分离器，以及进一步冷却来自进料冷却器的蒸气并在分离器中分离经冷却的蒸气（以形成富集C5+的液体和消耗了C5+的蒸气），从进料气体中去除了大多数（如果不是全部）的较重质组分。因此，流经冷段的物质的组成是基本上稳定的，这是因为可消除在分馏装置上段中对进料气体中重质组分的处理。因此，热功能单元（heat duty），涡轮膨胀机，和分馏装置将在最具效率的点上运行。因此，设计的构造和过程实现了对富进料气体组合物的处置，由此消除了大多数现有技术的冷冻单元的复杂性。从另一角度来看，通过除去在进料气体中的C5+组分，设计的过程为NGL回收设施保持了恒定的运行条件。根据之前进行的计算（未示出数据），设计的构造将达到至少60%，且更典型地78%的丙烷回收率，和至少95%，且更典型地98%的丁烷回收率（见图6）。在 U.S. Pat. No.6,601,406，No.6,837,7070，No.7,051,552，No.7,051,552和No.7,377,127中描述了适合在此使用的其它设计，构造，和方法，通过引用将它们全部结合于此。

除了那些已经描述的之外可在不背离在此的发明概念的情况下进行更多的改变，这对本领域技术人员来说应当是显而易见的。因此，除了被限制在附上的权利要求的精神中，发明主题不被限制。此外，在解释说明书和权利要求两者中，应当以与本文相一致的最宽范围的可能方式来解释全部的术语。特别地，应当将术语“包含”和“包括”解释为以非排他的方式提到要素，组分，或步骤，说明了引用的要素，组分，或步骤可为存在的，或被使用的，或与未明示地引用的其他要素，组分，或步骤相结合的。在说明书和权利要求提到某物中的至少一个选自由A，B，C…和N组成的组的地方，应当将该文字内容解释为仅需求来自该组中的一个要素，而不是A加上N，或B加上N等。

Claims (20)

1.一种调整天然气的烃露点的方法，所述天然气包含C3和C4以及更重质的组分，所述方法包括：

使用经冷却的进料气体的液相和分馏装置上段的顶部产物在进料气体交换器中冷却进料气体；

在相分离器中将经冷却的进料气体分离成液相和蒸气相；

将液相进料至分馏装置的下段中，且将蒸气相进料至分馏装置的上段中；

其中分馏装置的上段和下段连接至彼此，使得（a）膨胀装置降低上段的压力并以两相回流物流的形式向上段提供下段的蒸气产物，且（b）泵增加下段的压力并向下段提供上段的液体产物；

使用分馏装置上段的顶部产物来在顶部交换器中冷却蒸气产物；和

其中运行分馏装置使得从进料气体中对C3的回收率为60%至80%，且从进料气体中对C4和更重质组分的回收率为至少95%。

2.权利要求1的方法，其中所述分馏装置在450至550 psig的压力下运行，且其中所述上段在比所述下段的压力低至少10 psig的压力下运行。

3.权利要求1的方法，其中所述分馏装置在450至550 psig的压力下运行，且其中所述上段在比所述下段的压力低至少30 psig的压力下运行。

4.权利要求1的方法，其中所述上段在-65 °F至-55 °F的温度下运行，且其中所述下段在25 °F至300 °F的温度下运行。

5.权利要求1的方法，其还包括在分别将蒸气相和液相进料至分馏装置的上段和下段中之前，在涡轮膨胀机中使蒸气相膨胀并在第二膨胀装置中降低液相压力的步骤。

6.权利要求1的方法，其中在不使用外部冷冻的情况下进行进料气体冷却和对所述下段的蒸气产物的冷却中至少之一。

7. 权利要求1的方法，其中在不使用外部冷冻的情况下进行进料气体冷却和对所述下段的蒸气产物的冷却以形成两相回流物流。

8.用于从进料气体源传送的天然气进料气体的烃露点的处理设施，所述处理设施包括：

进料气体交换器，其流体连接至进料气体源，并被构造为使用经冷却的进料气体的液相和分馏装置上段的顶部产物来冷却进料气体；

相分离器，其流体连接至所述进料气体交换器，并被构造为将经冷却的进料气体分离为液相和蒸气相；

其中所述分馏装置进一步包含下段，其被构造为接收液相，并在上段中接收蒸气相；

其中分馏装置的上段和下段连接至彼此，使得（a）膨胀装置降低上段的压力并向上段提供下段的蒸气产物，且（b）泵增加下段的压力并向下段提供上段的液体产物；和

顶部交换器，其被构造为使用分流装置上段的顶部产物来冷却来自下段的蒸气产物以形成两相回流物流。

9.权利要求8的处理设施，所述处理设施还包括第二膨胀装置，所述第二膨胀装置被构造为接收液相并降低液相的压力，且所述处理设施还包括涡轮膨胀机，将所述涡轮膨胀机构造为接收蒸气相并降低蒸气相的压力。

10.权利要求8的处理设施，其中所述泵以至少10 psig的量增加液体产物的压力。

11.权利要求8的处理设施，其中所述分馏装置被构造为在450至550 psig的压力下运行。

12.权利要求8的处理设施，其中分馏装置的上段被构造为在-65 °F至-55 °F的温度下运行，且其中分馏装置的下段被构造为在25 °F至300 °F的温度下运行。

13.权利要求8的处理设施，其中进料气体交换器，分馏装置，以及膨胀装置被构造为在不使用外部冷冻的情况下实现60%至80%的C3回收率。

14.权利要求8的处理设施，其中分馏装置的上段和下段被构造为在至少10 psig的压力差下运行。

15.一种调整天然气的烃露点的方法，所述天然气包含C3和C4以及更重质的组分，所述方法包括：

将进料气体分离为液相和蒸气相；

将蒸气相进料至分馏装置的上段中，且将液相进料至分馏装置的下段中，其中上段在比下段更低的压力下运行；

冷却下段的蒸气产物以形成两相回流物流，且将两相回流物流进料至上段中；

增加下段的压力并将上段的液体产物进料至下段；和

取出分馏装置上段的顶部产物作为经调整露点的天然气，且取出下段的底部产物，所述底部产物包含进料气体的60%至80%的C3以及至少95%的C4和更重质组分。

16.权利要求15的方法，其中天然气的压力为1000 psig至1400 psig，且其中分馏装置在450至550 psig的压力下运行。

17.权利要求15的方法，其中分馏装置的上段和下段之间的压力差为至少10 psig。

18.权利要求15的方法，其中使用分馏装置上段的顶部产物的冷冻内容物来冷却下段的蒸气产物。

19.权利要求18的方法，其中使用分馏装置上段的顶部产物的冷冻内容物来冷却进料气体。

20.权利要求18的方法，其中使用在液相的压力降低之后的液相的冷冻内容物来冷却进料气体。