CN86105913A - 从天然气中分离二个碳的烃的方法 - Google Patents

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Abstract

在压力下，从天然气中分离C2+烃的一种方法，其中天然气被冷却至部分冷凝，且被分离，精馏。在精馏期间，可以得到主要含C2+烃的产物流和主要含低沸点组分的残留气流。残留气流通过与液态部分热交换，被初步加热，再通过部分冷凝后得到的气态部分进行热交换而被加热。然后通过将被部分冷凝的天然气进行热交换，残留气流被进一步加热。经加热的残留气流被机械膨胀并通过将被部分冷凝的天然气的进气进行热交换而又被重新加热。

Description

本发明涉及在压力下从天然气的进气中分离C2+烃的方法，特别是其中天然气是被冷却，部分经冷凝，且然后被分离成液态部分和气态部分。
这种方法对于被过冷（即，被冷却至其组分的沸点之下），然后被膨胀至精馏塔的较高区域的经分离的液态部分来说是适用的，对于在透平机或发动机内经膨胀后被引入精馏塔内的气态部分来说也是适用的。在塔内的精馏或分馏过程产生出基本上包含C2+烃的产物管流和主要包含低沸点组分如甲烷的残余气流。对残留气体来说，从精馏塔中被排放出后，通过与天然气的进气热交换而被重新加热也是惯用的。
在这样一种从天然气中分离C2+烃的膨胀法中，获得高产率C2+烃所需的低温是通过在天然气的部分冷凝后剩余的气态部分的机械膨胀而产生。在膨胀过程中，很大的温度差异必然地出现在透平机或发动机的入口和出口之间，然后可有效地利用由致冷膨胀所导致的很大温度差异，以带来C2+烃气体产率的最适提高。
美国专利第4，140，504号描述了一种上述讨论类型的方法，其中一部分冷凝后剩余的一部分气态部分不会膨胀以产生致冷。代之以这部分气态部分与液态部分相结合从而导致液态部分始沸点的减低。此经结合的物流然后通过与工艺过程中的物流进行热交换而被冷却和冷凝，通过膨胀设备而被膨胀。在膨胀过程中，一部分物流蒸发了，而且这就进一步冷却剩余部分。然后经膨胀的物流作为顶部加料被提供给精馏塔。这种方法有下列缺点，在膨胀透平机中被机械一膨胀的气态部分的量以及通过气态部分膨胀而产生的全部生成物减少了。
本发明的一个目的在于提供一种在压力下、利用气态部分的膨胀从天然气中分离C2+烃的方法，其中可得高产率的C2+。
本发明的另一目的在于提供一种有效地利用通过气态部分的膨胀而产生的冷却温度而从天然气中分离C2+烃的方法。
本发明的又一目的在于提供一种可增加天然气的进气的部分冷凝的方法。
本发明的再一目的在于提供一个对在压力下从天然气中进行C2+烃分离的有效的系统。
在进一步研究说明书和从属权利要求的基础上，对熟悉此领域的技术人员来说，本发明的更多的目的和优点将变得显而易见。
通过提供一种方法和一个系统可达到上述目的，其中残留气流在与将被冷却和部分被冷凝的天然气进行热效换之前，与部分冷凝后所得的气态部分进行热交换，从此提供附加的部分冷凝。然后，在此步骤期间，从气态部分另外冷凝的组分在此气态部分的机械膨胀之前被分离。
与美国专利第4，140，504号中所描述的透露的方法相比较，本发明排除了一部分气态部分与液态部分的再混合。在本发明中，通过残留气流和气态部分间的附加的间接的热交换增加了从气态部分冷凝的C2+烃。在此热交换中，在气态部分的机械膨胀期间所产生的温度差异是很有用的，因为它被直接转化产生附加液体用以柱回流。
由于利用这种附加的热交换，进行了通过精馏的初步分离，从而增加了在给精馏塔的液态进料中C2+的量和/或相应降低了在液态进料中C1-的量。
在根据本发明对这种方法的进一步有利的改进中，残留气体与气态部分的直接热交换是在一个附加的分离器中进行，其中在这种附加热交换期间已被冷凝的部分气态部分是从在气相中剩余部分中被分离出的。既然是这样，此附加的分离器就被设计为至少具有二个平衡级的简单分离塔，其中经部分冷凝的天然气的气态部分被供给此塔的较低部位，且在此塔的较高部位残留气体和气态部之间进行热交换。
本发明与传统的方法比较，本发明的区别为提供了在较低温度下位于分离器的较高部位的一个附加的热交换器。
与美国专利第4，140，504号中揭示的方法相比较，本发明不需要分配器用于分离从分离器脱离的气态部分或着两相加料装置用于热交换器，它可以使与在它们传送至精馏塔之前的一部分气态部分相混合的液态部分冷却。
在本方法的另一改进中，从第一个分离器即接收部分经冷凝的天然气的进气的分离器中排放出的液态部分被加热，而不是被冷却。此第一级液态部分是通过与气态部分进行热交换而被加热，然后被引至精馏塔的中间部位。进行这种加热以除去轻组分如C1，它们在物流进入精馏塔之前已被溶解于液体中，以节省能源。第二级液态部分即通过气态部分与残留气流之间的热交换而形成的液态部分与残留气流进行热交换，然后被过冷并且在减压后供给精馏塔。
在本发明的进一步改进中，在残留气流与气态部分进行热交换之前，且在液态部分被输送至精馏塔的顶端之前，残留气流相对于将要被过冷的液态部分被加热。通过此进一步改进，以最低工艺温度留在精馏塔顶部在残留气流初步地提供液态部分的过冷，并且其后被利用以在与将要被部分冷凝的天然气进行热交换之前从气态部分中冷凝更多的C2+组分。在用于天然气部分冷凝的热交换器的冷端出现的温度差异，并因此本方法的致冷损耗特别低。
在本发明的进一步改良中，气态部分在与残留气流进行热交换后，在此部分被机械膨胀之前，通过与将要被冷却的天然气的进气热交换而被部分重新加热。在此部分在膨胀机中被膨胀至精馏塔的压力之后，为了经过膨胀和过冷的液态部分，它然后被引入精馏塔的进料点下方的一个点。
在根据本发明对方法的另一改良中，残留气流是在残留气体已与气态部分进行了热交换之后通过与天然气的进气进行热交换而被加热至大约天然气的入口温度。然后此残留气流体被机械膨胀，以满足天然气的初步的部分冷凝的致冷需要，并且通过与天然气的进气进行热交换再次被加热，以达到大约天然气进气的入口温度。在经机械一膨胀的残留气体已因此满足初步的部分冷凝所需的致冷要求之后，如果需要，它可压缩到增强的排出压力。为此目的，压缩所需的能量，即可从残留气流本身的机械膨胀和/或从气态部分的膨胀中获得。
运用本发明的方法的设备基本上包括至少一个用以初步的冷却和经过与过程物流进行热交换的天然气的部分冷凝的热交换器;一个用以冷凝分离的常用的分离器;一个用以气态部分膨胀的膨胀透平机;一个用以液态部分过冷的热交换;一个用以精馏气态部分和经过冷的液态部分并形成残留气流和产物流的精馏塔;以及用以气态部分和其中附加组分是从气态部分冷凝而得的残留气流之间间接热交换的热交换设备。用以气态部分和残留气流间热交换的热交换设备最好安装在附加分离器的较高部位内，其中附加分离器包括输送气态部分至附加分离器的较低部位内的送料管。附加分离器的热交换器是与来自精馏塔顶端的残留气体入口导管相连的，并具有出口导管，它最好依次与用作天然气的部分冷凝的热交换器相连。
参见附图中所示的最佳实施例，本发明的其它细节将描述如下。
在附图中，包含85%（与各个摩尔-百分数有关的百分比）甲烷、6.8%乙烷、5.3%C3+烃、2.7%氮以及0.2%二氧化碳的天然气物流，在温度为300K和压力为70巴下通过导管1被引入热交换器2，在那儿它被冷却至温度226K，并且从此进行第一步部分冷凝。在压力50巴下，经部分冷凝的气体被输入分离器3以形成气态部分和液态部分。液态部分或冷凝液通过导管4被取出，在阀5中被膨胀至压力为19巴，并且在热交换器中通过与气态部分进行热交换从193K被加热至213K之后，被输入精馏塔7的中间部位。此液态部分包含56.0%甲烷、17.9%乙烷、25.3%C3+烃、0.6%氮以及0.2%二氧化碳。在压力50巴和温度216K下，通过导管8气态相从分离器被取出，在热交换器6中它被冷却至199K，从而冷凝了附加组分，并且然后它被输入第二分离器9的较低部位。分离器9中得到的冷凝液或附加液态部分包含87.4%甲烷、8.0%乙烷、2.5%C3+烃、1.9%氮和0.2%CO2。通过导管10，此附加液态部分被引入加热器11中，并且通过与从精馏塔7的顶端排出的残留气流热交换而被过冷至167K。然后此附加液态部分在阀19中被膨胀至19巴，且作为液态进料通过导管20而被引入精馏塔7的顶端。
在分离器9的较高部位装有热交换器21。通过与来自分离器9的附加液态部分热交换，在热交换器11中被加热至185K高之后，通过导管22，从精馏塔7的顶端取出的残留气流被供至热交换器21。在热交换器21中，通过与分离器9中的气态部分进行热交换，残留气流被进一步加热至197K。通过导管23，来自分离器9的气态部分被放出，在热交换器6中被加热至213K，然后通过导管24，在压力50巴下被输入膨胀透平机25中，并然后被膨胀至压力19巴。在膨胀步骤期间，产物被提取出，而且在气态部分通过导管26被导入精馏塔7之前，它被冷却至172K，此气体部分包含93.4%甲烷、2.4%乙烷、0.2%C3+烃、3.9%氮和0.1%二氧化碳。
精馏塔7在顶端166K和贮槽内281K的温度范围之间工作。在压力18巴下，残留气流和产物流从塔的顶端和贮槽中分别被取出。通过导管22，从顶端取出的残留气体或C1-部分包含96.4%甲烷、3.1%氮和仅仅0.5%乙烷。在前面所描述的方法中，在热交换器11和21中，残留气体已被加热至197K之后，通过导管27它被输送至热交换器6，在那儿它被加热至213K。残留气体从热交换器6被转到热交换器2中，在那儿它被加热至262K，且此后在压力17巴下被输入膨胀透平机28内，其中它被膨胀，伴随着必然的冷却，至压力9巴，并且产物被提取。在压力9巴和温度229K下，冷的残留气体被从膨胀透平机28中取出。这冷的残留气体在热交换器2中通过与天然气进气热交换被重新加热至300K，通过导管29被输入压缩机30中。在压力11巴和温度334K下，残留气流被从压缩机30中排出，且此后通过导管31被输入另外的压缩机32中。通过导管33，作为甲烷产物流的残留气体在压力12.4巴下被从压缩机32中放出。
如果需要的话，热交换器34将被提供用于除去在压缩期间产生的热。压缩机30和32分别由与相应的膨胀透平机28和25相连的传动轴35和36驱动，因此，不需要附加能量以再压缩甲烷-富余的C1-气体。
在精馏塔7的贮槽内，包含53.4%乙烷、44.6%C3+烃、仅仅1.0%甲烷和1.0%二氧化碳的C2+部分被通过导管37取出。此物流包括约96.5%通过导管1被引入分馏步骤的C2+烃。产物流通过泵38用泵增压至升高的压力30巴，并通过导管39被输给用户。
在精馏塔7的较低部位，配有两块烟囱式平板40，41。在平板40，41之上，液体分别通过导管42和43被排出，并在热交换器2中被加热。从较高的烟囱式平板40中排出的在导管42中的液体被引导通过热交换器2的较冷部分，因此通过导管43从较低平面的烟囱式平板41中排出的液体通过热交换器2的较热的部分。根据进料气体的量，热交换器2和6被分成并联或串联式排列的二个或更多个部件，热交换器2是串联的部件如X…X。经加热的液体分别被重新引入在与它们相关的烟囱式平板下方的精馏塔7内。因此精馏塔7的底部再沸器所需要的热量与中间物加热所需要的热量是与热交换器2的冷量的提供有关。
除了热交换器34之外，不需要外部冷却以进行上述过程。用以热交换器34的冷量是由水或环境空气提供的。
通过本发明的一般描述的或详细说明的反应物和/或操作条件取代上述实施例中所用的反应物或操作条件，可同样成功地重复上述实施例。X…X物流42被送至具有较低温度的部件，且物流43被送至具有较高温度的部件。
从前面描述中，这领域中的技术人员可很容易地确定本发明的基本性质，而不会脱离其精神和范围，并可对本发明进行各种改变和完善使它适合于各种用途和条件。

Claims (19)

1、一种在压力下从天然气的进气中分离C2+烃的方法中
(a)所述的进料物料被冷却至部分冷凝，所述的天然气因此形成液态部分和气态部分；
(b)所述的液态部分和气态部分被分离开；
(c)所述的液态部分被输入精馏塔中，在那儿产生主要由C2+烃组成的产物流和包含低沸点组分的残留气流；
(d)所述的气态部分被输入膨胀机中，在那儿所述的气态部分被膨胀，且产物被从其中提取出，然后所述的气态部分被送至所述的精馏塔内；以及
(e)所述的残留气流是从所述的精馏塔中被排出，且通过与步骤(a)中所述的进料物流热交换而被加热，
这种改进包括在步骤(e)中热交换之前，把所述的残留气流在所述的气输送到所述的膨胀机之前，与所述的气态部分热交换，在膨胀机中，所述的气态部分被冷凝而形成附加液态部分，在所述的液态部分输送到膨胀之前，从所述的气态部分中分离所述的液态部分，而且把所述的附加液态部分输送至所述的精馏塔。
2、根据权利要求1的一种方法，其中残留气流和气态部分间的热交换和附加液态部分从气态部分中的分离在具有至少两个平衡级的分离塔中进行，所述的气态部分被输入所述分离塔的较低部位，并且在所述的分离塔的较高部位内残留气流和被导入的气态部分间热交换。
3、根据权利要求1的一种方法，其中在与气态部分的残留气流热交换之前，它是在所述的附加液态部分输送到所述的精馏塔之前，通过与步骤（a）中所形成的所述的附加液态部分进行热交换而被加热。
4、根据权利要求1的一种方法，其中在气态部分被输送至所述的膨胀机之前，它是通过与所述的进料物流热交换而被加热。
5、根据权利要求1的一种方法，其中在步骤（e）中，残留气流被加热至约为所述进料物流的入口温度。
6、根据权利要求5的一种方法，其中，在通过与进料物流热交换而被加热之后，残留气流在膨胀机内被膨胀，从中产物被提取出，并且通过与进料物流热交换被重新加热至约为所述的进料物流的入口温度。
7、根据权利要求6的一种方法，其中在被提供至机械膨胀以及通过与进料物流热交换而被重新加热之后，在残留气体的机械膨胀间，通过利用经提取的产物，残留气流被压缩。
8、根据权利要求7的一种方法，其中在步骤（d）中的气态部分的机械膨胀期间，通过利用经提取的产物，残留气流进一步被压缩。
9、根据权利要求6的一种方法，其中在被遭受机械膨胀以及通过与进料物流热交换而被重新加热之后，在步骤（d）中的气态部分的机械膨胀期间，通过利用经提取的产物，残留气流被压缩。
10、根据权利要求1的一种方法，其中所述的液态部分被导入所述的精馏塔的中间部位，所述的附加液态部分被导入所述精馏塔的较高部位，而且所述的气态部分是在所述的附加液态部分被导入处的下方被导入所述的精馏塔。
11、根据权利要求1的一种方法，其中不需要外界致冷。
12、根据权利要求1的一种方法，其中产物流包含由进料物流所引入的约96.5%C2+烃。
13、根据权利要求12的一种方法，其中不需要外界致冷。
14、用以在压力下实现从天然气的进气中分离C2+烃的方法的一套设备包括：
至少一个第一级间接热交换器，用于冷却以及部分冷凝天然气的进气以形成第一级液态部分和气态部分;
一个第一级分离器用于从所述的气态部分中分离出所述的第一级液态部分;
一个膨胀机以膨胀所述的气态部分;以及
一个精馏塔用于精馏所述的第一级液态部分和所述的气态部分，所述的精馏塔具有一根残留气流排放导管和一根产物流排放导管，
其中改进包括一个第二级分离器，它具有一根输送所述的来自所述的第一级分离器的气态部分至所述的第二级分离器的进料导管，以及一个间接热交换器，装在所述的第二级分离器的较高部位，所述的第二级热交换器具有一个与所述的残留气流排放导管相连的入口和一个与一根出口导管相连的相应的出口，所述的出口导管与所述的至少一个冷却或部分冷凝所述的天然气的进气的第一级间接热交换器相连。
15、根据权利要求14的一套设备，其中所述的第二级分离器具有至少二个平衡级。
16、用以在压力下实现从天然气的进气中分离C2+烃的方法的一套设备包括，
至少一个第一级间接热交换器用于冷却以及部分冷凝天然气的进气而形成液态部分和气态部分;
一个分离器用于从所述的气态部分中分离出所述的液态部分;
一个膨胀透平机用于膨胀所述的气态部分;
一个第二级间接热交换器用于过冷液态部分;以及
一个精馏塔用于精馏气态部分和经过冷的液态部分，所述的精馏塔具有一根残留气流排放导管和一根产物流排放导管，
其中改进包括具有一根来自所述的至少一个间接热交换器的进料导管的所述的分离器，用于输送经部分冷凝的天然气至所述的分离器的较低部位，以及一个在所述的分离器的较高部位的第三级间接热交换器，所述的第三级间接热交换器具有一个与所述的残留气流排放导管相连的入口和一个与一根出口导管相连的相应的出口，所述的出口导管与所述的至少一个冷却或部分冷凝所述的天然气的进气的第一级间接热交换器相连。
17、根据权利要求16的一套设备，其中所述的分离器具有至少二个平衡级。
18、根据权利要求1的一种方法，其中分离步骤（b）、残留气流和气态部分间热交换以及从气态部分中分离附加液态部分均在一个简单的分离塔中进行。
19、根据权利要求2的一种方法，其中分离步骤（b）、残留气流和气态部分间热交换以及从气态部分中分离附加液态部分均在一个简单的分离塔中进行。
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