DK165251B

DK165251B - Fremgangsmaade til separation af nitrogen fra naturgas

Info

Publication number: DK165251B
Application number: DK098983A
Authority: DK
Inventors: Brian Robert Swallow
Original assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1982-03-26
Filing date: 1983-02-28
Publication date: 1992-10-26
Also published as: US4415345A; DK165251C; NO830983L; EP0090469A2; DK98983A; CA1190471A; EP0090469A3; NO157993B; NO157993C; DK98983D0; EP0090469B1

Description

i

DK 165251 B

Opfindelsen angår kryogen separation af gasser og navnlig en fremgangsmåde til fjernelse af nitrogen fra naturgasser; fremgangsmåden er navnlig brugbar, når nitrogenindholdet i en naturgasstrøm er lav i begyndelsen og stiger betragtelig med tiden.

5 Udvinding af naturgas med høj kvalitet bliver mere og mere vigtig, efterhånden som energipriserne fortsætter med at stige. Desuden vil en behandling af naturgas stræbe mod at formindske den mængde af forureningsstoffer, som produceres ved en given mængde fremstillet energi, når den sammenlignes med visse andre almindeligt 10 anvendte midler til energifremstilling. Et problem, der ofte opstår ved udvinding af naturgas, hvad enten det sker fra naturgaskilder eller jordoliereserver, er nitrogenforurening. Naturgasser, der indeholder væsentlige mængder nitrogen, vil ikke opfylde minimumsspecifikationer for brændselsværdi, vil reducere rørledningernes 15 kapacitet og kræve yderligere kompressionshestekræfter samt forøge brændselsforbrug. Fjernelse af nitrogen fra naturgas har derfor fået en større betydning.

I mange tilfælde kræver en vellykket udvinding af jordolie eller naturgas anvendelsen af en forbedret udvindingsmetode. En ofte 20 anvendt metode involverer, at der i reservoiret indsprøjtes et fluidum, som ikke vil nære forbrænding; et ofte anvendt fluidum ved denne metode er nitrogen eller en nitrogenholdig gas, da dette er forholdsvis billigt sammenlignet med argon, helium og lignende. Imidlertid forøger anvendelsen af denne metode nitrogenforurenings-25 niveauet i den gas, der udvindes fra reservoiret, dvs. naturgas serne, over den naturligt forekommende nitrogenkoncentration.

Nitrogeindsprøjtning til forøget olie- eller gasudvinding medfører et yderligere problem, fordi nitrogenkoncentrationen i naturgassen ikke forbliver konstant gennem udvindingsoperationens leve-30 tid. Skønt nitrogenkoncentrationen vil variere stærkt afhængig af specielle reservoirforhold kan der forudsiges et almindeligt mønster. I løbet af de første få år, hvor udvindingen forøges med nitrogen, kan nitrogenkoncentrationen i naturgassen forblive omtrent ved det naturligt forekommende niveau, men vil derefter forøges, 35 f.eks. med ca. 5 procentpoint efter 4 år, med ca. 15 procentpoint efter 8 år, med ca. 25 procentpoint efter 10 år og med ca. 50 procentpoint efter 16 år. Problemet med en skiftende nitrogenkoncentration i naturgasser udvundet fra reservoiret vil yderligere komplicere udvindingsøkonomien. Som det f.eks. er vist i "Design

DK 165251 B

2

Considerations for Nitrogen Rejection Plants", R.A.Harris, 17.apr.

1980, The Randall Corp., Houston, Texas, vil den specifikt anvendte fremgangsmåde til fjernelse af nitrogen blive dikteret af nitrogenkoncentrationen. En ni trogen koncentrat i on på fra 15 til 25% kræver 5 én fremgangsmåde, en ni trogen koncentrat i on på fra 25 til 40% kræver en anden fremgangsmåde, en nitrogenkoncentration på fra 40-50% en tredié fremgangsmåde og en koncentration på over 50 % en fjerde fremgangsmåde. Alternativet, dvs. anvendelsen af kun én fremgangsmåde, når nitrogenkoncentrationen i naturgasserne varierer, formodes 10 at ville resultere i alvorlige funktionssvigt.

Som resultat af problemet med nitrogenkontaminering af naturgasser er der blevet udviklet adskillige fremgangsmåder til at separere nitrogenen fra naturgasserne. Ved en kendt fremgangsmåde anvendes en dobbeltdestillationskolonne med dobbelttryk; dette ar-15 rangement anvendes ofte ved fraktionering af luft i oxygen og nitrogen. Imidlertid er denne fremgangsmåde generelt begrænset til anvendelsesområder, hvor nitrogenkoncentrationen i naturgasserne er over ca. 25%. Når nitrogenkoncentrationen er lavere end 25% falder den mængde refluxvæske, som kan udvikles i højtrykskolonnen, når man 20 anvender den traditionelle dobbeltkolonnefremgangsmåde, i en sådan grad, at der ikke kan udføres en ordentlig fraktionering i lavtrykskolonnen.

En beskrivelse af en fremgangsmåde, hvortil der anvendes en typisk dobbeltdesti11ationskolonne til at separere nitrogenet fra 25 naturgas omtales i Jones, "Upgrade Low-Btu gas", Hydrocarbon processing. sep. 1973, s.193-195. Reflux til lavtrykkolonnen tilvejebringes med en nitrogenvæske udviklet i højtrykskolonnen. Ved lave nitrogenfødegaskoncentrationer kan den krævede reflux af flydende nitrogen ikke udvikles, hvilket resulterer i høje tab af methan af 30 nitrogenudgangsstrømmen.

Fagmænd har forsøgt at løse dette problem ved at recirkulere en del af nitrogenudgangsstrømmen til naturgasfødestrømmen, for således at holde nitrogenkoncentrationen tilstrækkelig høj til effektiv separation i dobbeltdesti11ationskolonnen. Denne metode er imidler-35 tid ufordelagtig- ud fra to synspunkter. For det første forøger anvendelsen af en nitrogenrecirkulering på denne måde størrelsen af anlægget. For det andet fører denne fremgangsmåde til væsentligt forøgede energi krav, eftersom forholdsvis rent nitrogen fra udgangsstrømmen skal separeres forfra igen fra naturgasfødestrømmen.

DK 165251 B

3

Der kendes endvidere enkeltkolonnefremgangsmåder til fjernelse af nitrogen fra naturgas. En sådan metode er omtalt i beskrivelsen til US patent nr. 2.583.090, ved hvilken fremgangsmåde en højtryksføde med en nitrogenkoncentration på ca. 40% afkøles og ekspanderes 5 ind i en enkeltfraktioneringskolonne. Refluxvæske opnås ved at kondensere den øvre nitrogengas i et fortætningsapparat ved varmeudveksling med driftsekspanderet nitrogengas. Ved lavere nitrogen-fødegaskoncentrationer, f.eks. ved ca. 30% nitrogen, anvendes en nitrogenrecirkuleringsstrøm til at udvikle den yderligere afkøling 10 og reflux, som kræves. Dette opnås ved at opvarme noget af den driftsekspanderede nitrogengas, komprimere den til omkring fraktioneringstrykket, afkøle den overfor den nitrogengas, som skal komprimeres, og derefter blande den med den nitrogengas, som skal driftsekspanderes. Denne fremgangsmåde er forholdsvis dyr, både hvad 15 angår anlægsomkostninger og energiforbrug.

En anden enkeltkolonnefremgangsmåde til fjernelse af nitrogen fra methan omtales i beskrivelsen til US patent nr. 2.696.088.

Reflux til fraktioneringskolonnen, som køres ved et forholdsvis lavt tryk, tilvejebringes ved at fortætte en del af den øvre nitrogen.

20 Den nødvendige afkøling til denne fortætning tilvejebringes ved hjælp af et kaskadeafkølingssystem, hvortil der anvendes en ammoniakcyklus, en ethylencyklus og en methancyklus. Denne fremgangsmåde er ufordelagtig, fordi den er i betragtelig grad kompleks og forbruger en stor energimængde.

25 En fremgangsmåde, som effektivt kan separere nitrogen fra naturgasser, i hvilke nitrogenkoncentrationen er lav i begyndelsen, og med hvilken fremgangsmåde man undgår de tidligere omtalte uøkonomiske metoder til kompensering af den lave nitrogenkoncentration i føden, er i høj grad ønsket.

30 Endnu vigtigere er ingen af de kendte fremgangsmåder til fjernelse af nitrogen fra naturgasser beregnet til situationer, hvor nitrogenkoncentrationen i fødegassen stiger væsentligt med tiden, såsom det typisk er tilfældet, når der anvendes nitrogenindsprøjtning til forøgelse af udvindingen. Fremgangsmåder, som fyldest-35 gørende separerer nitrogen fra naturgasser ved høje nitrogenkoncentrationer i fødegassen, skal ændres i væsentlig grad for at opnå god separation ved lave nitrogenkoncentrationer i fødegassen. Disse ændringer forøger uundgåeligt anlægsomkostningerne og driftsomkostningerne for systemet for at opnå den ønskede separation. Det er

DK 165251 B

4 derfor ønskeligt at tilvejebringe en fremgangsmåde, som giver god separation af nitrogen ’fra naturgasser over et bredt område af nitrogenkoncentrationer i føden, samtidig med at man i det væsentlige undgår de forøgede anlægs- og/eller driftsomkostninger for de hidtil 5 kendte metoder.

Formålet med den foreliggende opfindelse er at tilvejebringe en forbedret fremgangsmåde til separation af nitrogen fra naturgasser, ved hvilken fremgangsmåde der kan behandles en naturgasfødestrøm, i hvilken nitrogenkoncentrationen er forholdsvis lav.

10 Fremgangsmåden ifølge opfindelsen kan endvidere kombineres med en højtrykskolonne, hvorved det er muligt at behandle en naturgasfø-destrøm, i hvilken nitrogenkoncentrationen kan variere betragtelig.

Formålet opnås ved den forbedrede fremgangsmåde ifølge opfindelsen, hvilken fremgangsmåde omfatter: 15 En fremgangsmåde til separation af nitrogen fra naturgasser, hvilken fremgangsmåde er ejendommelig ved: 1) at en nitrogenholdig naturgasstrøm indføres i en fraktioneringskolonne, der drives ved et absolut tryk på fra 103 til 862 kPa, 20 2) at denne nitrogenholdige naturgasstrøm ved rektifikation separeres i en nitrogenberiget dampdel A og en methanberiget flydende del B, 3) at der tilvejebringes en nitrogenholdig dampstrøm C, 4) at den nitrogenholdige dampstrøm C opvarmes,

25 5) at den · således opvarmende nitrogenholdige dampstrøm C

komprimeres til et absolut tryk på fra 345 til 3241 kPa, 6) at den således komprimerede, nitrogenholdige strøm C afkøles ved indirekte varmeudveksling med den nitrogenholdige strøm, der opvarmes i trin 4), 30 7) at den således afkølede, komprimerede, nitrogenholdige strøm C fortættes ved indirekte varmeudveksling med den methanberigede, flydende del B, hvorved der tilvejebringes dampreflux til fraktioneringskolonnen,

8) at den således fortættede, nitrogenholdige, flydende strøm C

35 drøv!es til tilnærmelsesvis samme tryk som trykket i fraktioneringskolonnen, 9) at den således drøvlede, nitrogenholdige, flydende strøm C anvendes til tilvejebringelse af en flydende reflux til fraktione-ringskolonnen, og

DK 165251 B

5 10) at i det mindste en del af den methanberigede del B udvindes som et naturgasprodukt.

Med udtrykket "kolonne" menes en destillations- eller fraktioneringskolonne, dvs. en kontaktkolonne eller -zone, hvor væske-og 5 dampfaser er i modstrømskontakt til udvirkning af separation af en flydende blanding, ved f.eks. at kontakte damp- og væskefaserne på en serie lodret med afstand anbragte bunde eller plader, som er monteret inden i kolonnen eller alternativt på pakningselementer, som kolonnen fyldes med. For en udvidet redegørelse for fraktione-10 ringskolonner henvises til Chemical Engineer's Handbook, 5.udg., red. af R.H.Perry og C.H.Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, sektion 13, "Distillation" B.D.Smith et al, s.13-3, The Continuous Distillation Process.

Med udtrykket "dobbeltkolonne" menes en højtrykskolonne, hvis 15 øvre ende er i varmeudveksling med den nedre ende af en lavtrykskolonne. En yderligere redegørelse for dobbeltkolonner findes i "Ruheman "The Separation of Gases" Oxford University Press, 1949, kap.VII, Commercial Air Separation.

Med udtrykkene "naturgas" og "naturgasser" menes et methan-20 holdigt fluidum, såsom den, der generelt udvindes fra naturgaskilder eller råoliereservoir.

Med udtrykket "nitrogenholdig naturgasstrøm" menes en naturgasstrøm med en nitrogenkoncentration på fra 1-99%.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen kan effektiv separere nitro-25 gen fra naturgas ved konstante nitrogenfødegaskoncentrationer og også når nitrogenkoncentrationen varierer enten hurtigt eller i løbet af en periode på år.

Fig. 1 er et flowdiagram, som repræsenterer en foretrukken udførelsesform for fremgangsmåden ifølge opfindelsen anvendt i 30 forbindelse med en enkeltkolonneseparation.

Fig. 2 er et flowdiagram, der viser en foretrukken udførelsesform for fremgangsmåden ifølge opfindelsen anvendt i forbindelse med en dobbelkolonneseparation.

Fig. 3 er et flowdiagram, der viser en anden udførelsesform for 35 fremgangsmåden ifølge opfindelsen anvendt i forbindelse med en dobbeltkolonneseparati on.

Den forbedrede fremgangsmåde ifølge opfindelsen vil blive beskrevet i detaljer under henvisning ti\ figurerne 1, 2 og 3.

Der henvises nu til fig.l, hvor en naturgasføde 101 med et

DK 165251 B

6 nitrogenindhold på f.eks. ca. 15% eller mindre, almindeligvis ved et hævet tryk, såsom 1379 kPa eller mere, som det er karakteristisk for naturgas fra en kilde, og som er blevet behandlet ved f.eks. molekyl sigteadsorption til fjernelse af stoffer, som kan fortættes, 5 såsom vand og kuldioxid, afkøles i en varmeveksler 110 til delvis fortætning af føden, som føres via 102 til en separator 120. Den flydende fraktion, som afhængig af fødegaskomponenterne kan udgøre ca. 80% af den oprindelige føde returneres via 131 til varmeveksleren 110 og udvindes som et naturgasprodukt. Den gasformige fraktion, 10 som indeholder størstedelen af nitrogenen i føden, føres via 105 til en varmeveksler 130, hvor den afkøles til frembringelse af en underafkølet højtryksvæske 106, som drøvles gennem en ventil 107 til et absolut tryk på fra ca. 103 til 862 kPa, almindeligvis til fra ca. 138 til 414 kPa, og som føde indføres via 108 til en kolonne 15 140, hvori den separeres i en øvre nitrogenberiget del 181 og methanberigede bundfraktioner 141.

Noget af den øvre nitrogenberigede fraktion 109 udtages fra kolonnen til påbegyndelse af varmepumpekredsløbet i fremgangsmåden ifølge opfindelsen. Den nitrogenberigede strøm 109 opvarmes i en 20 varmeveksler 150. En del af den nitrogenberigede strøm passerer som en nitrogenproduktstrøm gennem en ledning 111, varmeveksleren 130, en ledning 112, varmeveksleren 110 og en ventil 113. Når fremgangsmåden ifølge opfindelsen anvendes sammen med nitrogenindsprøjtning til forøget olie- eller gasudvinding, kan denne nitrogenpro-25 duktstrøm hensigtsmæssig anvendes til injektion i kilden eller reservoiret.

Den anden del 114 af den nitrogenberigede strøm føres til en varmeveksler 160, hvor den opvarmes yderligere, typisk til omgivelsestemperatur, og derefter via 115 føres til en kompressor 170, 30 hvor den komprimeres til et absolut tryk på fra 345 til 3241 kPa, almindeligvis fra 1379 til 2758 kPa. Den nedre trykgrænse bestemmes af de minimale acceptable produkturenheder og den øvre trykgrænse bestemmes af det kritiske tryk for varmepumpefluidum'et, hvilket i dette tilfælde er den øvre nitrogen eller ventilationsnitrogenen.

35 Den komprimerede strøm føres derefter via 116 til varmeveksler en 160, hvor den afkøles mod den opvarmende nitrogenrige strøm. Den afkølede strøm 117 fortættes derefter i et fortætningsapparat 180 mod den methanberigede fraktion 141, føres via 118 til

DK 165251 B

7 varmeveksleren 150, hvor den yderligere afkøles og føres via 119 til en ventil 145, hvor den drøvles til trykket i kolonnen og indføres i kolonnen som flydende reflux. Som anført ovenfor kan kolonnen operere i det bredeste område, ved et absolut tryk på fra ca. 103 5 til 862 kPa. Den nedre trykgrænse bestemmes af trykfaldet indeni systemet. Den øvre trykgrænse bestemmes af de minimale acceptable ' produkturenheder.

Den nitrogenberigede strøm vil typisk have en nitrogenkoncentration på over ca.95%, medens den methanberigede del vil have en 10 methankoncentration over ca. 90%, skønt mindre rene produkter kan være acceptable afhængig af de ønskede anvendelser af produkterne.

Der henvises igen til fig.l, hvor den til udvikling af damp-reflux i kolonnen 140 nødvendige varme tilvejebringes ved hjælp af den fortættende nitrogenrige strøm i fortætningsapparatet 180.

15 Trykket og flowhastigheden af den fortættende nitrogenrige strøm må derfor være således bestemt, at den tilvejebringer den nødvendige varmeoverførsel mellem den nitrogenberigede højtryksstrøm og de methanberigede lavtryksbundfraktioner. De methanberigede bundfraktioner 141 fjernes gennem en ledning 122 til en pumpe 190, pumpet 20 til f.eks. ca. 1345 kPa, føres via 123 gennem varmeveksleren 130, en ledning 124 og varmeveksleren 110 og fjernes som et methanprodukt 125. Denne strøm vil almindeligvis blive pumpet til et så højt tryk som muligt som kan forenes med varmeoverføringsforholdene i efterfølgende varmeudvekslingsoperationer. Ved at bruge fremgangsmåden 25 ifølge opfindelsen under anvendelse af nitrogenvarmepumpecyklen kan man nu effektivt separere nitrogen fra naturgas, hvorhos nitrogen udgør ca. 15% eller mindre af naturgassen. Som det vil blive påvist senere opnås den effektive nitrogenseparation uden recirkulering af nitrogen til føden til kunstig forøgelse af nitrogenindholdet i 30 løbet af processen til det til udvikling af tilstrækkelig flydende reflux nødvendige punkt i et dobbeltkolonnearrangement. Der undgås således betragtelige anlægs- og driftsomkostninger.

Ved nitrogenkoncentrationer i naturgasføden på over ca. 25% og navnlig over ca. 35% støder man ikke på problemet med lav nitrogen-35 reflux i dobbeltkolonnearrangementet. Ved disse høje nitrogenkoncentrationer anvendes typisk et dobbeltdestillationskolonnearrangement, fordi dette er i stand til at separere fødegassen i øvre og nedre produkter ved et meget lavere energiforbrug.

Som tidligere omtalt kan naturgasføden i en

DK 165251 B

8 naturgasudvindingsoperation, hvor der anvendes nitrogenindsprøjtning som en forbedret udvindingsmetode, udvise en stadig stigende nitrogenkoncentration, men en koncentration som vil kræve en række år, før den når det niveau, som er nødvendig til en god 5 dobbeltkolonneseparation. Som tidligere omtalt har det i den periode, der er karakteriseret ved lav nitrogenfødegaskoncentration, været nødvendigt at forøge nitrogenkoncentrationen i føden kunstigt eller at køre to forskellige fremgangsmåder under brug af kilden, eller at køre på en anden ueffektiv måde eller simpelthen at gå 10 forud for nitrogenindsprøjtning ved de lave nitrogenkoncentrationer.

Ansøger har iagttaget, åt hans fremgangsmåde, hvorved nitrogen-varmepumpecyklen anvendes, let kan integreres med traditionelle dobbeltkolonnearrangementer og således muliggøre en effektiv separation af nitrogen fra naturgas ved alle nitrogenkoncentrationer med i 15 realiteten kun et fremgangsmådearrangément. En udførelsesform for et sådant dobbeltkolonnearrangement omtales under henvisning til fig.2. Strømmene og apparatet på fig. 2 er nummereret som på fig.l, men der er adderet 200 til referencetallene. Som det fremgår, illustrerer fig.2 i det væsentlige arrangementet vist på fig.l med tilføjelsen 20 af en højtrykskolonne. Flowstrømmene, som adskiller sig væsentligt fra dem, der er beskrevet på fig.l, omtales i detaljer nedenfor.

En nitrogenholdig naturgasføde 301, som ikke indeholder forbindelser, som kan kondenseres, såsom vand og kuldioxid, afkøles i en varmeveksler 310, således at den delvis fortættes. Den føres 25 derefter i en ledning 302, og afhængig af den indkomne nitrogenkoncentration gennem en ventil 302a til en separator 320a eller gennem en ledning 302b og til sidst til en højtrykskolonne 320b. Når nitrogenkoncentrationen i føden er under ca. 15% vil naturgassen blive indført i separatoren 320a, idet en med ventil forsynet 30 ledning 303 er lukket under sådanne forhold. Ved nitrogenkoncentrationer over ca. 15% i føden vil en med ventil forsynet ledning 302 være lukket og den med ventil forsynede ledning 303 vil være åben, hvilket tillader naturgasfødestrømmen at strømme gennem en varmeveksler 335 og ind i kolonnen 320b. Hvis den delvis fortættede 35 naturgasfødestrøm er blevet indført i separatoren 320a, fjernes den flydende fraktion gennem en med ventil forsynet ledning 331, føres gennem varmeveksleren 310 og udvindes som et højtryksmetanprodukt i en ledning 332. På lignende måde føres den damp, der separerés i separatoren 320a, gennem ledninger 305b og 305, en varmeveksler 330,

DK 165251 B

9 en ledning 306, en ventil 307 og en ledning 308 ind i en lavtrykskolonne 340. Under en sådan operation vil den med ventil forsynede ledning 305a forblive lukket. Efterhånden som nitrogenkoncentrationen i fødegassen stiger over ca. 15% lukkes den med ventil forsyn-5 ede ledning 302a, medens den med ventil forsynede ledning 303 åbnes; den med ventil forsynede ledning 331 vil ligeledes være lukket, medens den med ventil forsynede ledning 305a også vil være åben. På denne måde vil lavtryksrektifikationskolonnen 340 modtage en underafkølet flydende føde, der hidrører fra den methanberigede væske, 10 som er opsamlet i bunden af højtryksrektifikationskolonnen 320b, dvs. igennem ledningerne 304 og 305a til 305. Ved nitrogenkoncentrationer under ca. 15% vil en med ventil forsynet ledning 314 ligeledes være åben, medens en med ventil forsynet ledning 336 normalt vil være lukket. Efterhånden som nitrogenkoncentrationen 15 stiger fra ca. 15 til 35% vil den med ventil forsynede ledning 336 langsomt åbnes, medens den med ventil forsynede ledning 314 langsom vil lukkes. På denne måde vil ref1uxbehovet til nitrogenmethansepa-rationen gradvis flyttes fra varmepumpekredsløbet til højtrykskolonnen. Til sidst når koncentrationen af nitrogen i føden overstiger 20 ca. 35% vil den med ventil forsynede ledning 314 være helt lukket og den med ventil forsynede ledning 336 vil være stort set åben, således at den nødvendige reflux udvikles via højtrykskolonnen 320b.

Med nitrogenfødekoncentrationer på ca. 15% eller mindre har man således stort set det kredsløb, der er beskrevet under henvisning 25 til fig.l. Ved nitrogenfødekoncentrationer på over ca. 35% har man et traditionelt dobbeltkolonnearrangement, som er velkendt for en fagmand. Ved nitrogenfødekoncentrationer på fra ca. 15 til 35% har man en fremgangsmåde, som udnytter kombinationen af dobbeltkolonne-arrangementet og nitrogenvarmepumpekredsløbet ved fremgangsmåden 30 ifølge opfindelsen. Dette system omtales i detaljer herefter under henvisning til fig.2.

En naturgasstrøm 301, f.eks. ved et absolut tryk på over ca.

1379 kPa, og som indeholder fra ca. 15 til ca. 35% nitrogen afkøles og fortættes delvis i varmeveksleren 310 og føres via 302b til 35 varmeveksleren 335, hvor den yderligere fortættes. Strømmen føres gennem den med ventil forsynede ledning 303 til højtrykskolonnen 320b, hvor den separeres i en nitrogenberiget øvre fraktion 382 og en methanberiget bundfraktion 342. En del af den methanberigede bundfraktion føres gennem ledningerne 304 og 337 til varmeveksleren

DK 165251 B

10 335, hvor den delvist koges igen og derefter indføres i bunden af kolonnen 320b gennem en ledning 338. En anden del af bundfraktionerne føres gennem ledningerne 304, 305a og 305 til varmeveksleren 330, hvor den afkøles til frembringelse af en underafkølet væske, 5 som derefter føres gennem ledningen 306, ventilen 307 og fødes gennem ledningen 308 ind i lavtrykskolonnen 340. Strømmen drøv!es idet den passerer gennem ventilen 307 til et tryk, der er forenelig med lavtrykskolonnen.

I kolonnen 340 separeres føden i en nitrogenberiget øvre 10 fraktion 381 og en methanberiget bundfraktion 341. Den øvre fraktion i en ledning 309 opvarmes i varmeveksleren 350. En del af denne strøm passerer gennem ledningen 311, varmeveksleren 330, ledningen 312, varmeveksleren 310 og ventilen 313. En anden del af den øvre strøm føres gennem ledningen 314 til varmeveksleren 360, hvor den 15 yderligere opvarmes og derefter føres gennem 315 til kompressoren 370, hvor den komprimeres til et absolut tryk på fra ca. 345 til 3241 kPa, almindeligvis fra 1379 til 2758 kPa. Trykket vil afhænge af procesbetingelser, såsom produktstrømmenes ønskede renhed, hvilket vil være en fagmand bekendt. Den komprimerede strøm føres 20 derefter til varmeveksleren 360, hvor den afkøles mod den opvarmende nitrogenrige øvre fraktionstrøm. Den afkølede, komprimerede strøm 317a forenes med den nitrogenrige, øvre højtryksstrøm 317b og føres gennem en ledning 317c til et fortætningsapparat 380, hvor den fortættes mod de methanberigede bundfraktioner, hvorved bundfrak-25 tionerne koges igen til frembringelse af dampreflux til lavtrykskolonnen 340. En del af den fortættede, nitrogenberigede højtryksstrøm føres gennem en ventil 318a, en ledning 318, varmeveksleren 350, en ledning 319, en ventil 345 og tilbage til kolonnen 340 som flydende reflux. Strømmen drøv!es gennem ventilen 345 til et lavere 30 tryk, som er forenelig med kolonnen 340.

Som det fremgår er det kredsløb, der er beskrevet i de to ovennævnte afsnit, stort set det varmepumpekredsløb ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen, som er blevet beskrevet under henvisning til fig.l. Det er således vist, at den forbedrede fremgangsmåde ifølge 35 opfindelsen let kan forenes med typiske dobbeltkolonneseparationsmetoder, som traditionelt anvendes i industrien. Den lethed, hvormed nitrogenvarmepumpekredsløbet ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen integreres i enten enkelt- eller dobbeltkolonneseparationsopstil-linger er af stor betydning for gasseparationsindustrien.

DK 165251 B

11

Idet beskrivelsen af separationen, hvor føden har et nitrogenindhold på fra ca. 15 til 35%, fortsættes, føres en anden del af den fortættede, nitrogenberigede højtryksstrøm gennem ventilen 336 til kolonnen 320b som flydende reflux. De methanberigede bundfraktioner 5 fra lavtrykskolonnen 340 fjernes gennem en ledning 322 til en pumpe 390, pumpes til f.eks 2723 kPa, føres via 323 gennem varmeveksleren 330, ledningen 324 og varmeveksleren 310 og udvindes som et methan-produkt 325.

En anden udførelsesform for fremgangsmåden ifølge opfindelsen 10 illustreres på fig.3. I figur 3 er nummereringen identisk med fig.2 men der er adderet 200 til referencetallene. Som det fremgår vises udførelsesformen på fig.3 under henvisning til et dobbeltko-lonnearrangement. Hen på denne udførelsesform tages varmepumpe-fluidumet ikke fra den nitrogenberigede øvre dampfraktion 581 i 15 lavtryks kolonnen. I stedet udtages en strøm 509 af denne damp fra lavtrykskolonnen og fortættes ved indirekte varmeudveksling med en nitrogenholdig strøm, som tjener som varmepumpefluidum. Den fortættede, nitrogenberigede strøm returneres derefter til lavtrykkolonne-kolonnen som flydende reflux.

20 Når den nitrogenholdige naturgasføde til højtrykskolonnen stiger fra ca. 15 til 35% tilvejebringes en stigende del af den nitrogenholdige varmepumpefluidumstrøm fra den nitrogenberigede øvre damp 582 i højtrykskolonnen; når nitrogenkoncentrationen i føden overstiger ca. 35% tilvejebringes stort set al reflux til lavtryk-25 kolonnen via højtrykskolonnen. Herefter følger en detaljeret omtale af den på fig.3 viste udførelsesform.

En nitrogenholdig naturgasfødestrøm med et tryk på f.eks. ca.

1379 kPa føres gennem en ledning 502b, en varmeveksler 535 og en ledning 503 til højtryksfraktioneringskolonnen 520b. I denne kolonne 30 separeres føden i en nitrogenberiget dampdel 582 og en methanberiget flydende del 542. Denne flydende del udtages gennem en ledning 504 og en del føres via 537 til varmeveksleren 535 og derefter gennem en ledning 538 tilbage til højtrykskolonnen til dampreflux.

En del af strømmen 504 føres gennem en ledning 505 og føres 35 derefter til lavtrykskolonnen 540 gennem en varmeveksler 530, en ledning 506, en ventil 507 og en ledning 508. Denne fødestrøm separeres i en nitrogenberiget øvre damp 581 og en methanberiget væske 541. Den methanberigede væske udtages gennem en ledning 522, sættes under tryk i en pumpe 590, varmes i en varmeveksler 530 og føres ud

DK 165251 B

12 gennem en ledning 512.

Genkogning til kolonne 540 tilvejebringes ved at fortætte en nitrogenholdig strøm 517c i et fortætningsapparat 580 til kogning af den methanberigede del 541. Ved nitrogenkoncentrationer i natur-5 gasfødestrømmen på under ca. 15% kommer strømmen 517c alene fra varmepumpekredsløbet gennem ventilen 517a, og naturgasføden leveres direkte til lavtrykskolonnen som beskrevet i detaljer under henvisning til fig.2. Ved fødestrømnitrogenkoncentrationer på fra ca. 15 til ca. 35% dannes strømmen 517c dels fra varmepumpekredsløbet 10 gennem ventilen 517a og dels fra en strøm 517b udtaget fra højtrykskolonnen indeholdende noget af den nitrogenberigede dampdel 582. Ved fødestrømnitrogenkoncentrationer over ca. 35% hidrører strømmen 517c alene fra strømmen 517b.

Flydende reflux 519 til kolonne 540 tilvejebringes ved hjælp af 15 en nitrogenberiget væske. Ved nitrogenkoncentrationer i natur- gasfødestrømmen under ca. 15% tilvejebringes reflux 519 ved gennem ledningen 509 at udtrække en del af den nitrogenberigede lavtrykskolonnedamp 581, føde denne del gennem en ventil 592 og en varmeveksler 600, hvor den fortættes ved indirekte varmeudveksling med 20 varmepumpefluidum'et og derefter returnere denne fortættede strøm til lavtrykskolonnen gennem en ventil 545 som flydende reflux. Ved fødestrømnitrogenkoncentrationer på fra ca. 15% til ca.35% tilvejebringes reflux 519 dels ved at udtrække og fortætte en del af den nitrogenberigede lavtrykskolonnedamp 581 og dels ved at sende en del 25 af varmepumpefluidumstrømmen 518 gennem en ventil 591. Ved føde- strømnitrogenkoncentrationer på over ca. 35% tilvejebringes al reflux 519 ved at lede fluidum 518 gennem ventilen 591.

Som det fremgår af ovennævnte diskussion vedrørende fig.3 er den med ventil forsynede ledning 517b og ventilerne 536 og 591 30 lukkede og ventilerne 514, 517a og 592 åbne ved en nitrogenføde-strømkonc.entration på under ca. 15%. Naturgasføden leveres direkte til lavtrykskolonnen. Når fødestrømnitrogenkoncentrationen stiger fra ca. 15% til ca. 35% åbnes den med ventil forsynede ledning 517b og ventilerne 536 og 591 åbnes gradvist og ventilerne 514, 517a og 35 592 lukkes gradvist, indtil de ved ca. 35% nitrogen i fødestrømmen er fuldt åbne henholdsvis fuldt' lukkede. På denne måde skiftes refluxbehovet til lavtrykskolonnen fra varmepumpekredsløbet til højtrykskolonnen efterhånden .som fødestrømnitrogenkoncentrationen stiger fra ca. 15% til ca. 35%.

DK 165251 B

13

Bestemmelsen af hvilken af udførelsesformerne ifølge opfindelsen vil være den mest foretrukne udførelsesform vil tildels være en ingeniørs beslutning og vil afhænge af de specielle forhold for enhver specifik anvendelse.

5 Tabel I opsummerer en computorsimulering af fremgangsmåden ifølge opfindelsen under anvendelse af opstillingen på fig.l. Strømtallene svarer til de på fig.l viste. I tabellen massebalancéres nitrogenen ikke fordi noget af den udtrækkes fra varmepumpecyklen efter komprimering. Resultaterne vedrørende nitrogenrecirkulerings-10 strømmen 117 repræsenterer den akkumulerede nitrogen ved ligevægtsbetingelser. Som det fremgår separerer fremgangsmåden ifølge opfindelsen effektivt nitrogen og methan ved lave nitrogenfødegaskoncen-trationer uden at det er nødvendigt at recirkulere nitrogen til føden.

15 TABEL 1 Føde 101

Tryk (kPa) 4137

Flowhastighed (kg*m/time) 4750 20 Methan (%) 90,0

Nitrogen (%) 6,1 Hø.itrvksmethanprodukt 125

Tryk (kPa) 2413 25 Flowhastighed (kg*m/time) 2945

Methan (%) 92,3

Nitrogen (%) 3,1

Lavtryksmethanprodukt. 132 30 Tryk (kPa) 1344

Flowhastighed (kg»m/time) 1666

Methan (%) 96,1

Nitrogen (%) 3,5 35 14

DK 165251 B

Nitrogenprodukt 113

Tryk (kPa) 204

Flowhastighed (kg-m/time) 53,2

Methan (%) 0,5 5 Nitrogen (%) 99,5

Nitrogenrecirkuleringsstrøm 117

Tryk (kPa) 2413

Flowhastighed (kg*m/time) 572 10 Methan (%) 0,5

Nitrogen (%) 99,5 15 20 25 30 35

Claims

1. Fremgangsmåde til separation af nitrogen fra naturgas, kendetegnet ved, 5 1) at en nitrogenholdig naturgasstrøm (101,301) indføres i en fraktioneringskolonne (140,340,540), der drives ved et absolut tryk på fra 103 til 862 kPa, 2. at denne nitrogenholdige naturgasstrøm (101,301) ved rektifikation separeres i en nitrogenberiget dampdel A (181,381,581) 10 og en methanberiget flydende del B (141,341,541), 3. at der tilvejebringes en nitrogenholdig dampstrøm C (109,309,509), 4. at den nitrogenholdige dampstrøm C (109,309,509) opvarmes, 15 5) at den således opvarmende, nitrogenholdige dampstrøm C (115.315.515) komprimeres (170,370,570) til et absolut tryk på fra 345 til 3.241 kPå, 6. at den således komprimerede, nitrogenholdige strøm C (116.316.516) køles ved indirekte varmeudveksling (160,360,560) med 20 den opvarmende nitrogenholdige strøm C (114,314,514) fra trin 4), 7. at den således afkølede, komprimerede, nitrogenholdige strøm C (117,317a,317c,517a,517c) fortættes ved indirekte varmeudveksling (180,380,580) med den methanberigede væskedel B (141,341, 541), hvorved der tilvejebringes dampreflux til fraktioneringsko- 25 lonnen (140,340,540), 8. at den således fortættede, nitrogenholdige, flydende strøm C (118,318,518) drøvles (145,345,545) til tilnærmelsesvis samme tryk, som trykket i fraktioneringskolonnen, 9. at den således drøvlede, nitrogenholdige væskestrøm C 30 anvendes til tilvejebringelse af flydende reflux til fraktioneringskolonnen (140,340,540), og 10. at i det mindste en del af den methanberigede del B udvindes som et naturgasprodukt (125,325).

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at fraktioneringskolonnen drives ved et absolut tryk på fra 138 til 414 kPa.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at DK 165251 B den nitrogenholdige dampstrøm C fra trin 5) komprimeres (370) til et absolut tryk på fra 1379 til 2758 kPa.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at 5 en del af den nitrogenberigede dampdel A (181,381,581) udtages fra fraktioneringskolonnen (140,340,540) til dannelse af i det mindste en del af den nitrogenholdige dampstrøm C (109,309,509) fra trin 3), og at trin 9) udføres ved at indføre den drøvlede, nitrogenholdige flydende strøm C i fraktioneringskolonnen som flydende reflux. 10

5. Fremgangsmåde ifølge krav 4, kendetegnet ved, at al nitrogenholdig dampstrøm C dannes ved udtagning af en del af nitrogenberiget damp A fra fraktioneringskolonnen (140,340,540).

6. Fremgangsmåde ifølge krav 4, kendetegnet ved, at fraktioneringskolonnen omfatter en første fraktioneringskolonne (340,540) i varmeudvekslingsforhold med en anden fraktioneringskolonne (320b,520b), som drives ved et højere tryk end den første fraktioneringskolonne, at en nitrogenholdig naturgasstrøm (301,502b) 20 indføres i højtrykskolonnen (320b,520b) ved kolonnetrykket og ved rektifikation separeres i en nitrogenberiget dampdel (382,582) og en methanberiget flydende del (342,542), at en del af strømmen C tilvejebringes ved en strøm (317b,517b) udtaget fra den nitrogenberigede dampdel (382,582) i højtrykskolonnen (320b,520b), og at. den 25 del af strømmen C, som udtages fra højtrykskolonnen øges, efterhånden som nitrogenkoncentrationen i den nitrogenholdige naturgasstrøm, der indføres i højtrykskolonnen, stiger fra ca. 15% til ca. 35%.

7. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at 30 i det mindste en del af den flydende reflux i trin 9) tilvejebringes ved: a) at en strøm (509) af den nitrogenberigede damp A (581) udtages fra fraktioneringskolonnen (540), b) at strømmen (509) af nitrogenberiget damp A (581) 35 fortættes ved indirekte varmeudveksling (600) med den drøvlede, nitrogenholdige flydende strøm C (514), og c) at den således fortættede strøm (509) af nitrogenberiget damp A (581) returneres til fraktioneringskolonnen (540) som flydende reflux (519). DK 165251 B

8. Fremgangsmåde ifølge krav 7, kendetegnet ved, at hele den flydende reflux i trin 9) tilvejebringes ved trinnene a), b) og c).

9. Fremgangsmåde ifølge krav 7, kendetegnet ved, at fraktioneringskolonnen omfatter en første fraktioneringskolonne (509) i varmeudveksling med en anden fraktioneringskolonne (520b), som drives ved et højere tryk end den første fraktioneringskolonne (509), at den nitrogenholdige naturgasstrøm (502b) indføres i 10 højtrykskolonnen (520b) ved kolonnetrykket og ved rektifikation separeres i en nitrogenberiget dampdel (582) og en methanberiget flydende del (542), at en del af strømmen C fås fra en strøm (517b, 517c), der udtages fra den nitrogenberigede dampdel (582) i høj- 4 trykskolonnen (520b), og at en del (518) af drøvlet, nitrogenholdigt 15 flydende strøm C indføres i den første fraktioneringskolonne som en del af flydende reflux (519) ifølge trin 9), og at den del af den fra højtrykskolonnen (520b) udtagende strøm C (517b,517c) og den drøvlede nitrogenholdige flydende del af denne, der som en del af den flydende reflux (519) ifølge trin 9) indføres i fraktionerings-20 kolonnen øges, efterhånden som nitrogenkoncentrationen i den nitro genholdige naturgasstrøm, der indføres i højtrykskolonnen, stiger fra ca. 15% til ca. 35%.

10. Fremgangsmåde ifølge krav 6 eller 9, kendetegnet 25 ved, at højtrykskolonnen (320b,520b) drives ved et tryk på mindst 345 kPa.

11. Fremgangsmåde ifølge krav 10, kendetegnet ved, at højtrykskolonnen (320b,520b) drives ved et tryk på mindst 1379 30 kPa.

12. Fremgangsmåde ifølge krav 6 eller 9, kendetegnet ved, at en del af den methanberigede flydende del fra højtrykskolonnen udtages fra denne, drøvles til trykket i den første fraktione- 35 ringskolonne og indføres i denne, som den nitrogenholdige naturgasstrøm i trin 1).

13. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at i det mindste en del af den nitrogenberigede del A udvindes som 5 DK 165251 B et nitrogengasprodukt. 10 15 20 25 30 35