KR101063063B1 - 잔류물 재순환 에탄재생 공정방법 - Google Patents

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Abstract

탄화수소가스 흐름으로부터 에탄, 프로판 및 더 무거운 화합물의 재생을 증가시키기 위한 공정방법 및 장치가 제공된다. 상기 공정방법은 시장조건(market conditions)에 따라 에탄 및 더 무거운 화합물 또는 프로판 및 더 무거운 화합물을 재생하도록 구성될 수 있다. 상기 공정방법은 천정부근의 탈에탄기(deethanizer overhead)에 비해 에탄 및 프로판에서 가는 흡수장치 기둥(absorber column)에 추가적인 역류흐름을 이용한다. 상기 추가적인 역류흐름은 C3+ 재생을 증진시키기 위해 냉각되고, 응축되며 그리고 나서 상기 흡수장치의 상단에 공급되는 잔류물 가스흐름의 측면흐름으로서 받아들여진다. 상기 추가적인 가는 역류흐름은 또한 상기 냉 분리기로부터 제 1 증기 흐름의 측면흐름으로서 받아들여질 수 있다.

Description

잔류물 재순환 에탄재생 공정방법{RESIDUE RECYCLE-HIGH ETHANE RECOVERY PROCESS}
본 발명은 탄화수소가스 흐름(hydrocarbon gas stream)으로부터의 에탄 화합물의 재생에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 다중 역류흐름(multiple reflux stream)을 이용하여 탄화수소 도입가스흐름(hydrocarbon inlet gas streams)으로부터 에탄 화합물을 재생하는 것에 관한 것이다.
탄화수소 도입가스흐름으로부터 에탄 화합물을 재생하는 것에 관한 많은 종래기술 공정방법들이 존재한다. 예시적인 에탄 재생 공정방법은 Foglietta 에게 부여된 미국특허 NO. 5,890,377에서 발견될 수 있다. 잔류물 재생 공정방법(residue recycle processes)들은 본질적으로 C3+를 100% 재생하면서, 높은 에탄 재생(95% 초과)을 달성할 수 있다. 그와 같은 공정방법들은 높은 재생을 달성하는 데에는 인상적이지만 압축하는데 많은 에너지를 소모한다. 높은 재생을 유지하면서 에너지 소모를 줄이기 위해서, 추가적인 역류소스(additional source of reflux)가 요구된다. 상기 역류흐름을 위해 필요한 것은 그것이 바람직한 구성요소(C2+)에서 가늘 고, 높은 압력에서 이용될 수 있어야 한다는 것이다. 종래기술 구성들은 몇몇 택일적인 역류소스와 관련되었다. 여기서 개시되는 공정은 그와 같은 역류흐름을 달성하기 위한 특유한 방법을 갖는다. 상기 역류흐름은 중간 역류(intermediate reflux)로서 이용되고, 따라서 주요한 역류흐름과 그로 인한 에너지 소모를 감소시킨다. 상기 공정방법에서, 도입가스는 상기 도입가스흐름을 먼저 분할하지 않고 상기 공정에서 다른 흐름과의 열 교환에 의해 냉각된다. 상기 도입가스흐름이 냉각됨에 따라, 액체로 응축되어 제 1 액체흐름(first liquid stream) 및 제 1 증기흐름(first vapor stream)을 형성할 수 있다. 상기 제 1 증기흐름은 상기 흐름을 더욱 냉각시키기 위해 터보팽창기(turboexpander)에서 팽창되어진다. 그 다음에 상기 냉각된 흐름은 중간 공급지점에서 탈메탄기 기둥(demethanizer column)으로 도입된다. 분리기로부터의 상기 제 1 액체부분은 팽창되어지고, 상대적으로 낮은 공급위치에서 상기 탈 메탄기로 향하게 된다. 상기 탈메탄화기로부터의 상층흐름은 가열되어지고, 더 높은 압력으로 압축되며, 그 다음에 휘발성 가스 잔류물 부분(volatile gas residue fraction) 및 압축된 재순환 흐름(compressed recycle stream)으로 분리된다. 상기 압축된 재순환 흐름은 상기 탈메탄화기 기둥의 일부분인 측면 리보일러(side reboilers)와 접촉함으로써 실질적으로 응축되기에 충분하도록 냉각된다. 상기 압축된 재순환 흐름은 추가적으로 냉각되고, 낮은 압력으로 팽창되며, 상기 기둥을 역류시키는 상단 공급위치에서 상기 탈메탄화기 기둥에 공급된다. 상술된 Fogliestta 공정방법은 상대적으로 높은 95%의 재순환효율 및 에탄 및 더 무거운 화합물에 대해서는 더 큰 효율을 달성한다.
최소한 95%의 재생효율을 달성하는 것이 가능하고, 종래의 공정에 비하여 에너지를 적게 소모하는 에탄 재생 공정방법에 대한 필요성이 존재한다. 높은 재생효율을 달성하는데 필요한 외부 에너지 요구사항을 줄이기 위해 공정내의 온도 프로파일을 이용할 수 있는 공정에 대한 필요성이 존재한다.
하나 이상의 상기 목적을 충족시키기 위해, 본 발명은 탄화수소 도입가스흐름으로부터 에탄(“C2+”) 화합물의 높은 재생수율(high recovery yield)을 유지하면서 잔류물 가스에 대한 압축 필요성의 감소에 의한 에탄 재생을 위한 공정방법 및 장치를 장점으로서 포함한다. 상기 도입가스흐름은 2개의 흐름으로 분할된다. 제 1 공급흐름은 전면-단부 교환기(front-end exchanger)에서의 열 교환접촉에 의해 냉각되고, 제 2 공급흐름은 분별증류탑(fractionation tower)에 있는 하나 이상의 리보일러(reboilers)에서의 열 교환 접촉에 의해 냉각된다. 상기 분별증류탑은 탄화수소 도입가스로부터 상기 탑의 하단에서 에탄 및 더 무거운 성분을 재생할 수 있는 탈메탄화 탑(demethanizer tower) 또는 특정한 적당한 장치가 될 수 있다. 그 다음에 상기 2개의 공급흐름은 냉 흡수장치(cold absorber)로 향하게 된다. 상기 냉 흡수장치는 내부에 적어도 2개의 충전층(packed beds), 또는 다른 매스 트랜스퍼 존(mass transfer zones)을 포함하는 것이 바람직하다. 매스 트랜스퍼 존은 상기 매스 트랜스퍼 존을 포함하는 용기를 따라 아래로 흐르는 액체로부터 상기 용기를 통해 상승하는 가스로 및 상기 용기를 통해 상승하는 가스로부터 상기 용기를 따라 아래로 흐르는 액체로 분자들을 전달할 수 있는 임의 유형의 장치를 포함할 수 있다. 본 발명의 영역 내에 있는 것으로 생각되는 다른 유형의 매스 트랜스퍼 존이 당업자에게 공지될 것이다. 충전층을 갖는 2개의 분리된 용기가 또한 2개의 충전층을 갖는 단일한 용기를 갖는 대신에 상기 냉 흡수장치로서 또한 이용될 수 있다. 상기 2개의 흐름 중 더 차가운 흐름은 상기 냉 흡수장치의 상단, 바람직하게는 상단 또는 제 1 매스 트랜스퍼 존의 위쪽으로 도입되고, 반면에 더 뜨거운 흐름은 상기 냉 흡수장치의 하단, 바람직하게는 하단 또는 제 2 매스 트랜스퍼 존의 아래쪽으로 도입된다.
상기 냉 흡수장치는 흡수장치 상층흐름(absorber overhead stream), 흡수장치 하단흐름(absorber bottoms streams) 및 흡수장치 측면배출흐름(absorber side draw stream)을 생성한다. 상기 흡수장치 하단흐름은 제 3 분별증류탑 공급흐름(third fractionation tower feed stream)으로서 분별증류탑으로 향하게 된다. 상기 흡수장치 상층흐름은 팽창기로 보내지고, 그 다음에 제 2 분별증류탑 공급흐름으로서 상기 분별증류탑으로 보내진다. 잔류물 재순환 흐름(residue recycle stream)은 또한 상기 분별증류탑으로, 바람직하게는 상기 분별증류탑의 상단 위치로 또한 보내진다. 상기 잔류물 재순환 흐름은 잔류물 가스흐름의 분할로서 받아들여진다. 상기 잔류물 가스흐름은 분별증류탑 상층흐름을 가열하고 그 다음에 압축함으로써 형성된다. 상기 잔류물 재순환 흐름은 냉각되고, 상기 분별증류탑으로 보내지기에 앞서 실질적으로 응축된다.
상기 흡수장치 측면배출흐름은 2개의 매스 트랜스퍼 존 사이에서 제거되는 것이 바람직하다. 그 다음에 상기 흡수장치 측면배출 흐름은 응축되고, 분별증류탑으로 보내진다. 상기 흡수장치 측면배출 흐름은 중간 공급흐름으로서 상기 잔류물 재순환 흐름 아래의 분별증류탑으로 보내질 수 있다. 택일적으로, 상기 탑 측면배출흐름은 제 1 분별증류탑 공급흐름을 형성하기 위해 상기 잔류물 재순환 흐름에 부가될 수 있다. 택일적인 실시예는 가는 탄화수소 공급흐름이 이용될 때, 특히 효율적이다.
상기 분별증류탑은 또한 하나 이상의 리보일러 흐름 및 분별증류탑 하단흐름을 생성한다. 상기 리보일러 흐름은 리보일러에서 가열되고, 분별증류탑에 열을 공급하기 위해 상기 분별증류탑으로 되돌아가며, 상기 분별증류탑으로부터 냉각효과를 재생한다. 상기 분별증류탑 하단흐름은 재생된 C2+ 성분의 많은 부분을 포함한다. 상기 C2+ 성분의 재생은 다른 C2+ 재생 공정방법에 필적하나, 압축 필요성이 훨씬 더 적다.
본 발명의 특징, 장점 및 목적뿐만 아니라 명백하게 될 다른 것들은 본 명세 서의 부분을 형성하는 첨부된 도면에서 도시되는 실시예를 참조하여 더욱 상세하게 이해될 것이고, 상기에서 간단하게 요약된 본 발명의 상세한 설명이 더욱 잘 이해 될 것이다. 그러나 상기 도면은 본 발명의 바람직한 실시예만을 도시하며, 따라서 다른 동일한 효과의 실시예들에 허용될 수 있는 것처럼 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않는 것을 주목해야 한다.
도 1 은 종래기술 공정과 일치하는, 전형적인 C2+ 화합물 재생공정에 대한 단순화된 흐름도.
도 2 는 냉 흡수장치로부터 흡수되는 측류(side stream)를 사용하여 탄화수소 가스흐름으로부터 C2+의 높은 재생을 유지하고, 상기 흐름을 본 발명에 따른 분별증류탑으로 보내면서, 감소된 압축 조건을 위해 구성되고, 본 발명의 개선점과 통합되는 C2+ 화합물 재생공정에 대한 단순화된 흐름도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 분별증류탑에 냉 흡수장치 측류를 위한 택일적인 공급구조를 이용하여 C2+ 화합물의 높은 재생을 유지하면서, 감소된 압축 조건에 대하여 구성되고, 본 발명의 개선점과 통합되는 C2+ 화합물 재생공정에 대한 단순화된 흐름도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 냉 흡수장치에 보내지는 탄화수소 공급 흐름(hydrocarbon feed streams)을 위한 선택적인 공급구조를 도시하는 단순화된 다이어그램.
도면의 단순화를 위해, 도면부호는 각각의 도면에서 흐름 또는 장치에 대하여 기능이 동일할 때, 다양한 흐름 및 장치에 대한 도면에서 동일하다. 유사한 번호는 전체적으로 유사한 요소를 지칭하며, 프라임, 이중 프라임 및 삼중 프라임은 택일적인 실시예에서 일반적으로 유사한 요소를 지칭한다.
이곳에서 사용되는 것처럼, “도입가스(inlet gas)”라는 용어는 탄화수소 가스를 의미하고, 상기 가스는 전형적으로 고압 가스라인으로부터 수용되며, C2 화합물, C3 화합물 및 더 무거운 화합물뿐만 아니라 이산화탄소, 질소 및 다른 미량가스들이 균형을 이루면서 실질적으로 메탄을 포함한다. “C2 화합물”이라는 용어는 알칸(alkanes), 올레핀(olefines) 및 알킨(alkynes)과 같은, 특히 에탄(ethane), 에틸렌(ethylene), 아세틸렌(acetylene) 및 유사한 것과 같은 지방족 물질을 포함하는, 2개의 탄소원자를 갖는 모든 유기화합물을 의미한다. 상기 용어 "C2+ 화합물" 은 모든 C2 화합물 및 더 무거운 성분을 의미한다.
도 2는 개선된 C2+ 화합물 재생개요(recovery scheme, 10)에 대한 하나의 실시예를 도시한다. 본 발명은 메탄, C2 성분, C3 성분 및 더 무거운 탄화수소를 포함하는 도입가스 흐름(inlet gas stream, 12)을 모든 메탄을 실질적으로 포함하는 휘발성 가스 부분으로 및 C2+ 성분의 큰 부분을 포함하는 보다 작은 휘발성 탄화수소 부분으로 분리하기 위한 공정을 장점으로서 제공한다. 도입가스 흐름(12)은 제 1 공급흐름(12a) 및 제 2 공급흐름(12b)으로 분할된다. 상기 도입가스 흐름(12)의 바람직한 분할은 제 1 공급 흐름이 약 70%에 해당하고, 나머지가 제 2 공급흐름(12b)으로 가는 것이다. 그러나 제 1 및 제 2 공급흐름(12a 및 12b) 사이의 분할은 분별증류탑(34)으로부터 이용될 수 있는 듀티(duty)에 따라서 변할 수 있다. 분별증류탑(34)은 탈메탄화 탑(demethanizer tower) 또는 상기 도입가스로부터 메탄 및 더 무거운 성분를 재생할 수 있는 어떤 다른 적당한 장치가 될 수 있다. 다른 적당한 장치는 당업자에게 공지될 것이며, 본 발명의 영역 내에서 고려될 것이다.
제 1 공급흐름(12a)은 흡수장치 측면배출흐름(absorber side draw stream, 16), 잔류물 재순환 흐름(residue recycle stream, 18), 분별증류탑 위층 흐름(fractionation tower overhead stream, 20), 및 제 1 공급 흐름을 적어도 부분적으로 농축하기 위한 그것의 결합 중에서 적어도 하나와 열교환에 의해 전면 단부 교환기(front end exchanger, 14) 내에서 냉각된다. 제 2 공급흐름(12b)은 제 1 리보일러 흐름(first reboiler stream, 24) 및 제 2 리보일러 흐름(26)과 열교환 접촉에 의해 분별증류탑 리보일러(22) 내에서 냉각된다. 제 1 공급흐름(12a) 및 제 2 공급흐름(12b)은 본 발명의 영역 내에서 고려될 수 있으며, 당업자들에 의해 이해될 수 있는, 다른 열교환 접촉수단에 의해 냉각될 수 있다. 본 발명의 모든 실시예에서, 전면-단부 교환기(14) 및 분별증류탑 리보일러(22)는 단일한 다중-경로 교환기, 다수의 개별적인 열 교환기, 또는 그들의 조합 및 변형이 될 수 있다. 제 1 및 제 2 공급흐름(12a, 12b)은 차가운 냉각장치(28)로 보내진다. 차가운 냉각장치(28)는 적어도 2개의 충전층(packed bed), 매스 트랜스퍼 존(mass transfer zones) 또는 장치(27 및 29)를 포함하는 것이 바람직하다. 충전층을 갖는 2개의 분리용기는 또한 내부에 담겨진 충전층 2개를 갖는 단일한 용기 대신에 이용될 수 있다. 매스 트랜스퍼 존은 상기 매스 트랜스퍼 존을 포함하는 용기 아래로 흐르는 액체로부터 상기 용기를 통해 발생하는 기체로 그리고 상기 용기를 통해 발생하는 기체로부터 상기 용기 아래로 흐르는 액체로 분자를 전달할 수 있는 특정한 유형의 장치를 포함할 수 있다. 다른 유형의 매스 트랜스퍼 존들이 당업자에게 알려질 것이며, 본 발명의 영역 내에서 고려될 수 있을 것이다. 도 4에서 도시되는 것처럼, 2개의 공급흐름(12a, 12b) 중 더 차가운 것은 냉 흡수장치(28)의 상단, 즉 제 1 충전층(27) 위 또는 앞에 보내지며, 2개의 공급흐름 중 더 뜨거운 것은 냉 흡수장치(28)의 하단, 즉 제 2 충전층(29) 아래 또는 뒤로 보내진다. 도 4는 온도에 따라 냉 흡수장치 상단 또는 하단에 제 1 및 제 2 공급 흐름(12a 및 12b)을 안내하도록 하는 우회로 선택(bypass option)을 도시한다.
도 2에서 도시되는 것처럼, 냉 흡수장치(28)는 흡수장치 위층흐름(absorber overhead stream, 30), 흡수장치 하단흐름(absorber bottom stream, 32) 및 흡수장치 측면배출흐름(absorber side draw stream, 16)을 생산한다. 냉 흡수장치(28)는 내부에 2개 이상의 충전층(27, 29) 또는 매스 트랜스퍼 존을 포함하는 것이 바람직하다. 종래기술 공정에 대한 개선으로서, 냉 흡수장치는 냉 분리장치(cold separator) 대신 이용된다. 흡수장치 측면배출흐름(16)은 2개의 충전층(27, 29) 사이의 충전층 냉 흡수장치(28)로부터 받아들여진다. 그 다음에 탑 측면배출흐름(16)은 단부 교환기(14) 앞에서 실질적으로 응축되고, 중간 탑 공급 흐름(intermediate tower feed stream, 36)으로서 분별증류탑(34)에 보내진다. 몇몇 실시예에서의 실질적인 응축 때문에, 중간 탑 공급 흐름(36)은 실질적으로 액체가 될 수 있다. 중간 탑 공급 흐름(36)은 잔류물 재순환 흐름(18) 아래의 위치에서 분별증류탑(34)으로 보내지는 것이 바람직하다.
종래기술공정은 서로 다른 온도의 혼합물에 의한 에너지 손실을 최소로 하기 위해 실질적으로 동일하도록 공급 흐름(12a 및 12b)의 온도를 제어하려고 시도하였다. 본 발명에 의해, 상기 공정의 효율에 영향을 주지 않고, 동시에 상기 공정의 잔류물 가스 흐름(52)의 압축 요구를 감소하지 않으면서 약 15℉ 까지 흐름 사이의 온도차가 있을 수 있다. 2개의 흐름 중 더 차가운 것은 냉 흡수장치(28)의 상단으 로 보내지고, 2개의 흐름 중 더 뜨거운 것은 냉 흡수장치(28)의 하단으로 보내진다. 상기 냉 흡수장치(28) 내의 매스 트랜스퍼 존(27, 29)은 2개 흐름의 온도를 균일하게 하기 위해서 온도 차를 조정한다. 상기 측면배출흐름(16)의 온도는 상단 및 하단 온도 사이가 될 것이며, 혼합물은 2개의 공급 흐름보다 더 가늘게 될 것이다.
잔류물 가스 흐름(52)의 압축 필요성을 줄이기 위해, 중간 탑 공급 흐름(36)은 분별증류탑(34)에 공급하기 위한 제 2 역류 소스(reflux source)를 제공한다. 상기 제 2 역류 소스는 잔류물 재순환 흐름(18)에서 분별증류탑(34)으로 역류되는 물질의 양을 감소시키는 것을 가능하게 한다. 잔류물 재순환 흐름(18')에서 요구되는 물질이 더 적을수록, 잔류물 가스 흐름(52)에서 압축되어야 하는 물질이 더 적으며, 그것은 상기 흐름에 대한 압축 필요성을 감소시킨다. 상기 공정의 재생은 종래 기술 공정에서와 동일하게 유지된다.
흡수장치 위층흐름(30)은 팽창기(expander, 38) 내에서 팽창되고, 분별증류탑(34)으로, 바람직하게는 제 2 분별증류탑 공급 흐름(40)으로서 중간 탑 공급 흐름(36) 아래의 위치로 보내지거나 또는 공급된다. 팽창하는 동안, 흡수장치 위층흐름(30)의 온도는 낮아지고, 일(work)이 발생된다. 상기 일은 나중에 분별증류탑 상층흐름(20)의 압력을 부분적으로 올리기 위해 상기 팽창기(38)에 의해 구동되는 부스터 압축기(booster compressor, 42) 내에서 재생된다.
흡수장치 하단흐름(32)은 팽창밸브(44) 또는 유사한 것을 통해 팽창되며, 제 3 분별증류탑 공급흐름(46)으로서 분별증류탑(34)으로 보내진다. 상기 실시예에서, 분별증류탑(34)에는 또한 제 2 분별증류탑 흐름(40), 잔류물 재순환 흐름(18), 및 중간 탑 공급 흐름(36)이 제공되며, 그것에 의해 분별증류탑 상층흐름(20), 분별증류탑 하단흐름(54), 및 리보일러 하단흐름(24 및 26)을 생기게 한다.
분별증류탑(34)에서, 상승중인 요구되는 성분(C2+)는 하강하는 것과의 밀접한 접촉에 의해 적어도 부분적으로 응축되며, 따라서 메탄 및 더 가볍거나 또는 응축될 수 없는 성분 모두를 실질적으로 포함하는 분별증류탑 상층흐름(20)을 생성한다. 상기 응축된 유체는 분별증류탑(34)을 내려오고, C2 성분의 대부분 및 더 무거운 성분, 즉, 실질적으로 C2+ 성분의 대부분을 포함하는 분별증류탑 하단흐름(48)으로서 제거된다. 다시 말해서, 분별증류탑(34)은 분별증류탑 상층흐름(20) 및 분별증류탑 하단흐름(48)으로 공급되는 흐름을 분리한다.
리보일러 흐름(24, 26)은 용기의 아래쪽 절반내의 분별증류탑(34)으로부터 제거되는 것이 바람직하다. 리보일러 흐름(24, 26)은 리보일러(22)에서 데워지고, 리보일러 역류흐름(54 및 56)으로서 분별증류탑(34)으로 되돌아간다. 리보일러 역류흐름(54, 56)은 열을 분별증류탑(34)으로 공급하고, 분별증류탑(34)으로부터 냉각을 복구한다.
분별증류탑 상층흐름(20)은 전면 단부 교환기(14)에서 데워지고, 잔류물 가스 흐름(52)을 형성하기 위해 파이프라인 규격의 또는 더 높은 잔류물 압축기(50) 및 부스터 압축기(42)에서 압축된다. 잔류물 가스 흐름(52)은 도입 가스의 메탄의 대부분, 및 C2 화합물과 더 무거운 화합물의 작은 부분을 포함하는 파이프라인 판매가스(pipeline sales gas)이다. 적어도 잔류물 가스 흐름(52)의 일부가 전면 단부 교환기(14) 내에서 제거되고 냉각되며, 잔류물 재순환 흐름(18)으로서 분별증류탑(34)에 제공된다.
도 3은 본 발명의 택일적인 실시예를 나타낸다. C2+ 재생공정(11)은 제 1 분별증류탑 공급흐름(36')을 형성하기 위해 잔류물 재순환 흐름(18')에 흡수장치 측면배출흐름(16')을 가하는 것을 포함한다. 제 1 분별증류탑 공급흐름(36')은 분별증류탑(34)의 상단 부분에서 분별증류탑(34)으로 도입되는 것이 바람직하다. 도 3에 도시되는 것처럼 본 발명의 실시예는 상기 도입 가스 흐름(12)이 가늘 때 바람직하다. 도입 가스 흐름(12)이 가늘 때, 요구되는 제품의 재생을 유지하기 위해, 더 많은 역류가 분별증류탑(34)의 상단에 보내지는 것이 요구된다. 분별증류탑(34)으로의 더 많은 역류는 더 많은 잔류물 재순환 흐름(18')을 생산하기 위해 일반적으로 잔류물 가스 흐름에 대한 더 많은 압축을 요구한다. 만일 흡수장치 측면배출흐름(16')이 잔류물 재순환 흐름(18')에 가해진다면, 잔류물 재순환 흐름(18')이 더 줄어들수록 더 적은 잔류물 가스 흐름(52)이 요구되며, 그것은 상기 잔류물 가스 흐름(52)의 압축 필요성을 낮춘다.
시뮬레이션이 도 1 및 2에서 도시되는 구성을 비교하기 위해 수행되었다. 상기 도면에서 도시되는 구성은 흐름을 가열하고 냉각하기 위한 단일한 교환기를 도시한다. 그러나 상기 시뮬레이션 모델은 흐름을 냉각 및 가열하기 위한 몇몇 열 교환기를 포함하고, 그것은 실제 플랜트(plant)를 더욱 대표한다. 공급조건 및 성분가 아래 테이블 1에 실려있다.
Figure 112005049761174-pct00001
도 1 및 2에 대한 시뮬레이션으로부터의 결과를 비교하는 테이블 2에서 알 수 있는 것처럼, 새로운 공정은 보다 적은 전체적인 압축을 요구하며, 전체 교환기 듀티(duty)를 낮춘다. 상기 낮아진 듀티는 주로 잔류물 재순환 흐름에서의 상당한 감소 때문이다. 압축에서의 상기 감소는 2개의 장점을 갖는다. 첫째는 더 적은 자 본비용(capital cost)이고, 둘째는 더 적은 동작비용(operating cost)이다. 연료 가스에 대하여 3.5$/MMBtu 의 비율일 때, 연료가스 절약은 매년 약 $2MM이 된다. 비록 새로운 공정은 약간 더 큰 냉 분리장치 또는 냉 흡수장치를 요구하지만, 상기 용기의 가격은 필요한 열 교환 영역 및 더 낮은 압축에 의해 달성되는 자본절약보다 훨씬 더 적다. 전체적으로 개시된 상기 공정은 참조되는 종래기술보다 자본 및 동작비용을 감소시킨다.
도 2 및 3 사이에서 공정 구조의 선택은 공급 성분에 의존할 것이다. 압축 필요성의 감소는 본 발명의 2개의 실시예에서 유사하게 될 것이다. 흡수장치 측면배출흐름(16)은 분별증류탑(34)에 역류를 위한 제 2 소스를 제공하며, 따라서 분별증류탑(34)으로 되돌아가는 잔류물 가스(52)의 양을 줄인다. 더 적은 잔류물 재순환 가스(18)가 분별증류탑(34)으로 보내지기 때문에, 더 적은 잔류물 가스흐름(52)이 압축되기를 요구되며, 그것은 공정을 위한 압축 필요성을 감소시킨다.
대부분의 종래 C2+ 재생공정에서, 공정 설계자는 혼합되었을 때 도입 공급흐름의 서로 다른 온도에 의한 에너지 손실을 최소화하기 위해 분리된 도입 공급흐름의 온도를 동일하게 만들려고 시도한다. 충전층 사용에 의해, 단지 최소의 온도차가 동일한 C2+ 재생을 달성하기 위해 요구된다. 상기 차이는 상기 공정이 쉽게 동작되도록 하며, 그것은 본 발명의 또 다른 장점이다. 2개의 흐름에서의 서로 다른 온 도는 각각 서로 다른 온도로 상기 냉 흡수장치에 2개의 공급을 생성하는데 이용된다. 제 1 및 제 2 공급 도입가스 흐름의 온도 사이의 온도를 갖는 흡수장치 측면배출흐름(16)은 분별증류탑(34)으로 보내진다.
상기 공정 실시예 뿐만 아니라, 본 발명은 또한 이곳에서 기술된 공정을 수행하기 위한 장치 실시예를 포함한다. 본 발명의 실시예로서, 메탄, C2 성분, C3 성분 및 더 무거운 탄화수소를 포함하는 도입가스 흐름을 실질적으로 모든 메탄을 포함하는 휘발성 가스부분 및 C2+ 성분의 많은 부분을 포함하는 보다 작은 휘발성 탄화수소 부분으로 분리하기 위한 장치가 장점으로서 제공된다. 상기 장치는 바람직하게는 제 1 냉각기(cooler, 14), 충전층 냉 흡수장치(packed bed cold absorber, 28), 제 1 팽창기(expander, 38), 분별증류탑(34), 제 1 가열기(heater, 14), 제 1 압축기(compressor, 42), 제 2 냉각기(14) 및 제 3 냉각기(14)를 포함한다.
제 1 냉각기, 또는 전방 단부 냉각기(14)는 제 1 공급 흐름(12a) 및 제 2 공급 흐름(12b)을 냉각하기 위해 이용되는 것이 바람직하다. 충전층 냉 흡수장치(28)는 제 1 공급 흐름(12a)이 제 2 공급 흐름(12b)보다 더 차가운 온도를 갖는 제 1 공급 흐름(12a) 및 제 2 공급 흐름(12b)을 수용하기 위해 이용되는 것이 바람직하다.
흡수장치(28)는 적어도 제 1 및 제 2 충전층(27, 29)을 포함하며, 흡수장치 상층흐름(30), 흡수장치 하단흐름(32), 및 흡수장치 측면배출흐름(16)을 생성한다. 앞에서 지시된 것처럼, 흡수장치 측면배출흐름(16)은 제 1 및 제 2 충전층(27, 29) 사이의 흡수장치(28)로부터 제거되는 것이 바람직하다.
제 1 팽창기(38)는 흡수장치 상층흐름(30)을 선호적으로 팽창시킨다. 상기 팽창 동안, 흡수장치 상층흐름(30)의 온도는 낮아지고, 일(work)이 생성된다. 상기 일은 나중에 분별증류탑 상층흐름(20)의 압력을 부분적으로 높이기 위해 팽창기(38)에 의해 구동되는 부스터 압축기(42)에서 복구된다.
분별증류탑(34)은 모든 C2+ 성분를 실질적으로 포함하는 분별증류탑 하단흐름(48) 및 모든 메탄 및 더 가벼운 성분를 실질적으로 포함하는 분별증류탑 상층흐름(20)을 생성하기 위해, 제 1 분별증류탑 공급흐름(36), 제 2 분별증류탑 공급흐름(40)으로서의 흡수장치 상층흐름, 제 3 분별증류탑 공급흐름(46)으로서의 흡수장치 하단흐름, 및 분별증류탑 역류흐름(18)을 분리한다.
제 1 가열기(14)는 분별증류탑 상층흐름을 가열한다. 제 1 압축기(42)는 잔류물 가스 흐름(52)을 생성하기 위해 분별증류탑 상층흐름(20)을 압축한다. 제 2 냉각기(14)는 잔류물 가스 흐름(18)의 적어도 일부를 냉각하는 것이 바람직하다. 제 3 냉각기(14)는 제 1 분별증류탑 공급흐름(36)을 형성하거나 또는 생성하기 위해 흡수장치 측면배출흐름(16)을 냉각하고, 적어도 부분적으로 응축시킨다.
본 발명의 장치 실시예는 또한 도입 가스 흐름(12b)의 적어도 일부를 냉각하고 적어도 부분적으로 응축하기 위해 제 4 냉각기, 또는 분별증류탑 리보일러(22)를 장점으로서 포함할 수 있다. 제 4 냉각기(22)는 또한 제 1 및 제 2 리보일러 흐름(24, 26)과 도입가스 흐름(12b)의 적어도 일부분 사이에서 열 교환 접촉을 제공함으로써 분별증류탑(34)에 리보일러 듀티를 제공할 수 있다.
본 발명의 모든 실시예에서, 제 1 냉각기, 제 2 냉각기, 제 3 냉각기, 및 제 1 가열기는 제 1 공급흐름(12a), 흡수장치 측면배출흐름(16), 잔류물 재순환 흐름(18), 분별증류탑 상층류흐름(20), 및 그들의 조합 사이에 열 교환 접촉을 제공하는 단일한 열 교환기가 될 수 있다.
본 발명의 장치 실시예는 또한 분별증류탑에 보내지기에 앞서 흡수장치 하단흐름의 적어도 일부를 팽창시키기 위해 제 2 팽창기(44)를 포함할 수 있다. 상기 장치 실시예는 또한 분별증류탑으로 보내지기에 앞서 잔류물 재순환 흐름의 적어도 일부를 팽창시키기 위한 제 3 팽창기(19)를 포함할 수 있다. 제 4 팽창기(21)가 또한 흡수장치 측면배출흐름(16)을 팽창하기 위해 제공될 수 있다.
비록 본 발명은 단지 몇몇 형태로 도시되었거나 또는 기술되었지만, 그것은 제한하려는 것이 아니라 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는 다양한 변화를 허용하려는 것임을 당업자들에게 명백할 것이다.
예를 들면, 바람직하게는 단열팽창에 의한 팽창단계는 터보-팽창기, 줄-톰슨 팽창밸브, 액체 팽창기, 가스 또는 증기 팽창기 또는 유사한 것에 의해 실행될 수 있다. 또 다른 예로서, 충전층 탑 내의 충전층은 랙시그 링(Racshig rings), 레싱 링(Lessing rings), 벌 새들(Berl saddles), 또는 유사한 것과 같은 다양한 유형의 충전에 의해 채워진다. 상기 충전층은 또한 버블 캡 트레이(bubble cap trays), 시브 트레이(sieve trays), 밸브 트레이(valve trays), 및 유사한 것과 같은 다양한 유형의 트레이에 의해 채워질 수 있다.

Claims (21)

  1. 메탄, C2 성분, C3 성분 및 더 무거운 탄화수소를 포함하는 도입가스흐름(inlet gas stream)을 모든 메탄을 포함하는 휘발성 가스부분 및 C2+ 성분의 많은 부분을 포함하는 보다 작은 휘발성 탄화수소부분으로 분리하는 공정방법(process)에 있어서, 상기 공정방법은,
    (a) 도입가스흐름을 온도차를 가지는 제 1 공급흐름(first feed stream) 및 제 2 공급흐름(second feed stream)으로 분할하고, 여기서 상기 제 1 공급흐름의 온도는 15℉ 까지 제 2 공급흐름의 온도보다 낮으며, 상기 제 1 및 제 2 공급흐름을 냉각하는 단계;
    (b) 충전층 냉 흡수장치(packed bed cold absorber)의 상단에 상기 제 1 공급흐름을 공급하고 상기 충전층 냉 흡수장치 하단에 상기 제 2 공급흐름을 공급하는 단계로서, 여기서 상기 제 1 공급흐름은 상기 제 2 공급흐름보다 더 차가운 온도를 가지며, 상기 충전층 냉 흡수장치는 제 1 및 제 2 충전층을 포함하며, 흡수장치 상층흐름(absorber overhead stream), 흡수장치 하단흐름(absorber bottom stream), 및 흡수장치 측면배출흐름(absorber side draw stream)을 생성하는 상기 공급단계;
    (c) 상기 흡수장치 측면배출흐름을 상기 충전층 냉각 흡수장치로부터 제거하는 단계;
    (d) 제 1 분별증류탑 공급흐름(first fractionation tower feed stream)을 형성하기 위해 상기 흡수장치 측면배출흐름을 냉각하고 부분적으로 응축하는 단계;
    (e) 상기 흡수장치 상층흐름을 팽창시키고, 그 다음에 분별증류탑에 제 2 분별증류탑 공급흐름으로서 상기 흡수장치 상층흐름을 공급하는 단계;
    (f) 상기 분별증류탑에 제 3 분별증류탑 공급흐름으로서 상기 흡수장치 하단흐름을 공급하는 단계;
    (g) 모든 상기 C2+ 성분을 포함하는 분별증류탑 하단흐름 및 모든 메탄과 더 가벼운 성분을 포함하는 분별증류탑 상층흐름을 생성하기 위해, 제 1 분별증류탑 공급흐름, 상기 제 2 분별증류탑 공급흐름, 상기 제 3 분별증류탑 공급흐름, 및 분별증류탑 역류흐름(fractionation tower reflux stream)을 분리하는 단계;
    (h) 잔류물 가스흐름(residue gas stream)을 생성하기 위해 상기 분별증류탑 상층흐름을 가열하고 압축하는 단계;
    (i) 분별증류탑 역류흐름으로서 잔류물 가스흐름의 일부를 제거하는 단계;
    (j) 상기 분별증류탑 역류흐름을 냉각하고, 잔류물 재순환 흐름(residue recycle stream)으로서 상기 분별증류탑에 상기 분별증류탑 역류흐름을 공급하는 단계; 및
    (k) 상기 분별증류탑에 제 1 분별증류탑 공급흐름을 공급하고, 따라서 압축되는 잔류물 가스의 양 및 상기 분별증류탑으로 보내지는 잔류물 재순환 가스의 양을 줄이는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 공정방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 충전층 냉 흡수장치로부터 상기 흡수장치 측면배출 흐름을 제거하는 단계는 상기 제 1 및 제 2 충전층 사이의 상기 흡수장치 측면배출흐름을 제거하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 공정방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 도입가스흐름을 분할하는 단계는 제 1 공급흐름이 도입가스흐름의 70%를 포함하고, 제 2 공급흐름이 상기 도입가스흐름의 30%를 포함하도록 상기 도입가스흐름을 분할하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 공정방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 공급흐름을 냉각하는 단계는,
    (a) 흡수장치 측면배출흐름, 잔류물 재순환 흐름, 분별증류탑 상층흐름 및 그들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 흐름과의 열 교환 접촉(heat exchange contact)에 의해 상기 제 1 공급흐름을 냉각하는 단계;
    (b) 제 1 리보일러 하단흐름(first reboiler bottoms stream), 제 2 리보일러 하단흐름(second reboiler bottoms stream) 및 그들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 흐름과의 열 교환 접촉에 의해 상기 제 2 공급흐름을 냉각하는 단계:를 포함하는 것을 특징으로 하는, 공정방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 흡수장치 측면흐름이 응축되도록 상기 흡수장치 측면흐름을 냉각하는 단계는 상기 흡수장치 측면흐름이 액체상태가 되도록 상기 흡수장치 측면흐름을 냉각하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 공정방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 공정방법은 상기 분별증류탑에 상기 흡수장치 하단흐름을 공급하기에 앞서, 상기 흡수장치 하단흐름을 팽창시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 공정방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 공정방법은 상기 분별증류탑에 상기 흡수장치 측면배출흐름을 공급하기에 앞서, 상기 흡수장치 측면배출흐름을 팽창시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 공정방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 공정방법은 분별증류탑에 잔류물 재순환 흐름을 공급하기에 앞서, 잔류물 재순환흐름을 팽창시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 공정방법.
  9. 메탄, C2 성분, C3 성분 및 더 무거운 탄화수소를 포함하는 도입가스흐름을 모든 메탄을 포함하는 휘발성 가스부분 및 C2+ 성분의 많은 부분을 포함하는 보다 작은 휘발성 탄화수소부분으로 분리하기 위한 공정방법에 있어서, 상기 공정방법은,
    (a) 도입가스흐름을 온도차를 가지는 제 1 공급흐름 및 제 2 공급흐름으로 분할하고, 여기서 상기 제 1 공급흐름의 온도는 15℉ 까지 제 2 공급흐름의 온도보다 낮으며, 상기 제 1 및 제 2 공급흐름을 냉각하는 단계;
    (b) 충전층 냉 흡수장치의 상단에 상기 제 1 공급흐름을 공급하고 상기 충전층 냉 흡수장치의 하단에 상기 제 2 공급흐름을 공급하는 단계로서, 상기 충전층 냉 흡수장치는 제 1 및 제 2 충전층을 포함하고, 흡수장치 상층흐름, 흡수장치 하단흐름 및 흡수장치 측면배출흐름을 생성하는 상기 공급단계:
    (c) 상기 충전층 냉 흡수장치로부터 상기 흡수장치 측면배출흐름을 제거하는 단계;
    (d) 상기 흡수장치 측면배출흐름을 냉각하고 부분적으로 응축하는 단계:
    (e) 상기 흡수장치 상층흐름을 팽창시키고, 그 다음에 분별증류탑에 제 2 분별증류탑 공급흐름으로서 상기 흡수장치 상층흐름을 공급하는 단계;
    (f) 상기 분별증류탑에 제 3 분별증류탑 공급흐름으로서 상기 흡수장치 하단흐름을 공급하는 단계;
    (g) 모든 상기 C2+ 성분을 포함하는 분별증류탑 하단흐름 및 모든 메탄과 더 가벼운 성분을 포함하는 분별증류탑 상층흐름을 생성하기 위해, 제 1 분별증류탑 공급흐름, 상기 제 2 분별증류탑 공급흐름, 상기 제 3 분별증류탑 공급흐름, 및 분별증류탑 역류흐름(fractionation tower reflux stream)을 분리하는 단계;
    (h) 잔류물 가스흐름(residue gas stream)을 생성하기 위해 상기 분별증류탑 상층흐름을 가열하고 압축하는 단계;
    (i) 분별증류탑 역류흐름으로서 잔류물 가스흐름의 일부를 제거하는 단계;
    (j) 상기 분별증류탑 역류흐름을 냉각하고, 잔류물 재순환 흐름(residue recycle stream)으로서 상기 분별증류탑에 상기 분별증류탑 역류흐름을 공급하는 단계; 및
    (k) 제 1 분별증류탑 공급흐름(first fractionation tower feed stream)을 형성하기 위해 잔류물 재순환 흐름에 상기 흡수장치 측면배출 흐름을 공급하고, 상기 분별증류탑에 제 1 분별증류탑 공급흐름을 공급하며, 따라서 압축되는 잔류물 가스의 양 및 분별증류탑으로 보내지는 잔류물 재순환 가스의 양을 줄이는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 공정방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 충전층 냉 흡수장치로부터 흡수장치 측면배출 흐름을 제거하는 단계는 상기 제 1 및 제 2 충전층 사이의 흡수장치 측면배출흐름을 제거하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 공정방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 도입가스흐름을 분할하는 단계는 상기 제 1 공급흐름이 상기 도입가스흐름의 70%를 포함하고, 상기 제 2 공급흐름이 상기 도입가스흐름의 30%를 포함하도록 상기 도입가스흐름을 분할하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 공정방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 공급흐름을 냉각하는 단계는,
    (a) 흡수장치 측면배출 흐름, 잔류물 재순환흐름, 분별증류탑 상층흐름 및 그들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 흐름과의 열 교환 접촉에 의해 제 1 공급흐름을 냉각하는 단계;
    (b) 제 1 리보일러 하단흐름, 제 2 리보일러 하단흐름 및 그들의 결합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 흐름과의 열 교환 접촉에 의해 상기 제 2 공급흐름을 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 공정방법.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 흡수장치 측면배출흐름이 응축되도록 상기 흡수장치 측면배출 흐름을 냉각하는 단계는 상기 흡수장치 측면배출흐름이 액체상태가 되도록 상기 흡수장치 측면배출흐름을 냉각하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 공정방법.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 공정방법은 상기 분별증류탑에 상기 흡수장치 하단흐름을 공급하기에 앞서, 상기 흡수장치 하단흐름을 팽창시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 공정방법.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 공정방법은 분별증류탑에 제 1 분별증류탑 흐름을 공급하기에 앞서, 상기 제 1 분별증류탑 흐름을 팽창시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 공정방법.
  16. 메탄, C2 성분, C3 성분 및 더 무거운 탄화수소를 포함하는 도입가스흐름(inlet gas stream)을 모든 메탄을 포함하는 휘발성 가스부분 및 C2+ 성분의 많은 부분을 포함하는 보다 작은 휘발성 탄화수소부분으로 분리하는 장치(apparatus)에 있어서, 상기 장치는,
    (a) 제 1 공급흐름의 온도가 15℉ 까지 제 2 공급흐름의 온도보다 낮게 형성되는, 제 1 공급흐름 및 제 2 공급흐름을 냉각하기 위한 제 1 냉각기(first cooler);
    (b) 상기 제 1 공급흐름 및 제 2 공급흐름을 수용하기 위한 충전층 냉 흡수장치로서, 상기 충전층 냉 흡수장치는 제 1 및 제 2 충전층을 포함하며, 흡수장치 상층흐름, 흡수장치 하단흐름, 및 흡수장치 측면배출흐름을 생성하며, 상기 흡수장치 측면배출흐름은 상기 제 1 및 제 2 충전층 사이에서 제거되는 상기 충전층 냉 흡수장치;
    (c) 상기 충전층 상층류를 팽창시키기 위한 제 1 팽창기;
    (d) 제 1 분별증류탑 공급흐름, 제 2 분별증류탑 공급흐름으로서 상기 흡수장치 상층흐름, 제 3 분별증류탑 공급흐름으로서 상기 흡수장치 하단흐름, 및 분별증류탑 역류흐름을 분리하기 위한 분별증류탑으로서, 모든 C2+ 성분을 포함하는 분별증류탑 하단흐름 및 모든 메탄과 더 가벼운 성분을 포함하는 분별증류탑 상층흐름을 생성하는 상기 분별증류탑;
    (e) 상기 분별증류탑 상층흐름을 가열하기 위한 제 1 가열기;
    (f) 잔류물 가스흐름을 생성하기 위해 분별증류탑 상층흐름을 압축하기 위한 제 1 압축기;
    (g) 잔류물 가스흐름의 일부를 냉각하기 위한 제 2 냉각기; 및
    (h) 제 1 분별증류탑 공급흐름을 생성하기 위해 흡수장치 측면배출흐름을 냉각하고 부분적으로 응축하기 위한 제 3 냉각기;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 도입가스를 분리하기 위한 장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 도입가스를 분리하기 위한 장치는 상기 도입가스흐름의 일부를 냉각하고 부분적으로 응축하기 위한 제 4 냉각기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 도입가스를 분리하기 위한 장치.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 제 1 냉각기, 제 2 냉각기, 제 3 냉각기 및 제 1 가열기는 상기 흐름을 각각과 열 교환 접촉을 제공하는 단일한 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 도입가스를 분리하기 위한 장치.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 도입가스를 분리하기 위한 장치는 상기 흡수장치 하단흐름을 상기 분별증류탑으로 보내기에 앞서, 상기 흡수장치 하단흐름의 일부를 팽창시키기 위한 제 2 팽창기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 도입가스를 분리하기 위한 장치.
  20. 제 16 항에 있어서, 상기 도입가스를 분리하기 위한 장치는 잔류물 재순환 흐름을 상기 분별증류탑으로 보내기에 앞서, 잔류물 재순환 흐름의 일부를 팽창시키기 위한 제 3 팽창기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 도입가스를 분리하기 위한 장치.
  21. 제 16 항에 있어서, 도입가스를 분리하기 위한 장치는 흡수장치 측면배출 흐름을 분별증류탑으로 보내기에 앞서, 흡수장치 측면배출흐름의 일부를 팽창시키기 위한 제 4 팽창기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 도입가스를 분리하기 위한 장치.
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