NO157993B

NO157993B - Fremgangsm te for separering av nitrogen fra naturg

Info

Publication number: NO157993B
Application number: NO830983A
Authority: NO
Inventors: Brian Robert Swallow
Original assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1982-03-26
Filing date: 1983-03-21
Publication date: 1988-03-14
Also published as: US4415345A; DK165251C; NO830983L; EP0090469A2; DK98983A; CA1190471A; EP0090469A3; NO157993C; DK165251B; DK98983D0; EP0090469B1

Description

Foreliggende oppfinnelse angår kryogenseparering av gasser og mere spesielt en fremgangsmåte for å fjerne nitrogen fra naturgasser, en fremgangsmåte som er spesielt brukbar når nitrogeninnholdet i en naturgasstrøm til å begynne med er lavt og øker betydelig i løpet av tiden.

Gjenvinning av høykvalitetsnaturgass blir av økende betydning etter hvert som energiprisene fortsetter å stige. Videre har bruken av naturgass en tendens til å redusere mengden foruren-sninger som dannes for en gitt energimengde, sammenlignet med visse andre vanligvis brukte midler for energiproduksjon.

Et problem som ofte medfølger naturgassgjenvinning enten denne skjer fra naturgassbrønner eller petroleumsreservoarer, er nitrogenforurensning. Naturgasser som inneholder betydelige mengder nitrogen kan ikke oppfylle minimale varmeverdispesifi-kasjoner, reduserer rørledningskapasiteten og krever ytterligere kompresjonsenergi og brenselsforbruk. Nitrogenfjerning fra naturgasser har derfor fått økende betydning.

I mange slike tilfeller krever vellykket gjenvinning av petro-leum eller naturgass bruken av en forbedret gjenvinningsteknikk. En slik som ofte benyttes involverer innsprøyting i reservoar-et av et fluid som ikke understøtter forbrenning; et ofte benyttet fluid for denne teknikk er nitrogen eller en nitrogenholdig gass p.g.a. de lave omkostninger sammenlignet med argon, helium o.l. Imidlertid øker bruken av denne teknikk nivået av nitrogenforurensning i gjenvunnet gass, d.v.s. naturgassene, ut over de naturlig forekommende nitrogenkonsentrasjoner.

Nitrogeninnsprøyting for øket olje- eller gassutvinning innfører et ytterligere problem p.g.a. at nitrogenkonsentrasjonen i naturgassene ikke forblir konstante i gjenvinningstiden.

Selv om nitrogenkonsentrasjonsvariasjonen sterkt vil av-

henge av spesielle reservoarkarakteristika kan man forutsi et generelt mønster. Karakteristisk kan nitrogenkonsentrasjonen i naturgassen under de første år den forserte gjenvinning med nitrogeninnsprøyting benyttes forbli omtrent på det naturlige forekommende nivå men vil deretter øke med f. eks.

5% poeng etter 4 år, 15% poeng etter 8 år, 25% poeng etter 10 år og med ca. 50% poeng etter 16 år.

Problemet med endret nitrogenkonsentrasjon i naturgasser som gjenvinnes fra reservoar kompliseres ytterligere av utvinn-ingsøkonomien. Som f. eks. angitt i "Design Considerations for Nitrogen Rejections Plants" av R.A. Harris, 17. april 1980, The RAndall Corp. Houston, Texas, vil den spesifikke nitrogen-fjerningsprosess som benyttes dikteres av nitrogenkonsentrasjonen. En nitrogenkonsentrasjon på fra 15 til 25% krever en prosesstype, en konsentrasjon på fra 25 til 40% krever en annen, en nitrogenkonsentrasjon på 40 til 50% ytterligere en og en konsentrasjon over 50% nok en prosess. Alternativet, d.v.s. bruk av kun én prosess etterhvert som nitrogenkonsen-tras jonen i naturgassen varierer, er antatt å resultere i alvorlig driftsineffektivitet.

Som svar på problemet med nitrogenforurensning i naturgasser er det utviklet diverse metoder for separering av nitrogen fra naturgasser. En kjent metode benytter en dualtrykk dobbel destillasjonskolonne; denne type arrangement benyttes ofte ved fraksjonering av luft i oksygen og nitrogen. Imidlertid er denne metode generelt begrenset til anvendelser der nitrogen-konsentras jonen i naturgassen er større enn ca. 25%. Der nitrogenkonsentrasjonen er lavere enn 25% reduseres mengden av tilbakeløpsvæske som kan dannes i høytrykkskolonnen når man bruker den konvensjonelle dobbeltkolonneprosess i en grad som gjør at skikkelig fraksjonering ikke kan gjennomføres i lavtrykkskolonnen.

En beskrivelse av en typisk dobbeltdestillasjonskolonneprosess for separering av nitrogen fra naturgass er beskrevet av Jones 1 "Upgrade Low-Btu Gas", "Hydrocarbon Processing", September 1973, sidene 193 til 195. Tilbakeløp for lavtrykkskolonnen tilveiebringes av en nitrogenvæske som er dannet i høytrykks-kolonnen. Ved lave nitrogenkonsentrasjoner i mategassen kan det nødvendige flytende nitrogen ikke dannes, noe som resulte-rer i høye metantap i nitrogenavgassen.

Fagmannen på området har søkt å løse dette problem ved til-bakeføring av endel av nitrogenavløpsstrømmen tilbake til naturgassmatestrømmen for således å holde nitrogenkonsentrasjonen høy nok til effektiv separering i dobbeltdestillasjons-kolonnen. Denne metode er imidlertid mangelfull ut fra to synspunkter. For det første øker bruk av nitrogentilbakefør-ing på denne måte anleggsstørrelsen. For det andre fører den prosess til vesentlig økede energibehov fordi relativt ren nitrogen fra avløpsstrømmen må separeres helt igjen fra natur-ga s sma te s trømmen.

Det er også kjent enkeltkolonneprosesser for fjerning av nitrogen fra naturgass. En slik prosess er beskrevet i US PS

2 583 090 der høytrykksråstoff med en nitrogenkonsentrasjon på ca. 40% avkjøles og ekspanderes i en enkelt fraksjoneringskolonne. Tilbakeløpsvæske oppnås ved kondensering over topp av nitrogengass i en innretning for flytendegjøring ved varmeveksling med arbeidsekspandert nitrogengass. Ved lavere nit-rogenmategasskonsentrasjoner, f. eks. ved ca. 3 0% nitrogen, benyttes en nitrogentilbakeføringsstrøm for å tilveiebringe den ytterligere nødvendige avkjøling og tilbakeløp. Dette gjennomføres ved oppvarming av noe av den arbeidsekspanderte nitrogengass, ved komprimering av denne til ca. fraksjonerings-trykk, avkjøling av gassen mot nitrogengass som skal komprimeres og deretter ved å blande den med nitrogengass som skal arbeidsekspanderes.. Denne prosess er relativt kostbar både

ut fra utstyrskapitalkostnader og kraftforbrukskostnader•

En annen enkeltkolonneprosess for fjerning av nitrogen fra metan er beskrevet i US PS 2 696 088. Tilbakeløp for fraksjoneringskolonnen som arbeider ved relativt lavt trykk tilveiebringes ved å flytendegjøre endel av nitrogen.overtopp. Den nødvendige kjøling for denne flytendegjøring tilveiebringes av et kaskadekjølesystem som benytter en ammoniakk-syklus, en etylencyklus og en metancyklus. Denne prosess er mangelfull fordi den er meget kompleks og forbruker store kraftmengder.

En prosess som effektivt kan separere nitrogen fra naturgasser og der nitrogenkonsentrasjonen i naturgassråstoffet til å begynne med er lav, og som unngår de ovenfor nevnte uøkonom-iske metoder som er nødvendig for kompensering av den lave nitrogenkonsentrasjon i råstoffet, ville således være meget ønskelig.

Viktigere er at ingen av de kjente prosesser for fjerning av nitrogen fra naturgasser er rettet mot situasjoner der nitro-genkonsentras jonen i mategassen øker vesentlig i løpet av tiden slik det karakteristisk er tilfelle når man benytter oljeutvinning med nitrogeninjeksjon. Prosesser som i tilstrekkelig grad separerer nitrogen fra naturgasser ved høye nitrogen-mategasskonsentrasjoner må være vesentlig forandret for å gi god separering ved lav nitrogenkonsentrasjon i mategassen. Disse endringer synes uten unntak å øke kapital- og eller driftskostnadene for systemet for å oppnå den ønskede separering. Derfor vil en fremgagnsmåte som gir god separering av nitrogen fra naturgasser over et bredt område nitro-genkonsentras joner i mategassen men som i vesentlig grad unngår økede kapital- og/eller driftskostnader for de kjente prosesser, være meget ønskelig. Derfor er en .gjenstand for oppfinnelsen å tilveiebringe en forbedret fremgangsmåte for separering av nitrogen fra naturgasser.

En annen gjenstand for oppfinnelsen er å tilveiebringe forbedrede fremgangsmåter for separering av nitrogen fra naturgasser, istand til å behandle en naturgassmatestrøm hvori nitrogenkonsentrasjonen er relativt lav.

Ytterligere en gjenstand for oppfinnelsen er å tilveiebringe en forbedret fremgangsmåte for separering av nitrogen fra naturgasser istand til å behandle en naturgassmatestrøm hvori nitrogenkonsentrasjonen kan variere betydelig.

I henhold til dette angår foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for separering av nitrogen fra naturgasser og denne fremgangsmåte karakteriseres ved at den omfatter: 1) tilføring av en nitrogenholdig naturgasstrøm til en fraksjoneringskolonne som arbeider ved trykk fra 1,05 til 8,78 kg/cm<2> absolutt trykk; 2) separering ved rektifisering av denne notrogen-holdige naturgasstrøm i en nitrogenanriket dampdel A og en metananriket væske del B; 3) tilveiebringelse av en nitrogenholdig dampstrøm C; 4) oppvarming av den nitrogenholdige'dampstrøm C;

5) komprimering av den varme nitrogenholdige damp-

strøm C til et trykk fra ca. 3,51 til 33,04 kg/cm<2 >absolutt trykk; 6) avkjøling av denne komprimerte nitrogenholdige strøm C ved indirekte varmeveksling med den oppvarmede nitrogenholdige strøm fra trinn 4;

7) kondensering av den avkjølte nitrogeholdige strøm

C ved indirekte varmeveksling med nevnte metananrikede væskedel B for derved å tilveiebringe nevnte damptil-bakeløp til fraksjoneringskolonnen; 8) struping av den kondenserte nitrogenholdige væske-strøm C til ca. trykket i fraksjoneringskolonnen;

9) anvendelse av den strupede nitrogenholdige væskestrøm

C for å tilveiebringe et flytende tilbakeløp for fraksjoneringskolonnen; og 10) å gjenvinne minst en andel av nevnte metananrikede andel B som produkt naturgasser.

Uttrykket "kolonne" er benyttet for å mene en destillasjons-eller fraksjoneringskolonne, d.v.s. en kontaktkolonne eller sone der væske- og dampfase er i motstrømskontakt for å be-virke separering av en fluidblanding, f. eks. ved kontakt mellom damp- og væskefase på en serie vertikalt anordnede bunner eller plater anbragt i kolonnen eller alternativt på pakningselementer med hvilke kolonnen er fyllt. For en ut-videt diskusjon av fraksjoneringskolonner skal det henvises til "Chemical Engineer's Handbook", femte utgave, utgitt av R.H. Perry og C.H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York avd. 13, "Distillation" av B.D. Smith et al, på side 13-3 i avsnittet "The Continuous Distillation Process".

Uttrykket "dobbeltkolonne" er ment å bety en høyere trykk-kolonne som har sin øvre del i varmevekslingsforbindelse med den nedre ende av en lavere-trykkolonne. En ytterligere diskusjon av dobbeltkolonner er angitt i Ruhemann "The Separation of Gases" Oxford University Press, 1949, kap. VII, "Commercial Air Separation".

Uttrykket "naturgass og naturgasser" er ment å bety et metan-holdig fluid slik det generelt gjenvinnes fra naturgassbrønn-er eller petroleumsreservoarer.

Uttrykket "nitrogenholdig naturgasstrøm" er ment å bety en naturgasstrøm med en nitrogenkonsentrasjon fra 1-99%. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan effektivt separere nitrogen fra naturgass ved konstant konsentrasjon for nitrogen i mategassen, også når nitrogenkonsentrasjonen varierer enten hurtig eller i løpet av år. Fig. 1 er et flytskjema som viser en foretrukket utførelses-form av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, benyttet i forbindelse med en enkeltkolonneseparering. Fig. 2 er et flytskjema som representerer en foretrukket ut-førelsesform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen og benyttet i forbindelse med en dobbeltkolonneseparering. Fig. 3 er et flytskjema som representerer en annen utførelses-form av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, benyttet i forbindelse med en dobbeltkolonneseparering.

Den forbedrede fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen skal beskrives nærmere under henvisning til figurene 1, 2 og 3.

Under henvisning til fig. 1 blir en naturmategass 101 med et nitrogeninnhold på f. eks. 15% eller mindre, generelt ved et forhøyet trykk på 14,06 kg/cm<2.> absolutt tykk eller mer slik det er karakteristisk for naturgass fra en brønn, og som f. eks. er behandlet ved molekylselektadsorbsjon for å fjerne kondenserbare stoffer slik som vann og karbondioksyd, avkjølt i en varmeveksler 110 for partielt å kondensere mategassen som ledes via rørledningen 102 til separatoren 120. Den flytende fraksjon som avhenger av mategasskomponentene kan bestå av ca. 80% av den opprinnelige mategass, og tilbakefør-es via rørledning 131 til varmeveksleren 110 og gjenvinnes som naturgassprodukt. Den gassformige fraksjon som inneholder hovedandelen av nitrogen i råstoffet føres via rørledning 105 til varmeveksleren 130 der den avkjøles for å gi en under-kjølt høytrykksvæske 106 som strupes gjennom ventilen 107 til et trykk fra ca,, 1,05 til 8,78 og generelt 1,40 til 4,22 kg/cm 2 absolutt trykk, og tilføres via 108 til kolonnen 105 som råstoff hvori det separeres i et nitroqenanriket topp produkt 181 og et metananriket bunnprodukt 141.

Noe av det nitrogenanrikede topprodukt trekkes av via 109

fra kolonnen for å initiere varmepumpekretsen i oppfinnelsens fremgangsmåte. Den nitrogenanrikede strøm 109 oppvarmes i varmeveksleren 150. En andel av den nitrogenanrikede strøm passerer gjennom rørledningen 111, varmeveksleren 130, rør-ledningen 112, varmeveksleren 110 og avtapning 113 som en nitrogenproduktstrøm. I anvendelser der fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen benyttes.i forbindelse med nitrogeninnsprøyting for forsert olje- eller gassutvinning kan nitrogenproduktstrøm-men hensiktsmessig benyttes for innsprøyting i brønnen eller et reservoar.

Den andre andel av den nitrogenanrikede strøm føres via 114 til varmeveksleren 160 der den ytterligere oppvarmes, karakteristisk til omgivelsestemperatur, og føres deretter via 115 til kompressoren 170 der den komprimeres til et trykk fra ca. 3,51 til. 33,04, generelt fra ca. 14,06 til 28,27 kg/ cm 2 absolutt trykk. Lavtrykksgrensen bestemmes av den minimalt aksepterbare produktrenhet og den øvre trykkgrense bestemmes av det kritiske trykk for varmepumpefluidet som i dette tilfelle er over topp- eller avtapningsnitrogen.

Den komprimerte strøm føres deretter via 116 til varmeveksleren 160 der den avkjøles mot den oppvarmede nitrogenanrikede strøm. Den avkjølte strøm 117 kondenseres deretter i kondensatoren 180 mot den metananrikede fraksjon .141, føres via 118 til varmeveksleren 150 der den ytterligere avkjøles og føres via 119 til ventilen 145 der den strupes til kolonnens trykk og tilføres til kolonnen som flytende tilbakeløp. Som disku-tert ovenfor kan kolonnen arbeide på det bredeste ved trykk på ca. 1,05 til ca. 8,78 kg/cm 2 absolutt trykk. Den nedre trykkgrense bestemmes av trykkfallet i systemet. Den øvre trykkgrense bestemmes av den minimalt aksepterbare produktrenhet.

Karakteristisk vil den nitrogenanrikede strøm ha en nitrogen-konsentras jon over ca. 95% mens den metananrikede del vil ha en metankonsentrasjon over ca. 90%, selv om produkter med mindre renhet kan være aksepterbare, alt avhengig av produkt-ets anvendelse.

Tilbake til figur 1 tilveiebringes den varme som er nødvendig for å oppnå damptilbakeløpet for kolonnen 140 ved den kondenserende nitrogenanrikede strøm i kondensatoren 180. Derfor må trykket og strømningshastigheten for kondenserende nitrogenanriket strøm bestemmes for å tilveiebringe den nødvendige varmeoverføring mellom høyttrykks nitrogenanriket strøm og lavtrykks metananriket bunnstrøm. Den metananrikede bunn-strøm 141 fjernes gjennom rørledningen 122 til pumpen 190, pumpes til f. eks. 13,70 kg/cm 2 absolutt trykk, føres via 123 gjennom varmeveksleren 130, rørledningen 124 og varmeveksleren 110 og gjenvinnes som metanprodukt 125. Denne strøm vil generelt pumpes til et så høyt trykk som mulig men som er konsistent med varmeoverføringsbegrensninger i etterfølgende varmeoverføringstrinn. Ved bruk av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen og ved bruk av nitrogenvarmepumpesyklusen kan man nu effektivt separere nitrogen fra naturgass hvori nitrogen utgjør ca. 15% eller mindre av naturgassen. Slik det skal vises senere oppnås effektiv nitrogenseparering uten tilbakeføring av nitrogen til råstoffet for kunstig å øke nitrogennivået i prosessen inntil det punkt som er nødvendig for å oppnå tilstrekkelig flytende tilbakeløp i et dobbeltkolonnearrangement. Således unngås vesentlige kapital- og driftsutgifter.

Ved nitrogenkonsentrasjoner i naturmategassen over ca. 25% og spesielt over ca. 35% opptrer ikke problemet med lavt nitrogentilbakeløp i dobbeltkolonnearrangementet. Ved disse høyere nitrogenkonsentrasjoner benyttes et dobbeltdestilla-sjonskolonnearrangement fordi det er istand til å separere mategassen i topp- og bunnprodukter med meget lavere energi-utgifter.

Som angitt tidligere er det imidlertid i et naturgassutvinn-ingsarbeide der nitrogeninnsprøytning benyttes for forsert utvinning, kan naturgassråstoffet vise en stadig økende nit-rogenkonsentras jon men en slik økning som krever et antall år før den når nivåer der det er nødvendig med god dobbeltkolonneseparering. Som angitt ovenfor har det vært nødvendig i løpet av det tidsrom som ble karakterisert ved lavt nitrogeninnhold i mategassen, kunstig å øke nitrogenkonsentrasjonen i denne, eller å kjøre to forskjellige prosesser i løpet av brønnens levetid, for å kjøre enten den ene eller den andre prosess som ineffektiv metode eller ganske enkelt å godta nitrogenutslipp ved lav nitrogenkonsentrasjon.

Søkeren har oppdaget at foreliggende prosess som benytter nitrogen varmepumpesyklusen lett kan integreres med konvensjonelle dobbeltkolonnearrangementer for å tillate effektiv separering av nitrogen fra naturgass ved alle nitrogenkonsen-tras joner med kun et prosessarrangement. I en utførelsesform av et slikt dobbeltkolonnearrangement er beskrevet under henvisning til figur 2. I figur 2 er strømmer og apparaturer identifisert ved de samme tall som i figur 1 pluss 200. Slik man ser viser figur 2 i det vesentlige arrangementet i figur 1 under tilføyelse av en høytrykkskolonne. Strømningene som skiller seg vesentlig fra de som er beskrevet i figur 1 skal beskrives i detaljer nedenfor.

En nitrogenholdig naturmategass 301 som er fri for kondenserbare stoffer slik som vann og karbondioksyd avkjøles,i varmeveksleren 310 slik at den delvis kondenseres. Den føres deretter i rørledning 3 02, avhengig av innkommende nitrogenkon-sentras jon, gjennom ventilen 302a til separatoren 320a eller gjennom rørledningen 302b og til slutt til høytrykkskolonnen 320b. Når nitrogeninnholdet i mategassen er under 15% vil naturgassen tilføres til separatoren 320a, idet den ventil-utstyrte rørledning 303 er lukket under disse betingelser. Ved nitrogenkonsentrasjoner over ca. 15 vekt-% i mategass-strømmen vil den med ventil utstyrte rørledning 3 02a være lukket og den med ventil utstyrte rørledning 303 vil være åpen og tillate at naturmategassen strømmer gjennom varmeveksleren 335 til kolonnen 320b. Hvis den partielt kondenserte naturmategass er tilført til separatoren 320a fjernes den flytende fraksjon gjennom ventilrørledningen 331, føres gjennom varmeveksleren 310 og gjenvinnes som et høyttrykks-metanprodukt i rørledningn 332. På tilsvarende måte føres damp som er separert i separatoren 320a gjennom rørledninger 305b og 305, varmeveksleren 330, rørledningen 306, ventilen 307 og rørledningen 308 til lavtrykkskolonnen 340. Under dette arbeid vil ventilrørledningen 305a forbli lukket. Etterhvert som konsentrasjonen av nitrogen i mategassen stig-er over ca. 15% blir ventilrørledningen 302a lukket mens ventilrørledningen 303 åpnes, ventilrørledningen 331 lukkes på samme måte mens ventilrørledningen 305a også vil være åpnet. På denne måte vil lavtrykksrektifiseringskolonnen 340 motta et underkjølt flytende råstoff fra metananriket væske, oppsamlet i bunnen av høytrykksrektifiseringskolonnen 320b, d.v.s. gjennom rørledningene 304 og 305a til 305. På tilsvarende måte vil ved nitrogenkonsentrasjoner under ca. 15% ventilrørledningen 314 være åpnet mens ventilrørledning 336 vanligvis vil være lukket. Etterhvert som nitrogenkonsentrasjonen øker fra 15 til 35% vil ventilrørledningen 336 gradvis åpnes mens ventilrørledningen 314 gradvis lukkes. På denne måte vil tilbakeløpskravene for nitrogen- metanseparer-ingen gradvis skiftes fra varmepumpekretsen til høytrykks-kolonnen. Eventuelt kan, etter hvert som konsentrasjonen av nitrogen i råstoffet overskrider ca. 35%, ventilrørledningen 314 være helt lukket og ventilrørledningen 336 i det vesentlige åpen slik at alt nødvendig tilbakeløp dannes via høytrykkskolonn-en 320b.

Ved nitrogenmatekonsentrasjoner på ca. 15% eller mindre har

man således i det vesentlige den samme krets som er beskrevet under henvisning til fig. 1. Ved nitrogenmatekonsentrasjoner på over ca. 35% har man en konvensjonell dobbelkolonne som er velkjent for fagmannen. Ved nitrogenmatekonsentrasjoner fra ca. 15 til 35% har man en prosess som benytter en kombinasjon av dualkolonnearrangement og nitrogenvarmepumpekretsen ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Dette system beskrives i detalj nedenfor under henvisning til fig. 2.

En naturgasstrøm 301, f. eks. ved et trykk større enn ca. 14, 06 kg/cm 2 manometertrykk, inneholdende fra ca. 15 til ca. 35% nitrogen, avkjøles og kondenseres partielt i varmeveksleren 310 og føres via 302b til varmeveksleren 335 der den kondenseres ytterligere. Strømmen føres gjennom ventilrørledning-en 302 til høyttrykkskolonnen 320b der den separeres i en nitrogenanriket toppstrøm 382 og en metananriket bunndel 342. En andel av den metananrikede bunnstrøm føres gjennom rør-ledninger 304 og 337 til varmeveksleren 335 der den partielt kokes om igjen og deretter tilføres til bunnen av kolonnen 320b gjennom rørledningen 338. En annen andel av bunnproduk-tet går gjennom rørledningene 304, 305a og 305 til varmeveksleren 330 der den avkjøles for å gi en underkjølt væske som deretter føres gjennom rørledningen 306, ventil 307 og mates gjennom rørledning 308 til lavtrykkskolonnen 340. Strømmen strupes når den passerer gjennom ventilen 307 til et trykk forenelig med lavtrykkskolonnnen. I kolonnen 340 blir strøm-men skilt i en nitrogenanriket toppstrøm 381 og en metananriket bunnstrøm 341. Over toppstrømmen i rørledning 309 oppvarmes i varmeveksleren 350. En andel av denne strøm passerer gjennom rørledningen 311, varmeveksleren 330, rørledning-en 312, varmeveksleren 310 og avluftingsorganet 313. En annen del av overtoppstrømmen føres gjennom rørledning 314

til en varmeveksel 360 der den ytterligere oppvarmes og deretter føres via 315 til kompressoren 370 der den komprimeres til et trykk fra ca. 3,51 til 33,04 og generelt fra 14,06 til 28,12 kg/cm 2 absolutt trykk. Trykket vil avhenge av prosess-betingelsene slik som f. eks. den ønskede renhet av produkt-strømmene, noe fagmannen vil kjennne til.

Den komprimerte strøm føres deretter til varmeveksleren 360 der den avkjøles mot dsn oppvarmende nitrogenanrikede over-toppstrøm. Den avkjølte komprimerte strøm 317a forenes med høyttrykksnitrogenanriket overtoppstrøm 317b og føres deretter gjennom rørledningen 317c til kondensatoren 380 der den kondenseres mot det metananrikede bunnprodukt hvorved bunnprodukt-et omkokes for å gi damptilbakeløp for lavtrykkskolonnen 340. En andel av den kondenserte nitrogenanrikede strøm under høyt trykk føres gjennom ventilen 318a, røledningen 318, varmeveksleren 350, rørledningen 319, ventilen 335 og tilbake til kolonnen 34 0 som flytende tilbakeløp. Strømmen strupes gjennom ventilen 34 5 til et lavere trykk som er forenelig med kolonnen 340.

Slik man lett vil forstå er kretsen som beskrives i foregående to avsnitt i det vesentlige varmepumpekretsen ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen slik den ble beskrevet under henvisning til figur 1. Således er det vist at den forbedrede prosess ved oppfinnelsen lett kan forenes med typiske dobbelt-kolonneseparasjonsprosesser som er konvensjonelle i industri-en. Den lette integrering av nitrogenvarmepumpekretsen ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen til enten enkelt- eller dobbeltkolonnesepareringsarrangementer er av stor anvendelig-het for gassepareringsindustrien.

Så over til beskrivelsen av separeringen der råstoffet har

et nitrogeninnhold på fra 15 til 35%, der blir en andre andel av den kondenserte høyttrykks nitrogenanrikede strøm ført gjennom ventilen 336 til kolonnen 320b som flytende tilbake-løp. Metanrike bunnprodukter fra lavtrykkskolonnen 340 fjernes gjennom rørledningen 322 til pumpen 390, pumpes f.eks. til ca. 13,7 kg/cm 2 absolutt trykk, føres via 323 gjennom varmeveksleren 330, rørledningen 324 og varmeveksleren 310

og gjenvinnes som metanprodukt 325.

En annen utførelsesform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er vist i fig. 3 der nummereringen er identisk med den i fig. 2 pluss 200. Slik det fremgår av utførelsesformen i fig. 3 er denne vist med henvisning til et dobbeltkolonnearrangement. I denne utførelsesform er imidlertid varmepumpefluidet ikke tatt fra nitrogenanriket overtoppdamp 581 i lavtrykkskolonnen. Istedet blir en strøm 509 fra denne damp trukket av fra lavtrykkskolonnen og kondensert ved indirekte varmeveksling med en nitrogenholdig strøm som tjener som varmepumpefluid. Den kondenserte nitrogenanrikede strøm blir deretter tilbakeført for lavtrykkskolonnen som flytende tilbakeløp.

Etterhvert som nitrogeninnholdet i naturmategassen til høyt-trykkskolonnen øker fra ca. 15 til 35% blir en økende,andel av det nitrogenholdige varmepumpefluid tilveiebragt fra den nitrogenanrikede overtoppdamp 582 i høyttrykkskolonnen; når nitrogeninnholdet i råstoffet overskrider ca. 35% blir idet vesentlige alt tilbakeløp for lavtrykkskolonnen tilveiebragt via høyttrykkskolonnen. Det følger nedenfor en detaljert diskusjon av utførelsesformen i fig. 3.

En nitrogenholdig naturmategasstrøm ved et trykk på f. eks. ca. 14,06 kg/cm 2 absolutt trykk avgis gjennom rørledningen 502b, varmeveksleren 535 og rørledningen 503 til høyttrykks-fraksjoneringskolonnen 520b. I denne kolonne separeres rå-stoffetstoffet til en nitrogenanriket dampdel 582 og en metananriket flytende del 542. Denne flytende andel trekkes av gjennom rørledningen 504 og en porsjon føres via 537 til varmeveksleren 535 og deretter gjennom rørledningen 538 tilbake til høytrykkskolonnen for damptilbakeløp.

En andel av strømmen 504 føres gjennom rørledningen 505 og deretter til lavtrykkskolonnen 54 0 gjennom varmeveksleren 530, rørledningen 506, ventilen 507 og rørledningen 508. Denne matestrøm separeres i en nitrogenanriket overtoppdam 581 og en metananriket væske 541. Den metananrikede væske som trekkes av gjennom rørledningen 520 settes under tykk i pumpen 590, oppvarmes i varmeveksleren 530 og slippes ut gjennom rørled-ningen 512.

Omkok for kolonnen 54 0 tilveiebringes ved kondensering av en nitrogenholdig strøm 517c i kondensatoren 580 for å koke den metananrikede andel 541. Ved nitrogenkonsentrasjoner i natur-gassmatestrømmen under ca. 15 stammer strømmen 517c utelukkende fra varmepumpekretsen gjennom ventilen 517a og naturgasstilmatningen avgis direkte til lavtrykkskolonnen som beskrevet i detalj under henvisning til fig. 2. Ved matestrømnitrogenkon-sentrasjoner på fra ca. 15% til ca. 35% dannes strømmen 517c delvis fra varmepumpekretsen gjennom ventilen 517a og delvis fra strømmen 517b som trekkes av fra høyttrykkskolonnen inneholdende noe av den nitrogenanrikede dampandel 582. Ved mate-strømnitrogenkonsentrasjoner på utover 35% stammer strømmen 517c kun fra strømmen 517b.

Flytende tilbakeløp 519 for kolonnen 540 tilveiebringes ved

en nitrogenanriket væske. Ved nitrogenkonsentrasjoner i naturmategasstrømmen på under ca. 15% tilveiebringes tilbake-løpet 519 ved å trekke av gjennom rørledning 509 en andel av lavtrykkskolonnens nitrogenanrikede damp 581 og føring av denne andel gjennom ventilen 592 og en varmeveksler 600 der den kondenseres ved indirekte varmeveksling med varmepumpe-

fluidet og deretter å tilbakeføre denne kondenserte strøm til lavtrykkskolonnen gjennom ventilen 345 som flytende til-bakeløp. Ved matestrømnitrogenkonsentrasjoner på fra ca.

15% til ca. 35% tilveiebringes tilbakeløpet 519 delvis ved å trekke av og å kondensere en andel av lavtrykkskolonnens nitrogenanrikede damp 581 og delvis ved å avlede en andel av varmepumpefluidstrømmen 518 gjennom ventilen<;>591. Ved nitrogenkonsentrasjoner i matestrømmen på over ca. 35% tilveiebringes hele tilbakeløpet 519 ved avdeling av fluid 518 gjennom ventilen 591.

Man ser fra diskusjonen av fig. 3 at ved en nitrogenkonsen-tras jon i matestrømmen på under ca. 15% blir ventilrørled-ningen 517b og ventilene 536 og 591 lukket mens ventilene 514, 517a og 592 er åpne. Naturgasstilmatningen avgis direkte til lavtrykkskolonnen. Etterhvert som nitrogenkonsen-tras jonen i matestrømmen øker fra ca. 15% til 35% blir ventil-ledningen 517b og ventilene 536 og 591 gradvis åpnet og ventilene 514, 517a og 592 gradvis lukket inntil de ved ca. 35% nitrogenkonsentrasjon i matestrømmen er helt åpnet hen-holdsvis helt lukket. På denne måte blir tilbakeløpskravet for lavtrykkskolonnen gradvis skiftet fra varmepumpekretsen til høyttrykkskolonnen etterhvert som nitrogenkonsentrasjonen i matestrømmen øker fra ca. 15% til ca. 35%.

Bestemmelsen om hvilken av utførelsesformene ifølge oppfinnelsen vil være den mest foretrukne utførelsesform vil delvis være en ingeniøravgjørelse og vil avhenge av de spesielle betingelser ved en spesiell anvendelse.

Tabell 1 oppsummerer en datamaskinsimulering av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen som anvender prosessarrangementet i fig. 1. Strømtallene tilsvarer de i fig. 1. I tabellen er nitrogen ikke massebalansert fordi noe trekkes av fra varmepumpesyklusen etter kompresjon. De data som er gitt for nitrogentilbakeføringstrømmen 117 tilsvarer akkumulert nitrogen under stabile forhold. Som vist separerer fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen effektivt nitrogen og metan ved lave nitrogenkonsentrasjoner i mategassen uten behov for nitrogen tilbakeføring til råstoffet.

Claims

1. Fremgangsmåte for separering av nitrogen fra naturgasser, karakterisert ved at den omfatter: 1) tilføring av en nitrogenholdig naturgasstrøm til en fraksjoneringskolonne som arbeider ved trykk fra 1,05 til 8,78 kg/cm<2> absolutt trykk; 2) separering ved rektifisering av denne nitrogenholdige naturgasstrøm i en nitrogenanriket dampdel A og en metananriket væske del B; 3) tilveiebringelse av en nitrogenholdig dampstrøm C; 4) oppvarming av den nitrogenholdige dampstrøm C; 5) komprimering av den varme nitrogenholdige damp-strøm C til et trykk fra ca. 3,51 til 33,04 kg/cm<2 >absolutt trykk; 6) avkjøling av denne komprimerte nitrogenholdige strøm C ved indirekte varmeveksling med den oppvarmede nitrogenholdige strøm fra trinn 4; 7) kondensering av den avkjølte komprimerte nitrogenholdige strøm C ved indirekte varmeveksling med nevnte metananrikede væskedel B for derved å tilveiebringe nevnte damptilbakeløp til fraksjoneringskolonnen; 8) struping av den kondenserte nitrogenholdige væske-strøm C til ca. trykket i fraksjoneringskolonnen; 9) anvendelse av den strupede nitrogenholdige væske-strøm G for å tilveiebringe et flytende tilbake-løp for fraksjoneringskolonnen; og 10) å gjenvinne minst en andel av nevnte metananrikede andel B som produkt naturgasser.

2 Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at fraksjoneringskolonnen kjøres under et trykk på fra 1,4 til 4,2 kg/cm 2 absolutt trykk.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den nitrogenholdige dampstrøm C i trinn 5 komprimeres til et trykk fra 14,06 til 28,12 kg/cm 2 absolutt trykk.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at en andel av nevnte nitrogenanrikede.dampandel A trekkes fra fraksjoneringskolonnen for å danne i det minste en andel av den nitrogenholdige dampstrøm C i trinn C, og hvori trinn 9 gjennomføres ved å innføre den stupede nitrogenholdige flytende strøm C til fraksjoneringskolonnen som flytende tilbakeløp.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at all nitrogenholdig dampstrøm C oppnås ved av-trekking av en andel av nitrogenanriket dampandel A fra fraksjoneringskolonnen.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at fraksjoneringskolonnen er en første fraksjoneringskolonne i varmevekslingsforbindelse med en andre fraksjoneringskolonne som arbeider ved et høyere trykk enn den første, at den nitrogenholdige naturgasstrøm til-føres til nevnte andre fraksjoneringskolonne ved dennes trykk og separeres ved rektifisering til en nitrogenanriket dampandel og en metananriket flytende andel, hvor en andel av strømmen C tilveiebringes ved en strøm trukket av fra den andre fraksjoneringskolonnes nitrogenanrikede dampandel og hvor den andel av strømmen C som tilveiebringes ved avtrekkingfra høytrykkskolonnen øker etterhvert som nitrogenkonsentrasjonen i den nitrogenholdige natur-gasstrøm som tilføres den andre fraksjoneringskolonne med det høyere trykk øker fra ca. 15 til ca. 35%.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1 , karakterisert ved at i det minste en andel av det flytende tilbake-løp i trinn 9 tilveiebringes ved: a) å trekke fra fraksjoneringskolonnen en strøm av nevnte nitrogenanrikede dampandel A; b) kondensering av strømmen av nitrogenanriket dampandel A ved indirekte varmeveksling med nevnte strupede nitrogenholdige flytende strøm C; c) tilbakeføring av den kondenserte strøm fra nitrogenanriket andel A til nevnte fraksjoneringskolonne som flytende tilbakeløp.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at hele det flytende tilbakeløp i trinn 9 tilveiebringes ved trinnene A, B og C.