NO158478B

NO158478B - Fremgangsmaate for separering av nitrogen fra naturgass.

Info

Publication number: NO158478B
Application number: NO831636A
Authority: NO
Inventors: James Willers Pervier; Harvey Lewis Vines; Vincent Marano Iii; Michael Andrew Patterson
Original assignee: Air Prod & Chem
Priority date: 1982-05-10
Filing date: 1983-05-09
Publication date: 1988-06-06
Also published as: ATE31578T1; DK201783A; CA1195231A; DE3375044D1; EP0094062B1; EP0094062A2; EP0094062A3; DK201783D0; NO158478C; US4411677A; NO831636L

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for separering

av nitrogen fra naturgass inneholdende nitrogen innen vide konsentrasjonsområder for å oppnå strømmer av nitrogen og natur-

gass under forhøyede trykk uten å benytte rekomprimeringsinnret-ninger for de separerte produkter.

Dagens petroleumsfremstillingsmetoder benytter høytrykksnitrogen-injisering for å opprettholde brønntrykket for øket olje- og gassgjenvinning. Etterhvert som nitrogen injiseres vil natur-

gassen fra brønnen inneholdende metan og dermed forbundne hydro-karbonvæsker også inneholde nitrogen som øker i mengde i løpet av prosjektets levetid. Av denne grunn må naturgass inneholdende nitrogen separeres for å gjenvinne nitrogenet og for å oppnå en renset naturgass som kan benyttes som brensel eller kjemisk rå-

stoff.

US PS 3 79 7 261 beskriver separering av naturgass inneholdende nitrogen i en lavnitrogenfraksjon og en høynitrogenfraksjon ved destillering i en enkelt destillasjonskolonne ved å ekspandere høynitrogenfraksjonen og å utnytte arbeidet og derved å benytte den resulterende avkjøling for å kondensere damp i den øvre del av kolonnen mens ytterligere tilbakeløp tilveiebringes ved å

fordampe et tilbakeføringsmedium i varmeveksling med damp i kolonnen. Høynitrogenblandingen som er ekspandert blåses ut ved atmosfærisk trykk. "Linde Reports on Science And Technology" 15/1970, side 51-52, viser en fremgangsmåte for separering av nitrogen fra naturgass inneholdende et fiksert nitrogeninnhold,

f. eks. 15% nitrogen. En metansyklus som arbeider på varmepumpe prinsippet benyttes ved fremgangsmåten for å tilveiebringe av-kjølingen. Over toppnitrogenfraksjonen fra destillasjonskolonnen er angitt som et ytterligere middel for å underkjøle metan før

metanekspansjonen for å tilveiebringe avkjøling i kolonnen.

I en nitrogeninjiseringsprosess for å opprettholde brønntrykket

vil den ekstraherte gass øke hva angår nitrogeninnholdet slik at naturgass fra brønnen kan inneholde nitrogen innen vide konsentrasjonsområder, for eksempel fra 5 til 85%. Konvensjonelle prosesser har begrenset anvendelse og kan være_ineffektive med henblikk på separering av nitrogen fra naturgass over et slikt vidt om-

råde av nitrogeninnholdet for å oppnå nitrogen og naturgass under forhøyede trykk. Videre er konvensjonelle prosesser for separering av nitrogen fra naturgass som inneholder nitrogen og med et betydelig karbondioksyd-innhold, begrenset av karbondi-oksydutfrysing eller stivning i prosessutstyret.

Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et system for separering av nitrogen fra et høyttrykksråstoff inneholdende naturgass og nitrogen i et vidt konsentrasjonsområde i en enkelt destillasjonskolonne for å oppnå en høyttrykkspro-duktstrøm av nitrogen og en høyttrykksproduktstrøm av naturgass ved avkjøling av høyttrykksråstoffet med etterfølgende separering

i en enkelt destillasjonskolonne for å oppnå en høyttrykks topp-

damp som er anriket på nitrogen og en høyttrykks bunnvæske som er rik på naturgasshydrokarboner. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kondenserer en toppdamp fra en øvre seksjon av destil-las jonskolonnen ved varmeveksling med en første lukket kjøle-

sløyfe for å tilveiebringe tilbakeløp til kolonnen, kondenserer

en mellomdamp fra en mellomliggende seksjon av kolonnen ved varmeveksling med en andre lukket kjølesløyfe og ved varme-

veksling med høyttrykkstoppdampen som er anriket på nitrogen for å tilveiebringe et mellomtilbakeløp til kolonnen slik at mellomseksjonsdamp kondenseringsbidraget som skyldes varmeveks-lingen mot høyttrykksnitrogenet over topp øker med økende nitrogeninnhold i tilmatningen til prosessen. Fortrinnsvis omfatter den første og andre lukkede kjølesløyfe første og andre andeler av et sirkulerende kjølemiddel i en lukket sløyfevarmepumpe slik

at kjølefluidet komprimeres, avkjøles i veksling med bunnvæsken i destillasjonskolonnen for derved å tilveiebringe omkokings-varme i kolonnen, underkjøles til en temperatur tilstrekkelig til å danne og tilveiebringe det andre lukkede sløyfekjøle-middel og ytterligere underkjøling til en temperatur tilstrekkelig til å danne og tilveiebringe det første kjølesløyfe-kjøle-middel.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er istand til å separere eller avvise nitrogen fra naturgass inneholdende nitrogen innen et vidt nitrogenkonsentrasjonområde, hvilket nitrogeninnhold vil øke i løpet av nitrogeninjisering til et brønnhode, for eksempel innen et generelt område på 5 til 85%.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en nitrogenproduktstrøm som støtes ut ved høyt trykk, noe som reduserer behovet for ytterligere kompresjon av nitrogenet som deretter kan tilbake-føres under slike trykkbetingelser at det kan brukes for nitro-gengjeninnsprøytning i brønnhodet. Den forbedrede prosess i følge oppfinnelsen tilveiebringer på denne måte en forbedret effektivitet som oppnås i løpet av lang nitrogeninnsprøytning og som kan strekke seg ut over 10 år for en karakteristisk olje-og gassbrønn.

Den forbedrede fremgangsmåte behandler mer enn 100 ppmv karbondioksyd i råstoffet over hele sammensetningsområdet.

Den forbedrede prosess tilveiebringer en høy metangjenvinning over hele området for råstoffsammensetningen der de nødvendige tilbakeløp for å oppnå separeringen tilveiebringes ved varmepumpen. Varmepumpesyklusen i motsetning til enhver syklus som er autoavkjølt, har den fleksibilitet at den kan tilveiebringe et spesifikt tilbakeløp til kolonnen og derved tilveiebringe et økonomisk gunstig høyt metangjenvinningsnivå.

Den forbedrede prosess omfatter en mellomliggende kondensator

i destillasjonskolonnen for å tilveiebringe et andre nivå av tilbakeløpsoppvarming enn topptilbakeløpet. De to nivåer av avkjøling og tilbakeløp øker effektiviteten i kolonnen og tilveiebringer et redusert totalt karftbehov. Den mellomliggende kondensator arbeider over et vidt område av råstoffsammensetning på en slik måte at man utnytter toppnitrogenet for avkjøling uten ekspandering ved innarbeiding av varmepumpen med et under-kjølt kjølemiddelfluid som flashes til et mellomliggende trykk.

Den forbedrede prosess benytter et varmepumpefluid av metan men et blandet kryogent kjølemiddel kan benyttes for å tilbase syk-lusen effektivt til forskjellige råstoffer og produktspesifika-sjoner.

Den ledsagende figur er et skjematisk flytdiagram av en utfør-elsesform av oppfinnelsen for en foretrukket form for separering av nitrogen fra en naturgass inneholdende nitrogen innen et vidt konsentrasjonsområde, f. eks. 5 til 85% nitrogen.

Mange høykvalitets olje- og gassgjenvinningsprosjekter benytter idag høytrykksnitrogen for reservoartrykk opprettholdelse eller blandbar flømming. I disse prosesser blir buntne gasser fra brønnen fortynnet ved stadig større mengder nitrogen etterhvert som prosjektet fortsetter. Nitrogen må fjernes, ellers vil nitrogeninnhodlet stadig redusere varmeverdien for gassen og ygjøre naturgassen uakseptabel som kjemisk råstoff. Fortynningen ved økende mengde nitrogen gir en naturgass med et nitrogeninnhold på fra 50 til 85%. Den forbedrede prosess tilveiebringer et system for separering eller avvisning av nitrogen fra denne naturgass med varierende sammensetning over et vidt område samm-ensetninger som oppnås i løpet av et prosjekt med fremtvunget olje- og gassgjenvinning.

Nitrogenprodukstrømmen som tilveiebringes fra separeringen av

nitrogen fra naturgassen benyttes for gjeninjisering i reservo-

aret for å opprettholde trykket i olje- eller gassgjenvinnings-prosjektet. Den forbedrede prosess tilveiebringer en nitrogen-produktstrøm ved et forhøyet trykk, for eksempel i nærheten av 200 til 300 psi og reduserer derved behovet for etterfølgende rekomprimering av nitrogenet.

Den forbedrede prosess er istand til tilpasning av karbondiok-

syd i råstoffet og forhindrer karbondioksyd fastblivning i for-skjellig trinn i prosessen.

Den forbedrede prosess benytter et antall forbedringer i en destillasjonskonstruksjon . som gir en reduksjon av energifor-bruket. En så og si total separering av nitrogen og hydrokar-

boner krever at det utføres en fraksjonert destillasjon. Destillasjonen er i seg selv en ineffektiv enhet hvorved energi tilførtes til omkokeren i en destillasjonskolonne ved den høy-

este temperatur og fjernes fra toppkondensatoren ved den laveste temperatur med en høy grad av iboende ireversibilitet. Den følgende detaljerte beskrivelse av den forbedrede prosess viser flere foretrukne utførelsesformer av denne for å tilveiebringe et effektivt destillasjonssystem.

Under henvisning til figurene blir en naturgass fra et oljeres-ervoar eller et gassområde holdt under trykk ved høytrykksnitro-geninjisering og trer inn i et gjenvinningssystem for flytendegjort naturgass som ikke er vist og der etan og tyngre hydrokarboner separeres som væsker. Naturgassen inneholdende nitro-

gen, hvilket nitrogeninnhold vil variere i løpet av et vidt om-

råde i løpet av nitrogeninjiseringsprosjektet, mates til pro-

sessen ifølge oppfinnelsen. Naturgassen er ekspandert, dette er ikke vist, ved bruk av en turboekspander fra et trykk i nærheten av 27 ,.6-33,7 . kg/cm ? 'abs til et trykk på ca.12, 3 kg/cm 2abs. To strømmer fjernes fra naturgassvæskeanlegget og bringes til foreliggende prosess. Hovedmategassen trer inn i foreliggende fremgangsmåte

i rørledning 1 fra en ekspansjonsutslippsseparator for naturgassvæskeanlegget og avkjøles i hovedmateutveksleren 1. Av-kjølt hovedråstoff føres i rørledning 3 til en separator 4

der væske fjernes. Damp fra separatoren 4 føres i rørledning 6 for ytterligere: avkjøling i hovedveksleren 2 og mates via rørledningen 7 til separatoren 8. Damp fra separatoren 8

føres i rørledningen 9 til koldråstoffveksleren 11. Koldt råstoff i rørledning 12 og væskekutt fra separatorer i rørledning-ene 14 og 16 tilføres til destillasjonskolonnen 19 i høyere og dermed koldere nivåer i destillasjonskolonnen. En andre gass-strøm fra naturgassvæskeanlegget trer inn i foreliggende prosess i rørledningen 21 fra den ikke viste dematniseringskolonne og mates til bunndelen av destillasjonskolonnen.

En fraksjonering gjennomføres i destillasjonskolonnen 19, toppdamp produkt bestående av en damp anriket på nitrogen fjernes i rørledning 22 og en bunnvæskestrøm omfattende flytendegjort naturgass og tyngre hydrokarboner fjernes i rørledningen 23. Av-omkokingsenergien for fraksjoneringskolonnen tilveiebringes via omkokeren 24.

Et ytre varmepumpesystem benyttes med kompressorer 26, 27 og 28 for komprimering av så og si ren metan som benyttes som varme-pumpesirkulasjonsfluid. Komprimert metan fra kompressoren 28 føres til gassvarmeveksleren 29 og avkjøles der. Kold komprimert metan føres i rørledningen 31 til omkokeren 24 for å tilveiebringe omkokervarme ved varmeveksling i omkokeren 24 der komprimert metan helt og holdent kondenseres. Flytende metan til omkokeren i rørledning 32 underkjøles i varmeunderkjøleren 33. Underkjølt flytende metan i rørledningen 42 spaltes i to strømmer i rørled-ningene 34 og 43. Underkjølt metan i rørledningen 34 flashes ved 35 til et mellomliggende trykk og føres i rørledningen 36 for refordamping i bikondensatoren 37 for å tilveiebringe mellom-tilbakeløp i fraksjoneringskolonnen ved avkjøling av en mellom-fraksjon trukket av fra kolonnen i rørledning 38 og avkjølt i sidekondensatoren 3 7 for å oppnå en flytende strøm i rørledningen

39 som så tilbakeføres tilbake til destillasjonskolonnen 19

som tilbakeløp. Mellomtilbakeløpet som tilveiebringes ved en bikondensator 37 kan alternativt tilveiebringes ved varmeveksling direkte i kolonne 19 ved hjelp av sidekondensatoren 37 som angitt utenfor kolonnen i den gitte figur. Mellomtil-bakeløpet tilveiebringes ved et punkt mellom toppkondensatoren og den høyeste tilmatning til kolonnen. Etter fordamping i bikondensatoren trer metan ved et mellomliggende trykk ut av kondensatoren 37 i rørledningen 41. Underkjølt metan i rørled-ningen 43 underkjøles ytterligere i den kolde underkjøler 44 og føres i rørledning 45 til den koldeste del av anlegget der den flashes ved 46 og mates i rørledning 47 til toppkondensatoren 48 der metan refordampes og trer ut av kondensatoren i rørled-ning 49. Toppkondensatoren 48 gir en kondenseringseffekt for en toppdamp fra destillasjonskolonnen i rørledningen 50 som blir tilbakeløp til kolonnen i rørledning 51. Lavtrykksdamp i rørledningen 49 tilbakeføres gjennom koldunderkjøleren 44 og videre i rørledning 52 for å oppvarme underkjølervarmeveksleren 33 og føres videre i rørledning 53 til gass- gassveksleren 29

før den tilbakeføres i rørledning 54 til begynnelsen av omkom-primeringstrinnet i kompressoren 26. Metan fra bikondensatoren 37, d.v.s. i rørledning 41, gjenoppvarmes gjennom den varme underkjøler 33 og føres i rørledningen 66 til gass- gassveksleren 29 før tilbakeføring i rørledningen 67 til kompresjonstrinnet i en mellomliggende posisjon, for eksempel for innføring til kompressoren 27.

Høytrykksnitrogen fra toppen av fraksjoneringskolonnen i rørled-ning 22 føres gjennom bikondensatoren 37 der en vesentlig kjøle-ytelse fra toppnitrogenet gjenvinnes i form av mellomliggende tilbakeløp for bruk i mellomliggende trinn i kolonnen. Høytrykks-nitrogen i rørledningen 68 kan ekspanderes til ca. 250 psia i ekspanderen 69 for å tilveiebringe ekstra kjøling etter ønske fra nitrogen som føres i rørledning 71 gjennom koldmateveksleren 11 og videre gjennom rørledningen 72 til hovedmateveksleren 2 der den siste kjølingsgjenvinning fra koldnitrogen skjer. Produktnitrogen med forhøyet trykk trer ut fra hovedmateveksleren 2 i rørledningen 73 og kan gjenoppvarmes i NGL anlegget før tilbakeføring til nitrogeninjiseringsprosjektet ved brønnhodet.

Hydrokarbonprodukter fra bunnen av fraksjoneringskolonnen i rørledningen 23 flashes ved 74 og føres i rørledningen 76 til hovedveksleren 2 for å tilveiebringe kondenseringseffekt for råstoffet. Produktmetan som er gjenvunnet i rørledningen 80

kan tilbakeføres til NGL-anlegget og gjenoppvarmes der.

Fremgangsmåten som beskrevet ovenfor representerer et skjema

for gjennomføring av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen når et naturgassvæskeanlegg må tilpasses. En alternativ utførelses-form der naturgassråstoffet for prosessen ifølge oppfinnelsen befinner seg i omgivelsestemperatur og inneholder naturgass-væsker, gir et råstoff til prosessen ved 27,6^33,7 kg/cm 2 abs. Forskjeller i prosessen for tilpassing av et høytrykksråstoff ligger foran sluttkjølekravenene mategassen. Fordi det fore-ligger et større kjølepotensiale i mategassen av den grunn at mategassen ikke er ekspandert tidligere til et lavere trykk

for naturgassvæskegjenvinning, er det ikke nødvendig å ekspandere toppnitrogenet etter at dette forlater bikondensatoren. Derfor gjenoppvarmes toppnitrogen under høytrykk i koldmateveksleren 11 og hovedmateveksleren 2 og gjenvinnes i rørledningen 73 som et høyttrykksproduktnitrogen ved ca. 10,7 kg/cm abs. Når mategassen ikke er underkastet naturgassvæskegjenvinning kan hydrokarbonproduktet' fra bunnen av fraksjoneringskolonnen spaltes i to fraksjoner, slik at den første fraksjon flashes til et lavere trykk, omfordampes i hovedvarmeveksleren 2 og en ikke vist fore-gående varmemateveksler og gjenvinnes som et produkt med lavt til middels trykk. Den andre fraksjon av hydrokarbonproduktet pumpes til rørledningstrykk og omfordampes i hovedmateveksleren 2. Ved denne utførelsesform krever den andre fraksjon av hydro-

karbonproduktet ikke noen ytterligere komprimering for å føres til rørledningsfordeling.

Den forbedrede prosess, enten med eller uten naturgassvæskegjenvinning, benytter multipel råstoffer til fraksjonerings-

kolonnen for å redusere mengden av tilbakeløp og omkok i kolonn-

en. Figuren angir et system med et antall separatorer som er en del av den foretrukne utførelsesform, imidlertid,kan fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen gjennomføres med færre råstoff-separatorer. Fremgangsmåten som angitt i figuren er generelt egnet for naturgasstrømmer med eller uten naturgassvæskegjen-

vinning der trykket er 10,7 kg/cm 2 eller større for tilmatning til prosessen ifølge oppfinnelsen. Det foretrukne område for destillasjonen i fraksjoneringstårnet er 9,2-12,3 kg/cm 2. Fraksjonering over 400 psi vil nærme seg de kritiske områder for nitrogen og er av denne grunn ikke praktisk anvendbart.

Produktmetanet som oppnås fra den forbedrede prosess innehold-

er konsentrasjoner av nitrogen som karakteristisk ligger innen området fra ca. 1-3 volum-% og karakteristisk hydrokarbongjen-vinning ligger ut over 99,5%.

I tillegg har høytrykksdestillasjonsprosessen den ytterligere fordel ved at den behandler vesentlige mengder karbondioksyd,

d.v.s. 100 ppmv eller høyere, uten utfølging av karbondioksyd i prosessutstyret. Mengden karbondioksyd som kan behandles ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen vil variere avhengig av råstoffsammensetningene og kan være helt opp til 1 volum-%

ved lavnitrogensammensetninger som råstoff.

Claims

1. Fremgangsmåte for separering av nitrogen fra et høytrykksråstoff inneholdende naturgass og nitrogen innen vide konsentrasjonsområder i en enkelt destillasjonskolonne for å oppnå høytrykks produktstrømmer av nitrogen og naturgass, karakterisert ved at den omfatter: a) avkjøling av nevnte høytrykksråstoff og destillering av det avkjølte råstoff i nevnte enkelte destillasjonskolonne for å oppnå en høytrykkstoppdamp som er anriket på naturgasshydrokarboner; b) kondensering av toppdampen fra øvre seksjon av nevnte kolonne ved varmeveksling med et første kjølemiddel i lukket sløyfe for å tilveiebringe tilbakeløp til kolonnen; c) kondensering av en mellomdamp fra en midlere seksjon av kolonnen, ved varmeveksling med en andre lukket kjølemiddel-sløyfe og ved varmeveksling med nevnte høytrykkstoppdamp som er anriket på nitrogen for å tilveiebringe et midlere til-bakeløp til kolonnen, hvorved den kondensasjon av damp fra det midlere avsnitt som skyldes varmeveksling med nevnte topp høytrykksnitrogen øker med økende nitrogenkonsentrasjon i råstoffet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at nevnte første og andre kjølemiddel i lukket sløyfe omfatter første og andre andeler av et sirkulerende kjølefluid i en varmepumpe med lukket sløyfe hvori kjølemiddelfluidet komprimeres, avkjøles, kondenseres i varmeveksling med bunnproduktet i kolonnen, underkjøles til en temperatur tilstrekkelig til å utgjøre nevnte andre kjølemiddel og videre avkjøles i sin tur tilstrekkelig til å utgjøre kjølemidlet i den første lukkede sløyfe.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 , karakterisert ved at råstoffavkjølingen omfatter avkjøling i en første del av en hovedmateveksler mot nevnte strømmer av høytrykks-produktstrøm, for å oppnå en to-faset første matestrøm, faseseparering av den kondenserte del av nevnte avkjølte første matestrøm i en første mateseparator for å oppnå en andre flytende matestrøm og en andre dampmatestrøm,, avkjøling av nevnte andre dampmatestrøm i en koldmateveksler for å kondensere en del av denne, separering av nevnte kondenserte an-del av nevnte andre dampmatestrøm i en andre mateseparator for å oppnå en tredje flytende matestrøm og en tredje damp-matestrøm, avkjøling av nevnte tredje dampmatestrøm og inn-føring av nevnte andre og tredje flytende matestrøm og nevnte tredje dampmatestrøm til nevnte ene destillasjonskolonne i etter hvert stadig koldere avsnitt.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3,karakterisert ved at råstoffet inneholder karbondioksyd i en mengde over 100 ppm pr. volum.