NO161088B - Fremgangsmaate for avkjoeling av en multikomponent gasstroemsamt en innretning for gjennomfoering av fremgangsmaaten. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for avkjøling av en multikomponent gasstrøm inneholdende varierende mengder av komponentene idet gasstrømmen føres i et varmevekslingsforhold med en fluid kjølestrøm for å kondensere i det minste en del av multikomponent gasstrømmen.

Oppfinnelsen angår også en innretning for gjennomføring av denne fremgangsmåte.

Tidligere ble nitrogengjenvinning fra naturgass begrenset til et naturlig forekommende nitrogeninnhold og således en i det vesentlige konstant matesammensetning. Nyere metoder for tertiær oljeutvinning ved bruk av nitrogeninjiserings-utvinningskonsepter nødvendiggjør imidlertid nitrogengjenvin-ningsenheter som kan behandle en mategasstrøm med sterkt varierende sammensetning på grunn av at den ledsagende gass fra brønnen blir fortynnet av økende mengder injisert nitrogen etterhvert som prosjektet fortsetter. For å selge denne gass må nitrogen fjernes fordi nitrogen reduserer gassvarmeverdien. Disse nitrogengjenvinningsprosesser benytter karakteristisk varmevekslere for å bevirke kjøling av naturgassmatestrømmen.

Motstrøms varmeveksling er i dag i bruk i kryogene prosesser fordi prosessene relativt er mere energieffektive enn tver-rstrøms varmeveksling. Varmevekslere av plate-finne typen som vanligvis benyttes i disse prosesser kan anordnes i arrangementer enten med "kold-ende opp" eller "kold-ende ned". Når tofasevarmeveksling, det vil si partiell kondensering, gjennomføres er en mulighet å benytte et arrangement med den kolde ende opp fordi "sump-koking" kan opptre i et kold-ende ned arrangement når en av kjølestrømmene omfatter mange komponenter. Sump-koking reduserer varmeover-gangsytelsen for varmeveksleren. Derfor er et arrangement med den kolde ende opp foretrukket. Konstruksjonen av slike vekslere med den kolde ende opp må sikre at hastigheten for dampfaseen på ethvert punkt 1 veksleren er høy nok til å føre med væskefasen og å unngå intern resirkulering, det vil si væsketilbakeblanding, noe som også reduserer varmeoverfør-ingsytelsen for vekslingen.

Imidlertid er i visse prosesser slik typiske vekslere med den kolde ende opp ikke tilstrekkelige. Det er spesielt problemer i varmevekslingssituasjoner forbundet med kryogene anlegg for rensing av naturgass med et meget variabelt nitrogeninnhold. ,. En slik ting i et nitrogengjenvinningsanlegg der konvensjonell varmevekslingsteknologi er utilstrek-kelig, involverer en riaturgassmatestrøm som må være totalt kondensert ved en matesammensetning i de tidlige år men som kun må være partielt kondensert i de senere år når nitrogeninnholdet i naturgasstrømmen er meget høyere. Etter hvert som nitrogeninnholdet øket med årene går den avkjølte naturgasstrøm fra en totalt kondensert strøm til en tofase avkjølt strøm der fraksjonen av dampfasen øker med tiden. I slike nitrogengjenvinningsanlegg er det ingen damp for overføring av væske som i tidlige år slik at bruken av et konvensjonelt varmevekslingsanlegg med den kolde ende opp er problematisk.

En vanlig fagmann på den kryogene teknikk kan velge blant et stort antall varmevekslere slik som f. eks. skrueformet viklede vekslere, skall og rørvekslere, platevekslere og andre.

Illustrerende på de tallrike patenter som viser varmevekslere

i

med en serpentinvei for minst et fluid i varmevekslingsfor-bindelse med et annet fluid er US-PS 2 869 835, 3 225 824, 3 397 460, 3 731 736, 3 907 032 og 4 282 927. Ingen av disse patenter(beskriver bruken av en serpentin-varmeveksler for å løse problemet med væsketilbakeblanding I forbindelse med

varmevekslere for avkjøling av en naturgassmatestrøm med variabelt innhold i et nitrogenutvinningsanlegg.

US-PS 2 940 271 beskriver bruken av rørvarmevekslere i et prosesskjema for separering av nitrogen fra naturgass. Det nevnes intet om problemene i forbindelse med avkjøling av en multikomponentgasstrøm med variabelt innhold.

US-PS 4 128 410 beskriver et gassbehandlingsanlegg som benytter eksternkjøling for å avkjøle en høytrykks natur-gasstrøm ved hjelp av en serpentinvarmeveksler med den kolde enden ned. Fordi kjølemidlet ekstraherer varme fra natur-gasstrømmen når kjølemidlet beveger seg gjennom serpentin bevegelsesveien i varmeveksleren, er det ikke noe problem med en tofase oppover kondenserende krets.

IS-PS 4 201 263 beskriver en fordamper for koking av kjølemiddel for å avkjøle strømmende vann eller andre væsker. Fordamperen bruker en sinusformet vei bestående av flere passasjer på vannsiden av veksleren hvori hver suksessive passasje har et mindre areal, slik at hastigheten for vannet økes fra den første til den siste passasje.

Serpentin-varmevekslere har også vært brukt i luftseparer-ingsprosesser som enkeltfase underkjøler, dette for avkjøling av en flytende strøm til en lavere temperatur uten til-bakeblandlng på grunn av densitetsdifferanser. En annen anvendelse medfører overkritisk nitrogenmateavkjøling i et nitrogenvaskeanlegg over et område med vesentlig forandringn i fluiddensiteten.

Foreliggende oppfinnelse omfatter anvendelse av serpentin-varmeveksling for å overvinne problemet med væskefase medføring i forbindelse med avkjøling av en multikomponent gasstrøm med variabelt forhold i oppadrettet strøm.

I henhold til dette! angår foreliggende oppfinnelse en fremstilling av nitrogen ved avkjøling av en multikomponent gasstrøm, inneholdende varierende mengder av nitrogen, metan og etan hvori gasstrømmen føres i et varmevekslingforhold med en fluid kjølestrøm for å kondensere i det minste en del av multikomponentgasstrømmen, og denne fremgangsmåte karakteriseres ved at

multikomponentstrømmen, for å opprettholde tilførstel av den kondenserte fase uten tilbakeblanding av denne over saramen-setningsområdet for multikomponentgasstrømmen, føres i en serpentinbevegelse gjennom en varmeveksler omfattende en serie horisontale gjennomføringer, at tverrsnittsarealet for minst en horisontal gjennomføring nærmere den kolde ende er mindre enn tverrsnittsarealet for de horisontale gjenn-omføringer nærmere den varme ende, samt at

serpentinbevegelsesveien befinner seg i varmevekslingsforhold med den kolde ende opp med den fluide kjølestrøm.

I tillegg til dette angår oppfinnelsen også en nitrogensepareringsenhet for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1 og 2, omfattende

en varmeveksler for avkjøling av en nitrogenholdig natur-gasstrøm mot et kjølemiddel, og

en dobbelt destillasjonskolonne med en høytrykksdestilla-sjonssone og en lavtrykksdestillasjonssone for separering av den avkjølte naturgasstrøm fra varmeveksleren til en nitrogenstrøm og en metanstrøm, og denne enhet karakteriseres ved at den omfatter

en varmeveksler med den kolde ende opp med en serpentinbevegelsesvei for naturgasstrømmen for avkjøling og kondensering av i det minste en del av naturgasstrømmen i en total oppadgående strøm mot nitrogenstrømmen eller metan-strømmen, hvilken serpentinbevegelsesvei omfatter en serie horisontale passasjer adskilt av horisontale skiller og alternerende forbundet av omløp ved hver ende,

at tverrsnittsarealet for minst en horisontal passasje nærmere den kolde ende er mindre enn tverrsnittsarealet for

de horisontale passasjer nær den varme ende, slik at oppfølging av den kondenserte fase av naturgasstrømmen opprettholdes uten tilbakeblanding av kondensert fase.

Den angitte fremgangsmåte omfatter således å føre multikomponent-gasstrømmen gjennom en varmeveksler med den kolde ende opp med en serpentinbevegelsesvei for multikomponentgasstrøm-men omfattende en serie horisontale passasjer der tverrsnittsarealet for minst en horisontal passasje nærmere den kolde ende er mindre enn tverrsnittsarealet for en horisontal passasje nærmere den varme ende. Denne metode gir en oppoverrettet stabil strøm, spesielt to-fasestrøm, over hele gasstrømmens sammensetningsområde.

I det minste en kjølemiddelstrøm passerer gjennom varmeveksleren i tverr- eller motstrøm for å bevirke indirekte varmeoverføring.

Slike serpentin-varmevekslere bygger opp trykktap for en oppoverrettet bevegelig strøm og sikrer at oppoverrettet stabilitet kan oppnås på alle punkter 1 veksleren uansett hvorvidt den avkjølte multikomponentgass-strøm i det vesentlige totalt er kondensert eller omfatter forskjellige mengder gassfase og væskefase.

Ved hjelp av serpentinkonstruksjonen tvinges multikom-ponentstrømmen alternerende på tvers og tilbake 1 ring fra en horisontal tverrvei til den neste. Disse omdrelningsbevegel-ser tillater høy hastighet og høyt lokalt trykkfall for å sikre at væske fra en tverrvei ikke strømmer tilbake til tverrveien nedenfor. Ved således å bytte ekstra trykkfall i multikomponentgasstrømmen etterhvert som den beveger seg oppover gjennom varmeveksleren slipper man problemene i forbindelse med overføring av flytende fase.

Eksempler på gasstrømmer som kan avkjøles !'i henhold til fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen omfatter multikomponent naturgasstrømmer omfattende metan, etan, og eventuelt andre lette hydrokarboner med varierende mengder av nitrogen i området opp til 90#. Nitrogeninnholdet kan på et gitt punkt være nær null.

i

Andre eksempler kan nevnes slik som behandling av petro-kjemiske eller raffinerigassblandinger omfattende metan og andre lette hydrokarboner med varierbare mengder hydrogen i området fra ca. 20% og opp til 9096. En fremgangsmåte for gjenvinning av et hydrogenrikt dampprodukt ved partiell kondensasjon av hydrokarbonene kan andelen av kondensert flytende fase variere i henhold til hydrokarboninnholdet for mateblandingen. Variasjonen kan være cyklisk eller tilfeldig avhengig av mategassens kilde. En varmeveksler av serpen-tinkonstruksjon vil unngå problemet i forbindelse med overføring av flytende fase.

i

Oppfinnelsen skal illustreres under henvisning til tegningene der Fig.Hi er et flytskjema av en utførelsesform av oppfinnelsen anvendt på et nitrogengjenvinningsanlegg; og

Fig. 2 er et perspektivriss, delvis i snitt, som

viser den indre struktur av en foretrukket serpentin-varmeveksler for oppfinnelsens fremgangsmåte anvendt på nitrogengjenvin-ningsanlegget ifølge fig. 1.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan anvendes på en kryogen nitrogengjenvinningsprosess for en naturgassmatestrøm med et innhold av nitrogen, hvilken fremgangsmåte omfatter å avkjøle naturgassmatestrømmen gjennom varmeveksling med en fluid kjølemiddelstrøm for å oppnå en avkjølt matestrøm som, avhengig av naturmatestrømmens sammensetning, i det vesentlige er kondensert eller omfatter forskjellige mengder dampfase og væskefase. Den avkjølte matestrøm separeres deretter i en spillnitrogenstrøm og en metanproduktstrøm, f. eks. i en dobbeltkolonne-destillasjonsprosess.

Serpentinvarmevekslingstilstander tilveiebringes for den tofasekondenserende oppoverrettede strømningskrets i den kryogene prosess for nitrogengjenvinning fra naturgass. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen tilveiebringer avkjøling av en naturgassmatestrøm inneholdende varierende mengder av metan, nitrogen og etan og høyere hydrokarboner og omfatter å føre naturgassmatestrømmen gjennom en varmeveksler med den kolde ende opp og med en serpentinbevegelsesvei for mate-strømmen omfattende en serie horisontale passasjer adskilt av horisontale dele-elementer og alternerende forbundet ved snupassasjer i hver ende i det tverrsnittsarealet for horisontale passasjer nær den kolde ende er mindre enn tverrsnittsarealet for horisontale passasjer nær den varme ende slik at oppføring av kondensert fase bibeholdes uten at væskefase blandes tilbake. Naturgassmatestrømmen avkjøles ved et overføringsforhold med i det minste ett fluid kjølemiddel som kan føres i motstrøm eller tverrstrøm i forhold til den totale strømning for matestrømmen.

Det er vesentlig at tverrsnittsarealet for de horisontale tverrpassasjer er som beskrevet ovenfor for å oppnå tilstrek-kelig trykkfall til å forhindre tilbakeblanding for den situasjon når det foreligger total kondensering mens man minimaliserer trykktapet når det gjelder partiell kondensasjon.

I en varmeveksler hvori tverrsnittet for serpentinbevegelsesveien er et rektangel og dybden av veien er konstant er det høyden av den horisontale passasje nær den koldere ende som må være mindre enn høyden av den horisontale passasje nær den varmere ende. Således brukes nedenfor uttrykket "tverrsnittsareal" eller "høyde" for å illustrere dette fenomen. Som et resultat eliminerer bruken av en serpentlnvarmeveksler for avkjøling av naturgassmatestrømmen i et nitrogen gjenvinningsanlegg behovet for å plassere en konvensjonell plate-finne varmeveksler i en konfigurasjon med den kolde ende ned eller tverrstrøm, noe som er ufordelaktig. En konfigurasjon med den kolde ende ned ville resultere i en mindre effektiv prosess som et resultat av oppføring av flytende fase og tilbakeblanding i kjølestrømmen. Således resulterer fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen i en større effektivitet og anvendelighet for naturgassbehandlingsanlegg for nitrogengjenvinning.

Et anlegg for behandliing av en naturgasstrøm Inneholdende metan, nitrogen og etan og eventuelt andre lette høyere hydrokarboner i varierende mengder og som omfatter oppfinnelsens fremgangsmåte skal beskrives under henvisning til figur 1. Naturgassmatestrømmen i linjen 10 er allerede til å begynne med behandlet 1 et vanlig dehydratiserings- og karbondioksydfjerningstrinn for å tilveiebringe en tørr mategass inneholdende karbondioksyd i en mengde som ikke forårsaker utfrysing på overflaten av prosessutstyret. Naturgassmatestrømmen i rørledning 10 ved ca. 41°C og 28 atmosfærer føres gjennom varmeveksleren 12 der den partielt kondenseres for å tilveiebringe strømmen 14 inneholdende damp- og væskefase. I separatoren 16 blir disse faser separert for å tilveiebringe en dampfasestrøm 18 omfattende nitrogen, metan, etan og eventuelt etan + hydrokarboner mens kondensert strøm 20 omfatter noe av etan + hydrokarbonene som var tilstede i naturgassmatestrømmen.

Dampfasestrømmen 18 avkjøles i serpentinvarmeveksleren 22 gjennom et varmevekslingsforhold mot metanproduktstrøm 52, nitrogenspillstrøm 56 og høytrykks nitrogenstrøm 58. Nitrogen- og metanhoidig dampstrøm 18 beveger seg i den sinusformede bevegelsesvei for serpentinvarmeveksleren 22 med kold-ende øverst, beskrevet i større detalj nedenfor, og trer ut som avkjølt matestrøm 24 for separering i nitrogen- og i metankomponenter i en konvensjonell dobbeltdestillasjonsko-lonne 26 som omfatter en høytrykksdestillasjonssone 28 og en lavtrykksdestillasjonssone 30. Den avkjølte matestrøm 24 trer inn i høytrykksdestillasjonssone 28 nær sumpen og separeres I en metanrik bunnstrøm og en nitrpgenrik topp-strøm. Bunnstrømmen 32 trekkes av fra høytrykksdestilla-sjonssonen 28 og chargeres til lavtrykksdestillasjonssonen 30 på et mellomliggende nivå 34 etter å ha vært avkjølt ved føring gjennom varmeveksleren 36 og ekspandert til lavere trykk. Nitrogentoppstrømmen fra høytrykkskolonnen 28 føres via rørledning 38 gjennom varmeveksleren 40 som virker som omkoker/kondensator.

I varmeveksleren 40 blir varmeverdien som oppgis av nitrogen-toppstrømmen i rørlednig 38 benyttet for å koke om igjen bunnstrømmen 42 som trekkes av fra lavtrykksdestillasjonssonen 30. Ved avkjølt nitrogentoppstrøm fra varmeveksleren 40 inneholder kondensat som transporteres i rørledning 44 tilbake til toppen av høytrykksdestilla-sjonssonen 28 som tilbakeløp. En andel av det kondenserte nitrogen fra rørledning 44 føres via rørledning 46 for ytterligere avkjøling i varmeveksleren 48 med etterfølgende ekspandering og innblåsing i toppen av lavtrykksdestillasjonssonen 30.

Lavtrykksdestillasjonssonen 30 opereres for å tilveiebringe et flytende metan bunnprodukt og et topprodukt som i det vesentlige er nitrogen. Omkoking av bunnproduktet tilveiebringes ved å trekke av en bunnstrøm i linje 42 og føre denne gjennom varmeveksleren 40 der den absorberer varme fra nitrogentoppstrømmen i rørledning 38 fra høytrykksdestilla-sjonssonen 28. Den partielt fordampede bunnstrøm 50 trer igjen inn I lavtrykksdestillasjonssonen 30 som omkok. En flytende metanproduktstrøm 52 trekkes av fra bunnen av lavtrykksdestillasjonssonen 30 og føres gjennom pumpen 54 for flytende metan. Den flytende metanstrøm pumpes i rørledning 52 gjennom varmeveksler 36, 22 og 12 hvori strømmen oppvarmes for å tilveiebringe en metanproduktstrøm. Det kolde nitrogentopprodukt fra lavtrykksdestillasjonssonen 30 føres i rørledning 56 som avgass gjennom varmeveksleren 48 der den oppvarmes ved absorbsjon av varme fra det kondenserte nitrogentopprodukt fra høytrykksdestillasjonskolonnen 28. Nitrogenavgassen I rørledning 56 oppvarmes ytterligere ved etter hverandre følgende passasje gjennom varmevekslere 36, 22 og 12 for å tilveiebringe avkjøling for prosessen hvorved den avvises til atmosfæren eller eventuelt blåses inn igjen i en brønn.

Når naturgasstrømmen omfatter ca. 3396 eller mer nitrogen oppvarmes overskytende nitrogendamp i rørledning 58 som forgrenes av fra rørledning 38 fra høytrykksdestilla-sjonskolonnen 28 ved passasje gjennom varmevekslere 36 og 22 og ekspanderes deretter gjennom nitrogenekspanderen 60 for å tilveiebringe koldendeavkjøling for dobbeltdestillasjons-kolonnen 26. Lavtrykksutslippet i rørledning 62 fra nitrogenekspanderen 60 kombineres med i det vesentlige ren nitrogen i rørledning 56 fra toppen av lavtrykksdestillasjonssonen 30 for å utgjøre nitrogenspillstrømmen.

Figur 2 viser en foretrukket serpentinvarmeveksler for bruk i den ovenfor beskrevne nitrogengjenvinningsprosess.

Som vist i figur 2 er varmeveksleren i det vesentlige rektangulær med et antall vertikale parallelle plater 70 med i det vesentlige de samme dimensjoner som front- og bakveg-gene 72 anordnet il varmeveksleren over hele lengden av sideveggene 74. Det er foretrukket at platene 70 er av et metall slik som aluminium med gode varmeoverføringskarak-teristika og istand til å motstå lave temperaturer. Over toppen av varmeveksleren i hele dybden er toppveggen 75 og to parallelle tunnelformede manifolder 78 og 80, nitrogenutluft-ingsmanifolden og metanproduktmanifolden. Videre over toppen av hver sidevegg 74 ligger høytrykksnitrogenmanifolden 76 og manifolden 108 for avkjølt matestrømutløp, de to sistnevnte ved siden av manifoldene 80 henholdsvis 78.

I rommet mellom noen av de vertikale plater 70 er det korrugerte metalliske innlegg 82 med kantene forløpende vertikalt gjennom varmeveksleren. I rommet mellom andre plater 70 er det korrugerte innlegg 84 med kantene horison-talt gjennom varmeveksleren. Innleggene 82 og 84 kan omfatte plateflnne slik som perforerte, foldede eller fiskebensmønst-rede platefinner. Innleggene 82 og 84 er I alternerende rom mellom platene 70 1 hver vertikal del av varmeveksleren 22. Innleggene virker som fordelere for fluid som strømmer gjennom varmeveksleren og understøtter ledning av varme til eller fra platene 70. Avstengning av rommene mellom de vertikale plater 70 som ikke inneholder innlegg 82 skjer ved deksler 85. Selv om det ikke er vist i figur 2 kan vertikale innlegg 82 også omfatte en fordelingsdel som tilveiebringer de diagonale bevegelsesveler som fører fra manifolden 76, 78 og 80 og som sprer seg over hele vidden av rommet mellom platene 70 for derved å fordele matestrømmene fra manifoldene gjennom breddene av veksleren. Alternerende strekker det seg fra hver sidevegg 74 gjennom mesteparten av rommet mellom platene 70 hvori det er innlegg 84 horisontale fordelere 86 som fører naturgassmatestrømmen gjennom varmeveksleren i en serie horisontale passasjer slik det skal beskrives nedenfor.

Avstanden mellom toppveggen 75 og den horisontale fordeler 86 som definerer den øverste horisontale passasje 106, det vil si passasjene nærmest koldenden, er mindre enn avstanden mellom de nederste to horisontale fordelere 86 som definerer den horisontale passasje nærmest varmenden. Den øverste horisontale bevegelsesvei 106 for serpentin-bevegelsesveien munner i matestrømsutløpsmanlfolden 108 som er forbundet med rørledning 24. Av de totale horisontale passasjer som utgjør serpentinbevegelsesveien er ca. 50S6 av de horisontale passasjer av mindre høyde og nærmere koldenden. >

I den nedre ende av varmeveksleren er det en matestrøm manlfold 94 som retter naturgassmatestrømmen til kjøledelen 96 forbundet med den sinusformede bevegelsesvei, generelt angitt som 98, i sin nedre varmende, det vil si oppstrøms den sinusformede bevegelsesvei. Kjøledelen 96 omfatter alternerende rom mellom platene 70 med fordelerfinner eller plater 100 som forbinder innløpsmatestrømmanifolden 94 med vertikale innlegg 101 i kjøledelen 96, og fordelerplater 102 som forbinder vertikale innlegg 101 med den første Indre omsnuingsdel 103 Inneholdende vertikale plater 104. Vertikale plater 104 omfatter platefinner som fortrinnsvis er perforerte. Således tilveiebringes det en i det vesentlige vertikal kjølebevegelsesvei for naturgassmatestrømmen 18 før den trer inn i serpentindelen der kondensasjonen skjer.

En metanprodukt-utløpsmanifold 110 over bunnen av varmeveksleren tetter mot sideveggen og bunnen av varmeveksleren. Metanproduktstrømmen avgis for oppvarming i varmeveksleren gjennom rørledning 52 fra den dobbelte destillasjonskolonne til de rom mellom platene 70 med innlegg 82 som tillater strømning vertikalt fra innløpsmanifolden 80 til utløpsmani-folden 110.

Naturmategassen trer inn i varmeveksleren gjennom rørledning 18 og manifolden 94 og strømmer gjennom rommene mellom platene 70 der det eri fordelerfinner 100, vertikale innlegg 101, fordelingsfinner 102, vertikale innlegg 104 i omsnuings-delene 103, og med horisontale kanter utstyrte innlegg 84. Matestrømmen strømmer diagonalt oppover på kryss av varmeveksleren mellom fordelingsfinnene 100, deretter vertikalt gjennom vertikale innlegg 101 og diagonalt oppover igjen mellom fordelingsfInner 102 til den første eller laveste omsnuingsdel 103. Fordi de vertikale Innlegg 104 i hver omsnuingsdel 103 i vinkel står i forbindelse med de horisontale innlegg £4 er virkningen på matestrømmen å reversere dens horisontale strømningsretning i hver omsnuingsdel 103 under en samtidig vertikal fremadskridende bevegelse. Således er den totale strømning for natur-gassmatestrømmen vertikal fra rørledning 18 til rørledning 24 og er motstrøms strømmen av metanprodukt og spillnitrogen men den vertikale strøm gjennomføres delvis i en serie horisontale passasjer 106 på krysstrømningsvis.

Spillnitrogen 56 fra lavtrykkssonen 30 strømmer til manifolden 78 og nedover gjennom rom med vertikalribbede innlegg 82 mellom platene 70 og slippes ut som nitrogenavgass eller blåses inn igjen i en brønn. Fordi den totale strømning av matestrømmen skjer vertikalt oppover, strømmer spillnitrogen-gassen og matestrømmen motstrøms gjennom varmeveksleren. På samme måte strømmer metanproduktstrømmen fra lavtrykkssonen 30 fra manifolden 80 nedover gjennom veksleren og som et resultat er denne strøm "også motstrøms matestrømmen. Hvis nitrogeninnholdet i matestrømmen er over ca. 33# i dette eksempel kommer en høytrykks nitrogenstrøm i rørledning 58 inn i varmeveksleren via manifolden 76 og strømmer nedover gjennom rommene mellom platene 70 hvori det er vertikale stive innlegg 82. Matestrømmen trekker derfor ut varmen fra metanproduktstrømmen, spillnitrogenstrømmen og høytrykks-nitrogenstrømmen for å redusere temperaturen fra temperaturen i rørledning 18 til temperaturen i rørledning 24.

Av vesentlig viktighet for oppfinnelsen er høydene på de horisontale eller tverrpassasjene 106. Høyden på minst en horisontal passasje 160 definert av horisontale deler 86 ved koldenden må være mindre enn høyden av de horisontale passasjer 106 nærmere varmenden. Av det totale antall horisontale passasjer som utgjør serpentin-bevegelsesveien har fortrinnsvis 25-75$ en mindre høyde mot koldenden. Høyden av de mindre horisontale passasjer kan være 25-7556 av høyden til de større horisontale passasjer, fortrinnsvis 40-605É.

Slik det vil være klart for fagmannen vil en invertering av den ovenfor beskrevne serpentin-varmeveksler tillate koking av en multikomponentkjølestrøm i et oppadstrømningsskjema, det vil si med koldenden ned. Imidlertid vil mangelen som oppstår på grunn av høyt serpentintrykktap -i en lavtrykks kjølestrøm med koldenden ned være alvorligere enn i en høytrykks matestrøm som ér med koldenden opp.

I de følgende eksempler <p>g som viser nitrogenutvinning fra en naturgasstrøm med variabelt innhold og forskjellig nitrogen-konsentrasJoner ble de viste data beregnet på en serpentin-varmeveksler som vist i figur 2 med en total lengde på ca. 600 cm (delt likt mellom serpentinavdelingen 98 og avkjøl-ingsdelen 96) og med en bredde på ca. 90 cm og en stablehøyde på ca. 120 cm. Serpentlnbevegelsesveien omfatter 24 sinusformede passasjer mellom platene 70 der hver sinusformede varmeveksler som vist i figur 2 med en total lengde på ca. 600 cm (delt likt mellom serpentinavdelingen 98 og avkjølingsdelen 96) og 'med en bredde på ca. 90 cm og en stablehøyde på ca. 120 cm. Serpentlnbevegelsesveien omfatter 24 sinusformede passasjer mellom platene 70 der hver sinusformede passasje har 8 horisontale passasjer hvorved de øvre firei er ca. 22 cm høye og de gjenværende fire er ca. 48 cm høye, det vil si at de øvre fire passasjer er ca. 50$ av høyden til de fire lavere passasjer.

Antallet vertikale passasjer mellom platene 70 tilveiebragt i varmeveksleren for de tre kjølestrømmer er de følgende: 54 passasjer for metanproduktstrømmen 52, 42 passasjer for nitrogenavluftingstrømmen 56 og 12 passasjer for høytrykks-nitrogenstrømmen 58. Det skal være klart at de vertikale passasjer for høytrykksnitrogenstrømmen ikke løper hele høyden av varmeveksleren men slutter ca. 182 cm fra toppen.

Eksempel 1.

I tabell 1 finnes de kalkulerte totale balanser tilsvarende varme- og materialbalansepunktene A, B, D, E, F og H som angitt i figur 1. I dette tilfelle inneholder naturgassmate-strømmen ca. 21$ nitrogen slik at hele matestrømmen kondenseres i serpentin-varmeveksleren og det er ingen høytrykks nitrogenstrøm 58.

Eksempel 2.

I dette tilfelle inneholder naturgassmatestrømmen ca. 45$ nitrogen, noe som resulterte i at en tofase matestrøm forelå i serpentinvarmeveksleren. Tabell 2 viser de beregnede totale varme- og materialbalanser for punktene A-B.

Eksempel 3.

Dette eksempel viser dannelsen av en to-fase avkjølt matestrøm fra serpentinvarmeveksleren der naturgassmatestrøm-men har et meget høyt nitrogeninnhold lpå ca. 75$. Tabell 3 gir de beregnede totale .varme- og materialbalanser for de angitte punkter.

Fra den ovenfor angitte beskrivelse av en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen for avkjøling av en multikom-ponentgasstrøm med variabelt innhold for å tilveiebringe i det minste en kondensert fase, fremgår det at det beskrives en metode for å tilveiebringe det nødvendige trykkfall og den minimale gasshastighet for å gjennomføre kondensert fase oppover gjennom en koldende oppvarmeveksler med minst en kjølefluidstrøm. Ved anvendelse av serpentinvarmevekslere med den kolde ende opp og med sinusformet bevegelsesvei for multikomponentgasstrømmen som skal avkjøles, oppstår problemet med oppoverførlng kun i omsnuingspassasjene og ikke i de horisontale passasjer, noe som reduserer dette problem til kun en liten del av den totale kjølebevegelsesvei der kondensasjon opptrer, noe som gjør at man kan takle problemet. Som en ytterligere fordel ved serpentinvarmeveksleren slik den er vist og beskrevet ovenfor bevirkes det en preliminær avkjøling av multikomponentgasstrømmen i de vertikale passasjer før inngang i serpentindelen av varmeveksleren .

Oppfinnelsen tilveiebringer således en fremgangsmåte for å opprettholde oppadrettet stabilitet i en multikomponent gasstrøm når denne avkjøles ved varmeveksling med den kolde ende opp med en kjølestrøm hvorved tilbakestrøm av kondensat unngås. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen har spesielt anvendelse på avkjøling av en naturgassmatestrøm med variabelt innhold for å separere nitrogen.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av nitrogen ved avkjøling av en multikomponent gasstrøm inneholdende varierende mengder av nitrogen, metan og etan hvori gasstrømmen føres i et varmevekslingsforhold med en fluid kjølestrøm for å kondensere I det minste en del av multikomponentgasstrømmen, karakterisert ved at multlkomponentstrømmen, for å opprettholde tilførsel av den kondenserte fase uten tilbakeblanding av denne over sammensetningsområdet for multikomponentgasstrømmen, føres i en serpentinbevegelse gjennom en varmeveksler omfattende en serie horisontale gjennomføringer, at tverrsnittsarealet for minst en horisontal gjennomfør-ing nærmere den kolde ende er mindre enn tverrsnittsarealet for de horisontale gjennomføringer nærmere den varme ende, samt at serpentlnbevegelsesveien befinner seg i varmevekslingsforhold med den kolde ende opp med den fluide kjøle-strøm.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at multigasstrømmen først kjøres gjennom en kjøledel med vertikale passasjer . i varmevekslingsforhold med den fluide kjølestrøm, og at multikomponentgasstrømmen føres fra utløpet av kjøledelen til den varme ende av serpentlnbevegelsesveien.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at man som multikomponentgasstrøm benytter en naturgassmatestrøm inneholdende nitrogen, metan, etan og lette etan + hydrokarboner.

4. Nitrogensepareringsenhet til utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1-3 omfattende en varmeveksler for avkjøling av en nitrogenholdig naturgasstrøm mot et kjølemiddel, og en dobbelt destillasjonskolonne (26) med en høytrykks-destillasjonssone (28) og en lavtrykksdestillasjonssone (30) for separering av den avkjølte naturgasstrøm fra varmeveksleren til en nitrogenstrøm og en metanstrøm, karakterisert ved en varmeveksler (22) med den kolde ende opp med en serpentinbevegelsesvei for naturgasstrømmen for avkjøling og kondensering av i det minste en del av naturgasstrømmen 1 en total oppadgående strøm mot nitrogenstrømmen eller metanstrømmen, hvilken serpentinbevegelsesvei omfatter en serie horisontale passasjer (106) adskilt av horisontale skiller (86) og alternerende forbundet av omløp ved hver ende, at tverrsnittsarealet for minst en horisontal passasje nærmere den kolde ende er mindre enn tverrsnittsarealet for de horisontale passasjer nær den varme ende, slik at oppfølging av den kondenserte fase av naturgasstrøm-men opprettholdes uten tilbakeblanding av kondensert fase.

5. Enhet ifølge krav 4,karakterisert ved at antallet horisontale passasjer nærmere den kolde ende med mindre tverrsnittsareal omfatter 25 - 75$ av det totale antall horisontale passasjer.

6. Enhet ifølge kravene 4 og 5,karakterisert ved at minst en horisontal passasje nærmere den kolde ende er 25-75$ av tverrsnittsarealet for de horisontale passasjer nærmere den varme ende.