NO162532B - Fremgangsm te og apparatur for avkjoeling og kondensv en i det vesentlige enkomponent-gasstroem. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for avkjøling og kondensering av en i det vesentlige en-komporient gass-strøm som i tillegg inneholder nitrogen, metan og etan+-hydrokarboner, omfattende kryogent å separere naturgass-strømmen i minst en hydrokarbonstrøm og en nitrogenstrøm og å tilveiebringe avkjøling for prosessen ved hjelp av en metanvarmepumpecyklus som omfatter å komprimere en metan-strøm, avkjøle den komprimerte metanstrøm ved varmeveksling med en fordampende multikomponent-hydrokarbonstrøm for i det vesentlige totalt å kondensere metanstrømmen, ekspandering av den kondenserte metanstrøm og oppvarming av ekspandert metanstrøm for å tilveiebringe avkjøling.

Oppfinnelsen angår også en nitrogen-gjenvinningsenhet for gjennomføring av fremgangsmåten som nevnt ovenfor med midler for avkjøling og kondensering av en strøm i det vesentlige omfattende en fraksjoneringskolonne for separering av en naturgass-matestrøm i en hydrokarbon-bunnstrøm. Nitrogen-gjenvinningsenhet for gjennomføring av fremgangsmåten ifølge krav 1 med midler for avkjøling og kondensering av en gass-strøm i det vesentlige omfattende metan, en f raksjonerings-kolonne for separering av en naturgass matestrøm i en hydrokarbon-bunnstrøm og en nitrogen- og metan-toppstrøm, en dobbelt destillasjonskolonne omfattende en høytrykks-destillasjonssone og en lavtrykks-desti1lasjonssone for separering av toppstrømmen fra fraksjonsdestillasjonskolonnen i en nitrogenstrøm og en metanstrøm, og en metan varmepumpecyklus for å tilveiebringe avkjøling for enheten.

Tidligere ble nitrogengjenvinning fra naturgass begrenset til et naturlig forekommende nitrogeninnhold og således til en i det vesentlige konstant matesammensetning. Nyere metoder for tertiær oljeutvinning ved bruk av nitrogeninjiserings-utvinningskonsepter nødvendiggjør imidlertid nitrogenut-vinningsenheter som kan behandle en mategass-strøm med sterkt varierende sammensetning på grunn av at den ledsagende gass fra brønnen blir fortynnet av økende mengder injisert nitrogen efterhvert som prosjektet fortsetter. For å selge denne gass må nitrogen fjernes fordi nitrogen reduserer gassvarmeverdien. Disse nitrogengjenvinningsprosesser kan omfatte en metanvarmepurnpecyklus for å tilveiebringe av-kjøling for prosessen og vil karakteristisk benytte konven-sjonelle varmevekslere for å kondensere metangass-strømmen.

Motstrøms varmeveksling er idag i bruk i kryogene prosesser fordi prosessene er relativt mere energieffektive enn tverrstrøms 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 tofase varmeveksling, det vil si partiell kondensering, gjennomføres, er en tilnærmelse 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 det på et hvert punkt i veksleren er en hastighet for dampfasen høy nok til å føre med væskefasen og å unngå intern resirkulering, det vil si væsketilbakeblanding, noe som også reduserer varmeover-føringsytelsen for vekslingen.

Imidlertid er i slike prosesser slike typiske vekslere med den kolde ende opp ikke tilstrekkelige. Det, foreligger spesielle problemer i varmevekslingssituasjoner forbundet med kryogene anlegg for rensing av naturgass med et meget variabelt nitrogeninnhold. En slik ting i et nitrogenut-vinningsanlegg, der konvensjonell varmevekslingsteknologi er utilstrekkelig, medfører innarbeiding av en metanvarmepurnpecyklus i en prosess for behandling av en naturgassmatestrøm med et varierbart nitrogeninnhold. Metantilbakeføringen må være i det vesentlige totalt kondensert i motstrømsvarme-veksling med en multikomponent fordampende hydrokarbonstrøm. Efter hvert som nitrogeninnholdet øket i løpet av årene forandres innløps- og utløpstemperaturene for varmeveksleren der metanreturstrømmen kondenseres. I tillegg forandres strømningshastighet, trykk, temperatur og sammensetning for fordampende hydrokarbonstrøm efterhvert som matesammenset-ningen progressivt blir nitrogenrikere. Disse forandringer påvirker de relative posisjoner i varmeveksleren som benyttes for avkjøling, kondensering og underkjøl ing av metanretur-strømmen. Fordi det ikke er noen damp for overføring av metanvæske efter at tilbakeføringsstrømmen er kondensert, er konstruksjonen av en operativ, effektiv varmeveksler med den kolde ende opp problematisk.

For å unngå stabilitetsproblemer i oppadgående retning, problemer som er karakteristiske for vekslere med den kolde ende opp, har fagfolk i denne teknikk benyttet en tilnærmelse med den kolde ende ned. Dette fjernet vanskeligheten med overføring av kondensert væske ved forskjellige varmeveksler-driftsbetingelser. Imidlertid består de fordampende strømmer i varmevekslere som sørger for kondenseringen av minst en multikomponent hydrokarbonstrøm som har en tendens til "sump-koking" i konstruksjoner med den kolde ende ned. Denne "sump-koking"-virkning tenderer til å varme opp multikomponent-strømmen i den koldeste del av varmeveksleren. For å over-vinne denne virkning må trykket i returstrømmen nødvendigvis reduseres, noe som resulterer i ytterligere kompresjonskrav og øket kraftforbruk.

Betingelsene som endrer seg når det gjelder fordampende multikomponentstrømmer gjør konstruksjonen av vekslere med den kolde ende ned problematisk.

En fagmann på området kryogen teknikk kan velge blant et stort antall varmevekslere slik som for eksempel skrueformet viklede vekslere, skall- og rørvekslere, platevekslere og andre.

Illustrerende for de tallrike patenter som viser varmevekslere med en serpentinvei for minst ett fluid i varme-vekslingsforbindelse 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 serpentln-varmeveksler for å løse problemet med væsketilbakeblanding i forbindelse med varmevekslere for avkjøling av en naturgass-matestrøm med variabelt innhold i et nitrogenutvinnings-anlegg.

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

US-PS 4 128 410 beskriver et gassbehandlingsanlegg som benytter eksternkjøling for å avkjøle en høytrykks naturgass-strøm ved hjelp av en serpentin-varmeveksler med den kolde ende ned. Fordi kjølemidlet ekstraherer varme fra naturgass-strømmen når kjølemidlet beveger seg gjennom serpentin-bevegelsesveien I varmeveksleren, er det ikke noe problem med en tofase oppoverkondenserende krets.

US-PS 4 201 263 beskriver en fordamper for koking av kjøle-middel 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 luftseparerings prosesser som enkeltfase underkjøler, dette for avkjøling av en flytende strøm til en lavere temperatur uten tilbakeblanding på grunn av densitets-differanser. En annen anvendelse medfører overkritisk nitrogenmateavkjøling i et nitrogenvaskeanlegg over et område med vesentlig forandring i fluid-densiteten.

Foreliggende oppfinnelse har til hensikt å forbedre den kjente teknikk i anvendelse av serpentin-varmeveksling og angår således en fremgangsmåte av den innledningsvis nevnte art, og denne fremgangsmåte karakteriseres ved at en naturgass-strøm i variabel sammensetning behandles slik at medføring av kondensert vaskefase opprettholdes uten tilbakeblanding av kondensert fase og uten sump-koking av kjølemiddel-strømmen, og at hele sammensetningsområdet for naturgass matestrømmen oppnås med å føre den komprimerte metanstrøm gjennom en varmeveksler med den kolde ende opp og med en serpentin-bevegelsesvei med en serie horisontale passasjer.

Som nevnt angår oppfinnelsen også en nitrogengjenvinningsenhet for gjennomføring av den nevnte fremgangsmåte og av den innledningsvis nevnte art, og denne karakteriseres ved at den omfatter midler for avkjøling og kondensering av metan-tilbakeføringsstrømmen i metanvarmepumpecyklusen mot en fordampende multikomponent hydrokarbonstrøm som omfatter en varmeveksler med en serpentin-bevegelsesvei i en konfigurasjon med den kolde ende opp.

Med uttrykket "i det vesentlige enkeltkomponent gass-strøm" menes en gass-strøm som består av minst 90$ av en komponent og i det vesentlige totalt kondenserer over et snevert temperaturområde på mindre enn ca. 10° C og fortrinnsvis mindre enn 5°C.

Oppfinnelsen angår som nevnt en fremgangsmåte for avkjøling, kondensering og eventuelt underkjøling av en i det vesentlige enkeltkomponent gass-strøm som omfatter å føre gass-strømmen gjennom indirekte varmeveksling med en fluid kjølemiddel-strøm, spesielt en multikomponent fordampende strøm, for i det vesentlige å kondensere gass-strømmen, det vil si å gi en kondensert og, hvis ønskelig, underkjølt flytende fase. Oppfinnelsen tilveiebringer en fremgangsmåte for avkjøling, kondensering og underkjøling av enkeltkomponent gass-strømmen slik at medføring av kondensert flytende fase opprettholdes uten tilbakeblanding av kondensert fase.

Metoden omfatter å føre den i det vesentlige enkomponent-gass-strømmen gjennom en varmeveksler med den kolde ende opp og med en serpentin-bevegelsesvei for enkeltkomponent gass-strømmen omfattende en serie horisontale passasjer. Metoden tilveiebringer en stabil oppadrettet strømning for den i det vesentlige totalt kondenserte gass-strøm. Minst en kjøle-middelstrøm føres gjennom varmeveksleren I en tverr- eller motstrøm for å bevirke indirekte varmeoverføring. Fortrinnsvis omfatter kjølemiddelstrømmen en fordampende multl-komponent-hydrokarbonstrøm.

Ved hjelp av serpentin-konstruksjonen tvinges enkomponent-strømmen alternerende på tvers og tilbake i ring fra en horisontal tverrvei til den neste. Disse omdreiningsbeve-gelser tillater høy hastighet og høyt lokalt trykkfall for å sikre at væske fra en tverrvei ikke strømmer tilbake til tverrveien nedenfor. Ved således å bygge ekstra trykkfall i multikomponentgass-strømmen efterhvert som den beveger seg oppover gjennom varmeveksleren slipper man problemene i forbindelse med overføring av flytende fase.

Eksempler på gass-strømmer som kan avkjøles I henhold til oppfinnelsens fremgangsmåte inkluderer slike i det vesentlige enkeltkomponent gass-strømmer som en metanvarmepumpecyklus-strøm, en nitrogenvarmepumpecyklus-strøm og etan- eller tyngre hydrokarbon-varmepumpe-strømmer.

Oppfinnelsen skal illustreres nærmere under henvisning til tegningene hvor Figur 1 er et flytskjema av en utførelsesform av oppfinnelsen anvendt på en nltrogengjenvinningsprosess omfattende en metanvarmepumpe-cyklus og Figur 2 er et perspektivriss, delvis i snitt, som viser den indre struktur av en foretrukket serpentin-varmeveksler for oppfinnelsens fremgangsmåte, anvendt på nitrogengjenvinningsanlegget ifølge Figur 1.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan anvendes på en kryogen nitrogengjenvinningsprosess for en naturgass-matestrøm inneholdende nitrogen, metan og etan+ hydrokarboner der prosessen omfatter kryogen separering av naturgass-strømmen i en eller flere hydrokarbonstrømmer og en nitrogenstrøm og å tilveiebringe avkjøling for prosessen ved hjelp av en metanvarmepumpe-cyklus. Metanvarmepumpe-cyklusen omfatter komprimering av en gassformig metanstrøm, avkjøling av den komprimerte metanstrøm ved varmeveksling mot en fordampende multikomponent-hydrokarbonstrøm for i det vesentlige totalt å kondensere den gassformige metanstrøm, ekspandere den kondenserte metanstrøm og å oppvarme den ekspanderte, flytende metanstrøm for å tilveiebringe avkjøling.

Serpentinvarmevekslingstilstander tilveiebringes for kondensering av den oppadrettede metanstrømkrets i met'ancyklusen for den kryogene prosess med nltrogen-gjenvinning fra naturgass. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen tilveiebringer som nevnt avkjøling, kondensering og eventuelt underkjøling av den komprimerte i det vesentlige metan Inneholdende gass-returstrøm som omfatter å føre den hovedsakelige metanstrøm gjennom en varmeveksler med den kolde ende opp og med en serpentin-bevegelsesvei for metangass-strømmen omfattende en serie horisontale passasjer adskilt av horisontale dele-elementer og alternerende forbundet med snupassasjer i hver ende slik at medføring av kondensert flytende fase opprettholdes uten tilbakeblanding av kondensert fase. Metanstrømmen kondenseres i det vesentlige totalt og kan underkjøles ved varmeveksling med minst en fluid kjølestrøm som er en fordampende multikomponent hydrokarbonstrøm som passerer i motstrøm eller tverrstrøm i forhold til den totale strøm av komprimert metan tilbakeføringsstrøm.

Fortrinnsvis tilveiebringer varmevekslingen også en av-kjølingssone hvori den komprimerte metan returstrøm avkjøles til en temperatur over kondenseringspunktet. Kjølesonen omfatter en vertikal Ibevegelsesvei for den komprimerte metangass-strøm før den trer inn i serpentin-bevegelsesveien der kondenseringen og underkjøl ingen skjer.

Som et resultat eliminerer anvendelsen av en serpentin-varmeveksler for i det vesentlige total kondensering av den komprimerte metangass 1 en metanvarmepumpe-cyklus I et nitrogengjenvinningsanlegg, behovet for å anbringe en konvensjonell platefinne-varmeveksler I en konstruksjon med den kolde ende ned eller en tverrstrøms-konfigurasjon, noe som er lite fordelaktig. En konfigurasjon med den kolde ende ned ville resultere i en mindre effektiv prosess som et resultat av problemer med medføring av flytende fase og tilbakeblanding i forbindelse med en multikomponent kjøle-strøm. Således resulterer fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen 1 en større effektivitet og anvendelighet av naturgassanlegg for nitrogengjenvinning.

En prosess for behandling av en naturgass-strøm inneholdende metan, nitrogen og etan+ hydrokarboner i varierende mengder og som benytter fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen skal nu beskrives under henvisning til figur 1.

Naturgass-matestrømmen i rørledningen 10 er allerede til å begynne med behandlet i et vanlig dehydratiserings- og karbondioksydfjerningstrinn for å tilveiebringe en tørr matestrøm inneholdende karbondioksyd i en mengde som ikke forårsaker utfrysing på overflaten av prosessutstyret. Den avkjølte naturgassmatestrøm i rørledningen 10 med en temperatur av -75 til -130°C og under et trykk på 25 til 35 atmosfærer chargeres til en høytrykksfraksjonert destillasjonskolonne 12 ved et mellomliggende nivå 14. Naturgass-matestrømmen destilleres fraksjonelt ved ca. 25 til 35 atmosfærer og gir en sump med en temperatur på ca. -80 til -90° C inneholdende noe metan og i det vesentlige alle etan+ hydrokarboner. Bunnproduktet 16 trekkes av i rørledning 18 og ekspanderes ved 19 til ca. 12 til 20 atmosfærer før gjennom-føring gjennom varmevekslerne 20 og 21 der gassen oppvarmes til omgivelsestemperatur ved hjelp av den komprimerte gassformige metanreturstrøm 22 for å tilveiebringe en forflyktiget hydrokarbonproduktstrøm 24. Varmeveksleren 21 er av konvensjonell type for avkjøling av den gassformige metanreturstrøm 22. Varmeveksleren 20 inneholder en serpentinbevegelsesvei for kondensering av gassformig metanretur-strøm 22 og denne skal beskrives nærmere nedenfor.

Toppen 25 fra fraksjonsdestillasjonskolonnen 12 trekkes av via rørledning 26 for partiell kondensering i varmeveksleren 30. Kondensert væske separeres i separatoren 31 og avgis via rørledning 32 for gjeninnføring som tilbakeløp til toppen av fraksjonsdestillasjonskolonnen 12.

Ikke-kondensert damp av i det vesentlige nitrogen og metan med en temperatur på ca. -95 til -150° C trekkes av via rørledning 28 fra toppen av separatoren 31 for separering i nitrogen- og metankomponenter, f.eks. i en konvensjonell dobbeltdestillasjonskolonne som omfatter en ikke vist høytrykksdestillasjons-sone og en ikke vist lavtrykks-destillasjons-sone.

Avkjølingen for nitrogengjenvinningsprosessen og spesielt for kondensasjon av tilbakeløpet til høytrykksfraksjons-destil-lasjonskolonnen 12 tilveiebringes av metan-varmepumpecyklusen 34. Dampformig metanstrøm 36 ved omgivelsestemperatur og under et trykk på 2 til 25 atmosfærer komprimeres av metan-kompressoren 38 til ca. 40 til 45 atmosfærer og avkjøles deretter i varmeveksleren 21 og kondenseres ved ca. -85 til

—95°C i løpet av sin vei gjennom den sinusformede bevegelsesvei i serpentin-varmeveksleren 20 med den kolde ende opp. Den kondenserte metanstrøm 40 fra serpentinvarmeveksleren 20 ekspanderes gjennom en ventil 42 til et trykk på ca. 2 til 25

atmosfærer og en temperatur på ca. -100 til -155°C. For å tilveiebringe det nødvendige tilbakeløp for høytrykksfrak-sjons-destillasjonskolonnen 12 blir ekspandert metanstrøm 44 oppvarmet mot toppdampstrømmen 26 i varmeveksleren 30 og går ut som metandampstrøm 46. Dampstrømmen 46 oppvarmes i vekslere 20 og 21 for å fullføre tilbakeføringssløyfen 34.

Diagrammet for serpentin-varmeveksleren 20 i figur 1 viser at andre prosess-strømmer 47 og 48 i nitrogengjenvinningsprosessen kan føres gjennom varmeveksleren etter ønske. Slike ytterligere prosess-strømmer kan inkludere mategass, produkt-metan og nitrogen.

Figur 2 viser en foretrukket serpentin-varmeveksler for bruk i den ovenfor angitte prosess og som kombinerer serpentin-varmeveksleren 20 og en konvensjonell varmeveksler 21 i figur 1 for å avkjøle og å kondensere tilbakeført metanstrøm.

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 bak-veggene 72 anordnet i varmeveksleren over hele lengden av sideveggene 74. Det. er foretrukket at platene 70 er av et metall som aluminium, og 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, metan+-hydro-karbon-produktstrøm-manifolden henholdsvis retur-metan-dampstrøm-mani folden.

I rommet mellom noen av de vertikale plater 70 er det korrugerte metalliske innlegg 82 med kantene løpende vertikalt gjennom varmeveksleren. I rommet mellom andre plater 70 er det korrugerte innlegg 84 med kantene horisontalt gjennom varmeveksleren. Innleggene 82 og 84 kan omfatte platefinner som perforerte, foldede eller fiskebensmønstrede platefinner. Innleggene 82 og 84 er I alternerende rom mellom platene 70 i hver vertikal del av varmeveksleren 20. 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 som stenger av de rom som Inneholder horisontale innlegg 84. Selv om det Ikke er vist i figur 2 kan vertikale innlegg 82 også omfatte en fordelingsdel som tilveiebringer de agonale bevegelsesveier som fører fra manifoldene 78 og 80 og som sprer seg over hele vidden av rommet mellom platene 70 for derved å fordele metan+ hydrokarbonproduktstrømmen 18 og retur-metandamp-strømmen 46 fra de respektive manifolder ut gjennom vekslerens bredde. 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 metanstrømmen gjennom varmeveksleren i en serie horisontale passasjer slik det skal beskrives nedenfor.

I den nedre ende av varmeveksleren er det en komprimert-metanreturstrøm manifold 94 som retter den komprimerte metantilbakeføringsstrøm 22 mot kjøledelen 96 forbundet med den sinusformede bevegelsesvei generelt angitt som 98, i dennes nedre varmende, det vil si oppstrøms den sinusformede bevegelsesvei. Kjøledelen 96 omfatter de samme alternerende rom mellom platene 70 som inneholder innlegg 84 av den sinusformede bevegelsesvei 98, det vil si at kjøledelen 96 står i forbindelse med den sinusformede bevegelsesvei. Kjøledelen 96 har f ordelerfInner eller plater 100 som forbinder innløpsmetan-returstrøm manifolden 94 med de vertikale innlegg 101 i kjøledelen 96, og fordelerplate 102 som forbinder vertikale innlegg 101 med en første indre omsnuingsdel 103 inneholdende vertikale plater 104. Således er det tilveiebragt en vertikal kjølebevegelsesvei for den komprimert-metan-returstrøm 22 før den trer inn i serpentin-delene der kondensasjonen skjer.

Den øverste horisontale bevegelsesvei 106 som er definert av toppveggen 75 og deksler 85 på toppen, den nest øverste skiller 86 i bunnen og platene 70 på hver side, munner i utløpsmanifolden 108 for kondensert metan-returstrøm og som er forbundet med rørledning 40.

En utløpsmanifold 110 for metan+ karbonprodukt-strøm og en utløpsmanifold 112 for en returmetan-dampstrøm over bunnen av varmeveksleren tetter begge mot en sidevegg og bunnen av varmeveksleren. Metan+ hydrokarbon-produktstrømmen 18 avgis for oppvarming som en fordampende strøm i varmeveksleren i de rom mellom platene 70 med innlegg 82 som tillater vertikal-strømning fra innløpsmanifolden 78 til utløpsmanifolden 110. Metanreturdampstrømmen 46 oppvarmes når den passerer gjennom varmeveksleren i de rom mellom platene 70 som har innlegg 82 som tillater strøm vertikalt fra innløpsmanifolden 80 til utløpsmanifolden 112.

Komprimert returmetan trer inn i varmeveksleren gjennom rørledning 22 og manifolden 94 og strømmer gjennom rommene mellom platene 70 der det er fordelerfinner 100, vertikale innlegg 101, fordelingsfinner 102, vertikale innlegg 104 i omsnuingsdelene 103, og med horisontale kanter utstyrte innlegg 84. Metanreturstrømmen strømmer diagonalt oppover på kryss i 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 84 er virkningen på metanreturstrømmen å reversere dens horisontale strømningsretning i hver omsnuingsdel 103 under en samtidig vertikal fremadskridende bevegelse. Således er den totale strømning for metanretur-strømmen vertikal fra rørledning 18 til rørledning 24 og er motstrøms strømmen av metan+-hydrokarbonprodukt og i retur-metandampstrømmen, men den vertikale strøm gjennomføres delvis i en serie horisontale passasjer 106 på krysstrøm-ningsvis.

Tverrsnittsarealet for de horisontale eller tverrpassasjene 106 er av vesentlig viktighet for oppfinnelsen for å oppnå rimelig totalt trykktap mens det samtidig tilveiebringes tilstrekkelig tverrstrømningspassasjer for effektiv varme-overføring. I en varmeveksler der tverrsnittet I serpentin-bevegelsesveien er et rektangel og der dybden av bevegelsesveien er konstant er tverrsnittsarealet direkte proporsjonalt med høyden. Således inkluderer bruken av "tverrsnittsareal" eller "høyde" under henvisning til de horisontale passasjer også det andre uttrykk.

Som vist i figur 2 kan høyden av de horisontale passasjer 106 som defineres av horisontale skillere 86 alle være av samme høyde eller i spesielle situasjoner kan høyden av horisontale passasjer nærmere kolde enn av varmeveksleren, slik som i en underkjølingsdel, være mindre høyden av de horisontale passasjer nærmere varmenden. Bredden av omsnuingsdelen 103 er vesentlig fordi de må tilveiebringe tilstrekkelig lokalt trykktap til å forhindre tilbakeblanding av kondensert væskefase fra høyere og kolde horisontale passasjer til lavere og varmere horisontale passasjer.

I ethvert spesielt tilfelle kan høyden av passasjene og bredden av omsnuingsdelen lett beregnes ved å bruke standard trykkfall- og strømningsligninger.

I de følgende eksempler som viser nitrogenutvinning fra en naturgass-strøm med variabelt innhold og forskjellige nitrogenkonsentrasjoner ble de viste data beregnet basert på en serpentinvarmeveksler som vist i figur 2 med en total lengde på ca. 600 cm (delt mellom serpentinavdelingen 98 og avkjølingsdelen 96) og med en bredde på ca. 90 cm og en stablehøyde på ca. 120 cm. Serpentin-bevegelsesveien omfatter 12 sinusformede passasjer mellom platene 70 der hver sinusformede passasje har 12 horisontale passasjer med en høyde på ca. 22 cm (de horisontale skillere er 2,5 cm tykke) og omsnuingsdeler med en bredde på 10 cm. For forflyttelse av metan+-hydrokarbon-produkt-strømmen er det tilveiebragt 36 vertikale passasjer og for metanreturdampstrømmen er det 24 vertikale passasjer mellom platene 70 som alternerer med serpentinpassasjene.

Det skal være klart for gjennomsnitts fagmannen at den beskrevne serpentin-varmeveksler også kan tilpasses andre strømmer for avkjøling og oppvarming i tillegg til metan+-hydrokarbonproduktstrømmen og 1 retur-metandampstrømmen ved på egnet måte å blokkere av noe av rommet mellom de vertikale plater 70 og å tilveiebringe de egnede manifolder. På samme måte kan andre strømmer som skal avkjøles føres gjennom noen av de vertikale varmeveksler-passasjer eller gjennom serpentin-passasjer av tilsvarende eller forskjellig konstruksjon .

Eksempel 1

I tabell 1 er det tabellert de beregnede totale balanser tilsvarende varme- og materialbalansepunktene A - L som angitt i figur 1. I dette tilfelle inneholdt naturgass matestrømmen ca. 5$ nitrogen.

Eksempel 2

I dette tilfelle inneholdt naturmategass-strømmen ca. 80% nitrogen og Tabell 2 viser de beregnede totale varme- og materialbalanser for punktene A - L.

Fra den ovenfor gitte beskrivelse fra en foretrukket ut-førelsesform av oppfinnelsen for avkjøling av en i det vesentlige enkelt komponent gass-strøm for å tilveiebringe en i det vesentlige helt kondensert fase, kan man se at det beskrives en metode for å tilveiebringe det nødvendige trykkfall og den minimale gasshastighet for bæring av kondensert væskefase oppover igjennom en varmeveksler med den kolde ende opp med minst en fordampende multikomponent-strøm som kjølemiddelstrøm. Ved bruken av en serpentin-varmeveksler med den kolde ende opp og med en sinusformet bevegelsesvei for enkeltkomponentgass-strømmen som skal kondenseres, oppstår problem med medrivning kun ved omsnuingspassasjene og ikke i de horisontale passasjer, noe som reduserer med-føringsproblemet til en liten brøkdel av den totale av-kjølings vei der kondensering skjer, noe som gjør det hele gjennomførbart. Som en ytterligere fordel ved den viste og ovenfor beskrevne serpentin-varmeveksler kan en preliminær avkjøling av enkeltkomponent gass-strømmen gjennomføres i vertikale passasjer før inntreden i serpentindelen i varmeveksleren .

Sump-koking av multikomponent kjølemiddelstrømmen elimineres også ved fordamping i en nedoverrettet strømningsretning.

Oppfinnelsen tilveiebringer således en metode for å opprett-holde oppoverrettet stabilitet for en enkeltkomponent gass-strøm når den avkjøles og kondenseres i en varmeveksler med den kolde ende opp med en kjølemiddelstrøm omfattende en fordampende multikomponentstrøm hvorved tilbakestrømning av kondensert fase og sump-koking for kjølemiddelstrømmen unngås. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen har spesiell anvendelse i en nitrogenutvinnings prosess som omfatter en metanvarmepumpe-cyklus for å tilveiebringe avkjøling.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for avkjøling og kondensering av en i det vesentlige en-komponent gass-strøm som i tillegg inneholder nitrogen, metan og etanf-hydrokarhoner, omfattende kryogent å separere naturgass-strømmen i minst en hydrokarbonstrøm og en nitrogenstrøm og å tilveiebringe avkjøling for prosessen ved hjelp av en metanvarmepumpecyklus som omfatter å komprimere en metanstrøm, avkjøle den komprimerte metanstrøm ved varmeveksling med en fordampende multikomponent-hydrokarbon-strøm for i det vesentlige totalt å kondensere metanstrømmen, ekspandering av den kondenserte metanstrøm og oppvarming av ekspandert metanstrøm for å tilveiebringe avkjøling, karakterisert ved at en naturgass-strøm i variabel sammensetning behandles slik at medføring av kondensert vaskefase opprettholdes uten tilbakeblanding av kondensert fase og uten sump-koking av kjølemiddel-strømmen, og at hele sammensetningsområdet for naturgass matestrømmen oppnås med å føre den komprimerte metanstrøm gjennom en varmeveksler med den kolde ende opp og med en serpentin-bevegelsesvei med en serie horisontale passasjer.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at varmeveksleren inkluderer en kjøledel med vertikale passasjer i kommunikasjon med den varme ende av serpentin-bevegelsesveien i den ene ende og et innløp i den andre ende for enkeltkomponent gass-strømmen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at tverrsnitt-arealene for de horisontale passasjer er ca. like.

4 . Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at tverrsnitt-arealene for de horisontale passasjer nærmere den kolde ende har mindre tverrsnitt-areal enn de horisontale passasjer nærmere den varme ende.

5 . Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at varmepumpecyklus-fluidet er nitrogen.

6. Nitrogengjenvinningsenhet for gjennomføring av fremgangsmåten ifølge krav 1 med midler for avkjøling og kondensering av en gass-strøm i det vesentlige omfattende metan, en fraksjo-ner ingskolonne for separering av en naturgass matestrøm i en hydrokarbon-bunnstrøm og en nitrogen- og metan-toppstrøm, en dobbelt destillasjonskolonne omfattende en høytrykks-destillasjonssone og en lavtrykks-destillasjonssone for separering av toppstrømmen fra fraksjonsdestillasjonskolonnen i en nitrogenstrøm og en metanstrøm, og en metan varmepumpecyklus for å tilveiebringe avkjøling for enheten, karakterisert ved at den omfatter midler for av-kjøling og kondensering av metantilbakeførings-strømmen i metanvarmepumpecyklusen mot en fordampende multikomponent hydrokarbonstrøm som omfatter en varmeveksler med en serpentinbevegelsesvei i en konfigurasjon med den kolde ende opp.

7. Enhet Ifølge krav 6, karakterisert ved at tverrsnittsarealene for de horisontale passasjer i serpentin-varmeveksleren er omtrent like.

8. Enhet ifølge krav 6, karakterisert ved at tverrsnittsarealene for de horisontale passasjer nærmere den kolde ende i serpentin-varmeveksleren har mindre tverrsnittsareal enn de horisontale passasjer nærmere den varme ende.