NO164740B - Fremgangsmaate og apparatur for separering av nitrogen frametan. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåt og apparatur for separering av nitrogen fra hydrokarbongasser som naturgass, og er spesielt nyttig for å forbedre oljeut-vinningsprosesser der den ledsagende gassen som utvinnes sammen med oljen innbefatter en betydelig andel av nitrogen injisert inne i den oljeholdige formasjonen under jorden.

Naturgass, det vil si en blanding av metan og små mengder hydrokarboner med høyere molekylvekt fra gass- og olje-brønner, inneholder ofte en betydelig andel nitrogen. In situ under høye formasjonstrykk er hydrokarbongasser enten komprimert til væsker eller er oppløst i de tyngre flytende hydrokarbonfraksJonene. Når naturgass utvinnes fra olje-brønner hvor hovedanliggendet er oljeproduksjon, sies gassene å være "ledsagende" med de flytende fraksjonene. Når trykket frigjøres under utvinning, frigjøres komprimerte gasser eller oppløste ledsagende gasser slik at det dannes en gass ved brønnhodet som, når den er fri for store mengder nitrogen og andre forurensninger, er egnet for videre bearbeidelse og anvendelse eller selges som bensin eller kjemisk råstoff. Nitrogenen kan opptre naturlig og/eller kan være resultat av gassinjeksjoner som benyttes for å fremme oljeutvinningen. Ved slik understøttelse av oljeutvinningen, injiseres nitrogen ved utvalgte posisjoner i en oljefeltformasjon for å drive ellers ikke-utvinnbar olje til produksjonsbrønnen eller brønnene. Når brønnene blir eldre, kan nitrogenbestanddelen av den ledsagende gassen øke opptil 80 mol-% eller mer av den samlede ledsagende gassen som utvinnes fra brønnen. Når nitrogeninnholdet overskrider 5 mol-£ eller mer av natur-gassen, reduseres oppvarmingsverdien eller den kjemiske råstoffverdien for gassen, og kostnadene ved gasskompresjon, gasstransport og annen gasshåndtering økes i stor grad relativt til den utnyttbare delen av gassen.

Innenfor teknikkens stand finnes mange prosesser og innretninger for reduksjon av andelen av nitrogen og andre forurensninger i naturgass for å øke verdien av gassen og å redusere kostnadene. Generelt fjernes ifølge teknikkens stand de ikke-nitrogenholdige forurensningene og de høyere kokende hydrokarbonkomponentene separeres fra de lavere kokende komponentene bestående av nitrogen og metan før man anvender en av to teknikker, kryogen kondensasjon eller kryogen absorpsjon, for å separere metan fra nitrogen. Separa-sjonsprosessene utføres fortrinnsvis ved det høyest mulige trykk, brønnhodetrykk eller rørtrykk som kan være opptil 75 bar, for å redusere kompresjonskostnadene ved trykkreduk-sjoner som er påkrevet for separasjonsprosessen. Minimali-sering av nedkjølingsbelastninger og fluidkompresjonsbelast-ninger betraktes på samme måte som viktige for å oppnå maksimal effektivitet.

Kryogene kondensasjonsteknikker for kondensasjon av metan fra en gassblanding av metan og nitrogen anvender nedkjølings-enheter eller "kalde bokser" for å produsere kondensa-sjonstemperaturer, og anvender innretninger av destilla-sjonstypen for å oppnå maksimal omvandling og separasjon av gassformig nitrogen og flytende metan. Disse kondensa-sjonsprosessene ifølge tidligere teknikk er generelt begrenset til drift ved et maksimalt trykk på ca. 27 bar siden den effektive dannelsen av separerbare væske- og gassfaser finner sted langt under det kritiske trykket som, i nitrogen- og metanblandingen, er i området fra 34 til 50 bar, hvor minimumsverdien ligger på den rene nitrogensiden. Denne begrensningen resulterer, med et høyt innløpstrykk, i øket kompresjonsbelastning for å bringe metanen tilbake til rørtrykket. Videre krevde teknikkens stand de laveste effektive temperaturene over kokepunktet for nitrogen for effektiv kondensasjon. Typisk anvendes kondensasjonstempera-turer under -150°C. Nedkjølingsytelsen for å oppnå slike temperaturer er tilstrekkelig høy til å utgjøre en betydelig kostnadsfaktor ved separasjonen. I tillegg finner noe nitrogenkondensasjon sted ved disse temperaturene, noe som resulterer i betydelige begrensninger på den maksimale rektifiseringen og separasjonen av metan og nitrogen som kan oppnås ved kryogen destillasjon. Videre kan spor av karbondioksyd som er tilstede i den ledsagende gassen fryse ut ved disse lave temperaturene, dette resulterer i gjenstopping av kondensasjons- og destillasjonsapparaturen.

Kryogene absorpsjonsprosesser, eksemplifisert i US-PS 2.603.310 og 2.744.394 anvender flytende absorpsjonsmidler så som etan, propan, propylen, etylen og pentan for fortrinnsvis å absorbere metan fra den gassformige blandingen av metan og nitrogen. Denne absorpsjonen utføres generelt i et absorp-sjonstårn ved et relativt høyt trykk og med et avkjølt absorpsjonsmiddel, og deretter frigjøres den absorberte metanen i avmetaniserings- eller regenereringstårn ved å oppvarme den sirkulerende strømmen av flytende absorpsjonsmiddel ved et redusert trykk. Absorpsjonsprosesser har den fordelen at separasjonen finner sted ved en mye høyere temperatur, for eksempel -40 til -55°C, sammenlignet med kondensasjonsprosesser. I tillegg kan høyere bearbeid-elsestrykk anvendes; det ovenfor nevnte US-PS 2.744.394 beskriver at et pentanabsorpsjonsmiddel øker det kritiske trykket slik at produksjon av en nitrogenrik gasstrøm fra øverst i destillasjonstårnet, en sidestrøm som er rik på metan og en bunnstrøm i form av flytende pentan med absorbert metan ved trykk som overskrider 69 bar. Imidlertid krever absorpsjonsprosesser en høy slrkulasjonshastighet for absorpsjonsmidlet for å oppnå en tilstrekkelig høy metan/- nitrogen-separasjon. Denne høye sirkulasjonshastigheten for absorpsjonsmidlet resulterer i relativt høye kapital- og driftskostnader forårsaket av kravet om sterk nedkjøling av absorpsjonsmidlet, høypumpeeffekt, stort utstyr for fluid-håndtering og betydelig tap av absorpsjonsmiddel.

Foreliggende oppfinnelse kan sammenfattes som en fremgangsmåte og apparatur for separering av nitrogen fra metan i en gassformlg blanding av nitrogen og metan der den gassformige blandingen avkjøles til en temperatur under kokepunktet for metan, men over kokepunktet for nitrogen, den avkjølte blandingen tilføres 1 en nitrogen-metankryogen-fraksjoneringsenhet, et flytende destlllasjonshjelpemiddel fra gruppen etan, propan, lsobutan, normal butan, eller blandinger derav injiseres i fraksjoneringsenheten som en omløpsstrøm, en bunnfraksjon av destillasjonshjelpemidlet og flytende metan trekkes fra fraksjoneringsenheten og føres til en regenerator hvor den flytende metanen og destillasjonshjelpemidlet oppvarmes og separeres ved metanfordamp-ning, og destillasjonshjelpemidlet fra regeneratoren avkjøles og resirkuleres til destillasjonskolonnen.

I henhold til dette angår foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for separering av nitrogen fra metan hvori en gassformig blanding innbefattende nitrogen og metan avkjøles til en temperatur under kokepunktet for metan, men over kokepunktet for nitrogen, og det avkjølte nitrogenet ogmetanet separeres i en kryogen fraksjoneringsinnretning, og fremgangsmåten karakteriseres ved: - Injeksjon i fraksjoneringsinnretningen av et destlllasjonshjelpemiddel innbefattende et flytende materiale valgt fra gruppen bestående av etan, propan, lsobutan, normal butan og blandinger derav for å øke den relative flyktigheten av nitrogen til metan og for å understøtte kondensasjonen ved at en del av metanet absorberes, - en bunnfraksjon fra den kryogene nitrogen-metanfraksjoneringsinnretningen innbefattende en blanding av destillasjonshjelpemidlet og flytende metan føres til en regenerator , - blandingen av destillasjonshjelpemidlet og flytende metan oppvarmes i regeneratoren slik at det dannes en øvre produkt-strøm av metan og en bunnfraksjon av destlllasjonshjelpemiddel , - fjernelse av etan og tyngre hydrokarbongassmateriale fra naturgasstrømmen før den avkjølte blandingen av nitrogen og metan tilføres til den kyrogene nitrogen-metanfraksjoneringsinnretningen , - avkjøling og returnering av bunnfraksjonen av destillasjonshjelpemidlet for den nevnte injeksjonen i den kryogene nitrogen-metanfraksjoneringsinnretningen,

- fjernelse av metan fra regeneratoren som produkt, og

- fjernelse av nitrogen som en øvre produktstrøm fra den kryogene nitrogen-metanfraksjoneringsinnretnlngen.

Som antydet ovenfor angår oppfinnelsen også en apparatur for gjennomføring av den ovenfor beskrevne fremgangsmåte omfattende en innrenting foravkjøling av den gassformige blanding av nitrogen og metan til en temperatur under kokepunktet for metan, men over kokepunktet for nitrogen, kryogen nitrogen-metanfraksjoneringsinnretning for mottagelse av den avkjølte blandingen av nitrogen og metan, kondensator innretning for kondensasjon av metan i fraksjoneringsinnretnlngen, og denne apparatur karakteriseres ved: - en innretning for injeksjon av et destillasjonshjelpemiddel innbefattende et materiale valgt fra gruppen bestående av etan, propan, lsobutan, normal butan og blandinger derav som en omløpsstrøm i den kryogene nitrogen-metanfraksjoneringsinnretnlngen , - en innretning for fjernelse av en blanding av destillasjonshjelpemiddel og flytende metan fra en bunnfraksjon fra den kryogene nitrogen-metanfraksjoneringsinnretnlngen, - en regenerator for mottagelse av den fjernede blandingen av destillasjonshjelpemiddel og flytende metan for å oppvarme blandingen slik at metan drives av som en toppfraksjon og slik at det dannes et magert destillasjonshjelpemiddelbunnprodukt, - en innretning for separasjon av etan og tyngre hydrokarboner fra den avkjølte blandingen før den kryogene nitrogen-metanfraksjoneringsinnretnlngen, og - en innretning for avkjøling og resirkulering av det magre destillasjonshjelpemidlet fra regeneratoren til den kryogene nitrogen-metanfraksjoneringsinnretnlngen.

En fordel ved oppfinnelsen er at nærværet av et absorpsjonsmiddel eller destillasjonshjelpemlddel i et nitrogen-metandestillasjonstårn resulterer i et sterkt forøket kritisk trykk for blandingen deri slik at rekompresjonskostnadene for produktgassen eller gassene reduseres.

En annen fordel ved oppfinnelsen er at nærværet av et destillasjonshjelpemlddel muliggjør effektiv metankondensasjon ved betydelig høyere temperaturer enn mulig ved de tidligere kjente kondensasjonsfremgangsmåtene.

Nok en fordel ved oppfinnelsen er at en svært lav sirkulasjonshastighet for destillasjonshjelpemlddel er mulig siden fjernelse av metan finner sted ved kondensasjonstemperaturen hvor absorpsjonen ikke er begrenset ved maksimal absorpsjons-kapasitet for destillasjonshjelpemidlet.

Andre formål, fordeler og trekk ved oppfinnelse vil fremgå fra den følgende beskrivelsen av foretrukne utførelser sett i sammenheng med de vedlagte tegningene der: Fig. 1 er et skjematisk flytdlagram for en apparatur og prosess for fjernelse av nitrogen fra en naturgass ifølge foreliggende oppfinnelse; Fig. 2 er et skjematisk flytdlagram av en modifikasjon av prosessen og apparaturen i fig. 1; Fig. 3 er et skjematisk flytdlagram av en annen modifikasjon av prosessen og apparaturen i fig. 1; Fig. 4 er et skjematisk flytdlagram av en variasjon av en destillasjonsfremgangsmåte og innretning ifølge flg. 1; og Fig. 5 er et skjematisk flytdlagram av en annen variasjon av destillasjonsfremgangsmåten og innretningen ifølge fig. 1.

Som vist i fig. 1 innbefatter oppfinnelsen en fremgangsmåte og apparatur for separering av en blanding av nitrogen og hydrokarbongasser i en innløpsstrøm 20 i en strøm 22 av høytkokende hydrokarboner (C2+), en strøm 24 av nitrogen, og en strøm 26 av metan. Den høytkokende strømmen 22 separeres fra nitrogen og metan i tilførselsstrømmen 20 ved kondensasjons- og destillasjonsanlegg merket 30 og deretter separeres metan og nitrogen ved hjelp av en kombinasjon av kondensasjons-, destillasjons- og absorpsjonsinnretninger generelt betegnet 32. Tilførselsstrømmer til innretningene 30 og 32 avkjøles ved hjelp av en kaldboks-varmeveksler angitt generelt ved 34 som innbefatter gradvis kaldere seksjoner 36, 38, 40 og 42 der den kaldeste seksjonen er avkjølt ved hjelp av metannedkjølingsinnretninger generelt angitt ved 44 sammen med motstrøms kalde strømmer som også sammen med fordamp-ningsstrømmer tilveiebringer avkjøling av varmere seksjoner av den kalde boksen. Metan-nitrogensepareringsinnretningen 32 anvender kombinasjonen av en kryogen temperatur under metankokepunktet, men godt over nitrogenkokepunktet, sammen med kontakt med et destillasjonshjelpemlddel for å tilveiebringe sterkt forbedret prosessøkonomi og separasjons-virkningsgrad.

Råstoffstrømmen 20 kan være en hvilken som helst hydrokarbon-gasstrøm, for eksempel en ledsagende gasstrøm fra en oljebrønn, innbefattende metan og en betydelig andel nitrogen. Trykket av strømmen 20 kan ligge i området fra 16,5 til 75 bar. Når brønnhodegass inneholder betydelige lkke-hydrokarbonforurensninger som hydrogensulfid eller karbondioksyd, fjernes de oppstrøms innløpet 20. Fortrinnsvis er hele anlegget bygget slik at det drives ved det høyeste tilgjengelige trykk, innløpstrykket for anlegget minus trykktapene gjennom innretningene i frontdelen. Den viste apparaturen og fremgangsmåten er spesielt utformet for fjernelse av nitrogen fra den ledsagende gassen fra en oljebrønn hvori den ledsagende gassen innbefatter et nitrogeninnhold i området fra 5 mol-SÉ til 80 mol-5É. Foreliggende system og fremgangsmåte antas spesielt å være mer tolerant overfor små mengder forurensninger som karbon dioksyd i råstoffet og som kan fryse ved de kryogene driftstemperaturene og derved skape problemer; destillasjonshjelpemidlet viser tendens til å fjerne slike forurensninger, mens prosesser som anvender kondensasjon uten noe absorpsjonsmiddel eller destillasjonshjelpemlddel er mer utsatte for blokkering og sammenbrudd på grunn av slike forurensninger.

Den kalde boksen 34 er en hel slagloddet aluminiumkon-struksjon som er utformet for å tilveiebringe den ønskede varmevekslingen for egnet avkjøling av innløpsstrøm og destillasjonshjelpemiddelstrøm og tilsvarende oppvarming av fordampnings- og desorpsjons- og destillasjonsstrømmer. Den kalde boksen er vist oppdelt i de fire seksjonene 36, 38, 40 og 42 som tilsvarer flere forskjellige suksessivt kaldere temperaturområder. Temperaturene av de individuelle strømmene som går Inn i og ut av hver seksjon vil variere, generelt fra den varmeste strømmen som befinner seg til venstre, til den kaldeste som befinner seg til høyre.

Innløpsgasstrømmen 20 passerer gjennom den første seksjonen 36 av den kalde boksen hvor strømmen avkjøles til en temperatur innenfor området fra ca. -37°C til -48"C. Utformingen av dette første avkjølingstrinnet er valgt for å kondensere ut det meste av etanen og tyngre hydrokarboner i råstoffstrømmen. Den kondenserte etanen og de tyngre hydrokarbonene separeres fra den gjenværende gassen i separatoren 50 og føres via rør 52 til avmetaniserings-kolonnen 54. Det flytende råstoffet til kolonnen 54 oppvarmes ved hjelp av sidefordampningskaret 56 og bunnfordampnings-karet 58 i kaldboksseksjon 36 for å desorbere metan som er absorbert i det flytende etanet og de tyngre hydrokarbonene. Desorbert metan danner den øvre produktstrømmen 59. For-dampningskardriften av avmetanlseringsinnretningen kan velges slik at tilstrekkelig metan fjernes til å muliggjøre at bunnstrømmen 22 oppfyller spesifikasjonene for naturgass-væsker (NGL - natrual gas liquids).

De ukondenserte gassene fra separatoren 50 i rør 60 tilføres til den neste, kaldere seksjonen 38 av den kalde boksen for ytterligere avkjøling og kondensasjon av etan og tyngre hydrokarboner. Avkjølingstemperaturen velges slik at den ligger under ca. -73°C, men over den temperaturen ved hvilken metan normalt kondenserer ved det rådende inntakstrykket. Væske kondensert i strømmen 60 separeres ved hjelp av separator 62 og tilføres som omløpsstrøm 63 til en nitrogen-splittekolonne 64 drevet under betingelser for avsplitting av nitrogen fra den kondenserte væsken slik at det opprettholdes et lavt absorbert nitrogeninnhold hvorved strømmen 26 oppfyller spesifikasjonene for salgsgass. Fordampningsytelsen for nitrogenspaltetårnet tilveiebringes ved hjelp av varmeveksler 66 med seksjonen 38. Bunnstrømmen 68 fra nitrogenspaltetårnet 64 tilføres som en omløpsstrøm til avmetaniseringsinnretningen 54.

Som vist i fig. 2 kan nitrogenspllttetårnet elimineres når nitrogeninnholdet i tilførselsgassen er mindre enn 30 mol-#. For disse lavere konsentrasjonene av nitrogen blir den flytende bunnstrømmen 63 fra separatoren 62 tilført som omløpsstrøm til avmetaniseringsinnretningen 54.

Den gassformige toppfraksjonen 70 fra separatoren 62 blandes med toppstrømmen 72 fra nitrogenspllttetårnet, når nitrogenspllttetårnet 64 (fig. 1) anvendes, og etter ytterligere avkjøling i seksjonene 40 og 42 av den kalde boksen 34 til under kokepunktet for metan, men over kokepunktet for nitrogen, det vil si en temperatur i området fra ca. -123 til

-130°C, danner innløpsstrømmen 74 til en nitrogen-metanfrak-sjoneringskolonne 76. Kolonnen 76 kan være en standard destillasjonskolonne med en øvre kondensator 84 og en fordampningsinnretning 92 og som er modifisert ved at destillasjonshjelpemidlet injiseres i de øvrige kondensatorene (bare en kondensator 84 vist) og en eller flere sidefordampningsinnretninger (ikke vist i fig. 1, men se fig. 3). Fordampningsinnretningen 92 er koblet til kald-boks-seksjon 40. Generelt Innbefatter fraksjoneringsinnretnlngen 76 en øvre seksjon 77, en middels eller mellomliggende seksjon 78 og en bunnseksjon 79 med inter-kondensatoren 80 oppstrøms innløpsgasstrømmen 1 midtseksjonen 78, eller mellom den øvre og den mellomliggende seksjonen. Inter-kondensatoren 80 er en varmeoverføringsinnretning avkjølt ved hjelp av kjølemiddel slik at den fjerner varme fra de oppoverstrøm-mende gasstrømmene og den nedoverstrømmende væskestrømmen av destillasjonshjelpemlddel og metan. Anvendelse av inter-kondensatoren gir mer metankondensasjon ved høyere temperaturer slik at nedkjølingen kan Innspares. I tillegg tillater inter-kondensatoren en høyere øvre kondensatortemperatur og en lavere sirkulasjonshastighet for destillasjonshjelpemlddel. For et fastsatt omfang av sirkulasjon av destillasjonshjelpemlddel resulterer høyere inter-kondensatorytelser i høyere tillatte øvre kondensatortemperaturer. Fortrinnsvis er driftstemperaturene for inter-kondensatoren og den øvre kondensatoren de samme, for eksempel ca. -134 T eller høyere. Slike høyere temperaturer, sammenlignet med den lavere kondensasjonstemperaturen ifølge tidligere teknikk på —151°C, hever nedkjølingskompresjonsinnsugningen med 3 til 4 ganger. Betydningen av å anvende en inter-kondensator øker proporsjonalt med nitrogeninnholdet i råstoffstrømmen. Anvendelse av mer enn en inter-kondensator er normalt påkrevet for en termisk mer effektiv anleggsutforming, spesielt ved høyt nitrogeninnhold. Den øvre kondensatoren 84 tilveiebringer rektiflsering eller en høyere grad av metanfjernelse slik at det dannes en nitrogengasstoppstrøm 90 av tilstrekkelig renhet til å kunne reinjiseres 1 den oljebærende formasjonen for å øke oljeutvinningen.

I tillegg injiseres en flytende destillasjonshjelpemlddel strøm 88 i toppen av den øvre seksjonen 77 slik at det tilveiebringes en omløpsstrøm i kolonnen. Det flytende destillasjonshjelpemidlet flyter nedover gjennom kondensatorene 84 og 80 i motstrøm til gasstrømmen. Destilla sjonshjelpemidlet kan være propan, etan, lsobutan, normal butan, eller blandinger derav. Spormengder av lso- eller normal-pentan kan også innbefattes i destillasjonshjelpemidlet. I bunndelen 79 av kolonnen 76 oppvarmes metan og destillasjonshjelpemiddelblanding ved hjelp av fordampningsinnretningen 92 slik at det tilveiebringes desorpsjon av nitrogen fra den flytende fasen. Strøm av destillasjonshjelpemlddel gjennom kolonnen er påkrevet dersom en aksep-tabel separasjon mellom nitrogen og metan ventes ved trykk over 27 bar.

Nitrogen-metanfraksjoneringsinnretnlngen 76 kan drives ved vesentlige høyere trykk enn tidligere kjente fraksjoneringsinnretninger av den kryogene kondensasjonstypen. Tidligere kjente fraksjoneringsinnretninger måtte drives ved et trykk godt under det kritiske trykket for nitrogen eller under ca. 27 bar for å oppnå en tilfredsstillende hastighet for dannelse av en flytende fase ved kondenserende metan. Kondensasjonsfraksjoneringsinnretnlngen 76 under anvendelse av omløpsstrømmen av destlllasjonshjelpemiddel 88 i frak-sjonerlngsinnretningen 76 kan drives ved vesentlig høyere trykk, for eksempel i området fra 27 bar til 70 bar. Nærværet av absorpsjonsmidlet i fraksjoneringsinnretnlngen resulterer i et betydelig høyere kritisk trykk i fraksjoneringsinnretnlngen slik at dannelsen av separate væske- og gassfaser av metan og nitrogen henholdsvis muliggjøres, ved de høyere trykkene.

I tillegg bidrar destillasjonshjelpemidlet til å tillate fraksjoneringstårnet 76 å drives ved en betydelig høyere temperatur enn mulig med nltrogen-metankondensasjons-fraksjoneringsinnretninger ifølge tidligere kjent teknikk siden kondensasjonen lettes ved destillasjonshjelpemidlet. Ved tidligere kjente kondensasjonsfraksjoneringsinnretninger ble temperaturen satt så lavt som mulig, det vil si -150°C, for å oppnå en tilfredsstillende kondensasjonshastighet for metan samtidig som overdreven nitrogenkondensasjon kan unngås. Noe nitrogen vil kondensere ut ved disse lave temperaturene som nærmerer seg kokepunktet for nitrogen. Siden fjernelse av metan fra nitrogen understøttes av destillasjonshjelpemidlet såvel som inter-kondensatoren, kan temperaturen i fraksjoneringstårnet være betydelig høyere, for eksempel -134"C for å unngå i det vesentlige all nitrogenkondensasjon. En ytterligere fordel ved å anvende destillasjonshjelpemidlet er forøket toleranse overfor karbondioksyd i tilførselsstrømmen. Oppløseligheten av karbondioksyd økes i den kalde nitrogen-metanblandingen når destillasjonshjelpemidlet, C£, C3eller C4er tilstede. Dette sammen med den høyere driftstemperaturen reduserer faren for blokkering forårsaket av frosset karbondioksyd.

Bunnfraksjonene fra fraksjoneringstårnet 76 bestående av en blanding av flytende destillasjonshjelpemlddel og flytende metan fjernes i rør 100 og føres gjennom en hydraulisk turbin eller en Joule-Thompson ventil 102 til rør 104 for å redusere trykket til et trykk i området fra 9 bar til 11 bar, for eksempel 10 bar. Strøm 104 passerer deretter i motstrøm gjennom kaldboksseksjon 40 slik at strømmen oppvarmes fra ca. -104°C til -90"C før den føres til innløpet av et oppløs-ningsmiddelregenereringstårn 106. Oppløsningsmiddelregenerer-ingstårnet har en kald sidefordamper 108, en varm sidefordamper 110 og en bunnfordamper 112 koblet til kaldeboks-seksjonene 38 og 36 for å omvandle den flytende metanen til gass og desorbere metan fra absorpsjonsmidlet eller destillasjonshjelpemidlet. Destillasjonshjelpemidlet tas ut i bunnstrømmen 114 som deretter pumpes ved hjelp av pumpen 116 til rør 88 som passerer gjennom kaldboks-seksjonene 36, 38, 40 og 42 tilbake til absorpsjonsmiddelinjeksjonsstrømmen for fraksjoneringstårnet 76. Tilsetningsabsorpsjonsmiddel tilsettes i rør 114, for eksempel ved å trekke ut en strøm 118 fra et egnet kolonnebrett 1 nitrogenspllttetårnet 64 og tilsette dette til rør 114.

Sirkuleringshastigheten for destillasjonshjelpemidlet 88 velges som en funksjon av både konsentrasjonen av metan i tilførselsstrømmen 74 og driftstrykket for fraksjoneringsinnretnlngen 76. Sirkulasjonen av destillasjonshjelpemidlet står i et invert forhold til metaninnholdet, og er propor-sjonal med trykket i fraksjoneringsinnretningen. Generelt vil sirkulasjonshastigheten for destillasjonshjelpemidlet være lavere enn 50 mol-# av en Inngående tilførselen 74 ved 69 bar og et lavt innhold av metan i tilførselen, og vil være mindre enn 35 mol-5é ved 21 bar og høyere metaninnhold I tilførselen. Sirkulasjonen av destillasjonshjelpemidlet endres omvendt proporsjonalt med metaninnholdet for å dempe væskebelastningsvariasjonene i fraksjoneringsinnretningen som skyldes normale variasjoner i metaninnhold som kan opptre ved assistert oljeutvinning. Sirkulasjonshastigheten for destillasjonshjelpemlddel fastsettes også 1 overensstemmelse med driftstrykk for å sikre nærvær av tilstrekkelig destillasjonshjelpemlddel til å oppnå et egnet kritisk trykk slik at det dannes en høy kondensasjonshastighet for metan.

Sirkulasjonshastigheten for destillasjonshjelpemidlet er mye lavere enn resirkuleringshastighetene for absorpsjonsmiddel som kreves for nitrogen-metanseparatorer av absorpsjonsmid-deltypen. Absorpsjonsseparatorer ifølge tidligere kjent teknikk krever en høy sirkulasjonshastighet fordi metan-absorpsjonen i absorpsjonsmidlet er begrenset og følgelig må absorpsjonsmidlet kontinuerlig regenereres ved en relativt høy hastighet for å sikre effektiv fjernelse av metan fra nitrogen-metangasstrømmen. Foreliggende oppfinnelse opererer ved en temperatur som er lav nok til at metan danner en stabil væske; følgelig er mengden av metan som blandes med destillasjonshjelpemidlet ubegrenset. Metanabsorpsjon av destillasjonshjelpemidlet, spesielt i den øvre seksjonen 77 og kondensatoren 84 av fraksjoneringsinnretningen 76, bevirker i betydelig grad fjernelse av metan fra nitrogen slik at det tilveiebringes en betydelig mer omfattende nitrogen-metanseparasjon enn det som normalt oppnås i de fleste Installasjoner Ifølge tidligere kjent teknikk. I det minste en del av omløpsstrømmen 1 fraksjoneringsinnretningen dannes ved metanabsorpsjon i destillasjonshjelpemidlet hvilket er mer energieffektivt enn kondensasjon; fjernelse av oppløsningsmiddelvarme er mer energieffektiv enn fjernelse av fordampningsvarme for å gi tilbakestrømning. Dette reduserer belastningen på lavtemperaturkondensatoren og nedkjølingsbelastnlngen for kondensatoren.

Metantoppfraksjonen 120 føres i motstrøm gjennom seksjonene 40, 38, 36 av den kalde boksen 34 for å avkjøle innkommende råstoff og kjølemiddelstrømmer med metanstrømmen 120 oppvarmet til ca. 41°C. Kjølemiddelgassen med lavt trykk fra kondensatorene 80 og 82 føres i rør 142 i motstrøm gjennom seksjonene 42, 40, 38 og 36 av den kalde boksen 34 og oppvarmes til ca. 107°C. Kompressoren 144 komprimerer kjølemidlet fra rør 142 til ca. 10 bar og fører det gjennom varmeveksleren 146 slik at det tilsettes, ved en temperatur på ca. 47° C, til strømmen 120 til akkumulatoren 122. Fra akkumulatoren 122 fjernes metan og komprimeres ved hjelp av kompressor 124 til et trykk på ca. 26 bar og føres gjennom varmeveksler 126 hvor den avkjøles til ca. 47°C. En del, fra 20 til 80$ eller mer invert avhengig av metankonsentrasjonen i tilførselen 20, av den komprimerte metanen føres i rør 128 gjennom seksjonene 36, 38 og 40 for å få avkjøle metanen til ca. -101"C ved varmeoverføring til fordampningsstrømmer, og motstrømsnedkjøling og produktstrømmer for delvis å kondensere metanen. Den flytende delen av kjølemiddelstrømmen 128 akkumuleres i separator 130. Væskestrømmen 132 fra separator 130 underkjøles til ca. -123°C i seksjon 42 av den kalde boksen 34 før den spaltes i to strømmer 134 og 136. Strøm 134, ca. 6556 av strøm 132, trykkavlastes adiabatisk til ca. 6 bar ved hjelp av Joule-Thompson ventilene 82 og 86 som tjener nedkjølingsformål for inter-kondensatoren 80 og den øvre kondensatoren 86 av nitrogen-metanfraksjoneringstårnet 86. Strøm 136 trykkavlastes til ca. 11 bar ved Joule-Thompson ventilen 138 i rør 138 for å tilveiebringe avkjølingsvirkning for den kalde seksjonen 42 av den kalde boksen for å underkjøle tllførselsstrømmen 74, destillasjonshjelpemid-delstrømmen 88 og metankjølemiddelstrømmen 132. En rimelig mengde væske opprettholdes 1 kjølemiddelstrømmen 140 fra ventilen 138 for tllbakestrømning i oppløsningsmiddel-regeneratoren 106.

Metankjølemidlet innbefatter små mengder nitrogen, etan, propan, lsobutan og n-butan. Mengden av nitrogen og C2+ hydrokarbonkomponenter kontrolleres ved driftsfaktorene for innretniningen for fjernelse av den høytkokende komponenten og nitrogen-metanseparerinsinnretningene for å øke kondensasjonen av det metanrike kjølemidlet slik at kondensasjonen kan finne sted i området fra -96°C til -101"C uten at trykkavlastningstrykket for kjølemidlet reduseres i stor grad.

Integrering av nedkjølings- og regenereringsoperasjonen muliggjør betydelig forbedret effektivitet. Regeneratoren 106 opererer mellom det mellomliggende kjølemlddelkompre-sjonstrykket og trykkavlastningstrykket slik at regenerator-tilbakestrømmen 140 kan tilføres ved ufordampet kjølemiddel, og metandamptoppfraksjonen 120 kan gi kjølemiddeldamptil-førsel til det endelige kjølemiddelkompresjonstrinnet 124. I tillegg tilveiebringer fordamper og sidefordampervirknigner på fraksjoneringsinnretningen 76 og regeneratoren 106 sammen med andre fordampnings- og motstrømsvarmevekslerstrømmer effektiv avkjøling og kondensasjon av komprimert kjølemid-delstrøm 128.

Toppfraksjonen fra separatoren 130 i rør 148 kombineres med toppfraksjonen 59 fra avmetaniseringsinnretningen 54 slik at strømmen 150 dannes, denne føres til innsugningsinntaket av en kompressor 152. Overskudd av metan fra kjølemiddelrøret 128 tilføres gjennom den trykkregulerende ventilen 154 for kombinasjon med strøm 150. Kompressor 152 komprimerer strømmen 150 og fører den komprimerte metanen gjennom varmeveksleren 156 til metanproduktrøret 26 ved rørtrykket.

Nltrogentoppfraksjonen 90 tilbakeføres også gjennom seksjonene 42, 40, 38 og 36 av den kalde boksen 34 for å avkjøle Innkommende strømmer. Kompressor 162 komprimerer nitrogenet og fører det gjennom varmeveksler 164 til nltrogenproduktrør 24. Dette komprimerte nitrogenproduktet kan anvendes for reinjeksjon 1 den underjordiske oljeholdige formasjonen for å assistere oljeutvinningen.

Foreliggende kryogene destillasjonssystem som anvender injeksjon av destillasjonshjelpemlddel resulterer i kompre-sjonsinnsparlnger på opptil 30$ sammenlignet med tidligere kjente kaldboks-kondensasjonsteknikker. På grunn av det høyere sugetrykket for den metanrike strømmen 142 og på grunn av høytrykksmetan-nitrogendestillasjonsoperasjonen, reduseres det totale antallet kompresjonstrinn til fire, tre for metan (kompressorer 146, 126 og 152) og ett for nitrogen (kompressor 162), sammenlignet med tidligere kjente kryogene kondensasjonsteknikker som krever 6 eller flere kompresjonstrinn. Disse innsparingene i kapital og driftskostnader vedrørende kompresjon, mer enn oppveier de ekstra kostnadene forbundet med oppløsningsmiddelregeneratoren. Videre vil oppløsnlngsmiddelregenereringsinnretningen, på grunn av den lave sirkulasjonshastigheten for destillasjonshjelpemlddel, være betydelig mindre kostbar enn regenereringsinnretninger ved tidligere kjente absorpsjonsprosesser hvor de høye sirkulasjonshastighetene for absorpsjonsmiddel krevde relativt store og dyre innretninger for håndtering av avkjølingen, oppvarmingen og sirkulasjonen av den store absorpsj onsmiddelstrømmen.

Modifikasjonen i fig. 3 viser anvendelse av fremgangsmåten og apparaturen i et anlegg hvor det anvendes en turboekspan-sjonsinnretning 170 som kan benyttes for å drive en elektrisk generator, en kompressor, eller annen apparatur. Nitrogen-metanstrømmen 70 trykkavlastes, etter fjernelse av høyere kokende komponenter, ved hjelp av turbo-ekspansjonsinnretningen 170 til et middels trykk i området fra 20 til 28 bar slik at det dannes en delvis kondensert strøm 172. Strømmen 172 passerer til separatoren 174 hvor metan-væskestrømmen 176 separeres fra toppfraksjongasstrømmen 178. Væskestrømmen 176 benyttes som en omløpsstrøm for nitrogenspllttetårnet 64; væskestrømmen 63 fra separatoren 62 endres slik at den passerer gjennom en Joule-Thompson-ventil 180 til et tilførselsinnløp for nitrogenspllttetårnet 64 hvori ventilen 180 reduserer trykket til det mellomliggende trykket. Videre vil metansplittetårnet 54 opereres ved det mellomliggende trykket; en Joule-Thompson-ventil 182 er innført for egnet trykkreduksjon i tilførselen 52 til metansplittetårnet 54. Den øvre fråksjonsstrømmen 178 fra separatoren 174 kombineres med den øvre fraksjonen fra nitrogenspllttetårnet 72 slik at tilførselsstrømmen 74 til nitrogen-metanfraksjoneringsinnretnlngen 76 dannes.

Med ekspansjonsinnretningen 170 som reduserer metan-nitrogen-strømmen til et trykk fra 20 til 28 bar, kan den kryogene destillasjonskolonnen 76 modifiseres ved at det anvendes en bypass 183 som retter destillasjonshjelpemidlet fra en skorstenskolonneplate 184 i den nedre delen av den øvre seksjonen 77 gjennom fordampervarmeveksleren 185 i kaldboks-seksjonen 42 til den lavere seksjonen 79. Bypassen 183 er spesielt velegnet når metaninnholdet i råstoffet 74 er høyere enn 40 mol-56 av råstoffet; for råstoff med lavere metaninnhold fremmes metanfjernelsen ved strøm av destillasjonshjelpemlddel gjennom kolonnelengden. Med denne bypass-modifikasjonen kondenseres metan i midtseksjonen 78 uten destillasjonshjelpemidlet. Denne flytende metanen kan sirkuleres gjennom den kalde sidevarmeveksleren 185 og en varm sidefordamper 186 for å fjerne absorbert nitrogen, og kan deretter fjernes gjennom rør 187 til kjølemiddel-akkumulatoren 130 for å redusere kompresjonsbelastningen for metannedkjølIngen. Modifikasjonen i fig. 3 vil medføre økede kostnader forbundet med metanoppumping på grunn av trykk-reduksjonen gjennom turboekspansjonsinnretningen 170; imidlertid er den samlede virkningsgraden ved kondensa-sjonsseparasjonen av nitrogen fra metan ved anvendelse av et destillasjonshjelpemlddel fremdeles en forbedring sammenlignet med tidligere kjente anlegg hvor det anvendes turbo-ekspansjonsinnretninger.

Andre variasjoner av innretningen for nitrogen-metankryogen-destillasjon er vist i figurene 4 og 5. Inter-kondensatorene 80 i figurene 1 og 3 er vist montert i f raksjonerings-kolonnen. I figurene 4 og 5 er imidlertid inter-kondensa-torené 206 utenfor fraksjoneringskolonnen eller kolonnene anvendt sammen med toppkondensatorer 195 utenfor kolonnene. Fraksjoneringskolonnen 190 i fig. 4 er separert i øvre og nedre seksjoner 191 og 192 ved hjelp av en indre vegg 193. Toppf raks j onen 194 fra den øvre seksjonen 191 blandes med destillasjonshjelpemiddelstrømmen 88 og føres til den øvre kondensatoren 195 avkjølt ved hjelp av en ekspandert kjølemiddelstrøm. En separator 196 separerer væskeutløpet fra kjøleren 195, destillasjonshjelpemlddel pluss kondensert og absorbert metan, fra gasskomponenten, nitrogen 90. Væskekom-ponenten 198 returneres ved hjelp av pumpen 200 til til-bakeløpsinntaket for den øvre delen av kolonnen 190. Væskestrøm 202 fra bunnen av den øvre kolonnedelen 191 blandes med toppfraksjonsstrømmen 204 fra den nedre delen og føres til inter-kondensatoren 206 avkjølt ved hjelp av ekspandert kjølemiddel. Separator 208 separerer væske- og gassutløpet fra kjøleinnretningen 206, fører gasstrømmen 210 tilbake til den øvre delen 191 og fører væskestrømmen ved hjelp av pumpen 212 som tilbakeløp til den nedre seksjonen 192. Variasjonen i fig. 4 kan anvendes med et bredt område av trykk og nitrogeninnhold i innløpsstrømmen på grunn av den fullstendige barriereseparasjonen mellom den øvre og nedre seksjonen.

I variasjonen i fig. 5 har fraksjoneringsinnretningen to kolonner 220 og 222 som danner de nedre, mellomliggende og øvre fraksJoneringsinnretningsseksjonene med kolonnen 220 som mottar strømmen 74. Kolonnen 220 fungerer som en destillasjonskolonne med en bunnfordamper 92 tilsvarende den nedre seksjonen i fig. 4. Væskestrømmen 202 trekkes fra skorsteins-kolonneplateri 1 kolonnen 222 for blanding med den øvre produktstrømmen 204 fra kolonnen 220 og føres gjennom kondensatoren 206 til separatoren eller den nedre seksjonen av kolonne 222. Den flytende bunnstrømmen fra kolonne 222 føres ved hjelp av pumpen 212 som tllbakestrøm til kolonnen 220.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte for separering av nitrogen fra metan hvori en gassformig blanding innbefattende nitrogen og metan avkjøles (34) til en temperatur under kokepunktet for metan, men over kokepunktet for nitrogen, og det avkjølte nitrogenet og metanet separeres i en kryogen fraksjoneringsinnretning (76);karakterisert ved- injeksjon i fraksjoneringsinnretningen (76) av et destillasjonshjelpemlddel (88) innbefattende et flytende materiale valgt fra gruppen bestående av etan, propan, lsobutan, normal butan og blandinger derav for å øke den relative flyktigheten av nitrogen til metan og for å understøtte kondensasjonen ved at en del av metanet absorberes, - en bunnfraksjon (100) fra den kryogene nitrogen-metanf raksjoneringsinnretnlngen innbefattende en blanding av destillasjonshjelpemidlet og flytende metan føres til en regenerator (106), - blandingen av destillasjonshjelpemidlet og flytende metan oppvarmes i regeneratoren slik at det dannes en øvre produktstrøm (120) av metan og en bunnfraksjon (114) av destillasjonshjelpemlddel, - fjernelse av etan og tyngre hydrokarbongassmaterlale (50,54) fra naturgasstrømmen før den avkjølte blandingen av nitrogen og metan tilføres til den kyrogene nitrogen-metanf raksjoneringsinnretnlngen , - avkjøling og returnering av bunnfraksjonen (114,88) av destillasjonshjelpemidlet for den nevnte injeksjonen i den kryogene nitrogen-metanfraksjoneringsinnretningen, - fjernelse av metan fra regeneratoren som produkt (120,26), og - fjernelse av nitrogen som en øvre produktstrøm (90) fra den kryogene nitrogen-metanfraksjoneringsinnretningen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisertved at den kryogene nitrogen-metanfraksjoneringsinnretnlngen (76) opererer ved trykk i området mellom 27 og 69 bar.

3. Fremgangsmåte Ifølge krav 1,karakterisertved at en avkjølt blanding (74) til den kryogene nitrogen-metanfraksjoneringsinnretningen (76) tilføres til en mellomliggende seksjon (78) av fraksjoneringsinnretningen, og metan kondenseres fra blandingen ved hjelp av en Inter-kondensator (80) plassert mellom en øvre (77) og den mellomliggende (78) seksjonen av fraksjoneringsinnretningen (76), ved hjelp av en øvre kondensator (84) i den øvre seksjonen av fraksjoneringsinnretningen.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3,karakterisertved at injeksjonen av destillasjonshjelpemidlet (88) innbefatter at destillasjonshjelpemidlet Injiseres slik at det passerer 1 motstrøm med den øvre nitrogenstrømmen gjennom den øvre kondensatoren (84).

5. Fremgangsmåte ifølge krav 3,karakterisertved at inter-kondensatoren og den øvre kondensatoren (80,84) drives ved en temperatur på ca. -134°C.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisertved at den innbefatter følgende trinn - kompresjon og kondensasjon (124, 126) av en del av den øvre strømmen av metan (120) fra regeneratoren for anvendelse som kjølemlddel (128,132), - trykkavlastnlng av en første del (82,86) av kjølemidlet i kondensasjonsinnretningen (80,84) inne i den kryogene nitrogen-metanfraksjoneringsinnretnlngen for fjernelse av kondensasjonsvarme og absorpsjon av metan, - delvis trykkavlastning (138) av en andre del av kjølemidlet 1 en varmevekslerinnretning (42) for å utføre kjøletrinnene, og - injlsering av en ikke-trykkavlastet del (140) av den andre delen av kjølemiddel som tilbakeløp i regeneratoren (106).

7. Apparatur for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1, innbefattende innretning (34) for avkjøling av den gassformige blandingen av nitrogen og metan til en temperatur under kokepunktet for metan, men over kokepunktet for nitrogen, kryogen nitrogen-metanfraksjoneringsinnretning (76) for mottagelse av den avkjølte blandingen av nitrogen og metan, kondensatorinnretning (80,84) for kondensasjon av metan i fraksjoneringsinnretningen,karakterisertved - innretning (88) for injeksjon av et destillasjonshjelpemlddel innbefattende et materiale valgt fra gruppen bestående av etan, propan, lsobutan, normal butan og blandinger derav som en omløpsstrøm 1 den kryogene nitrogen-metanfraksjoneringsinnretnlngen (76), - innretning (100) for fjernelse av en blanding av destillasjonshjelpemlddel og flytende metan fra en bunnfraksjon fra den kryogene nitrogen-metanfraksJon-er ingsinnretningen (76), - en regenerator (106) for mottagelse av den fjernede blandingen av destillasjonshjelpemlddel og flytende metan for å oppvarme blandingen slik at metan drives av som en toppfraksjon (120) og slik at det dannes et magert destillasjonshjelpemiddelbunnprodukt (114 ), - innretning (50,54) for separasjon av etan og tyngre hydrokarboner fra den avkjølte blandingen (20) før den kryogene nitrogen-metanfraksjoneringsinnretnlngen, og - innretning for avkjøling (34) og resirkulering (116,88) av det magre destillasjonshjelpemidlet fra regeneratoren til den kryogene nitrogen-metanfraksjoneringsinnretnlngen (76).

8. Apparatur ifølge krav 7,karakterisert vedat kondensatorinnretningen av den kryogene nitrogen-metanfraksjoneringsinnretningen innbefatter en inter-kondensator (80) for kondensasjon av bulk- metan fra råstoffstrømmen (74), og en øvre kondensator (84) for mottagelse av en strøm (88) av regenerert destillasjonshjelpemlddel og for kondensasjon av ytterlige metan fra den gassformige strømmen.

9. Apparatur ifølge krav 7,karakterisert vedat den innbefatter - innretning (124,126) for komprimering og kondensasjon av en del av den øvre metanstrømmen (120) fra regeneratoren (100) inn i kjølemidlet, - innretning (82.86) for trykkavlastning av en første del av kjølemidlet i kondensasjonsinnretningen (80,84) av fraksjoneringsinnretningen for å fjerne varme ved kondensasjon og absorpsjon av metan, - avkjølingsinnretning for den gassformige blandingen og avkjølingsinnretning for destillasjonshjelpemidlet innbefattende kaldboksvarmevekslingsinnretning (34), - innretning (138) for delvis trykkavlastning av en andre del (136) av kjølemidlet i kaldboksvarmevekslerinnret-ningen (34) slik at en del av avkjøl ingsytelsen dertil tilveiebringes, og - innretning (140) for Injeksjon av en ikke-trykkavlastet del av den andre delen av kjølemiddel som .tilbakestrømning i regeneratoren (106).