NO165233B - Fremgangsmaate og apparatur for gjenvinning av nitrogen ognatugassvaesker. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår fremstilling av nitrogen og naturgassvæsker, NGL, fra en metanholdig matestrøm for eksempel en naturgass. Oppfinnelsen er spesielt rettet mot gjenvinning av nitrogen, et metanrikt produkt og naturgassvæsker fra en metanholdig matestrøm der nitrogennivåene varierer i matestrømmen. Mere spesielt er oppfinnelsen rettet mot en slik separering der nitrogen og metanrikt produkt holdes under høyt trykk.

Foreliggende oppfinnelse angår også en apparatur for gjennomføring av denne fremgangsmåte.

Fremstilling av metanholdige gasstrømmer som naturgass medfører hyppig fjerning av forurensninger eller komponenter som ikke er ønsket i rørledningsproduktet fra naturgassfrem-stillingen. En slik komponentklasse er kalt naturgassvæsker eller NGL. NGL består av etan og høyere hydrokarboner som finnes i naturgass. Avhengig av strømningsøkonomien og gassduggpunktkravene er det enkelte ganger ønskelig å fjerne NGL fra naturgassen. Forskjellige destillasjonsmetoder har vært studert for en slik separering hvorved avkjøling av naturgassen fullfører separeringen av NGL-komponentene fra metankomponentene i naturgassen.

Et eksempel på en forurensning som anses ønskelig å fjerne fra naturgass før rørledningstransport, er nitrogen. Mange produksjonsstrømmer av naturgass inneholder mindre men ikke uvesentlige nitrogen-nivåer. For å tilfredsstille gitte minimumskrav til produktgassens oppvarmingsverdi eller den maksimale konsentrasjon av inerte komponenter, tillates dette nitrogen ikke å forbli i naturgassen som fraktes til markedet eller transporteres på annen måte. I tillegg til det naturlig forekommende nitrogen i enkelte fremstilte naturgasser oppstår nu nitrogen i varierende konsentrasjoner i fremstilt naturgass der fremstillingen av gassen er forbundet med oljereservoarer som har vært holdt under eller understøttet av nitrogeninnblåsing i Jordlag som inneholdt reservoarene. Slike produksjonsteknikker kalles karakteristisk forbedret gjenvinning eller ikke-primær (sekundær) gjenvinning og benyttes i større grad efterhvert som antallet naturlig produserende naturgass- og dermed forbundne oljereservoarer tømmes. Forskjellige metoder har til nu vært benyttet for separering av nitrogen fra naturgass. Nitrogenet fjernes som en avfallsstrøm eller et biprodukt med liten eller ingen verdi selv om det gjenvundne nitrogen i enkelte tilfeller gjeninnblåses i de jordlag der den utnyttes mer økonomisk enn nyfremstilt nitrogen. Nitrogenfjerningen gjennomføres generelt ved avkjøling av den nitrogenholdige naturgass og fraksjonering av denne i en destillasjonskolonne.

Slike prosesser er eksemplifisert i den følgende kjente teknikk.

I US-PS 3 656 312 beskrives det en fremgangsmåte der en flytendegjort gassblanding inneholdende metan separeres fra etan og tyngre hydrokarboner i en destillasjonskolonne. Metan som gjenvinnes ved prosessen foreligger i flytende tilstand og kan lett pumpes til det ønskede trykk. Separate kolonner for separering av etan fra propan, butan eller tyngre hydrokarboner er diskutert.

US-PS 3 797 261 tilveiebringer en fremgangsmåte for separering av naturgass inneholdende nitrogen. Naturgassen separeres til en lavnitrogenfraksjon og en høynitrogenfrak-sjon. Separeringen gjennomføres i en destillasjonskolonne der avkjølingen oppnås ved ekspansjon av høytnitrogenfrak-sjonen og ved fordamping av et tilbakeføringsmedium i varmeveksling med dampen i kolonnen. Høynitrogenfraksjonen som er ekspandert for å gi nødvendig avkjøling fra prosessen ved atmosfærisk trykk. Prosessen tar sikte på et tilbake-føringsmedium som gir ytterligere avkjøling for drift av kolonnen. Metanprodukter reduseres i trykk fra ca. 21 til ca. 21,76 kg/cm<2> manometertrykk. Dette krever at metanproduktet rekomprimeres til rørledningstrykk på ca. 21 kg/cm<2> manometertrykk. Spillnitrogen fra denne prosess trekkes av fra prosessen under et trykk på ca. 1 kg/cm<2> manometertrykk eller ca. atmosfærisk trykk. Prosessen krever trykkreduksjon for å tilveiebringe den nødvendige avkjøling for separering. Når det gjelder naturgass som inneholder mer enn 50% nitrogen, blir matestrømmen under trykket på 300 kg/cm<2 >separert i et nitrogenprodukt som trykkreduseres til minst 1,4 kg/cm<2> manometertrykk. Produktet blir hvis det er ønsket i flytende form redusert til 2,1 kg/cm<2> manometertrykk og hvis det tilveiebringes i gassform til minst 2,8 kg/cm<2 >manometertrykk. For derfor å gjenvinne det variable nitrogeninnhold eller de gassformige eller flytende metanstrømmer i denne prosess er det nødvendig med vesentlige trykkreduk-sjoner for avkjøling.

US-PS 4 323 380 beskriver en fremgangsmåte for separering av nitrogen og etan fra naturgass. Prosessen benytter tre rektifiseringstrinn for å oppnå separeringen. Fremgangsmåten er rettet mot et fiksert lavnitrogennaturgassråstoff.

"Linde Reports on Science and Technology", Vol. 15 (1970) beskriver en nitrogengjenvinningsprosess der nitrogenholdig naturgass innføres i en høytrykkskolonne som arbeider ved en metankjølecyklus med lukket krets. Igjen er prosessen relevant med henblikk på en mategasstrøm med fiksert nitrogeninnhold.

Prosessene ifølge den kjente teknikk mangler generelt evnen til å avgi nitrogen og metan ved høyt trykk i en prosess som lett kan anvendes over et vidt omrade for nitrogeninnholdet i råstoffet. Oppfinnelsen overvinner disse mangler slik det skal beskrives nærmere nedenfor.

I henhold til dette angår foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for gjenvinning ved høyt trykk av et i det vesentlige rent nitrogenprodukt, et etanrikt produkt og et metanrikt produkt fra en metanholdig matestrøm med et nitrogeninnhold i området 1-80 volum-#, og denne fremgangsmåte karakteriseres ved at den omfatter: a) å avkjøle en høytrykks metanholdig matestrøm og separering av strømmen i en etanrik fraksjon og en nitrogenrik fraksjon; b) trykkreduksjon av den nitrogenrike fraksjon i det minste delvis gjennom en ekspansjonsinnretning og innføring av den nitrogenrike fraksjon til en første høytrykksdestilla-sjonskolonne; c) å drive kolonnen med varmepumpekjøling i lukket sløyfe som kondenserer en topp tilbakeløpsstrøm, kondenserer en midlere tilbakeløpsstrøm og fordamper en omkokerstrøm til destlllasjonskolonnen hvori en andel av kjølingen for tilbakeløpet av kolonnen tilveiebringes ved ekspansjon av kjølemidlet gjennom en ekspansjonsturbin; d) fjerning av et høytrykks, i det vesentlige rent nitrogenprodukt som eh toppstrøm fra kolonnen og gjenoppvarming av dette mot kjølemidlet i lukket sløyfe og andeler av mate-strømmen; e) fjerning av en metanrik bunnstrøm fra kolonnen og innføring av strømmen i en andre destillasjonskolonne som tilbakeløp; f) innføring av den etanrike fraksjon fra trinn (a) til den andre destillajsonskolonne; g) fjerning av et metanrikt produkt under høyt trykk fra toppen av den andre kolonne, og et etanrikt produkt fra

bunnen av den andre kolonne.

Oppfinnelsen angår som nevnt også en apparatur for gjennom-føring av den ovenfor angitte fremgangsmåte og denne apparatur karakteriseres ved at den omfatter: a) varmevekslere for avkjøling av matestrømmen for partielt å kondensere den; b) faseseparatorer for separering av en entanrik flytende fase fra en nitrogenrik dampfase; c) en ekspansjonsinnretning for reduksjon av trykk og

temperatur av i det minste en del av den nitrogenrike

fraksjon;

d) en første destillasjonskolonne som arbeider ved høyt trykk for separering av et i det vesentlige rent nitrogenprodukt

som toppstrøm og en metanrik bunnstrøm;

e) en varmepumpeavkjølingscyklus i lukket sløyfe som driver den første destillasjonskolonne der en del av kjølingen

for tilbakeløpet I kolonnen oppnås ved en ekspansjonsturbin i cyklusen;

f) en andre destillasjonskolonne for separering av den etanrike fraksjonen fra punkt (b) og den metanrike

bunnstrøm fra punkt (d) til et metanrikt produkt og et etanrikt produkt.

Fremgangsmåten Ifølge oppfinnelsen kan benyttes på en metanholdig matestrøm som har en nitrogenkonsentrasjon som kan variere innen et vidt område av 1 til 80 volum-56 av råstoffet.

Fortrinnsvis blir varmepumpekjølemidlet i lukket sløyfe inndelt i en første understrøm som ekspanderes til en lavere temperatur og et lavere trykk og en andre understrøm som kondenseres mot kolonneomkokerstrømmen før ytterligere avkjøling ved den første understrøm.

Det er ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen fordelaktig å benytte minst en andel av den opprinnelige matestrøm for omkoking av den andre destillasjonskolonne der naturgassvæsker separeres fra metan. Fortrinnsvis blir den etanrike fraksjon av matestrømmen som innføres i den andre destillasjonskolonne separert fra matestrømmen i to trinn og hver separate fraksjon innføres individuelt i den andre destillasjonskolonne for bedre utnyttelse av kjøling.

Den nitrogenrike fraksjon av den opprinnelige matestrøm kan fasesepareres og hver fasestrøm trykkreduseres for å gi avkjøling før de individuelle strømmer hver innføres til den enkelte høytrykksdestillasjonskolonne. Igjen bevirker dette en bedre separasjon i kolonnen.

Figuren er et skjematisk flytskjema av oppfinnelsen som viser nitrogenutvinningstrinnet, NGL-trinnet og en driftsmåte uten nitrogenutvinningstrinnet.

Oppfinnelsen tilveiebringer som nevnt en energieffektiv metode for behandling av metanrike matestrømmer slik som naturgass for å fjerne nitrogen som kan foreligge i varierende konsentrasjoner, så vel som naturgassvæske slik som etan og tyngre hydrokarboner. Disse produkter separeres og fjernes ved høyt trykk, noe som således unngår'den apparatur, for eksempel kompressorutstyr, og energi, spesielt kompre-sjonskraft, som ellers ville være nødvendig hvis separeringen skulle gjennomføres ved lavt trykk eller hvis den nødvendige avkjøling ble oppnådd fra trykkreduksjon i de forskjellige strømmer, vanligvis kalt autoavkjøling.

Denne type separering og utvinning av både nitrogen og metanrikt produkt er spesielt godt tilpasset naturgassfrem-stilling der produksjonen er avhengig av nitrogeninnsprøyting i naturgassholdige formasjoner for å opprettholde brønn-trykket. Under de første faser av naturgassutvinning ved bruk av nitrogentrykk er nitrogeninnholdet I den fremstilte naturgass heller lavt. Imidlertid vil I løpet av brønnens produksjonstid nitrogeninnholdet i den fremstilte naturgass økes efterhvert som mengden naturgass reduseres og fronten av innsprøytet nitrogen trenger gjennom til brønnutløpet. Under produksjon varierer derfor nitrogeninnholdet og det økes, noen ganger fra et neglisjerbart nivå av nitrogen opptil ca.

80 volum-# av råstoffet. For med hell og på økonomisk måte å gjennomføre slik naturgassproduksjon er det nødvendig å fjerne nitrogen fra naturgassen for å tilfredsstille rørledningsspesifikasjoner for naturgass så vel som for å gjenvinne nitrogen for gjeninnsprøytlng ved opprettholdelse av trykket i produksjonsbrønnen. For å forbli økonomisk må nitrogentilbakeføringen eller ominnsprøytingsstrømmen være tilgjengelig ved høyt trykk uten behov for vesentlig omkomprimering. Derfor er det i en prosess ønskelig å fjerne eller gjenvinne nitrogen fra naturgassen uten nødvendigheten for vesentlig å redusere trykket i det gjenvundne nitrogen. Oppfinnelsen oppnår dette sammen med en vellykket integrering av en gjenvinning av naturgassvæsker i skjemaet for nitrogengjenvinning. Nitrogeninnholdet i naturgassen som behandles ved oppfinnelsen kan variere innen området 1 til ca. 80%.

Ytterligere en fordel ved å kjøre nitrogengjenvinning og NGL-gjenvinning ved høye trykk er at mategassen kan inneholde en høyere andel karbondioksyd uten at karbondioksydet fryser og danner faststoffer som stopper til apparaturen.

Ytterligere en fordel ved oppfinnelsen er at både nitrogen-produktet og det metanrike produkt fjernes fra prosessen ved tilsvarende høyt trykk. Kompresjonskapasiteten for prosess-utstyret kan derfor lett skiftes for de varierende mengder nitrogen og metan når nitrogenkonsentrasjonene i fremstilt råstoffstrøm forandres i løpet av brønnens levetid. Ved lave nitrogenkonsentrasjoner i matestrømmen kan sluttproduktkompresjonskapasiteten benyttes overveiende for gjenkompri-mering av metan. Ved høye konsentrasjoner av nitrogen i matestrømmen kan sluttproduktkompresjonskapasiteten skiftes over for å benyttes mere for rekomprimering av nitrogenprodukt .

Høy gjenvinning av metan og gjenvunnet nitrogen er mulig innen et vidt område av nitrogenkonsentrasjoner i matestrøm-men for naturgass som skal behandles, fordi den nødvendige avkjølingskapasitet for å kjøre nitrogengjenvinningskolonnen i stor grad er tilgjengelige fra en varmepumpekjølecyklus i lukket sløyfe. For å justere for varierende betingelser under varierende nitrogenkonsentrasjoner kan varmepumpekjøle-cyklusen i lukket sløyfe spaltes i to understrømmer der en første understrøm kan ekspanderes for å tilveiebringe ytterligere avkjøling for tilbakeløp i den første destillasjonskolonne der nitrogengjenvinningen skjer.

Varmepumpekjølecyklusen i lukket sløyfe inkluderer en turbin-ekspander som tilveiebringer en kontrollert og variabel mengde avkjølingskapasitet til nitrogengjenvinningskolonnen. Ved å tilveiebringe supplementæravkjøling til kolonnen tillater denne ekspansjonsinnretningen fjerning av en andel av matestrømmen fra hovedstrømmen av matestrømmen før den trer inn i nitrogengjenviningskolonnen. Den fjernede andel innføres til NGL eller den andre kolonne. Denne fjerning utgjør et tap av kjølekapasitet til nitrogengjenvinningskolonnen og krever at det tilveiebringes kjøling slik som ved varmepumpe-turbinekspanderen. Derfor kan mengden av etan som gjenvinnes i den andre destillasjonskolonne reguleres og justeres ved å endre utgangen fra turbinekspanderen i varmepumpecyklusen. Ved videre å supplere kjølekapasitetstap fra nitrogengjenvinningskolonnen, forårsaket på grunn av den fjernede andel av matestrømmen unngår anvendelsen av turbinekspandrene nødvendigheten for å hente avkjølings-kapasitet fra reduksjon av trykket i det metanrike produkt, hvorved man kan opprettholde høyt trykk i det metanrike produkt.

Den andre destillasjonskolonne blir ved fremgangsmåten for naturgassvæskegjenvinning, ifølge oppfinnelsen, i det minste delvis kokt om igjen med en andel av den opprinnelige mate-strøm til prosessen. Dette tilveiebringer forbedret separasjon av metankomponentråstoffer til destillasjonskolonnen fra etan og tyngre hydrokarboner. Denne destillasjonskolonne mates med tre separate matestrømmer som også bidrar til den forbedrede separering. To av disse individuelle tilmatninger separeres fra den opprinnelige matestrøm som etanrike fraksjoner mens den tredje strøm til den andre destillasjonskolonne utgjør den metanrike bunnstrøm fra den første kolonne eller nitrogengjenvinningsdestillasjonskolonnen.

Under henvisning til figuren skal fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen beskrives i større detalj. Fremgangsmåten kan benyttes på matestrømmer med varierende metaninnhold, i beskrivelsen vil imidlertid matestrømmen angis som en naturgasstrøm.

Naturgass inneholdende nitrogen og naturgassvæsker gjenvinnes fra en brønn som produserer ved hjelp av nitrogeninnblåsning. Naturgassen tørkes efter fjerning av mesteparten av COg og innføres i rørledningen 10 under et trykk på ca. 60 kg/cm<2 >manometertrykk og 32°C. En sidestrøm spaltes av fra hoved-matestrømmen i rørledning 14. Denne strøm benyttes for å tilveiebringe en andel av omkoket i den andre destillasjonskolonne 114 som fjerner naturgassvæsker. Efter føring gjennom omkokere 126 og 128 tilbakeføres strømmen 14 til hovedmatestrømmen. Omkokerne befinner seg under bunntilmat-ningen 24 i kolonnen 114 men for illustrasjonens skyld er de vist et stykke opp på kolonnen over der de virkelig ville være. Den gjenværende andel av hovedmatestrømmen avkjøles mot produktstrømmene i varmeveksleren 16 før kombinering med sidestrømmen 14 og avkjøles ytterligere ved propanavkjøling i varmeveksleren 18. Den partielt kondenserte matestrøm i rørledningen 20 tilføres til en faseseparator 22 der væskefasen fjernes som en bunnstrøm i rørledningen 24 som en første etanrik fraksjon som mates til den andre eller NGL-destillasjonskolonne 114. Dampfasen av matestrømmen fjernes så med en toppstrøm i rørledning 26 og avkjøles ytterligere i varmeveksleren 28. Ytterligere væske kondenseres under denne avkjøling og strømmen innføres til en andre faseseparator 30. En andre etanrik fraksjon fjernes fra bunnen av en andre faseseparator 30 i rørledningen 32. Den etanrike fraksjon trykkreduseres i rørledningen 34 før den gjenoppvarmes og delvis fordampes i varmeveksleren 28 og derefter tilføres i rørledning 36 som en mellomtilmatning til den andre NGL-destillasjonskolonne 114.

Dampfasen fra den andre mateseparator 30 i rørledningen 38 avkjøles ytterligere mot prosesstrømmer i hovedvarmeveksleren 40. Denne strøm er en nitrogenrik fraksjon av den opprinnelige matestrøm og inneholder hovedsakelig nitrogen og metan. Efter avkjøling i varmeveksleren 40 hl ir fasen med nitrogenrik fraksjon separert i den tredje faseseparator 42. Den flytende fase i rørledningen 44 trykkreduseres gjennom ventilen 46 før den innføres i den første destillasjonskolonne 52 som den nedre av to tilmatninger til denne kolonne. Dampfasen fra separatoren 42 fjernes som en toppstrøm i rørledningen 48 og trykkreduseres ved ekspan-dering gjennom en turbin eller ekspander 50 før den tilføres til den første destillasjonskolonne 52 som en andre tilmatning tilført til kolonnen på et nivå over tilmatningen i rørledningen 44.

Den destillasjon som gjennomføres i den første destillasjonskolonne 52 er ment å separere nitrogen fra en hovedsakelig metanholdig strøm. Nitrogenseparering fra den metanholdige naturgass gjennomføres ved høyt trykk som for eksempel ligger innen området ca. 21 til ca. 28 kg/cm<2> manometertrykk. Nitrogen fjernes som en toppstrøm i rørledning 70 mens en metanrik bunnstrøm fjernes fra kolonnen 52 i rørledningen 54.

Kolonnen 52 kokes på ny ved å fjerne en andel av bunnfrak-sjonen i rørledning 62 og gjenoppvarming av denne i varmeveksleren 64 mot et varmepumpekjølemiddel i lukket sløyfe. Ytterligere omkok tilveiebringes ved å fjerne en strøm 55 over omkoksstrømmen 62 kolonnen 52 og å varmeveksle denne mot den metanrike bunnstrøm med rørledning 54 i sideomkoks-varmeveksleren 58 før gjeninnføring av omkoket kolonnen 52.

Kolonnen 52 kokes under tilbakeløp ved å splitte ut en andel av det i det vesentlige rene nitrogenprodukt fra rørledningen 70 i rørledningen 72 og totalkondensering av denne strøm i en kondensasjonsvarmeveksler 76 før tilbakeføring av nitrogenet som tilbakeløp til toppen av kolonne 52. Kondensasjonsvarmeveksleren 76 mates med koldt kjølemiddel fra varmepumpekjøle-cyklusen i lukket sløyfe som også strømmer gjennom omkoks-varmeveksleren 64. Den gjenværende andel av strømmen 70 fjernes som et 1 det vesentlige nitrogenprodukt fra nitrogengjenvinningskolonnen 52 i rørledning 74. Produktet i rør-ledning 74 gjenoppvarmes i en sidekondensasjonsvarmeveksler 68 som sammen med kjølemiddel fra varmepumpekjølecyklusen avkjøler en midlere side tilbakeløpsstrøm i rørledning 66. Denne strøm forbedrer energieffektiviteten ved separeringen av nitrogen- og metanfraksjoner i den første destillasjonskolonne 52. Det i det vesentlige rene nitrogenprodukt i rørledning 74 fra varmeveksleren 68 gjenoppvarmes så ytterligere i varmeveksleren 90 mot en underkjølt høytrykks-strøm i varmepumpekjølecyklusen i lukket sløyfe. Nitrogen-produktet i rørledning 74 oppvarmes ytterligere I hovedvarmeveksleren 40 og varmeveksleren 28 mot en andel eller fraksjon av mategasstrømmen. Til slutt gjenoppvarmes nitrogen i varmeveksleren 16 mot den gjenværende andel av matestrømmen i rørledning 12 før den fjernes som et nitrogenprodukt i rørledning 78. Nitrogenet kan komprimeres og benyttes om igjen for nitrogeninjeksjon i en injeksjonsbrønn i for-bindelse med en produksjonsbrønn for naturgass. Nitrogen fjernes fra prosessen ifølge oppfinnelsen ved et trykk på ca. 21 til 28 kg/cm<2> manometertrykk. Denne høytrykksgass komprimeres så ytterligere for forbedret utvinning som beskrevet ovenfor.

Denne første destillasjonskolonne 52 som gjennomfører separering av nitrogen fra metanfraksjonen i mategasstrømmen drives ved hjelp av en varmepumpekjølecyklus i lukket sløyfe. Kjølemidlet som benyttes i denne cyklus er metan selv om andre kjølemidler kan benyttes avhengig av mategasstrøm-men som behandles, likeledes kan det benyttes blandede kjølemidler. Kjølemidlet i rørledning 80 som er komprimert til ca. 25,6 kg/cm<2> manometertrykk splittes i en første understrøm i rørledning 84 og en andre i rørledning 86. Den første understrøm 84 avkjøles i hovedvarmeveksleren 82 for kjølecyklusen og trykkreduseres så gjennom ekspansjonsturbinen eller ekspanderen 88 for å tilveiebringe minst en andel av kjølingen til kolonnens tilbakeløp. Dette kjøle-middel kombineres med kjølemiddel som har vært benyttet ved kondensering av topp tilbakeløpsstrømmen i destillasjonskolonnen 52 og dette kjølemiddel tilbakeføres i rørledning 104 og de kombinerte strømmer i rørledning 104 og 84 benyttes for å avkjøle kjølemiddel i den kolde varmeveksler 92. Den andre understrøm i rørledning 86 avkjøles også i hovedvarmeveksleren 82 før den ytterligere avkjøles og kondenseres i omkokevarmeveksleren 64 mot omkoket i rørledning 62 for kolonnen 52. Kjølemidlet i rørledning 86 underkjøles i varmeveksleren 90 mot kjølemiddelstrømmer og nitrogenprodukt-strømmen før den underkjøles ytterligere i den kolde varmeveksler 92 mot tilbakevendende kjølemiddel i rørledning 104 og det ekspanderte kjølemiddel i understrømmen 84. Den andre understrøm, nu i rørledning 96, trykkreduseres og fasesepareres i faseseparatoren 100. Den flytende fase i rørledning 102 benyttes for å kondensere et nitrogentilbake-løp 72 i kolonnen 52 ved hjelp av kondensasjonsvarmeveksleren 76. Fordampet kjølemiddel i rørledning 102 tilbakeføres til separatorbeholderen 100. Dampfasen av kjølemidlet i separatorbeholderen 100 fjernes i rørledning 104 og kombineres med en første understrøm 84 fra ekspansjonsturbinen 88. Kombinert kjølemiddel gjenoppvarmes i den kolde varmeveksler 92 og fjernes i rørledning 106 før den gjenoppvarmes ytterligere i varmeveksleren 90 og 82 mot kjølestrømmen. Dette kjølemiddel ekspanderes og trykkreduseres for å tilveiebringe det koldeste (laveste) kjølenivå for kolonnen og krever derfor ytterligere rekomprimering før tilbakef-øring. Dette første rekomprimeringstrinn gjennomføres I kompressor 108.

En sidestrøm 94 splittes ut av en andre understrøm i rørledning 86 efter at understrømmen 86 er avkjølt i den kolde varmeveksler 92. Den utsplittede kjølemiddelstrøm i rørledning 94 tilveiebringer avkjøling for den midlere tilbakeløpslinje 66 ved å sørge for en andel av den kjøling som er nødvendig i varmeveksleren 68. Strømmen gjenoppvarmes så og tilbakeføres gjennom varmeveksleren 90 og 82 og kommer inn i rekomprimeringsdelen av kjølecyklusen i rørledning 98. Dette kjølemiddel I rørledningen 98 har et midlere trykknivå og kombineres med partielt rekomprimerte kjølemiddel fra kompressoren 108. Kombinert varmt kjølemiddel rekomprimeres ytterligere i kompressorer 110 og 112 før tilbakeføring for avkjøling. Kjølemidlet efterkjøles i en varmeveksler nedstrøms hver kompressor.

Den metanrike bunnstrøm 54 som er fjernet fra bunnen av den første destillasjonskolonne 52 blir så overført til den andre destillasjonskolonne 114 ved hjelp av pumpen 56. Strømmen passerer først gjennom sideomkokervarmeveksleren 58 for å gi et ytterligere inkrement av omkoking til den første kolonne og trykkreduseres så før Inngang i varmeveksleren 40. Dampen gjenoppvarmes i hovedvarmeveksleren 40 før den innføres til den andre destillasjonskolonne 114 som den øverste tilmatning til kolonnen i rørledning 60. Den andre destillasjonskolonne som benyttes for å separere et metanrikt produkt fra NGL-komponentene slik som metan, propan, butan og andre tunge hydrokarboner mates med tre adskilte tilmatninger i rør-ledningene 24, 36 og 60. Dette gir forbedret separering i kolonnen på grunn av at hver strøm har undergått i det minste en viss preliminær separering før den innføres som en nedre, midlere og øvre matestrøm til kolonnen 114. I tillegg til de tre adskilte matestrømmer til den andre destillasjonskolonne 114 blir separering av NGL-produktene fra det metanrike produkt også gjennomført ved hjelp av en serie på tre omkokere 124, 126 og 128. Den laveste omkoker drives ved varmeveksllng mot en ytre varmekilde 1 rørledning 122 gjennom varmeveksleren 124. Den andre og tredje omkoker arbeider ved varmeveksllng av sidestrømmen 14 i den opprinnelige matestrøm som føres gjennom varmevekslerne 126 og 128. Omkokeren 128 skal i virkeligheten befinne seg under tilmatningen 24 men for tydelighetens skyld er den vist høyere i figuren. De tre sideomkokere tilveiebringer tilstrekkelig dampfase i destillasjonskolonnen til effektivt å fjerne mesteparten av metanet fra naturgassvæskene som synker i kolonnen og som fjernes i rørledning 116 som et etanrikt produkt. Det metanrike produkt i rørledning 118 fjernes som en topp-fraksjon fra kolonne 114 og gjenoppvarmes mot matestrømmen i varmeveksleren 28 og 16. Metanet fjernes ved ca. 21 kg/cm<2 >manometertrykk og utgjør ca. 9056 ren metan. Det metanrike produkt kan omkomprimeres til rørledningstrykk.

Et spesifikt eksempel på fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen angis her for en naturgassmatestrøm inneholdende ca. 50 volum-56 nitrogen. En matestrøm innføres til rørledning 90 ved ca. 60 kg/cm<2> manometertrykk og 32"C. Strømmen består av ca. 5456 nitrogen, 35,556 metan, 656 etan, 2,656 propan, 1, 5% butan og høyere hydrokarboner så vel som restkomponenter som karbondioksyd og aromater. Fra dette råstoff separeres to etanrike fraksjoner for innføring til NGL-kolonnen mens en tilmåting i rørledning 38 rettes mot nitrogenutvinningskolonne 52. Denne strøm befinner seg ved ca. 65 kg/cm<2 >manometertrykk og —180°C. Den utgjør 92% av den opprinnelige matestrøm og inneholder 58% nitrogen, 36 ,756 metan, 4,456 etan, 0,756 propan mens resten er de ovenfor beskrevne rester. Det i det vesentlige rene nitrogenprodukt fra destillasjonskolonnen i rørledning 74 har et trykk på ca. 24 kg/cm<2 >manometertrykk og -154°C. Endelig fjernet i rørledning 78 men før omkomprimering holder strømmen ca. 23 kg/cm<2 >manometertrykk og 26,6° C. Denne strøm utgjør 5256 av den opprinnelige matestrøm og 5656 av tilmatningen til nitrogengjenvinningsdestillasjonskolonnen. Strømmen inneholder 99,356 nitrogen og 0 ,756 metan. Den metanrike bunnstrøm fra destillasjonskolonnen 52 i rørledningen 54 holder ca. 24,2 kg/cm<2 >manometertrykk og —104°C. Den utgjør 3956 av den opprinnelige matestrøm og 4356 av tilmatningen til kolonnen 52. Den har en sammensetning på 456 nitrogen, 8456 metan, 1056 etan, 1,656 propan mens rester av butan og høyere hydrokarboner utgjør resten av det hele. Denne strøm blir den øverste tilmatning til den andre destillasjonskolonne for separering av NGL. Strømmen utgjør 8356 av tilmatningen kolonnen 114. De to etanrike fraksjoner som separeres fra den opprinnelige matestrøm utgjør hver 456 av denne. Den midlere etanrike fraksjon som mates til den andre destillasjonskolonne 114 som tilføres i rørledning 36 utgjør 8,356 av den totale tilmatning til den andre destillasjonskolonne og har en sammensetning på 1056 nitrogen, 27,556 metan, 62,256 etan og høyere hydrokarboner pluss andre rester. Den lavere etanrike fraksjon som mates til kolonnen 114 i rørledning 24 består av 8,556 av tilmatningen til kolonnen og består av 6 ,756 nitrogen, 1856 metan og 71 ,756 etan og høyere hydrokarboner og rester. Det metanrike produkt som fjernes fra kolonnen 114 i rørledning 118 holder ca. 21 kg/cm<2> manometertrykk og -89°C når den forlater kolonnen og går ut av prosessen ved ca. 20 kg/cm<2> manometertrykk og 26,6°C før omkomprimer ing. Dette metanrike produkt utgjør 3956 av den opprinnelige matestrøm og 8156 av tilmatningen til NGL-trinnet i prosessen. Sammensetningen av strømmen er 656 nitrogen, 90,856 metan og 3,256 etan pluss hydrokarboner. Det etanrike produkt som fjernes fra kolonnen 114 i rørledning 116 har et trykk på ca. 22 kg/cm<2> manometertrykk og en temperatur på ca. 22° C. De utgjør 956 av den opprinnelige matestrøm og 1956 av tilmatningen til NGL-trinnet i den totale prosess. Dette etanrike produkt omfatter neglisjerbare mengder nitrogen, 0 ,456 metan, 5356 etan, 2956 propan, 1656 butan og høyere hydrokarboner så vel som rester omfattende karbondioksyd og aromater. Sammensetningene i de forskjellige prosesstrlnn i fremgangsmåten forandres når sammensetningen av matestrømmen endres, spesielt sammensetningen med henblikk på varierende konsentrasjoner av nitrogen i en nitrogenforbedret utnyttelse av en naturgass-strøm. Foreliggende oppfinnelse omfatter en unik integrering av en nitrogenutvinningskolonne og en naturgassvæskeutvin-ningskolonne. Denne integrering omfatter tre unike prosesstrlnn, tilbakeløpskoking av den andre kolonne, NGL, med den metanrike bunnstrøm fra nitrogenutvinningskolonnen, avkjøling av nitrogenutvinningskolonnen med turbinekspanderen i varmepumpecyklusen som tillater fjerning av etanrike andeler av matestrømmen, og partiell fordamping av den andre etanrike strøm mot matestrømmen for å gi ytterligere avkjøling til matestrømmen.

Oppfinnelsen gir i den foretrukne utførelsesform en unik integrert naturgassvæskeutvinning med nitrogenfjerning, brukbar over et visst område nitrogenkonsentrasjoner i mategassen. Dette er mulig på grunn av integrering av prosesstrømmer og på grunn av anvendelsen av en varmepumpe-kjølecyklus i lukket sløyfe for å drive nitrogenutvinningstrinnet i prosessen i den første destillasjonskolonne 52. Imidlertid kan det hende at det ved visse omstendigheter med lave nitrogeninnhold ikke er ønskelig å bearbeide matestrøm-men gjennom nitrogenutviningstrinnet i prosessen på grunn av det lave volum av nitrogen som kan gjenvinnes og fordi ekstremt lave nitrogeninnhold i den ubehandlede matestrøm tilfredsstiller rørledningsspesifikasjoner for naturgass. Imidlertid kan det fremdeles være ønskelig å fjerne naturgassvæsker fra slike naturgassmatestrømmer med lite nitrogen. I dette tilfelle kan nitrogenutvinningstrinnet i prosessene sjaltes ut fra naturgassvæskegjenvinningstrinnet i prosessen slik som vist i figuren med de stiplede linjer 130, 132, og 134. Selv om ventiloppsettet ikke er vist, kan når nitrogen-utvinningen ikke er ønskelig, den andre etanrike fraksjon i linje 32 avledes rundt varmeveksleren 28 ved å føre strømmen gjennom rørledning 130 og så sende den direkte til den andre destillasjonskolonne 114. Den nitrogenrike fraksjon i rør-ledning 38 som inneholder den overveiende mengde av metan og det uvesentlige nivå av nitrogen inneholdt i den opprinnelige matestrøm, kan avledes gjennom rørledning 132 og mateekspan-sjonsturbinen 50 før den føres rundt nitrogenutvinningstrinnet og destillasjonskolonne 52 ved hjelp av egnede ventiler som fører den nitrogenrike fraksjon gjennom rør-ledning 134 og rørledning 60 direkte til NGL-trinnet i destillasjonskolonnen 114. Denne sekvens benyttes kun når nitrogeninnholdet i matestrømmen ikke behøver å separeres fra det metanrike produkt.

Oppfinnelsen tilveiebringer slik den er beskrevet ovenfor en energieffektiv metode for separering og utvinning av et metanrikt produkt med høyt trykk og høy renhet, et nitrogenprodukt med høy renhet og under høyt trykk samt et etanrikt produkt som karakteristisk kalles naturgassvæsker og som kan inneholde andre hydrokarboner i tillegg til etan, for eksempel propan og butan. Prosessen kan anvendes ved separering over et vidt område av nitrogenkonsentrasjoner i den metanholdige mategasstrøm.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte for gjenvinning ved høyt trykk av et I det vesentlige rent nitrogenprodukt, et etanrikt produkt og et metanrikt produkt fra en metanholdig matestrøm med et nitrogeninnhold i området 1-80 volum-56, karakterisert ved at den omfatter: a) å avkjøle en høytrykks metanholdig matestrøm og separering av strømmen i en etanrik fraksjon og en nitrogenrik fraksjon; b) trykkreduksjon av den nitrogenrike fraksjon i det minste delvis gjennom en ekspansjonsinnretning og innføring av den nitrogenrike fraksjon til en første høytrykksdestilla-sjonskolonne; c) å drive kolonnen med varmepumpekjøling i lukket sløyfe som kondenserer en topp tilbakeløpsstrøm, kondenserer en midlere tilbakeløpsstrøm og fordamper en omkokerstrøm til destillasjonskolonnen hvori en andel av kjølingen for tilbakeløpet av kolonnen tilveiebringes ved ekspansjon av kjølemidlet gjennom en ekspansjonsturbin; d) fjerning av et høytrykks, i det vesentlige rent nitrogenprodukt som en toppstrøm fra kolonnen og gjenoppvarming av dette mot kjølemidlet i lukket sløyfe og mot andeler av matestrømmen; e) fjerning av en metanrik bunnstrøm fra kolonnen og innføring av strømmen i en andre destillasjonskolonne som tilbakeløp; f) innføring av den etanrike fraksjon fra trinn (a) til den andre destillajsonskolonne; g) fjerning av et metanrikt produkt under høyt trykk fra toppen av den andre kolonne, og et etanrikt produkt fra bunnen av den andre kolonne.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at varmepumpekjølemidlet i lukket sløyfe deles i en første understrøm som ekspanderes til en lavere temperatur og et lavere trykk og en andre understrøm som kondenseres mot kolonneomkoksstrømmen før den underkjøles ved hjelp av den første understrøm.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at minst en andel av matestrømmen benyttes for omkok i den andre destillasjonskolonne.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den etanrike fraksjon separeres i to trinn fra matestrømmen og hver separert fraksjon innføres Individuelt til den andre destillasjonskolonne.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den nitrogenrike fraksjon splittes og trykkreduseres før innføring i den første høytrykksdestillasjons-kolonne.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den metanrike bunnstrøm sørger for omkoking i den første høytrykksdestillasjonskolonne ved varmeveksllng i en sideomkoker mens den underkjøles.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at den andre destillasjonskolonne også omkokes med en ytre propankilde.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at totrinnsseparering tilveiebringer en første og en andre etanrik fraksjon og at den andre fraksjonen delvis fordampes mot matestrømmen.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det i det vesentlige rene nitrogenrike produkt i det minste delvis kondenseres i en side tilbakeløpsstrøm til den første høytrykksdestillasjonskolonne.

10. Apparatur for gjenvinning under høye trykk av i det vesentlige rent nitrogenprodukt, et etanrikt produkt og et metanrikt produkt fra en metanholdig matestrøm med et variabelt nitrogeninnhold, karakterisert ved at den omfatter: a) varmevekslere (18) for avkjøling av matestrømmen for partielt å kondensere den; b) faseseparatorer (22) for separering av en entanrik flytende fase fra en nitrogenrik dampfase (26); c) en ekspansjonsinnretning (50) for reduksjon av trykk og temperatur av I det minste en del av den nitrogenrike fraksjon (48); d) en første destillasjonskolonne (52) som arbeider ved høyt trykk for separering av et i det vesentlige rent nitrogenprodukt (70) som toppstrøm og en metanrik bunnstrøm (54); e) en varmepumpeavkjølingscyklus (80-112) i lukket sløyfe som driver den første destillasjonskolonne (52) der en del av kjølingen for tilbakeløpet (72) i kolonnen (52) oppnås ved en ekspansjonsturbin (88) i cyklusen; f) en andre destillasjonskolonne (114) for separering av den etanrike fraksjonen (24) fra punkt (b) og den metanrike bunnstrøm (60) fra punkt (d) til et metanrikt produkt (120) og et etanrikt produkt (116).

11. Apparatur ifølge krav 10, karakterisert ved at omkokingsmldler (124-128) er tilveiebragt for den andre destillasjonskolonne (114) der i det minste en del (126, 128) av disse drives av en andel av matestrømmen.

12. Apparatur ifølge krav 10, karakterisert ved at varmevekslerne omfatter en serie varmevekslere hvor i det minste i en del av disse (16), matestrømmen avkjøles mot prosesstrømmer.

13. Apparatur ifølge krav 10, karakterisert ved at varmepumpeavkjølingscyklusen i lukket sløyfe inkluderer varmevekslere for å tilveiebringe omkoking (64), mellom-liggende tilbakeløp (68) og topptilbakeløp (76) til den første destillasjonskolonne (52).