NO175831B

NO175831B - Fremgangsmåte for kryogen separering av et råstoff inneholdende nitrogen og metan samt apparat for gjennomföring av fremgangsmåten

Info

Publication number: NO175831B
Application number: NO912235A
Authority: NO
Inventors: Ravindra Fulchand Pahade; James Joseph Maloney
Original assignee: Union Carbide Ind Gases Tech
Priority date: 1990-06-12
Filing date: 1991-06-11
Publication date: 1994-09-05
Also published as: CA2044370A1; RU2034210C1; EP0462492B1; US5051120A; NO912235L; NO175831C; DE69104911D1; CA2044370C; EP0462492A1; DE69104911T2; NO912235D0

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for kryogen separering av et råstoff inneholdende nitrogen og metan ved kryogen rektifisering, og oppfinnelsen angår også et apparat for gjennomføring av denne fremgangsmåte.

Et problem som ofte må tas med i "betraktning ved fremstilling av naturgass fra underjordiske reservoarer er nitrogenfor-urensning. Nitrogenet kan være naturlig forekommende og/eller være injisert i reservoaret som en del av en forbedret oljeutvinning (EOR) eller en forbedret gassgjennvinning (EGR). Naturgasser som inneholder en vesentlig mengde nitrogen kan være vanskelige å selge fordi de ikke til-fredsstiller de minimale varmeverdispesifikasjoner som stilles og fordi de overskrider kravene til maksimalt innhold av inert materiale. Som et resultat vil råstoffgassen generelt undergå en behandling, der tyngre komponenter som naturgassvæsker til å begynne med fjernes og der den gjenværende strøm inneholdende primært nitrogen og metan, og også eventuelt inneholder lavere kokende og mere flyktige komponenter som helium, hydrogen og/eller neon, separeres kryogent. En vanlig prosess for separering av nitrogen fra naturgass benytter en dobbeltkolonnedestilasjonscyklus tilsvarende den som benyttes for fraksjonering av luft til nitrogen og oksygen.

Et problem som ofte oppstår ved kryogen separering av nitrogen og metan er tapet av noe metan med nitrogentoppen fra nitrogensepareringsenheten. Dette er spesielt tilfelle der nitrogenkonsentrasjonen i råstoffet er mindre enn ca 30 %. I slike situasjoner er det mindre nitrogen tilgjengelig for tilbakeløpet og således blir separeringen av nitrogen og metan gjennomført i mindre grad enn det som er ønskelig.

Problemet med utilstrekkelig nitrogentilbakeløp i en nitrogensepareringsenhet er søkt bøtet på ved resirkulering av noe av nitrogenproduktet fra separeringen tilbake til nitrogensepareringsenheten. Selv om et slikt system er effektivt med henblikk på kvalitetsforbedringen av tilbake-løpet som er tilgjengelig for separering, er det ikke desto mindre ugunstig fordi nitrogen som allerede er separert fra nitrogen-metanblandingen, tilbakeføres og må separeres nok en gang.

En senere vesentlig forbedring ved kryogen separering av nitrogen og metan er beskrevet i US-PS 4 664 686. I dette system blir det anordnet en strippekolonne oppstrøms nitrogensepareringsenheten. Strippekolonnen tjener til å øke nitrogeninnholdet i råstoffet til nitrogensepareringsenheten og eliminerer derfor behovet for nitrogenrekomprimering og -resirkulering. En annen fordel med denne strippekolonne ligger i at en stor andel av metanet kan gjenvinnes direkte fra strippekolonnen ved for høyt trykk og derved i vesentlig grad å redusere komprimeringsbehovene. Ytterligere en fordel ved denne prosess er at toleransen mot karbondioksydnærvær i råstoffet, forbedres.

Strippekolonnen i et nitrogensepareringssystem kan ha et optimalt driftstrykk lavere enn det til råstoffet. Dette reduserer trykket ved hvilket nitrogensepareringsenheten kan arbeide og reduserer derved det potensielle trykk for dets metanprodukt. Det ville være ønskelig å ha en nitrogensepareringsenhet som kan produsere metanprodukt med høyere trykk og derved redusere produktkompresjonsbehovene.

I henhold til dette er det en gjenstand for oppfinnelsen å tilveiebringe en forbedret strippekolonne/nitrogensepareringsenhet der nitrogensepareringsenhetsoperasjonen i det minste delvis er koblet fra strippekolonneoperasjonen slik at metanprodukt fra nitrogensepareringsenheten kan produseres ved et høyere trykk enn det som ellers ville være tilfelle.

De ovenfor angitte og ytterligere gjenstander for oppfinnelsen vil fremgå for fagmannen etter et studium av beskrivelsen idet oppfinnelsen generelt involverer bearbeiding av råstoffet på en slik måte at en vesentlig andel av råstoffet kan gå forbi strippekolonnen og ikke føres til nitrogensepareringsenheten ved det høyere matetrykk.

I henhold til dette angår foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for kryogen bearbeiding av et råstoff inneholdende nitrogen og metan, omfattende: (A) partielt å kondensere et råstoff omfattende nitrogen og metan for å oppnå en første damp og en første væske; (B) å føre den første væske til en strippekolonne; (C) å separere fluidene som føres til strippekolonnen i

metanrikere og nitrogenrikere fraksjoner idet minst

noe av den metanrike fraksjon gjenvinnes som produktmetan og minst noe av den nitrogenrikere

fraksjon føres til en nitrogenfremstillingsenhet; og

(D) partielt å kondensere den første damp,

og denne fremgangsmåte karakteriseres ved

(E) å føre den andre væske, oppnådd ved partiell kondensering i trinn (D), til strippekolonnen; og (F) å føre den andre damp, oppnådd ved partiell kondensering i trinn (D), til nitrogenfremtillingsenheten

for separering i nitrogenanrikede og metananrikede komponenter.

Som nevnt innledningsvis angår oppfinnelsen også en apparatur for utførelse av fremgangsmåten som beskrevet i foregående avsnitt, omfattende: (A) midler for partielt å kondensere råstoff inneholdende nitrogen og metan for dannelse av en første damp og en første væske; (B) en strippekolonne og midler for å føre den første væske til strippekolonnen; (C) midler for partielt å kondensere den første damp;

(D) en nitrogenfremstillingsenhet; og

(E) midler for å føre fluid fra strippekolonnen til

nitrogenfremstillingsenheten;

og denne apparatur karakteriseres ved

(F) midler for å føre en andre væske, dannet i midlene for partiell kondensering av den første damp, til

strippekolonnen; og

(G) midler for å føre en andre damp, fremstilt i midlene for partiell kondensering av den første damp, til

nitrogenfremstillingsenheten.

Uttrykket "kolonne" benyttes her for å angi en destillerings-rektifiserings- eller fraksjoneringskolonne, det vil si en kontaktkolonne eller -sone der væske- og dampfase er i motstrømskontakt for å bevirke separering av en flytende fase, for eksempel ved å bringe damp- og væskefase i kontakt på serie vertikalt anordnede plater anordnet 1 kolonnen, eller på pakningselementer eller en kombinasjon derav. For en utstrakt diskusjon av fraksjoneringskolonner skal det henvises til "Chemical Engineer's Handbook", 5. utg., utgitt av R.H. Perry og C.H. Chilton, utgitt av McGraw-Hill Book Company, New York Section 13 "Distillation" B.D. Smith et al, side 13.3, "The Continuos Distillation Process".

Uttrykket "dobbeltkolonne" benyttes her for å angi en høytrykkskolonne med sin øvre ende i varmevekslingsforhold med den nedre ende i en lavtrykkskolonne. For en nærmere diskusjon av dobbeltkolonner skal det henvises til Ruhemann "The Separation of Gases", Oxford University Press, 1949, Kapittel VII, "Commercial Air Separation".

Uttrykket "nitrogensepareringsenhet" og "NSE" benyttes her for å angi et anlegg der nitrogen og metan separeres ved kryogen rektifisering og som omfatter en kolonne og ledsagende forbindingsutstyr som væskepumper, faseseparatorer, rørledninger, ventiler og varmevekslere.

Uttrykket "indirekte varmeveksling" benyttes her for å angi det å bringe to fluidstrømmer i varmevekslingskontakt uten fysisk kontakt eller sammenblanding av fluidene med hverandre .

Som benyttet her angir "faseseparator" en innretning som for eksempel en beholder med topp- og bunnutløp, benyttet for å separere en fluidblanding i sine gass- og væskefraksjoner.

Uttrykket "strippekolonne" benyttes for å angi en kolonne der råstoff innføres i den øvre del av kolonnen og mere flyktige komponenter fjernes eller strippes fra den synkende væske ved hjelp av den stigende damp.

Slik her benyttet betyr uttrykket "strukturert pakning" en pakning der individuelle deler har spesifikk orientering i forhold til hverandre og i forhold til kolonneaksen.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere under henvisning til den ledsagende tegning som er et skjematisk flytskjema for en foretrukket utførelsesform av det forbedrede NSE-råstoff-bearbeidingssystem som beskrives her.

I figuren blir naturgassråstoff 201 partielt kondensert og så ført inn i faseseparatoren 103. Figuren illustrerer én foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen der naturgasser og stoff 201 inndeles i en første del 205 og en andre del 202. Konsentrasjonen av nitrogen og metan i råstoffet kan variere betydelig; imidlertid vil nitrogenkonsentrasjonen i råstoffet generelt ligge innen området 5 til 80$ og metan-konsentrasjonen i råstoffet innen området 20 til 95%. Råstoffet kan også inneholdende noen høyerekokende hydrokarboner som etan selv om mesteparten av de høyerekokende hydrokarboner vil være fjernet fra naturgassmatestrømmen. Matestrømmen kan også inneholde en eller flere laverekokende eller mere flyktige komponenter som helium, hydrogen eller neon. Generelt vil trykket i matestrømmen 301 ligge innen området ca. 344,75-689,5xl0<4> Pa abs selv om matetrykket kan gå helt opp til det kritiske trykk for mateblandingen.

Både den første del 205 og andre del 202 kan være partielt kondensert ved indirekte varmeveksling med minst 1 av de nitrogenanrikede og metananrikede komponenter og med væske fra strippekolonnen 104. I den utførelsesform som er vist i figuren blir den første del 205 partielt kondensert ved indirekte varmeveksling i varmeveksleren 101 mot retur-strømmer, og den andre del 202 blir partielt kondensert ved indirekte varmeveksling i varmeveksleren 102 mot strippe-kolonnevæske slik det skal beskrives nærmere nedenfor. De resulterende strømmer 206 og 204 kombineres til en strøm 208 og føres til faseseparatoren 103.

I faseseparatoren 103 blir råstoffet separert i en første damp med en høyere nitrogenkonsentrasjon og en første væske med en høyere metankonsentrasjon, enn matestrømmen 201. Den første væske føres ut av separatoren 103 som strømmen 209, strupes gjennom ventilen 105 og føres som en strøm 210 til strippekolonnen 104 som arbeider ved et trykk generelt innen området 137,9-413,7xl0~<4> Pa abs og fortrinnsvis innen området 206,8-379,2xl0<4> Pa abs.

Først føres damp ut av separatoren 103 som strømmen 211 og kondenseres partielt ved indirekte varmeveksling i varmeveksleren 106 mot returstrømmer. Den resulterende 2-fasestrøm 212 føres til faseseparatoren 107 og separeres i en andre damp med en høyere nitrogenkonsentrasjon og en andre væske med en høyere metankonsentrasjon enn den første damp fulgte. Den andre væske føres ut av separatoren 107 som strømmen 213, flashes over ventilen 108 og føres som strømmen 214 til strippekolonnen 104. Fortrinnsvis, og som vist i figuren, føres strømmen 214 til strippekolonnen 104 ved et punkt høyere enn det punkt der strømmen 210 innføres i kolonnen.

I strippekolonnen 104 blir matestrømmene 210 og 214 separert i en fraksjon som er rikere på nitrogen og en fraksjon som er rikere på metan ved stripping av mere flyktige komponenter fra fallende væske til stigende damp. Denne stigende damp dannes ved avtrekking av væske fra kolonnen 104 som strømmen 273 og fordampingen av noe eller all denne væske ved føring gjennom varmeveksleren 102 mot partielt kondenserende tilmatnings andre del 202. Denne resulterende strøm 274 returneres til kolonnen 104. Dampdelen av strømmen 274 tilveiebringer den stigende damp for gjennonføring av strippingen.

Metananriket fraksjon fjernes fra kolonnen 104 som strømmen 275. Hovedandelen 244 flashes over ventilen 110, føres som strømmen 245 til varmeveksleren 101, fordampes ved føring gjennom varmeveksleren 101 og gjenvinnes som høytrykksgass 246, generelt med en metankosentrasjon på opptil 99$. Den mindre andel 399 flashes over ventilen 109 og føres som strømmen 400 til og gjennom varmeveksleren 106 for å avkjøle og partielt kondensere den første damp 211. I den foretrukne utførelsesform som vist i figuren blir dampen 400 kombinert med metanproduktet fra NSE for å danne strømmen 419 før føring gjennom varmeveksleren 106. Den resulterende strøm 420 føres gjennom varmeveksleren 101 og gjenvinnes som lavere trykks metangass 421. I enkelte tilfeller kan det være fordelaktig å tilveiebringe strømmen 400 separat ved et trykk over strømmen 418 og derved spare metanrekomprimeringsenergi.

Nitrogenrikere fraksjon fjernes fra kolonnen 104 som strømmen 280 og føres til NSE 500 for separering i nitrogenanrikede og metananr ikede komponenter. NSE 500 kan være et hvilet som helst system i stand til å separere nitrogen og metan. Generelt omfatter NSE 500 et kryogent dobbeltkolonne-anlegg eller et kryogent enkelkolonne-anlegg.

Den andre damp fjernes fra separatoren 107 og føres som strømmen 300 til NSE 500. Strømmen 300 har generelt det samme trykket som råstoffet 201 bortsett fra trykktapet på grunn av tap i rørledningene. I tillegg overskrider trykket i strømmen 300 trykket i strømmen 280 som generelt er ved driftstrykket til strippekolonnen 104. Strømmen 300 vil generelt være ca 50$ av den totale matestrøm til NSE. På denne måte befinner den vesentlige del av råstoffet til NSE seg ved et høyere trykk enn tilfelle vile være ved konvensjonell NSE til-matning.

I NSE 500 blir råstoffene separert i nitrogenanrikede og metananrikede komponenter. Metananrikede komponenter fjernes fra NSE 500 som strømmen 418, fortrinnsvis kombinert med strømmen 400 for derved å gi strømmen 419, oppvarmet ved føring gjennom varmeveksleren 106 for å bevirke partiell-kondensasjon av den første damp 211, ført som strømmen 420 gjennom varmeveksleren 101 og gjenvunnet som laveretrykk-metangassprodukt 421. Nitrogenanriket komponent fjernes fra NSE 500 som strømmen 437, oppvarmes med passasje gjennom varmeveksleren 101 og fjernes fra systemet som strømmen 439. Nitrogenanriket komponent 439 kan gjenvinnes, avgis til atmosfæren eller sprøytes inn i et olje- eller gassreservoare som en del av en sekundær utvinningsoperasjon.

På grunn av det høyere trykket ved hvilket NSE kan arbeide med råstoffbehandlingssystemet ifølge oppfinnelsen, kan produktmetan gjenvinnes ved et høyere trykk enn det som ellers ville være tilfelle. Dette reduserer produktgass-kompresjonskravene som kan være nødvendig for foreksempel å komprimere metangass for og tilfredsstille rørlednings-kravene. Generelt vil systemet ifølge oppfinnelsen muliggjøre en reduksjon i behovet for produktgasskompresjon på 5$ eller mer.

Claims

1. Fremgangsmåte for kryogen bearbeiding av et råstoff inneholdende nitrogen og metan, omfattende: (A) partielt å kondensere et råstoff omfattende nitrogen og metan for å oppnå en første damp og en første væske; (B) å føre den første væske til en strippekolonne; (C) å separere fluidene som føres til strippekolonnen i metanrikere og nitrogenrikere fraksjoner idet minst noe av den metanrike fraksjon gjenvinnes som produktmetan og minst noe av den nitrogenrikere fraksjon føres til en nitrogenfremstillingsenhet; og (D) partielt å kondensere den første damp, karakterisert ved(E) å føre den andre væske, oppnådd ved partiell kondensering i trinn (D), til strippekolonnen; og (F) å føre den andre damp, oppnådd ved partiell kondensering i trinn (D), til nitrogenfremtillingsenheten for separering i nitrogenanrikede og metananrikede komponenter.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den andre væske føres til strippekolonnen ved et punkt høyere enn det punkt der den første væske føres til strippekolonnen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den andre damp omfatter ca 50$ av det totale råstoff til nitrogensepareringsenheten.

4 . Apparatur for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1, omfattende: (A) midler for partielt å kondensere råstoff inneholdende nitrogen og metan for dannelse av en første damp og en første væske; (B) en strippekolonne (104) og midler (209, 105, 210) for å føre den første væske til strippekolonnen (104); (C) midler (106) for partielt å kondensere den første damp; (D) en nitrogenfremstillingsenhet (500); og (E) midler (280) for å føre fluid fra strippekolonnen (104) til nitrogenf reinstill ingsenheten (500 ); karakterisert ved(F) midler (213) for å føre den andre væske, dannet i midlene (106) for partiell kondensering av den første damp, til strippekolonnen (104); og (G) midler (300) for å føre den andre damp, fremstilt i midlene (106) for partiell kondensering av den første damp, til nitrogenfremstillingsenheten (500).

5 . Apparatur ifølge krav 4, karakterisert ved at midlene (214) for å føre den andre væske til strippekolonnen (104) står i forbindelse med strippekolonnen (104) på et punkt (210) høyere enn det punkt der den første væske føres til strippekolonnen (104).