NO321809B1 - Fremgangsmate og apparatur for avvisning av nitrogen - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for avvisning av nitrogen fra en tilførselsgasstrøm som omfatter metan og nitrogen med det formål å danne et metanprodukt.

Ekstrahering av naturgass fra undergrunnsreservoarer er kjent. Naturgassen inneholder ofte nitrogen. Nitrogenet kan delvis eller fullstendig stamme fra nitrogen som er blitt injisert inn i reservoaret som en del av en assistert oljeutvinnings (EOR = enhanced oil recovery) -operasjon eller assistert gassutvinnings (EGR = enhanced gass recovery) -operasjon. Et trekk ved slike operasjoner er at konsentrasjonen av nitrogen i naturgassen er tilbøyelig til å øke ettersom tiden går fra ca. 5 volum% til ca. 60 volum%.

US-A 4 415 345 beskriver en fremgangsmåte for avvisning av nitrogenet

fra metanet i en dobbel rektifiseringskolonne som opererer ved kryogene tempe-raturer. En dobbel rektifiseringskolonne omfatter.en rektifiseirngskolonne med høyere trykk, en rektifiseringskolonne med lavere trykk og en kondensator-koker som setter toppen av rektifiseringskolonnen med høyere trykk i indirekte varmevekslingsforbindelse med et område, vanligvis bunnen, åv rektifiseringskolonnen med lavere trykk. I fremgangsmåten i henhold til US-A 4 415 345 avkjøles en strøm av en blanding av nitrogen og metan ved forhøyet trykk til en temperatur som er egnet for separasjon derav ved hjelp av rektifisering. En del av den tilførte gassen gjøres flytende. Den resulterende gassblanding skilles fra ved hjelp av rektifisering i en rektifiseringskolonne med lavere trykk som har en kondensator-koker operativt forbundet med et bunnområde derav. De kokende passasjer av kondensator-kokeren oppvarmes ved hjelp av trykksatt nitrogen. Typisk skilles en del av nitrogenet fra i en rektifiseirngskolonne med høyere trykk og en annen del strømmer i en varmepumpekrets til og fra toppen av rektifiseringskolonnen med lavere trykk. Ved lave nitrogennivåer i tilførselsgassen omledes rektifiseringskolonnen med høyere trykk og alt nitrogenet for kondensatorkokeren strømmer i varmepumpekretsen som er adskilt fra hovedvarmeveksleren som anvendes for å avkjøle tilførselsgasstrømmen. Ettersom nitrogeninnholdet i tilførselsgassen gradvis øker, anvendes kolonnen med høyere trykk for å tilveiebringe noe av nitrogenet, idet nitrogen fra varmepumpekretsen skiftes ut. Til slutt lukkes varmepumpekretsen, og kolonnen med høyere trykk produserer alt av nitrogenet.

Rektifiseringskolonnen med høyere trykk som anvendes i fremgangsmåten

i henhold tii US-A-4 415 345 drives med en andre kondensator-koker på bunnen. Følgelig er der en høy dampstrøm gjennom samme, og den må ha en relativt stor

diameter selv om den drives ved maksimumskapasitet bare ved høye nitrogen-konsentrasjoner.

Det er et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte og apparatur som holder nede gjennomgangen av damp gjennom rektifiseringskolonnen med høyere trykk og derved gjøre det mulig å holde dia-meteren av denne kolonnen nede.

I henhold til foreliggende oppfinnelse tilveiebringes det en fremgangsmåte for avvisning av nitrogen fra en tilførselsgasstrøm som omfatter metan og nitrogen med det formål å danne et metanprodukt, idet molfraksjonen av nitrogen i tilfør-selsgasstrømmen øker over en tidsperiode, omfattende avkjøling av tilførsels-gasstrømmen i en hovedvarmeveksler og rektifisering av den avkjølte tilførsels-gasstrømmen i en dobbel rektifiseringskolonne omfattende en rektifiseringskolonne med høyere trykk, en rektifiseirngskolonne med lavere trykk og en kondensator-koker som setter rektifiseringskolonnen med høyere trykk i varmevekslingsforbindelse med rektifiseringskolonnen med lavere trykk, idet minst en del av til-førselsgasstrømmen ekspanderer inn i rektifiseringskolonnen med høyere trykk, og tilførselsgasstrømmen delvis kondenseres oppstrøms for den doble rektifiseringskolonnen, kjennetegnet ved periodisk økning av driftstrykket for rektifiseringskolonnen med lavere trykk, som svar på økninger i nevnte molfraksjon av nitrogen.

Oppfinnelsen tilveiebringer også apparatur for avvisning av nitrogen fra en tilførselsgasstrøm som omfatter metan og nitrogen, slik at det dannes et metanprodukt, omfattende av en hovedvarmeveksler for avkjøling av tilførselsgasstrøm-men, en dobbel rektifiseringskolonne for rektifisering av tilførselsgasstrømmen omfattende en rektifiseringskolonne med høyere trykk, en rektifiseirngskolonne med lavere trykk og en kondensator-koker som setter rektifiseringskolonnen med høyere trykk i varmevekslingsforbindelse med rektifiseringskolonnen med lavere trykk, og en ekspansjonsinnretning nedstrøms for hovedvarmeveksleren som kommuniserer med rektifiseringskolonnen med høyere trykk, idet ekspansjonsinnretningen er anordnet slik, under bruk, at den fører en del av tilførselsgasstrøm-men inn i rektifiseringskolonnen med høyere trykk i flytende tilstand, kjennetegnet ved at der er en baktrykkreguleringsventil forbundet med rektifiseringskolonnen med lavere trykk som kan anvendes for å øke trykket i rektifiseringskolonnen med lavere trykk.

Like som molfraksjonen av nitrogen i tilførselsgassblandingen blir større etter hvert som tiden går, så blir strømmen av produkt-metan mindre og således flytendegjøres mindre av tilførselsgassblandingen mot den omdirigerte strømmen av produktstrøm. Følgelig er det en tendens til at en stadig økende andel av tilførselsgassblandingen kommer inn i rektifiseringskolonnen med høyere trykk i damptilstand etter hvert som tiden går. I løpet av dens normale driftslevetid, som godt kan være ti år eller mer og vare til reservoaret som er kilden for tilførsels-gassblandingen faktisk er oppbrukt, så kan således den doble rektifiseringskolonnen måtte overkomme et svært bredt område av dampbelastninger, noe som ut-gjør betydelig designproblemer. Den åpenbare løsningen på disse problemene vilie være å anordne det slik at hele tilførselsgassblandingen kommer inn i rektifiseringskolonnen med høyere trykk i damptilstand. Endringer i sammensetningen av tilførselsgassblandingen vil derfor stort sett ikke påvirke dampbelastningen av rektifiseringskolonnen med høyere trykk. Én ulempe ved en slik prosedyre er imidlertid at dampbelastningen for rektifiseringskolonnen med høyere trykk alltid er den maksimale. Fremgangsmåten og apparaturen i henhold til oppfinnelsen gjør det imidlertid mulig å redusere det effektive område av dampbelastninger som begge rektifiseringskolonnene vil måtte møte i løpet av sine driftslevetider. Dette er primært fordi det å øke driftstrykket for rektifiseringskolonnen med lavere trykk fører til en omtrent ledsagende økning i driftstrykket for rektifiseringskolonnen med høyere trykk. Det å øke driftstrykket for rektifiseringskolonnen med høyere trykk gjør det mulig å motta mer damp pr. enhetsdriftstid ved en gitt konstant prosentandel av strøm. I tillegg tenderer det å øke driftstrykket for rektifiseringskolonnen med høyere trykk til å redusere andelen av tilførselsgassblandingen som kommer ut av ekspansjonsinnretningen i flytende tilstand. Disse to faktorene gjør det mulig å anvende fremgangsmåten og apparaturen i henhold til oppfinnelsen med et lavere område av effektive dampbelastninger på rektifiseringskolonnen med høyere trykk enn det som ellers ville være mulig.

Fortrinnsvis, spesielt når molfraksjonen av nitrogen i tilførselsgassblandin-gen er mindre enn 0,15, så føres en første strøm av gass som en første resirku-leringsgasstrøm fra rektifiseringskolonnen med lavere trykk til rektifiseringskolonnen med høyere trykk. Den første resirkuleringsgasstrømmen komprimeres, av-kjøles i hovedvarmeveksleren, flytendegjøres i en ytterligere kondensator-koker og føres inn i rektifiseringskolonnen med høyere trykk. Dette motvirker en tendens til at den doble rektifiseringskolonne har for lite tilbakestrømning når molfraksjonen for nitrogen i tilførselsgassblandingen er relativt lav, spesielt når den er 0,15 eller mindre.

En produkt-metanstrøm trekkes fortrinnsvis ut i flytende tilstand fra rektifiseringskolonnen med lavere trykk, får trykket hevet og fordampes minst delvis i hoved varmeveksleren. En andre resirkuleringsgasstrøm fra rektifiseringskolonnen med lavere trykk komprimeres fortrinnsvis, avkjøles i hovedvarmeveksleren og føres minst i delvis flytende tilstand inn i toppen av rektifiseringskolonnen med høyere trykk via en andre ekspansjonsinnretning. Fortrinnsvis komprimeres den andre resirkuleringsstrømmen til et høyere trykk enn den første resirkulerings-strømmen, idet det høyere trykket typisk er et overkritisk trykk. Mer foretrukket komprimeres den første og den andre resirkuleringsstrømmen i den samme flertrinnskompressoren, idet andre resirkuleringsstrømmen tas fra et trinn av kompressoren nedstrøms for den som den første resirkuleringsstrømmen tas fra. Det er imidlertid mulig å anvende separate kompressorer for disse formålene eller faktisk å ta hele den komprimerte resirkuleringsgassen ved det samme trykket og føre den gjennom den samme andre ekspansjonsinnretning. I denne sistnevnte ordningen går en fluid strøm med to faser ut av den andre ekspansjonsinnretningen, idet dampdelen av to-fasestrømmen utgjør den første resirkuleringsgass-strømmen og den flytende delen av to-fasestrømmen utgjør den andre resirkule-ringsstrømmen. Alle disse arrangementene gjør det mulig for temperatur-entalpj-profilen for strømmene som avkjøles i hovedvarmeveksleren å holdes nært opptil

temperatur-entalpiprofilen for strømmene som varmes i hovedvarmeveksleren. Som et resultat kan hovedvarmeveksleren drives med en god termodynamisk

effekt.

Baktrykkreguleringsventilen er fortrinnsvis operativt forbundet med anord-ninger for å endre innstillingen derav som svar på en økning i molfraksjonen av nitrogen i tilførselsgassblandingen. Om ønsket, kan reguleringsanordningen be-nytte en algoritme som setter det optimale driftstrykket for rektifiseringskolonnen med lavere trykk i sammenheng med molfraksjonen av nitrogen i tilførselsgass-blandingen. Alternativt og mer foretrukket så kan trykkreguleringsventilen innstil-les slik at det opprettholdes en konstant prosentandel gjenvinning av metan i

produktgassen.

Fortrinnsvis tas en ventilasjonsstrøm fra den første resirkuleringsgassen oppstrøms fra dens komprimering og ventileres f ra fremgangsmåten og apparatet i henhold til oppfinnelsen.

Fortrinnsvis finnes det en strømningsreguleringsventil for å regulere stør-relsen av den første resirkuleringsstrømmen.

Den trykksatte flytende produkt-metanstrømmen varmes fortrinnsvis, uten at den fordampes, i en ytterligere varmeveksler oppstrøms for fordampingen derav i hovedvarmeveksleren.

Fortrinnsvis trekkes alt av bunnfraksjonen oppnådd i rektifiseringskolonnen med høyere trykk ut av denne og sendes til rektifiseringskolonnen med lavere trykk. Det er derfor ingen koking på nytt av denne fraksjonen i rektifiseringskolonnen med høyere trykk.

Fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen vil nå bli beskrevet ved hjelp av eksempel med referanse til den medfølgende tegningen som er et skjematisk strømningsdiagram av et nitrogenawisende anlegg.

Tegningen er ikke i målestokk.

En strøm av naturgass eller gassformig nitrogen/metan-blanding utvinnes på kjent måte som ikke utgjør en del av foreliggende oppfinnelse, fra et underjor-disk olje- eller gassreservoar. Strømmen utvinnes typisk ved et trykk i størrelses-orden 40 bar absolutt. Strømmen kan underkastes preliminær behandling (ikke vist) for å fjerne det som måtte finnes av hydrogensulfid eller annen svovelholdig urenhet i denne. Slik rensing av naturgass er velkjent i teknikken, og behøver ikke å utdypes i nærmere detaljer her. Etter fjerning av det som måtte finnes av slike hydrogensulfidurenheter, så vil metan/ nitrogen-strømmen under høyt trykk fremdeles typisk inneholde vanndampforurensning. Vanndampen fjernes ved at den føres gjennom en renseenhet 2. Renseenheten 2 omfatter fortrinnsvis flere ad-sorpsjonsbeholdere inneholdende adsorbent som selektivt er i stand til å adsor-bere vanndamp fra tilførselsgasstrømmen. Slike renseenheter opererer typisk på en trykksvingningsadsorpsjons- eller en temperatursvingningsadsorpsjonscyklus, idet sistnevnte generelt foretrekkes. Dersom tilførselsgasstrømmen også inneholder karbondioksidurenheter, så kan renseenheten i tillegg inneholde en adsorbent som velges for karbondioksid med det formål å bevirke fjerning av karbondioksid.

Den resulterende rensede tilførselsgasstrømmen som nå består hoved-sakelig av nitrogen og metan, strømmer gjennom en hovedvarmeveksler 4 fra dens varme ende 6 til dens kalde ende 8. Hovedvarmeveksleren 4 omfatter flere varmevekslingsblokker som fortrinnsvis er koblet sammen for å danne en enkelt enhet. Nedstrøms for hovedvarmeveksleren 4 ekspanderes tilførselsgasstrøm-men gjennom en strupeventil 23 inn i en faseseparator 10. Avhengig av trykk i denne flytendegjøres tilførselsgasstrømmen enten i hovedvarmeveksleren 4 eller ved ekspansjon gjennom strupeventilen 23. Typisk, avhengig av sammensetningen derav, flytendegjøres minst 75 mol% av tilførselsgasstrømmen. Som en følge av dette reduseres dampstrømmen, noe som gjør det mulig å anvende en rektifiseringskolonne med høyere trykk med mindre diameter enn det som ellers ville være nødvendig. Dampen skilles fra væsken i faseseparatoren 10. En strøm av dampfasen strømmer fra toppen av faseseparatoren 10 gjennom en inngang 20 inn i bunnområdet av en rektifiseringskolonne med høyere trykk 14 som utgjør en del av en dobbel rektifiseringskolonne 12 med en rektifiseirngskolonne med lavere trykk 16 og en kondensator-koker 18 som termisk forbinder toppen av rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14 til bunnen av rektifiseringskolonnen med lavere trykk 16. En strøm av den flytende fasen flyter fra bunnen av faseseparatoren 10 inn i et mellomliggende masseutvekslingsområde av rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14 gjennom en annen inngang 22. Typisk kommer tilførsels-gasstrømmen inn i og går ut av renseenheten 2 ved et trykk som er godt over driftstrykket for rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14. Som et resultat opp-står det avkjøling for anlegget når tilførselsstrømmen går gjennom strupeventilen 23, idet den kjøling som således fremkommer gis til innkommende strømmer. Denne avkjølingen tilfredsstiller de fleste behovene for avkjøling ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, og følgelig er det typisk ikke nødvendig å tilveiebringe noen turbo-ekspander for dette formålet.

Tilførselsgassblandingen separeres i rektifiseringskolonnen med høyere. trykk 14 til en dampholdig nitrogen-toppfraksjon og en flytende metananriket bunnfraksjon. En strøm av den metananrikede bunnfraksjon trekkes ut av rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14 gjennom en bunnutgang 24, og underkjøles ved at den føres gjennom en ytterligere varmeveksler 26. Den resulterende un-derkjølte metananrikede væskestrøm strømmer gjennom en strupeventil 28, og føres inn i et mellomliggende masseutvekslingsområde i rektifiseringskolonnen med lavere trykk 16.1 tillegg trekkes en flytende strøm omfattende metan og nitrogen ut av et mellomliggende masseutvekslingsområde av rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14 gjennom en utgang 30, underkjøles ved at den føres gjennom den ytterligere varmeveksler 26, føres gjennom en strupeventil 32 og føres inn i et andre mellomliggende masseutvekslingsområde av rektifiseringskolonnen med lavere trykk 16 lokalisert over det første mellomliggende masse-utvekslingsområdet.

Strømmene som omfatter metan og nitrogen skilles i rektifiseringskolonnen med lavere trykk 16 for å danne en nitrogendamp-toppfraksjon og en flytende produkt-metan-bunnfraksjon. En strøm av bunnfraksjonen trekkes ut gjennom en utgang 40 fra rektifiseringskolonnen med lavere trykk 16, og får trykket hevet ved hjelp av en pumpe 42. Den resulterende trykksatte flytende produkt-metanstrøm-men føres gjennom den ytterligere varmeveksleren 26 motstrøms til strømmene som underkjøles deri. Trykksettingen av produktvæskemetanstrømmen har den virkningen at den hever trykket for strømmen til over dens metningstrykk. Den trykksatte flytende metanproduktstrømmen er således faktisk i underkjølt form når den kommer inn i den ytterligere varmeveksleren 26. Den vannes opp i den ytterligere i varmeveksleren. 26 for å fjerne underkjølingen. Det foretrekkes at det ikke finner sted fordamping av den flytende metanproduktstrømmen i den ytterligere varmeveksleren 26. Den oppvarmede flytende metanproduktstrømmen går fra varmeveksleren 26 gjennom hovedvarmeveksleren 4 fra dens kalde ende 6 til dens varme ende 8. Den fordampes idet den passerer gjennom hovedvarmeveksleren 4. Det fordampede metanproduktet komprimeres til et ønsket produktleve-ringstrykk i en produktkompressor 58.

Tilbakeløp for rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14 og rektifiseringskolonnen med lavere trykk 16 dannes ved å ta nitrogendamp fra toppen av rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14 og kondensere den i kondenseringskanalene i kondensator-kokeren 18. En andel av det resulterende kondensatet føres tilbake til rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14 som tilbakeløp. Resten underkjøles ved å føre det gjennom den ytterligere varmeveksleren 26, og føres gjennom en strupeventil 44 inn i toppen av rektifiseringskolonnen med lavere trykk 16, og tilveiebringer følgelig flytende tilbakeløp for denne kolonnen.

En nitrogendampstrøm trekkes ut fra toppen av rektifiseringskolonnen med lavere trykk 16 gjennom en utgang 46, og varmes opp ved at den føres gjennom den ytterligere varmeveksleren 26. Den resulterende oppvarmede nitrogenstrøm varmes ytterligere til omtrent omgivelsestemperatur ved at den føres gjennom hovedvarmeveksleren 4 fra dens kalde ende 8 til dens varme ende 6. Den oppvarmede nitrogenstrøm deles opp i tre understrømmer. Én understrøm komprimeres i en resirkuleringskompressor 48 med en rekke trinn. En andre understrøm av det oppvarmede nitrogenet fra hovedvarmeveksleren 4 anvendes i regenereringen av de adsorberende sjiktene i renseenheten 2. En tredje understrøm av nitrogenet ventileres til atmosfære gjennom en ventileringsrørledning 50 som en avfalls-strøm. Den relative størrelsen av resirkuleringsstrømmen bestemmes av plasse-ringen av en justerbar strømningsreguleringsventil 52 på inngangssiden av resirkuleringskompressoren 48.

Resirkuleringsgasstrømmen som kommer inn i kompressoren 48 deles i to deler. Den ene strømmen går gjennom alle trinnene av kompressoren og strøm-mer gjennom hovedvarmeveksleren 4 fra dens varme ende 6 til dens kalde ende 8. Den resulterende avkjølte strømmen av nitrogen føres tilbake til et øvre område av rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14 gjennom en strupeventil 54. Nitrogenet komprimeres typisk til et overkritisk trykk i resirkuleringskompressoren 48, og avkjøles i hovedvarmeveksléren 4 til en temperatur som er tilstrekkelig lav til at det flytendegjøres ved ekspansjon gjennom strupeventilen 54. Strømmen av denne delen av resirkuleirngsgassen gjennom hovedvarmeveksleren 4 hjelper tit med å bringe komposittemperaturen / entalpiprofilen for strømmene som avkjøles i hovedvarmeveksleren 4 i nærmere overensstemmelse med den samme for strømmene som varmes deri.

En mellomliggende trykkstrøm trekkes også ut fra kompressoren 48, og avkjøles ved at den føres gjennom hovedvarmeveksleren 4 fra dens varme ende 6 til dens kalde ende 8. Gassen med mellomliggende trykk fortsetter å være i gassformig tilstand når den går gjennom hovedvarmeveksleren 4 fra dens varme ende 6 til dens kalde ende 8. Nitrogenet med mellomliggende trykk føres inn i et øvre område av rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14 gjennom en inngang 56. Det mellomliggende trykket velges derfor slik at det stort sett er driftstrykket. av rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14.

Den delen av resirkuleringsgassen som strømmer fra rektifiseringskolonnen med lavere trykk 16 til rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14 via inngangen 56 utfører en varmepumpingsoppgave som øker produksjonen av flytende tilbakeløp for rektifiseringskolonnene 14 og 16.

I utgangspunktet innholder den rensede tilførselsgasstrøm typisk ca. 95 mol% metan og 5 mol% nitrogen. Rektifiseringskolonnen med lavere trykk 16 drives ved et trykk på bunnen av kolonnen på ca. 1,9 bar absolutt. Dette setter temperaturen ved hvilken bunnfraksjonen i rektifiseringskolonnen med lavere trykk koker. Denne temperaturen er én eller to grader Kelvin lavere enn den temperaturen ved hvilken toppfraksjonen for nitrogen skilt ut i rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14 kondenseres i kondenseringskanalene i kondensator-kokeren 18. Trykket i rektifiseringskolonnen med lavere trykk 16 bestemmer derfor kondensasjonstrykket i kondensator-kokeren 18 og følgelig driftstrykket ved toppen av rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14. Når trykket ved bunnen av rektifiseringskolonnen med lavere trykk 16 er i størrelsesorden 1. ,3 bar absolutt, så er driftstrykket ved toppen av rektifiseringskolonnen med høyere trykk i størrelses-orden 17 bar. Det å øke trykket ved bunnen av rektifiseringskolonnen med lavere trykk 16 har den effekten at det produserer en resulterende økning i driftstrykket ved toppen av rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14.

Trykket i rektifiseringskolonnen med lavere trykk 16 reguleres ved hjelp av en bakttykksreguleringsventil 58 i utgangen 46 for nitrogen fra rektifiseringskolonnen med lavere trykk 16. Baktrykksreguleringsventilen 58 i regulering av trykket i rektifiseringskolonnen med lavere trykk 16 regulerer på effektiv måte trykket ved toppen av rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14. Først anordnes baktrykkreguleringsventilen 54 typisk slik at den er i en fullstendig åpen eller ikke-regule-rende posisjon.

Metan er betydelig mindre flyktig enn nitrogen. Tilførselsgassblandingen i utgangspunktet er derfor relativt lett å kondensere ettersom den inneholder en overvekt av metan. Typisk, med et tilførselstrykk på 40 bar absolutt og et trykk for rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14 på ca. 22 bar absolutt, så kan i stør-relsesorden 75 volum% eller mer av tilførselsgassen gjøres flytende. Flytendegjø-ring av en slik høy andel av tilførselsgasstrømmen reduserer i betydelig grad dampbelastningen på rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14 sammenlignet med det som det ville være dersom ikke noe av tilførselsgasstrømmen ble flyten-degjort.

I en typisk forhøyet oljeutvinnings- eller forhøyet gassutvinningsoperasjon så øker andelen av nitrogen i tilførselsgassblandingen gradvis i løpet av driftslevetiden for brønnen fra ca. 5 mol% til 60 mol%. Ettersom andelen av nitrogen øker i tilførselsgassblandingen, så blir den vanskeligere å kondensere og følgelig synker andelen av væske i fluidet som kommer ut av ventilen 23 gradvis. Dette har den effekten at dampbelastningen på rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14 øker selv om den volumetriske strømningsgraden for tilførselsgassblandingen forblir uendret.

Det er vanlig å konstruere en déstillasjonskolonne slik at den ved maksimal spesifisert dampbelastning opererer ganske nær dens oversvømmingspunkt, dvs.

ved 80 til 90% av avsvømming. Økningen i dampbelastning som ville skje ettersom molprosentandelen av nitrogen i tilførselsgassblandingen øker fra 10 til 60%

er godt i overkant av det som ville få kolonne 14 til å svømme over, idet dens diameter må velges slik at den opererer nær oversvømmingspunktet når nitrogen-molprosentandelen er på bunnen av området for samme. Virkningen av å øke nitrogen-molfraksjonen i tilførselsgassen kan til en viss grad minskes ved at rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14 i utgangspunktet drives ved en lavere dampbelastning enn 80% av oversvømmelse og derved øker det hydrauliske driftsområdet for kolonnen. Evnen til å avvise (turn down) en væske/damp-kon-taktkolonne avhenger av valget av kolonnens indre deler for å bevirke masse-veksling mellom oppadstigende damp og synkende damp. Generelt gir strukturert pakking en større grad av avvisning enn konvensjonelle væske/damp kontakt-skåler, enten .de er av boblehette- eller sikttype. Hvis det derfor anvendes strukturert pakking i rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14, så muliggjør dette en drift med en dampbelastning på f .eks. ca. 50% av oversvømmingspunktet når den opprinnelige nitrogen-molfraksjonen i naturgassen er 0,1. Til tross for dette er det, ettersom det er rimelig at dampbelastningen øker til mer enn det dobbelte i løpet av levetiden for den assisterte oljeutvinnings- eller assisterte gassutvinningsope-rasjonen, lite sannsynlig at dette tiltaket i seg selv vil være helt tilfredsstillende.

Videre kan det være økonomisk ufordelaktig å bygge en kolonne 14 som i utgangspunktet er i betydelig grad for stor dersom den skal drives i flere år med stort sett mindre enn en optimal dampbelastning.

Fremgangsmåten og apparaturen i henhold til oppfinnelsen gjør det mulig å gjøre dette problemet mindre ved å gjøre bruk av baktrykksreguleringsventilen 58 for å regulere trykket i rektifiseringskolonnen med lavere trykk 16 og følgelig trykket i rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14 med det formål å kompensere for økende nitrogen-molfraksjon i rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14.1 én anordning blir molfraksjonen av metan i tilførselsgasstrømmen (enten oppstrøms eller nedstrøms for renseenheten), molfraksjonen av metan i produktstrømmen som trekkes ut fra utgangen 40 og strømningsgraden for produktstrømmen, alle målt og prosentandelen for utvinning av metan automatisk beregnet ved hjelp av egnet prosessregulerings-software. Utførelsen er slik at den automatisk bereg-nede verdien for metanutvinningen anvendes for å regulere innstillingen av baktrykksreguleringsventilen 58. For eksempel kan reguleringen innrettes slik at den hever trykket i rektifiseringskolonnen med lavere trykk 16 og følgelig rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14 dersom utvinningen av metan plutselig faller til under 98,5% og trykkfallet i rektifiseringskolonnen med høyere trykk stiger. Et fall i utvinningen av produktmetan kan skyldes at dampbelastningen i rektifiseringskolonnen med høyere trykk stiger til et nivå som ligger for nært oversvømmings-punktet, noe som gjør at graden av atskillelse i rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14 reduseres med det resultat at forurensningsnivået i produktstrømmene som dannes i rektifiseringskolonnen med lavere trykk 16 øker. Det å øke trykket i rektifiseringskolonnen med lavere trykk 16 ved å innstille ventilen 58 på nytt øker trykket i rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14, noe som derfor reduserer dampbelastningen.

Det er imidlertid en annen virkning av en økende motfraksjon av nitrogen i tilførselsgassen som i motsetning til dens virkning på dampbelastningen av kolon-.nen 1.4 fremmer høy utvinning av metanprodukt. Denne virkningen er at det med økende nitrogen-molfraksjon er en øket strømning av damp fra toppen av kolonnen 14 inn i kondenseringskanalene i kondensator-kokeren 18. Det tilveiebringes derfor mer tilbakeløp for den doble rektifiseringskolonnen. Dette gjør det lettere å skille ut metanproduktet. Under disse betingelsene kan mengden av nitrogen som resirkuleres fra rektifiseringskolonnen med lavere trykk 16 til rektifiseirngskolon-nen med høyere trykk 14 reduseres for å holde nede kraftforbruket for resirkuleringskompressoren. En slik justering kan gjøres ved å endre innstillingen av ventilen 52. Metangjenvinningen kan anvendes for å regulere ventilen 52 analogt til ventilen 58. Operatøren for anlegget har derfor to parametere som kan anvendes for å regulere prosessen, nemlig strømmens størrelse gjennom ventilen 52 og trykket ved toppen av rektifiseringskolonnen med lavere trykk 16.

Det foretrekkes at graden av resirkulering av nitrogen fra kolonnen med lavere trykk 16 til kolonnen med høyere trykk 14 er på et maksimum når molfraksjonen av nitrogen i tilførselsgasstrømmen er på et minimum. Forutsatt at dette ikke beveger rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14 for nært oversvømming for at produktutvinning kan opprettholdes, foretrekkes det normalt at graden av resirkulering av nitrogen reduseres progressivt ettersom molfraksjonen av nitrogen i tilførselsgasstrømmen økes. Dette er for å minimalisere kraftforbruket ved fremgangsmåten og apparaturen i henhold til oppfinnelsen. Ett unntak er dersom kraft er tilgjengelig spesielt billig på det stedet hvor fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen anvendes. Det kan da være fordelaktig å drive kolonnen med høyere trykk 14 ved et høyere trykk, hvilket gjør atskillelsen mer energiintensiv i denne, og resirkulere mer nitrogen fra kolonnen med lavere trykk 16 til kolonnen med høyere trykk 14 enn det som ellers ville være nødvendig. Typisk kan imidlertid økning av driftstrykket for rektifiseringskolonnen 14 og 16 ved å innstille ventilen 58 på nytt, med fordel utsettes inntil resirkulering av nitrogen er blitt redusert til et minimum. Straks molfraksjonen av nitrogen i tilførselsgassen har nådd f.eks. 30 volum%, så stoppes typisk gjennomgangen av nitrogen gjennom inngangen 56. Det er fremdeles ved slike tilførselsblandinger ønskelig å fotrsette å føre flytende nitrogen inn i toppen av rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14 via ekspansjonsventilen 54 for å opprettholde en god overensstemmelse i varmeveksleren av temperatur-entalpiprofilen for strømmene som skal varmes med de som avkjø-les. Selv om inngangen 56 er lukket, er det derfor foretrukket å opprettholde en tilstrekkelig strøm av resirkuleringsgass gjennom resirkuieringskompressoren til å gjøte det mulig at væske går fra ekspansjonsventilen 54 til rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14 med den nødvendige hastighet.

Rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14 kan selvsagt ikke opereres

ved eller over kritisk trykk. Det er derfor et tak på området av drrftstrykk for denne kolonnen. Det er således ikke ønskelig å øke driftstrykket for rektifiseringskolonnen med høyere trykk 14 til noe særlig over ca. 29 bar absolutt. Vi foretrekker derfor å sikre at driftstrykket for rektifiseringskolonnen med lavere trykk 16 ikke overstiger ca. 3,5 bar absolutt på toppen av kolonnen.

Selv om driften av rektifiseringen med høyere trykk påbegynnes med en lav dampbelastning, f.eks. en dampbelastning fra halvparten til trekvart av dampbelastningen ved oversvømmingspunkt, så kan den endelige nitrogen-molfraksjonen i tilførselsgassen være så høy at det bli umulig å opprettholde en metanutvinning på 98,5% eller mer i løpet av hele driftslevetiden for fremgangsmåten og apparaturen i henhold til oppfinnelsen. Dersom et fall i metanrenheten mot slutten av driftstiden for brønnen eller reservoaret hvorfra tilførselsgassen utvinnes ikke kan tolereres, så er der ett annet tiltak som kan anvendes. Dette tiltaket er å anvende to doble rektifiseringskolonner 12 i parallell med hverandre og som deler en felles hovedvarmeveksler 4 og en felles underkjølingsvarmeveksler 26. Typisk anvendes bare én av de doble kolonnene 12 for hele driftstiden for brønnen eller reservoaret, og den andre doble kolonnen 12 blir først anvendt mot slutten av denne driftslevetiden. Om ønsket, kan begge de doble kolonnene installeres sammen eller den ene kan tilpasses den andre etterpå. Anvendelse av slike parallelle doble kolonner er beskrevet i og er formålet med en ytterligere patentsøknad av denne søkeren som krever konvensjonsprioritet fra GB-patentsøknad nr. 0116977.0.

Fremgangsmåten og apparaturen i henhold til oppfinnelsen gjør det mulig å velge størrelsen og kraftforbruket for et nitrogen-awisningsanlegg i henhold til de herskende økonomiske forholdene.

Det kan gjøres forskjellige endringer og modifiseringer av fremgangsmåten og apparaturen i henhold til oppfinnelsen. For eksempel kan resirkuleringsnitro-genstrømmen, eller noe av den, gå gjennom en særskilt varmeveksler atskilt fra hovedvarmeveksleren 4.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte for avvisning av nitrogen fra en tilførselsgasstrøm som omfatter metan og nitrogen med det formål å danne et metanprodukt, idet molfraksjonen av nitrogen i tilførselsgassen øker over en tidsperiode, omfattende avkjøling av tilførselsgasstrømmen i en hovedvarmeveksler og rektifisering av den avkjølte tilførselsgasstrømmen i en dobbel rektifiseirngskolonne omfattende en rektifiseirngskolonne med høyere trykk, en rektifiseringskolonne med lavere trykk og en kondensator-koker som setter rektifiseringskolonnen med høyere trykk i varmevekslingsforbindelse med rektifiseringskolonnen med lavere trykk, idet minst en del av tilførselsgasstrømmen ekspanderes inn i rektifiseringskolonnen med høyere trykk, og tilførselsgasstrømmen kondenseres delvis oppstrøms for den doble rektifiseringskolonnen, karakterisert ved periodisk økning av driftstrykket for rektifiseringskolonnen med lavere trykk som svar på økninger i nevnte molfraksjon av nitrogen.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at en første strøm av gass føres som en første resir-kuleringsgasstrøm fra rektifiseringskolonnen med lavere trykk tri rektifiseringskolonnen med høyere trykk.

3: Fremgangsmåte i henhold til krav 2, karakterisert ved at den første resirkuleringsgasstrømmen komprimeres, avkjøles i hovedvarmeveksleren, kondenseres i en ytterligere kondensator-koker og føres inn i rektifiseringskolonnen med høyere trykk.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 2 eller krav 3, karakterisert ved at en produktmetanstrøm trekkes ut i flytende tilstand fra rektifiseringskolonnen med lavere trykk, får trykket hevet, og fordampes minst delvis i hovedvarmeveksleren.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 4, karakterisert ved at en andre resirkuleringsgasstrøm tas fra rektifiseringskolonnen med lavere trykk, komprimeres, avkjøles i hovedvarmeveksleren, og føres minst delvis i flytende tilstand inn ved toppen av rektifiseringskolonnen med høyere trykk.

6. Fremgangsmåte i henhold til krav 5, karakterisert ved at den andre resirkuleringsgasstrømmen komprimeres til et høyere trykk enn den første resirkuleringsgasstrømmen.

7. Fremgangsmåte i henhold til krav 5 eller krav 6, karakterisert ved at den første og den andre resirkuleringsgasstrøm-men komprimeres i den samme flertrinns-kompressoren, idet den andre resirkule-ringsstrømmen tas fra et trinn av kompressoren nedstrøms for det som den første resirkuleringsstrømmen tas fra.

8. Fremgangsmåte i henhold til hvilke som helst av kravene 2 til 7, karakterisert ved at en ventileringsstrøm tas fra den første resirkule-ringsgasstrømmen oppstrøms for komprimeringen derav, og ventileres.

9. Fremgangsmåte i henhold til hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at trykket i rektifiseringskolonnen med lavere trykk justeres med det formål å opprettholde en konstant prosentandel utvinning av metan i produktgassen.

10. Fremgangsmåte i henhold til hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at hele bunnf raksjonen som oppnås i rektifiseringskolonnen med høyere trykk trekkes ut av denne og sendes til rektifiseirngskolon-nen med lavt trykk.

11. Apparatur for avvisning av nitrogen fra en tilførselsgasstrøm som omfatter metan og nitrogen med det formål å danne et metanprodukt, omfattende en hovedvarmeveksler for avkjøling av tilførselsgasstrømmen, en dobbel rektifiseringskolonne for rektifisering av tilførselsgasstrømmen og omfattende en rektifiseringskolonne med høyere trykk, en rektifiseirngskolonne med lavere trykk, og en kondensator-koker som setter rektifiseringskolonnen med høyere trykk i varmevekslingsforbindelse med rektifiseringskolonnen med lavere trykk, og en ekspansjonsinnretning nedstrøms for hovedvarmeveksleren som har forbindelse med rektrfise-ringskolonnen med høyere trykk, idet ekspansjonsinnretningen er anordnet slik at den, når den er i bruk, fører en del av tilførselsgasstrømmen inn i rektifiseringskolonnen med høyere trykk i flytende tilstand, karakterisert ved at der er en baktrykksreguleringsventil forbundet med rektifiseringskolonnen med lavere trykk og som kan anvendes for å øke trykket i rektifiseringskolonnen med lavere trykk.

12. Apparatur i henhold til krav 11, karakterisert ved at baktrykksreguleringsventilen kan justeres med det formål å opprettholde en konstant prosentandel utvinning av metan i produktgassen.