NO751023L - - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for rensning ved lav temperatur av en gasstrøm som hovedsakelig består av normalt gassformige lavere alkaner, slik som metan, etan, propan og blandinger derav, for å fjerne uønskede bestanddeler, urenheter eller, forurensninger, og gjenvinning av den resulterende, rensede strømmen i flytende tilstand. Foreliggende oppfinnelse vedrører

også en fremgangsmåte for rensning ved lav temperatur av "sour" naturgass, og lignende gass-strømmer som hovedsakelig består a<y>metan, for å fjerne uønskede bestanddeler eller urenheter, slik som sure gasser, f.eks. karbondioksyd og hydrogensulfid og vann-

damp og gjenvinning av den rensede naturgassen i flytende tilstand*

Naturgass, som er fremstilt fra olje- eller gassbrønner. , eller ved etterbehandling for å fjerne hovedsakelig all kondenser-bar propan og tyngre hydrokarboner, består hovedsakelig av metan,

men inneholder vesentlige mengder av uønskede bestanddeler eller urenheter, slik som sure gasser, nemlig karbondioksyd og/eller hydrogensulfid, nitrogen, helium, vanndamp og noen lette hydrokarboner, f.eks. etan og propan. Det er kjent og anvendt en rekke metoder for å fjerne disse bestanddeler, se f.eks. US patenter 3 393 527, 3 362 133»3 339 3^2, 3 331 189, 3 255 572, 3 301 372 <-

og 2 863 527. Foreliggende oppfinnelse vedrører en forbedret fremgangsmåte for gassrensning som gir vesentlige fordeler når det gjelder behandlingen, kvaliteten og økonomien ved mange anvendelser.

Ifølge foreliggende ^oppfinnelBe blandes en strøm av naturgass som inneholder uønskede bestanddeler eller urenheter, slik som karbondioksyd, méd en normalt flytende, inert, polar organisk forbindelse, slik som metanol, eller en vandig løsning, slik som vandig metanol, idet den organiske forbindelsen har,et relativt lavt frysepunkt., f.eks. under -80°C, og er lite blandbart med flytende metan. Den resulterende blandingen avkjøles,og størsteparten av den avkjølte blandingen (bortsett fra ikke-kondenserte, inérte gasser som er til

stede, slik som helium og nitrogen) kondenseres under dannelsen av

en to-faset, flytende blanding, idet den lette fasen hovedsakelig består av flytende naturgass,og den tunge væskefasen hovedsakélig består ay den organiske forbindelsen sammen med absorberte urenheter, f,eks* karbondioksyd. Tofaseblandingen ekstraheres ved meget lave temperaturer med en mager, flytende strøm av den polare, organiske forbindelsen i en Væske-væskeekstraksjonssone uten dannelse av en fast fase, og renses, og flytende naturgass fjernes fra sonen. Den

tunge, flytende fase, som hovedsakelig består av den polare organiske forbindelsen som inneholder bestanddeler eller urenheter, f.eks. karbondioksyd, som er abesrbert fra naturgassen,

og noe uønsket absorbert metan, kan strippes,og mager polar organisk forbindelse resirkuleres tilbake til prosessen.

PigurÅilgaSngir:

Fig. 1 er et skjematisk flyteskjerna som illustrerer en foretruk-ken utførelsesform ifølge oppfinnelsen, Fig. 2 er en logaritmisk opptegning av væske-væske-likevektsdata for eti trefase-område av karbondioksyd-metan-metanol, Fig. 3 er en logaritmisk opptegning av løseligheten av karbondioksyd i en metanol-vannblanding som inneholder 10 molprosent vann (dvs. et molforhold-metanol:vann på 9:1), Fig. 4 er en logaritmisk opptegning av K-verdier for metan og karbondioksyd i 40 molprosent vann i metanol swiéd etlo- Qj^ Qm illustrerer duplisiteten av flyktighetene for metan og karbondioksyd.

Tallene som er anvendt for opptegning av figurene 2, 3 og

4, ble oppnådd ved hjelp av en eksperimentell fremgangsmåte som angitt i Amer. inst. Chemical Engr. Journal,-mars 1971, sidene 357-364. Etter denne fremgangsmåten bie metanol eller métanol^vahn-blanding ført inn i en glass-likevektscelle; deretter ble ført inn metangass og karbondioksyd i cellen ved et på forhånd bestemt trykk, og dette trykket ble opprettholdt ved tilføring av disse gasser mens temperaturen ble senket til det ønskede nivå ved regulering av bad-temperaturen. Siden cellen og badet er fremstilt av glass, kan

tilstedeværelsen av flytend"faser eller en fast fase observeres visuelt. Prøver av de forskjelligefaser ble trukket ved hjelp av et hypodermisk rør for analyse.

Det er nå oppdaget at den polare organiske forbindelsen oppfører seg uventet når den blandes med forurenset naturgass ved lav temperatur. I det tilfelle hvor metanolen er den polare organiske forbindelse, observeres følgende: a. Metanol har meget begrenset blandbarhet med flytende metan; b. Metanol oppløser, så meget som 25 molprosent karbondioksyd.- ved en temperatur så lav som -110°C uten at man får en fast fase (mer enn 50°C under det normale frysepunkt for ren karbondioksyd); c. Metanol oppløser så meget som 20 molprosent vann ved temperaturer, så lave som -110°C uten dannelse av en fast fase;

d. Over den temperaturen hvor det dannes en fast fase,

Øker en økende konsentrasjon åv vann verdiene av a (M/CD),,forholdet mellom metan (M) og karbondioksyd (CD)'fordelingskoeffisi-. entené (konsentrasjonen i lett fase/konsentrasjonen i tung fase) mellom de to flytende faser; skjønt fordelingskoeffisientene for både karbondioksyd pg metan øker når vannkonsentrasjonen øker, øker verdien for metan hurtigere enn verdien for karbondioksyd;og

• e. Løseligheten av metan i tung, flytende fase øker når karbondioksydkonsentrasjonen øker opp til et maksimum; over maksimum metanløselighet på ca. 20 molprosent ved ca. 10 molprosent karbondioksyd begynner métankonsentrasjonen å avta med økende karbondioksydkonsentrasjon (karbondioksyd erstatter tilsynelatende

metan i den flytende fase).

Fenoménétj'som er nevnt under a, .vb og e ovenfor, er illustrert i fig. 2. Fig. 2 angir grafisk likevektssammensetningen av de samtidig eksisterende flytende fasene for det ternære system av karbondioksyd-metan-metanol under betingelser hvor et damp-lett Vffiske-tung væske- trefasesystemet kan eksistere i likevekt.

Likevektsdata er vist ved hjelp av to atskilte sett av. kurver ved å anvende vanlige akseskalaer for både ordinat og abscisse. Ordi-

riatskaiaen angir molfraksjonen av metan eller karbondioksyd i lett væske,og; absciésen angir molfraksjonen av karbondioksyd i, tung fase.

Den øvre diskontinuerlige kurve (brutt linje) med både et maksimum og. et minimum viser forholdet mellom konsentrasjonen (les som angitt ved hjéip åv pilen A på abscisseskalaen) og karbondioksyd i tung, flytende fase og løseligheten (konsentrasjon, les som angitt Ved hjelp av pil B på ordinatskalaen) av metan i den samme tunge, flytende fase. Tallene viser at løseligheten av metan i denne

fasen er ca. 16 molprosent ved en temperatur på ca. -105°C når

det ikke er karbondioksyd til stede. Denne verdien avleses ved

høyre skjæringspunkt av den brutte linjen. Løseligheten av metan i denne tunge,metanolrike,flytende fase avtar til et minimum "av eutekfe tisk type" på ca. 7,5 molprosent når karbondioksydkonsentrasjonen øker til ca. 4 molprosent. Metanolkonsentrasjonen ved dette punkt ér således 88,5 molprosent og gir et molforhold metanol/karbondioksyd på 22 fOr minimum metanolløselighet. Over 4 molprosent. karbondioksydkonsentrasjon øker metankonsentrasjonen til et maksimum på 20 molprosent, idet karbondioksydkonsentrasjonen Øker til 10 molprosent. Den maksimale metanløselighet i den tunge., flytende fasen finner således sted ved et molforhold metanol/karbondioksyd på 7- Metanløseligheten i tung, flytende fase avtar når karbon-

dikoksydkohsentrasjonen øker over 10 molprosent. Metanolløseligheten er f.eks. bare 15 molprosent ved' en kårbondioksydkonsentrasjon på

20 molprosent. Metanblkonsentrasjonen er således 65 molprosent

i dette'punkt, forutsatt et molforhold metanol/karbondioksyd: på 3,25. Det er verdt å legge merke til at løseligheten av metan

i den tunge, flytende fasen er relativt uavhengig av temperaturen ved et molforhold metanol/karbondioksyd på mindre énn 22, dvs. ved kårbondioksydkonsentrasjoner som er:større enn "eutektikum". Ut fra nøyaktigheten--av det eksperimentelle utstyr beskriver en enkelt kurve tilfredsstillende metån-og karbondioksydkonséntra-sjonene i tung, flytende fase ved temperaturer på -90°C,'-95°C,

-?100°C og -105°C for kårbondioksydkonsentrasj oner som er større enn 4 molprosent. Seriene av rette linjer C (-96°C, 31,2 til 31,4 atmosfærer), D (-95°C, 29,5 til 29,7 atmosfærer, E (-100°C, 25,9

til 26,2 atmosfærer og F (-105°C, 22,4 til 22,8 atmosfærer) gir likevektsfordéiingen av karbondioksyd mellom tung, flytende fase (metanolrik-abscisse) og lett, flytende fase (metanrik^ordihat), "Disse tali viser at lavere temperaturer gir en høyere fordeling av karbondioksyd i metanolrik, tung, flytende fase.'

Fig. 3 Viser løseligheten av karbondioksyd i en flytende fase som består av an løsning av metanol og vann med et molforhold på 9:1 (10'molprosent vann på karbondioksydfri basis). Molfraksjonen karbondioksyd er angitt langs ordinaten og systemtrykket (Ibs/in<2>

.' p

t absolutt) langs abscissen. (For overføring av lbs/in absolutt multi-pliseres med 0.06804.) 'Det anvendes isotermer"som parametre for å angi likevektsdata ved -80, -70,, -50,-25, 0, 25 og 50°C. Det

geometriske sted for frysepunktet til systemet er'angitt som en brutt linje G.

Skjønt foreliggende oppfinnelse ikke er bundet til noen teori, vil det.fremgå at resultatene ovenfor er basert på uventet; termb-dynamisk fenomen som ble observert av oss eksperimentelt i . Det antas* åt den polare, organiske væske (f.eks. metanol) viser passende polaritet i dét'elektromagnetiske felt for-''å indusere én vesentlig

polaritet til det normalt- symmetriske elektromagnetiske felt av metanmolekyler. Det finner sted en elektromagnetisk kondensasjon ;mellom metan, den polare, organiske forbindelsen, de polare?urenheter. Som en konsekvens av det elektromagnetiske kondensesjons-fenomen kan det dannes en bestemt termodynamisk art (eller kompleks).

Komplekset har uventet lav løselighet i metanrik, flytende fase, en uventet høy løselighet av polare urenheter i den polare, orga-

niske forbindelsen og en uventet, lavt' frysepunkt av polar, organisk, flytende fase* illustrerer teorien om elektromagnetisk kondensasjon via en mekanisme av indusert polaritet. K-verdiene (molfraksjon i dampfasen dividert med molfraksjonen i flytende fase) er angitt langs ordinaten som en funksjon av trykket (lbs/in absolutt) langs abscissen. På grunn av den store forskjellen i K-verdiene for metan og karbondioksyd er det anvendt en dobbeltskala på ordinaten. De høye tallene (Øvre skala) er for metan og de lave tallene (under-ste skala) er for. karbondioksyd. Tallene illustrerer at både for metan og karbondioksyd kan det eksistere to atskilte forhold mellom . K-verdiene og trykket ved en konstant temperatur. Det antas at

dé to atskilte forhold tilsvarer enten-systemene med elektromagnetisk kondensasjon (linje H) eller uten elektromagnetisk kondensasjon (linjene 1). ,:.M.a.o. den polare, organiske forbindelsen, slik som metanol, kan avkjøles passende for å ftsmme elektromagnetisk kondensasjon med urenhetene for dannelsen av éfc distinkt termodynamisk kompleks. Det antas at den elektromagnetiske'kondensasjon finner sted ved redusert temperKåtur s-om3kyldes eh vesentlig Økning i rotasjonsenergi-nivåene. Det permanente' dipolmoment (elektromagnetisk polaritet)<1>av det'polare'organiske molekyl er passende for å indusebe polæitet til det elektromagnetiske felt av det normalt symmetriske raétanmole-kjil. ^.Molekylene antar en gitt orientering av dé positive og negative poler og roterer som atskilte typer 1 den flytende fasen. Dette fenomen fremgår åv mangfoldigheten av de relative' flyktighe-ter og fordélingskoeffisiehtehe som ble oppdaget for karbondioksyd og metan under betingelser åv konstant temperatur, trykk og sammensetning.

/v Av det skjematiske flytéskjema i figV 1 fremgår en fore-trukken utførelse for foreliggende oppfinnelse hvor én "sour" nåturgass-strøm behandles for fremstillingen av et renset eller "sweet" flytende naturgassprodukt. , Av fig. 1 fremgår det viktigste utstyret som skal anvendes- ved den foretrukne utførelsesformen;

pumper, ventiler og annet utstyr er fozvkorthets skyld utelatt.

Naturgass (tilførselen som behandles ved foreliggende oppfinnelse) består hovedsakelig (f.eks. 50-85 volumprosent) av metan og inneholder vesentlige mengder av andre bestanddeler hvis nærvær er uønsket på grunn av at de er urenheter, f.eks. karbondioksyd, hydrogensulfid, og vanndamp, eller på grunn av at slike bestand deler, f,eks. helium, er mere verdifulle i ség selv når de fjernes fra naturgassen. Naturgassen som,anvendes,ved•,foreliggende pppfin- - nelséi leveres som tilførsel til fremgangsmåten ved. 24-54, atmosfærer og -17 til 94°C. En typisk "sour" naturgassastrØm har følgende sammensetning ^ '.'•:'*.••

PØr kondensasjonen av naturgass-strømmen avkjøles naturgass-strømmen (li fig*i) for å konservere prosessenergikravene ved kondensasjonen (varmevekslerne for dette formål er betegnet i fig, 1 som forkjølere 4 og 8)., Siden tilførselen vanligvis inneholder vanndamp, karbondioksyd og andre bestanddeler som vil fryse eller danne faste hydrater og som vil forurense varmeoyerførings-flaten som anvendes under forkjølingen, blandes tilførselen først med én strøm som inneholder en normalt flytende, polar organisk forbindelse med lav molekyl<y>ekt (som vanligvis betegnes som et løsningsmiddel) som har et normalt frysepunkt under -80°C, et sterkt di-polmoment (større enn eller tilsvarende aceton), er i-nært (dvs. kjemisk ikke reaktivt) med hensyn til bestanddelene i naturgassen og har begrenset blahdbarhet med flytende metan. En tilstrekkelig mengde polar, organisk forbindelse blandes med tilfør-selen, slik at den polare forbindelse hindrer dannelsen av is og faste stoffer, slik som hydrater. Eksempler på.slike polåriske organiske forbindelser er metanol, etanol, n-propanol, isopropanol, aceton o.l. Når den foretrukne polare forbindelsen, metanol, anvendes, blandes denne.med tilførselen slik at man får 2-4 mol metanol pr. mol urenheter i tilførselen for å hindre dannelse av en fast fase. I henhold til et annet trekk ifølge foreliggende oppfinnelse blandes den polare, organiske forbindelse med vann for fremstilling av en vandig oppløsning, slik som vandig ætanol, som inneholder en tilstrekkelig mengde av den nevnte polare organiske- forbindelsen.

Etter forkjøling av cen gassformige blanding av tilførsel og polare organiskeforbindelse, f.eks. til en temperatur mellom frysepunktet for vann (0°C) og frysepunktet for karbondioksyd'(-56°C) avkjøles den forkjølede gassformige blanding ytterligere for å oppnå fullstendig kondensasjon med unntagelse av inerte, ikke-kondenscrbare gasser, f.eks. helium og nitrogen, som er mer flyktige enn metan. • Denne kondensasjon utføres fortrinnsvis i en sprøyte-kjøler-stripper (17 i fig. 1) utstyrt med en rekke væske-dåmp-kontakttrinri for å fremme kontakten mellom inngående, forkjølet gass-strøm og én passende mengde' av en flytende strøm som består av polar organisk forbindelse som sprøytes på topp-kontakt-trinnet for å absorbere.-størstedelen av sure urenheter, slik som karbondioksyd og nitrogensulfid. Kjøler-strippereh gir tilstrekkelig strippe-raesseoverføringstrinn for å fjerne fra det résulterénde, flytende produktet (som føres via rørene 23, 25 til ekstraksjons-apparatet 24Me forbindelser som er mer flyktige enn metan, slik 'sém^nitrogen og helium. Den resulterende blanding av de to ikke blandbare flytende faser (den lette fasen er raetanrik,og den tunge fasen cr raetr.nolrik) tas ut fra bunnen av sprøyte-ikjøle-stripper-enheten, og en del av den flytende blandingen fordampes, f.eks. i en tefihosifon reboiler .og'føres til .enheten for ,å strippe helium o£ lette gasser, slik som nitrogen og'helium, fra metanrik fase, og, det resulterende'strippede gassene og fordampet metan -fjernes (via rør 21) fra toppen av kolonnen; Kjøler-stripperen gir tilstrekkelig rektifiserende masseoverføringstrinn for å hindre at korrosive urenheteri' slik som vanndamp i karbondioksyd og hydrogensulfid, kom-mer inn på toppen og har' en skadelig innflytelse ;på kompressor- og kjølerenhetene som skal behandle strømmen fra toppen.

Sprøyte-. kjd.e-stripperenheten kan kjøres fra temperaturer

på -73°C til ca. '-112°C som tilsvarer et trykkområde fra ca. 44-20 atm. avhengig av konsentrasjonen av tyngre hydrokarboner (dvs. etan og høyere alkaner) i systemet. Foretrjikne betingelser for enheten er -92°C og 27 atm. ved bunnen og toppen opererer nær kokepunktet for ren metan, dvs. ca. -98°C ved 27 atm.

To fas e-Væskeb 1 andihgeh d> utløpsstrømmen 25 føres til en ,ekstraksjonsenhet, som fortrinnsvis er en flertrinns væske-væske-ekstraksjonskolonne (24 på tegningen), hvor den renses eller ekstraheres méd flytende, polar organisk forbindelse. Antallet kontakttrinn, f.eks. bunner, kan bestemmes på basis av kravene til rensning for hver enkelt installasjon. Primære variable som påvirker antallet kontakttrinn, omfatter: (a) konsentrasjonen av forurensninger i "sour" naturgasstilførselen; (b) fysikalske og kjemiske egenskaper av den polare organiske forbindelsen; (c) driftstemperaturan av ekstraksjonsåpparatet; (d) den maksimale konsentrasjon av urenheter som er spesifisert eller som tillates renset eller "sweet" naturgassprodukt; (e) og den økonomiske balanse av kostnader enten for ytterligere ekstraksjonstrinn eller Økt sirkulasjonshastife-

het av polar organisk forbindelse gjennom ekstraksjonsåpparatet.

Ut fra disse variable og likevektsdata for fordelingen av urenhetene mellom de to flytende faser i ekstraksjonsåpparatet (den relativt tunge fase anriket på polar organisk forbindelse og den relativt lette metanrike fasen) kan beregningen av antall trinn som er nødvendige for en gitt flytende naturgassprodukt, utføres av fagmannen.

Når ekstraksjonsåpparatet er en flertrinns, væske-væske-ekstråksjoriskolonne (den foretrukne ekstraksjonsenhet), renses den flytende naturgassen ved mOtstrøms kontakt med den flytende polare organiske forbindelsen, og den flytende naturgass-strømmen føres gjennom ekstraksjonsåpparatet til toppen av bunnfellings-trinnet. Den resulterende; rensede, flytende, matanrike naturgass; trekkes av fra toppen av ekstraksjonsåpparatet som produkt (rør 41 på tegningen), og den polare organiske forbindelsen satanen med ekstrahert^ s absorberte urenheter trekkes ut fra bunnen av bunn-fellingstrinnet av ekstraksjonsåpparatet. Ekstrakter kan strip-pes for absorberte urenbeter, f.eks. ved flashing (den foretrukne strippeoperasjon), flertrinns motstrøms stripping, ekstraktiv destillasjon etc. og den resulterende magre polare organiske forbindelsen kan resirkuleres til ekstraksjonsåpparatet.

Væske-væske-ekstraksjon utføres ved temperaturer (f.eks.

-62-8"4°C) under frysepunktet for urenhetene i flytende naturgass, og denne operasjon kan overraskende utføres uten dannelse av

faste faser av urenhetene, f.eks. is eller hydrat. Denne operasjon kan utføres uten skumming.,og nedrivningsproblemer som man ofte har Ved damp-væskekontaktprosesser. Den høyere tettheten av den flytende naturgass som ekstraheres ved væske-væskeoperasjonen ifølge foreliggende oppfinnelse, tillater en lavere kapitalinveste-ring (for ekstraksjonsåpparatet) sammenlignet med en demp-væske-renseenhet. Og de lavere temperaturer som anvendes ved væske-væske-ekstraksjonen,tillater drift ved laverar£rykk enn vanligvis

anvendes for damp-væskekontakt, pg ekstraksjonsåpparatet krever trykk som bare behøver-å..være-tilstrekkelig over trykket for sprøyte-kjøle-stripperen for å hindre dannelsen av en dampfase i ekstraksjonsåpparatet'. Ekstraksjonsåpparatet kjøres adiabatisk, bortsett fra varmetap gjennom isolasjonen og varmet il f ørs el på gr.unn av mekaniske midler fer omrøring av de to væsker som tilsettes til ekstraksjonsåpparatet. De.• foretrukne- driftsbetingel3er for eks^-traksjonsapparatet- er en isoterm temperaturprofil med trykk som minst er . 1,4 atm. større,enn for: sprøyte-kjøle-stripperen.. , -- De polare organiske forbindelser som anvendes som ekstrak-sjonsmidler, er de som er beskrevet ovenfor. Også her 1 yæske-væskeekstraksjonstrinnet er metanol den foretrukne: polare organiske forbindelsen,:siden det er oppdaget åt>den: kan ekstraheren så .meget ,som 25 vektsproseht karbondioksyd fra en karbpndipksyd-metanblanding ved temperaturer så lave som -109°CV jurøfen, at man

får en fast "#ase (dénne^temperaturen er mer ;enn 44°C under frysepunktet for ren karbondioksyd);. Det er,foretrukket ytterligere #fcånv&M?^yandig-metanol 'som ekstraksjonsmiddel siden det■er .oppdaget f t- selv med' métanol-løsningsmiddelblandingen som" inneholder vesentlige'mengder av vann (f.éks. 20'molprosent), kan, .ekst r ak-sjoner*, utføres ved' temperaturer vel'under frysepunktet for,, karbondioksyd uten at: «ah. får én fast fase, og at med økende, konsentrasjon av vann i-metanol-løsningsmiddelstrømmen forbedres forhold déné mellom fordelingskoeffisientene■for metan karbondioksyd', dvs.' fordelingskoeffisi.ehten- (konsentrasjon i'lett f åse/konsentrasjon.i tungfase) :for både karbondioksyd og metan øker, op. varddién av metan øker hurtigere enn verdien for karbondioksyd. Den maksimale metankonsentras jon i tung flytende fase: eller ekstrakt, med økende; konsentrasjon av karbondioksyd.i fasen er overraskende lav, og karbondioksyd erstatter; tilsynelatende metån i fasen.

På fig. 1 leveres "eour" natnrgasstilførsei (f.eks., som har .sammensetning som angitt i tabell 1, supra) til prosessen av strømmen 1, denne gassen har vanligvis en temperatur av mellom

-17 og 94°C og et trykk på 24-25 atm., fortrinnsvis 38<o>Gog:30,6 atmosfærer; Tilførselen 1 blandes med en tilstrekkelig mengde av en metanolrik strøm 2 for å-hindre at det dannes is eller,hydrat i tilførselen og tilsmussing av varmeoverføringsoverflaten av forkjølerne til hvilke den ^resulterende blanding 3 føres i* Mengden anvendt metanol for dette formål vil vanligvis være 0,5-4,0 molprosent vann i den resulterende blandingen.pg fortrinnsvis 2 mol

metanol pr. mol vann. I den første eller primære forkjøler 4, som kan være en rørvarmeveksler. med enten vertikal eller, horisontal orientering, fjernes varme eller energi fra strømmen 3 på rørsiden ved oppyarmning og delvis fordampning av varmevekslermediet som leveres via rør, .6 på skj elis iden av. f orkj øleren. Fra forkj Øleren 4 fjernes, en forkjølet prosessr-strøm 7 som har en minskning i entalpi som skyldes en minskning i temperatur og,delvis kondensasjon, mengden av.overført energi er avhengig av temperatur, samman-setningen og strømningshastigheten av varmevekslermediet 6 q; varrae-overføringsområdet av forkjøleren 4. Vanligvis ligger temperatu ren av den.forkjølte strøm 7 mellom -23 og 10°C, fortrinnsvis ca. -6°C ved 28,6 atm. VarmeoverfØringsmediet3som har en Økni&

i sin.entalpi, fjernes fra den Øvre enden av forkjøleren 4 via rør 5og føres til en damp-væskeskilletank 10. Strømmen 7.fønes deretter til den sekundære forkjøleren 8, som er av samme kon-struksjon og kjøres på samme måte som forkjøler 4, hvor prosess-strømmen ytterligere, forkjøles ved indirekte varmeveksling ved varmevekslermediet 9, og den resulterende ytterligere forkjølte strøm 11 har en ytterligere minskning i entalpi, mengden av over-ført energi er avhengig av sammensetningen, temperaturen og strøm-ningshastigheten av varmevekslermediet 9 og størrelsen av varme-overf ørings f lat en i den sekundære forkjøleren 8. Deil ytterligere forkjølte strøm 11 vil vanligvis ha en temperatur mellom -4o°C og"6,3°5fortrinnsvis ca. 31°C, ved 2702 atm. Varmevekslermediet med en økning i entalpi fjernes via rør 12 fra den Øvre delen av forkjøleren 8 og føres til en damp-væskeskilletank 13.

Den forkjølte prosesortstrømmen 11 blandes med metanrik

damp som leveres via rør 14 , fra,, skilletank 13 og kan ytterligere blandes med en metanolstrøm 15 fra skilletank 11. Den resulterende strømmen 16 føres der.".tter. til midtseksjonen av -. len sprøyte-kjøler-stripper 17. For å hindre urenhetene i strømmen 16 fra å fryse eller danne en fast fase, bør strømmen vanligvis inneholde ca. 1,0-6,0 mol metanol pr. totale mol urenheter, fortrinnsvis 4 mol metanol pr. totale mol urenheter, f.eks.'.vann.. En kondensert blanding av metan og metanol føres til toppen av kjøle-stripper 17 via rør 18, og en metanrik gass-strøm føres via rør 19 til bunnen av kjøler-stripperen.

KjØleren-stripperen 17 og kjøleren 28 kondenserer hovedsakelig størsteparten av de kondenserbare komponentene i tilførse-len 16, og for dette formål kjøres det fra ca. -79°C til ca. -112°C og 44,2 til 2.0,4. atm., avhengig av konsentrasjonen av tyngre hydrokarboner (dvs. etan og høyere alkaner), i prosess-rstrømmen,

dé foretrukne: betingelser ved bunnen av enheten er ca. -9254°C og ca.- .2.7,2 atm. og toppen av. enheten kjøres nær kokepunktet for ren metanol, ,dvs., ca. -98°C ved 2,7,2 atm..Det flytende produkt fra; k j ø 1 er- s t rippe ren: 17 trekkes ut via et, rør 23 som en ,tofåse-b landing, (som består av en metanol f r i,.tung fase som inneholder absorberte, urenheter med' høyt- frysepunkt' .og. en metanrik, lett fase) og føres, til bunntrinnét-i væske-væskéekstråksjonsapparatet 24., \ ; ,.:, .'. .. , ,;, Noe metan, heliumqg andre lette, gasser, slik som nitrogen, fjernes på toppen via rør 21. fra toppen av kjøle-stripperen 17. Kokningen som kreves for å.stfcippe helium og andre-lette: gasser

i fylte sek&joner eller bunner i kjøle-stripperen 17 under til-førselspunktet, skaffes til veie ved resirkulasjon til' bunnsek-- sjonene av kjøle-stripperen av en del,av det flytende produktet 23 via rør 19 gjennom metanolkjØleren:20. Metanoldamp og lette

gasser 21 føres til en raetankompressor 22 ved ca. -98°C og 27 atm., og den resulterende, komprimerte strøm føres derfra via rør 26 og føres Via rør 27 til raetankondensatoren 28. Utgangstrykket forrgtrø^; 26 er avhengig av egenskapene: til'kjølemediet . 73 som leveres til metankjøleren28, som i tilfelle av etan vil kjølemiddelet■ 73 vwre:40 atm;, som gir én 9*1^ temperaturforskjell metahkondensa-sjon ved -87°C og etanfprdampningen ved -95°C og 0,68 atm;

Den kondenserte metanstrømmeri 29 føres fUa metankjøleren, 28 til midtseksjonen av en kolonne for fjernel-se av lett gass 31 som fungerer som en stripper-absorbsjonsapparat for å fjerne; via topprøret 33, forbindelser, slik som helium og nitrogen- som er mer flyktige enn metan, og produkter av toppen er et verdifullt biprodukt på grunn av innholdet'av helium. Kolonne 31 har absorb-sjonsma3se-overføringstrinn■over tilførselspunktet og étrippé-masseoverføringstrinn under tiilførselspunktet. En liten mengde åv utløp frå metankompressorén.26 tilføres via rør 32vtil bunnen ,

av kolonnen 31 for fjernelse av lett gass,:dette utløpet tjener til

å strippe forbindelser som er mer flyktige enn metan fra flytende

tilførselsstrøm 29. En metanolrik strøm fra metanolkjØleren 20

innføres via rør 35 tilt oppen av kolonne 31 ved ca. -87°C (denne strømmen kan forkjøles "ytterligere, f.eks. ned til ca; -112°C, om nødvendig for lavere metankohsentrasjon i toppstrømmen 33). Metan og spor av mindre flyktige forbindelser absorberes i den metanol-^ike, flytende fasen i masseoverføringstrinnene over tilførsels-punktet av kolonnen 31 for fjerning/Sen lette gassen. Det fjernes

en tofase væskestrøm (som består av en mqtanrik lett fase og en metanolrik tung.fase) fra bunnen av kolonne 31 og føres via rør 18 til toppen av kjøle-stripperen 17 som angitt ovenfor. Kolonne 31 kjøreé hovedsakelig isotermisk ved kokepunkt for ren metan, fortrinnsvis cå. '39 atm. og -87°C

I tillegg til tilsetning av tofasestrømmen 23 fra kjøle-stripperen 17 til væske-væskeekstraksjonsapparatet 2£ tilsettes også to metanolløsningsstrømmer til den sistnevnte, nemlig strømman 34 og strømmen 36 fra forkjølerne 37 og 38.. Strømmen 34, som føres til en intermediært biandetrinn av ekstraksjonsåpparatet 24, er den direkte »irkulasjonsstrømmen som leveres via rørene 39, 40 fra bunnen av skilletanken 10. Skjønt strømmen 34 inneholder lave konsentrasjoner av forurensninger, vil den oppløse en vesentlig mengde av urenheter og gi en besparelse i driftskostnader, sammenlignet med utnyttelsen av renset metanol. Strømmen 3(3 er en renset metanolstrøm, som leveres ti'l topp-blandetrinnet av ekstraksjonsåpparatet 24; denne strømmen tjener til å ekstrahere resterende urenheter fra den flytende metanrike fasen som er i likevekt med konsentrasjonen av urenheter i strømmen 34.

Ekstraksjonsåpparatet 24 har et tilstrekkelig antall trinn, og det nøyaktige antall trinn er avhengig av likevekten fbr fordelingen av urenheter mellom de to flytende faser i ekstraksjonsåpparatet '(nemlig<fen relativt tunge, metanolrike fasen og den relativt lette, metanrike fasen). Området for driftsbetingelser for ekstraksjonsåpparatet 24 er hovedsakelig de såmne som for kjøleren-stripperen 17, og de foretrukne driftsbetingelser er en isotermisk temperaturprofil med trykk som er minst 1,4 kg/cm større enn i kjøle-stripperen for å hindre dannelsen av fast fase.

En renset, flytende metanrik fase "sweet" flytende naturgass-strøm trekkes ut som produkt via rør 41 fra toppen av ekstraksjonsåpparatet 24, og denne produktstrømmen overføres, passende til en lagringstank eller containere for skipning. Et tungt metanol-rikt ekstrakt tas ut via rør 42 fra bunnen av ekstraksjonsåpparatet 24 og føres til den sekundære forkjøleren 8 og déretter til skilletanken 13 (som fungerer som en damp-væskeskilleenhet), konsentra-sjonene av urenheter i ekstraktet er avhengig av de relative strømningshastigheter av ekstraksjonsmiddelet. i rørene 34, 36 og urenhetene i tilførselen 25. Molforholdet av metanol og urenheter vil være over ca. 4:1 for å hindre dannelsen åv en fast fase. Kon-

Ip. ■ ■ -

sentrasjonen av oppløst metan og høyere alkaner i ekstraktstrøm-men 42 vil være en funksjon av temperaturen og konsentrasjonen av.

forurensningene'. F.^ks. når konsentrasjonen ar karbondioksyd øker fra 5 molprosent til 10 molprosent ved -105°C, øker likévektskon-séntrasjonen av metan fra' 9,5 molprosent'til 20 molprosent. Når karbondioksydkonsentrasjonen økes ytterligere til 17 molprosent,

minskes likevektskonsentrasjonen av metan til ca. 16,5 molprosent (disse tall. er illustrert i fig. 2) .

Det er en fordel at det finnes-én regulert mengde av vann i.'sirkulerende metanol' for. å minske løseligheten av alkaner i . utløpsstrømmeh 42 fra ekstraksjonsåpparatet. F.eks. et mol vann for hver 4 moi metanol i løsningsmiddelfasen minsker metanløselig-heten til ca. 6,5 molprosent med 7,0 molprosent karbondioksyd og ca. 10 molprosent med 15,5 molprosent dioksyd (temperatur -105°C). Et mol Vann for hvert 4 mol metanol minsker metanløséligheten ca. 355? i det optimale område .for konsentrasjon av urenheter. Lavere rnetankonsentrasj on minsker driftskostnadene for resirkulasjon av metan fra den primære skilletank 13.

Eksfcraktstrømmen 42 ekspanderes ved hjelp av ekspansjonsventilen 43»og den ekspanderte strømmen føres via rør 9 tii bunnen av den sekundære forkjøleren 8 hvor den delvis fordampnin-gen fremmes ved indirekte varmeveksling. med den forkjølte strømmen 7. Den resulterende strømmen med høyere entalpi og lavere trykk føres via rør 12 til den primære skilletank 13. Temperaturen og trykket i strømmen 12 kan variere avhengig av de relative strøm-ningshastigheter og sammensetningen av strømmene 7 og 9»de foretrukne betin^Lser for den primære skilletank er ca. -51°C og 10,2 atm.

På grunn av en høyere relativ flyktighet vil en anriket metangass føres ut via rør 14 fra den primære skilletanken 13. Den totale énergitilsetningen til strømmen 9 reguleres for å skaffe tilvéie den nødvendige grad åv metanfordampning, som fortrinnsvis er ca. 80$ fordampning'av metan i strømmen 9. Relativ flyktighet av metan til karbondioksyd for flash-drift vil være ca. 12,0;

relativ flyktighet mellom metan og hydrogensulfid vil være ca.

50,0 (den relative flyktighet er forholdet av K-verdiene, K-verdien beregnes som molfrak3jon av en bestanddel i dampfasen dividert

med molfraksjonen av den samme bestanddel i væskefasen). Den metanolrike løsningsmiddélfasen (som inneholder størsteparten av

urenhetene) føres ut via rør .44 fra bunnen av den primære flas}^-tanken'13 og ekspanderes ved hjelp av ekspansjonsventilen 46,

den ekspanderte strømmen føres via rør 6 til den primære forkjøleren 4.

Den delvise fordampning av strømmen 6 og en økning i entalpi en i. ;r. skyldes indirekte, varme veks ling med prosess-strømmen 3-Den delvis fordampede strømmen føres via rør 5 til skilletank 10 (som fungerer sora en sekundær skilleenhet vis-å-vis skilletanken 13), temperaturen og fordampningsgraden av strømmen 5 er avhengig av sammensetningen, strømningshåstighetene og entalpien av strøm-mene 3 og 6. Den sekundære skilletanken 10 kjøres ved et tilstrekkelig høyt trykk og tilstrekkelig lav temperatur til å fordampe minst 50% av de flyktige urenheter som inneholdes i strømmen 5, de,ti foretrukne flaoh-betingelser. er -25°C ved 2 atm., og ved disse betingelser er løseligheten av karbondioksyd ca. 4 molprosent i en løsningsfase som inneholder 4 mol metanol pr., mol vann. Resterende metan og alkaner med lav molekylvekt vil også fordampe i den sekundære, skilletanken 10.

Strømmen fra tank 10, som er rik på.urenheter, fjernes via rør §7 og kan fjernes fra prosessen, innføres igjen i jorden via en "disposal well", leveres til et, gjenvinningsanlegg for'ss vove 1 eller, anvendes på annen måte. Væskestrømmen fra bunnen av dan sekundære skilletanken 10 som inneholder lave konsentrasjoner av karbondioksyd og hydrogensulfid, er imidlertid passende for direkte resirkulasjon til de følgende punkter i prosessen: via rør 15 . til kjøler-stripperen 17; vis rør 39, 2 tiltilførselsstrømmen,1; via rørene 39, 40 til væske-ekstraks.jon3apparatet 24; og via rørene 39> 48 til kolonnen for rensning av metanol 49.

Funksjonene til kolonne 49 kan oppsummeres som følger:

a. For å fjerne forurensninger via rørene 50, 51, som er ■ mere flyktige enn metanol..som et gassformet produkt fra en sek-sjon av réktifiserende masseoverrøringstrinn over tilførselspunk-tet; b. For å gjenvinne en resirkulert, metanolstrøm som-er fri for flyktige urenheter og hvor tunge urenheter er fjernet via sidestrømmen 52; c. For å fjerne urenheter som er mindre flyktige enn metanol 3om et flytende produkt som tas ut via rør 53 fra bunnen av kolonnen, og denne strømmen består hovedsakelig av vann som fjernes fra systemet. Kolonnen for rensning av metanol 49UtstyrB^eH; tilstrekkelig antall masseovérføringstrinn, antall trinn er avhengig av sammensetningen av tilførselen, pen øn^kédé. sammensetning åv produktstrømmene og damp-væskelilc/ektén. Kolonnen 49 kan kjøres ved trykk på ca. 1,7 atm., en temperatur ved bunnen på ca. 105°C og. en temperatur på topp-produktet.på ca. 44°C (som er ca. den laveste temperatur hvor tilfredsstillende .tilbakeløpsbéti^ig&lser kan opprettholdes ved anvendelse av vann-;, kjøletårn i de^parti-elle kjøleren 55)'. Høyere driftstrykk kan være ønsket /or å gjøre tåpet av metanol minst mulig i strømmen 51 (som inneholder hydrogensulfid, karbondioksyd pg resterende, lette hydrokarboner). Strømmen 51 kan blandes med strømmen 47 og fjernes via rør 65 som angitt'ovenfor. - Sidestrømmen av metariol-løaningsmiddel 52, som er fri for flyktige urenheter og hvor tunge urenheter er. fjernet,, kari resirku leres til de følgende prosesspunktérz til metanolkjøleren 20 via rør 58 for blanding med tilsatt metanol som tilsette.s via rør 59; og via rør 61.som ekstraksjonstilsétning til topp-trinnet av .væske-væske-ekstråksjonsapparat 24. Et kjølesystem av kaskadetypen er vist i fig*1, for kjøling av metankjøleren 28 og metanolkjøleren 37, 38. Systemet består av en etan-utjevningstank 66., propån-utjevningstank 67, etankjøler 68, propan-kjøler 69 og en etankompressbr 70 og propan-kompressor 71, disse kompressorer er drevet sammen med metankom-presspren 22 ved hjelp av en gassfyrt turbin evl. Kondensert etan føres fra etan-utjevningsbeholderen 66 via rørene- 72, 73 for å kjøle metankjøleren 28 og via rørene 72, .74, 75 for å kjøle metankjølerne 37, 38, kjøiemiddélet føres tilbake til utjevningsbeholderen fra kjøleren 28 via rør 76 og fra kjølerne 37 9 38 via rørene 77 »■ 78. .Etandamp fra utjevningstank 66 føres via rør 79 til etankompresso-rer? 70, komprimert etan føres via rør 80 til etankj øleren 68 og kondensert etan føres tilbake via rør 81 til utjevningsbeholderen.

Pur kjøling av etankjøleren 68 føres propankjølemiddel fra propanutjevningstank 67 via rør 82 til kjøleren 68 hvor den fordamper, propandamp føres via rørene 83, 84 til propankompressoren 71a komprimert propan føres via rør 86 til yannkjølt propankjøler 69 og kondensert propan føres tilbåke via rør 67 til propanutjevningstank 67, propandamp derfra føres via rørene 88, 84 til propankompressoren 71. Nødvendig etan og propan for dette kjølesystem kan oppnås om Ønsket ,ved fraksjonering av flytende gassprodukt 41. Det kah anven des andre kjølesystemer, slik som klorerte og fluorerte hydrokarboner.

Fagmannen vil forstå at det kan gjøres forskjellige modi-fikasjoner og forandringer ifølge foreliggende oppfinnelse. An-vendelsen /av en del av strømmen 18 i en eller flere strippetrinn ved bunnen av ekstraksjoncappratet 24 (for å minske konsentrasjonen av etan/6g hydrokarboner med høyere molekylvekt i strømmen 42) omfattes fleks, av foreliggende oppfinnelse.

Claims (1)

1. IV Fremgangsmåte for rensning av en naturgass-strøm som

   hovedsakelig be3tår av metan og små mengder av uønskede bestanddeler, slik som karbondioksyd, hydrogensulfid, vann, helium og

   hjt.rogen, hvor' gass-strømmen avkjøles og bringes i berøring med en flytende, inert,' polar organisk' forbindelse, slik som metanol eller vandig metanol, og kohdenserbaré, inerte, gassformige kompo-nenter fjernes fra den resulterende blandingen, karakte-r- i r. e r t ved atÉ den .resulterende blanding hvorfra de kondenser-

   baré komponenter'er f jernet., kohdénseres og den resulterende to--fase' væskeblanding' ekstraheres med en flytende, inert, polar, orga

   nisk forbindelse fer å atskille og gjenvinne renset, flytende naturgassprodukt.' 2... Fremgangsmåté som'angitt i krav 1, \karakterisertved at kondensasjons- og ekstraksjonstrinnene1utføres ved -79°C -112°C.' 3. Fremgangsmåte som angitt i hvilken som helst a<y>de foregående krav3karakterisert vedat den polare, organiske forbindelsen.som anvendes i ekstraksjonstrinnet,• er metanol. 4. Fremgangsmåte som angitt i hvilken som helst av de foregående krav, kår a k t .e ris e r t ved at .den polare, prganiske •forbindelse som.anvendes i ekstraksjonstrinnet, er-vandig metanol. 5. Fremgangsmåte som angitt i hvilken som helst av kravene 3 og 4,karakterisert vedat mengden av metanol som blandes

   med kondensasjonsproduktet i ekstraksjonstrinnet, er 0,01-1,0 molprosent av flytende metan. 6. Fremgangsmåte som angitt i hvilken, som helst av kravene 3, 4 og 5skarakterisert vedat de absorberte urenheter fjernes frå ekstraktet fra eks tråks jonstrinnet, og at resulterende gjenvunnet metanol føres tilbake til prosessen.