NO870349L - Fremgangsmaate for separering av hydrokarbongass-bestanddeler ved anvendelse av et fraksjoneringstaarn. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for separering av hydrokarbongassbestanddeler, så som metan, etan og propan i naturgass og nærmere bestemt en fremgangsmåte hvorved slik separasjon oppnås i en kontrollert omgivelse for å påvirke sammensetningen av produkt-strømmer basert på verdien av naturgassbestanddelene.

Separering av gassbestanddeler fra naturgass har funnet sted i relativt kort tid. I 1940-årene ble den første prototypen for en kryogen turbo-ekspansjonsinnretning for naturgass bygget, og i 1950-årene ble dette turboekspansjonsinnretningkonseptet anvendt på luftanlegg, hydrogenan-legg og heliumrenseanlegg. Imidlertid var det ikke før i 1960-årene at det første kommersielle turboekspansjonsanlegget for naturgass startet sin drift. Ettersom den kommersielle etterspørselen etter disse separerte

a.

gassen_ øket, kom mange slike anlegg i drift, hvert med bedre og forbedrede utførelse for separasjon av lettere elementer (metan, etan og propan) fra tyngre elementer (butan, pentan og deres iso-komponenter) som finnes i naturgass.

Det finnes mange patenter vedrørende disse forbedringene, noen av de mest relevante patentene er Gulsby's patenter (US 4.464.190 og 4.453.958), Horton (US 4.410.342 og 3.398.543) og Campbell, et al.

(4.278.457 og 4.171.964). Selv om hvert av disse patentene er forbedringer sammenlignet med de foregående patentene, er ingen av dem rettet mot det kommersielle behovet for tilnærmet 100% gasseparasjon og utvinning.

Det er et formål ved foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte for å oppnå kontrollert separasjon av bestanddelene i natur-gassråstoffstrømmen. Det er et annet formål ved oppfinnelsen å anvende en destillasjonskolonne og resirkulerte strømmer fra andre deler av anlegget for å påvirke den kjemiske likevekten i den øvre delen av tårnet for å oppnå utvinning av det økonomisk mest fordelaktige produktet. Et annet formål ved foreliggende oppfinnelse er å anvende et retur/konden-satrør med tilførsel til en avmetaniseringskolonne for på mer fordelaktig måte å endre den kjemiske likevekten i denne avmetaniseringskolonnen.

Ifølge foreliggende oppfinnelse separerer en avmetaniseringskolonne sammen med fordampere, kompressorer og turboekspansjonsinnretninger de tyngre flytende elementene i naturgassråstoffstrømmen fra den lettere metandampen. Dette tyngre flytende sluttproduktet finnes i bunnen av avmetaniseringskolonnen hvor det trer inn i et fraksjoneringstårn eller destillasjonskolonne. I fraksjoneringstårnet separeres de lettere etan- og propandampene fra de tyngre flytende butanene, pentanene og deres iso-komponenter. En liten del av det tyngre flytende sluttproduktet fra fraksjoneringstårnet, tilnærmet utelukkende butan, pentan, iso-butan og iso-pentan, resirkuleres som tilbakestrømning til toppen av avmetaniseringskolonnen. Denne ytterligere mengden tyngre væsker i avmetaniseringskolonnen endrer den kjemiske likevekten som eksisterer i dette øvre området av avmetaniseringsinnretningen hvor elementene hovedsakelig alle er lettere fordampede gasser. Denne tilbakestrømningstilsatsen og den resulterende endringen i likevekten forårsaker tilnårmet 100% gasseparasjon av metanen i avmetaniseringsinnretningen, slik at det tilveiebringes et rent avmetanisert sluttprodukt samtidig som det bare må ofres et lite volum av de tyngre væskene for å oppnå dette resultatet. Fig. 1 er en skjematisk illustrasjon av driften av avmetaniseringsinn retningen, fraksjoneringstårnet og retur-tilbakestrømningsrøret. Fig. 2 er en alternativ skjematisk illustrasjon hvor den avmetaniserte resirkulerte absorpsjonsstrømmen fra fraksjoneringstårnet innledningsvis avkjøles ved hjelp av en avkjølingsinnretning og deretter en varmeveksler. Fig. 3 er en ytterligere skjematisk illustrasjon som viser et av etaniseringsfraksjoneringstårn og et av propaniseringsfrak-sjoneringstårn. Fig. 4 er en skjematisk illustrasjon svarende til fig. 3, men hvori den resirkulerte avpropaniserte produktstrømmen innledningsvis avkjøles ved hjelp av en avkjølingsinnretning og deretter en varmeveksler. Under henvisning til fig. 1 trer naturgass inn i gasseparasjonsprosessen 10 gjennom innløpet 12 først å være dehydrert. Denne gassen i rør 14 oppdeles deretter i to separate strømmer, henholdsvis 16 og 18. Gasstrøm 16 avkjøles i varm gass/gassveksler 20 ved hjelp av kald restgass i rør 22. Gasstrøm 18 avkjøles i fordamper 24 og en nedre varmer 26 hvori- gjennom avmetanisert væske flyter via rør 28 og 30 fra avmetaniseringskolonnen 32.

Fra disse vekslerne rekombineres avkjølte gasstrømmer 16 og 18 og trer inn i gassavkjølingsinnretningen 34 hvor denne kombinerte strømmen avkjøles ytterligere ved hjelp av et kjølemiddel. Etter avkjølingsinn-retningen 34, separeres denne avkjølte strømmen igjen i to strømmer 36 og 38 for ytterligere avkjøling. Gasstrøm 36 avkjøles i kald gass/gass-veksler 40 ved hjelp av kald restgass direkte fra toppen av avmetaniseringskolonnen 32. Denne restgassen befinner seg generelt ved en temperatur på -95,5 °C. Som vist passerer denne kalde restgassen først gjennom kald gass/gassveksler 40 før den beveger seg gjennom varm gass/gassveksler 20 via rør 22. Gasstrøm 38 avkjøles i øvre varmeinn-retning 42 ved hjelp av avmetanisert væske som flyter gjennom rør 44 fra avmetaniseringskolonnen 32. Denne avmetaniseringsvæsken befinner seg generelt ved en temperatur på -87,2 "C. Kaldgasstrømmer 36 og 38 rekombineres deretter og trer inn i høytrykksseparatoren 46 hvor den avkjølte innløpsgassen separeres i gasstrøm 48 og væskestrøm 50. Gasstrøm 48, som ved dette tidspunktet består hovedsakelig av de lettere metanene, etanene og propanene, ekspanderes for å redusere trykket f.eks. ved hjelp av hovedekspansjonsinnretningen 52 eller over ekspansjonsventil 54. Denne ekspansjonen avkjøler gassen ytterligere før den tilføres til et øvre område av avmetaniseringskolonnen 32. Den konden-serte væskestrømmen 50 fra høytrykksseparatoren 46 ekspanderes også, derved reduseres dens trykk, f.eks. over ekspansjonsventil 56, før den trer inn i siden av avmetaniseringskolonnen 32. Ved dette tidspunktet består væskesstrøm 50 hovedsakelig av de tyngre butanene, pentanene og deres iso-komponenter.

Ettersom væske tilføres til avmetaniseringskolonnen 32, flyter den nedover under innvirkning av tyngdekraften. Under denne bevegelsen engasjeres væsken av stigende damper som spalter metanen fra denne væsken etter som den passerer gjennom tårnbunnene 58 i avmetaniseringskolonnen 32. Denne avspaltningsoperasjonen gir et avmetanisert sluttprodukt som fjernes fra bunnen av avmetaniseringskolonnen 32 via rør 60. De stigende metandampene genereres fra varmen som oppnås fra varmevekslerne 24, 26 og 42 via rør 28, 30 og 44.

En del av resten fra toppen av avmetaniseringskolonnen 32, hvor temperaturen er ca. -95,5° C, transporteres til kald gass/gassveksler 40 og varm gass/gassveksler 20. Denne kalde resten avkjøler de innkommende gasstrømmene 36 og 16. Fra disse varmevekslerne komprimeres den oppvarmede resten ved hjelp av kompressorsiden av hovedekspansjonsinnretningen 52 og deretter ved hjelp av turbo-rekompressoren 62 hvoretter den avkjøles og transporteres annet steds. Den gjenværende delen av den kalde resten fra toppen av avmetaniseringskolonnen 32 føres gjennom varmeveksler 64 som avkjøler den resirkulerte absorpsjonsstrømmen i tilførselsrør 66 som resirkuleres til toppen av avmetaniseringskolonnen 32.

Rør 60 som fører fra bunnen av avmetaniseringskolonnen 32 transporterer det avmetaniserte sluttproduktet fra kolonne 32 til varmeveksler 68 som oppvarmer dette produktet før det trer inn i fraksjoneringstårnet 70. Fraksjoneringstårn 70 virker som en destillasjonskolonne eller avetaniser-ingsinnretning og separerer den lettere etankomponenten i dette sluttproduktet fra de tyngre propanene, butanene, pentanene og deres iso-komponenter. Det øvre produktet fra fraksjoneringstårnet 70 trer ut gjennom rør 72 og dette røret inneholder i det vesentlige 100% av etanen. Nedre rør 76, forbundet med bunnen av fraksjoneringstårnet 70, transporterer det avetaniserte produktet fra fraksjoneringstårn 70 gjennom veksler 68 hvor dette avetaniserte sluttproduktet oppvarmer det innkommende avmetaniserte sluttproduktet i rør 60. Dette avetaniserte sluttproduktet fra fraksjoneringstårn 70 resirkuleres deretter til toppen av avmetaniseringskolonne 32 via rør 66. Tilsatsen av denne delen av det tyngre avetaniserte produktet til avmetaniseringskolonnen 32 endrer i betydeloig grad den kjemiske likevekten i toppen av kolonne 32. Dette forårsaker at den lettere fordampede etanen i toppen av denne kolonnen blir flytende og faller til bunnen av kolonnen 32, mens en liten mengde propan og tyngre bestanddeler fordampes slik at de når duggpunktet i strøm 74. Tilførselsrør 66 virker som et absorpsjonsmedium som øker utvinningen av etan på bekostning av en liten reduksjon i utvinningen av propan og tyngre komponenter.

Et annet arrangement for varmevekslingen av den resirkulerte absorp-sjonen i tilførselsrør 66 er vist i fig. 2. I dette tilfellet avkjøles det resirkulerte absorpsjonstilførselsrøret 66 først via varmeveksling i avkjølingsinnretning 80 og avkjøles deretter ytterligere i veksler 64 ved hjelp av en del av restgassen fra avmetaniseringskolonnen 32.

Fig. 3 viser en annen variasjon av denne prosessen som anvender en avpropanisert produktstrøm som absorpsjonsmedium for avmetaniseringskolonne 32. I dette tilfellet oppvarmes det avetaniserte bunnproduktet fra fraksjoneringstårn 70 som flyter gjennom rør 90 i varmeveksler 91 før det trer inn i avpropaniseringsinnretningen eller fraksjoneringstårnet 92. Fraksjoneringstårnet 92 separerer dette innkommende avetaniserte produkt i et topprodukt med hovedsakelig propan og som forlater fraksjoneringstårnet 92 via rør 94, og et bunnprodukt som består av butaner og de tyngre bestanddelene og som forlater fraksjoneringstårn 92 via rør 93. En del av dette tyngre avpropaniserte produktet i rør 93 overfører til rør 66 hvor det avkjøles i varmeveksler 64 ved hjelp av restgassene fra avmetaniseringsinnretning 32 før det trer inn i toppen av avmetaniseringsinnretningen 32. Dette alternativet forårsaker at den lettere fordampede etanen og propanen i toppen av kolonnen 32 blir flytende og faller til bunnen, samtidig som en liten mengde butan og tyngre bestanddeler fordampes slik at de når duggpunktet i strøm 74.

Et annet arrangement av resirkuleringsabsorpsjonsmediet er vist i fig. 4. I dette tilfellet avkjøles resirkuleringsabsorpsjonsstrømmen 66 først ved varmeveksling i avkjølingsinnretning 80 med et kjølemiddel, og avkjøles deretter ytterligere i varmeveksler 64 ved varmeveksling med en del av restgassen fra kolonne 32.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte for separasjon av bestanddelene av en gasstrøm, karakterisert ved at den innbefatter: (a) nedsetning av temperaturen av gasstrømmen: (b) tilførsel av gasstrømmen ved lavere temperatur til en høytrykks - separator, høytrykksseparatoren separerer gasstrømmen i hovedsakelig dampformige og hovedsakelige fluide strømmer; (c) nedsetning av trykket av nevnte hovedsakelige dampformige strøm; (d) tilførsel av nevnte dampstrøm ved lavere trykk til et øvre område av en avmetaniseringskolonne; (e) reduksjon av trykket av nevnte hovedsakelige fluide strøm; (f) tilførsel av den fluide strømmen ved lavere trykk til avmetaniseringskolonne ved en posisjon under nevnte dampstrøm; (g) fjernelse av kald dampformig restgass fra et øvre område av avmetaniseringskolonnen, damprestgassen innbefatter hovedsakelig metan og andre lette restdamper; (h) føring av nevnte damprestgass gjennom minst en varmeveksler for å heve temperaturen av damprestgassen; (i) kompresjon av damprestgassen for avlevering annet sted; (j) fjernelse av et kaldt avmetanisert produkt fra et nedre område av avmetaniseringskolonnen; (k) tilførsel av i det minste en del av det avmetaniserte produktet til et fraksjoneringstårn hvor fraksjoneringstårnet drives som en destillasjonskolonne;

(1) separering av nevnte avmetaniserte produkt i et øvre etanprodukt og et avetanisert bunnprodukt; (m) fjernelse av et generelt flytende avetanisert produkt fra et nedre område av fraksjoneringstårnet; (n) uttakning av en del av nevnte avetaniserte produkt; (o) reduksjon av temperaturen av nevnte avtappede produkt; og (p) tilførsel av nevnte avetaniserte produkt ved lavere temperatur til toppen av avmetaniseringskolonnen hvorved tilsatsen av nevnte produkt endrer den kjemiske likevekten som eksisterer i toppen av avmetaniseringskolonnen, derved økes utvinningen av etanbestanddeler på bekostning av en liten reduksjon i utvinningen av propan og tyngre bestanddeler.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at temperaturen av gasstrømmen nedsettes ved å separere strømmen i minst to strømmer og avkjøle strømmene i gassvarmevekslere.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at minst en av nevnte gassvarmevekslere benytter kald damprestgass som et kjølemiddel og en annen varmeveksler benytter det kalde avmetaniserte produktet som et kjølemiddel.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at trykket av den hovedsakelige dampformige strømmen nedsettes ved hjelp av ekspansjonsinnretninger.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at ekspansjonsinnretningen innbefatter en hovedekspansjonsinnretning.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at ekspansjonsinnretningen innbefatter en innkoblet ekspansjonsventil.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at trykket av den hovedsakelige fluide strømmen reduseres over en innkoblet ekspansjonsventil.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at damprestgassen komprimeres på kompressorsiden av en ekspansjonsinn-retning.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at temperaturen av det fjernede avmetaniserte produktet økes i en varmeveksler ved anvendelse av nevnte avetaniserte produkt som et varme-vekslermedium .

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at den videre innbefatter trinnet med tilføring av minst en del av nevnte avetaniserte bunnprodukt til et andre fraksjoneringstårn hvori det andre fraksjoneringstårnet separerer det avetaniserte produktet i et propan-toppfraksjonsprodukt og et avpropanisert bunnprodukt.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at det avpropaniserte bunnproduktet . fra nevnte andre fraksjoneringstårn kryssutvikles med nevnte avetaniserte bunnproduktråstoff til det andre fraksjoneringstårnet.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at en del av nevnte avpropaniserte bunnprodukt avkjøles og tilføres til toppen av avmetaniseringskolonnen hvor tilsatsen av produktet øker utvinningen av etan- og propan-bestanddeler i avmetaniseringsinnretningen.