УСТРОЙСТВО И СИСТЕМА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ЦИКЛИЧЕСКОЙ АДСОРБЦИИ
APPARATUS AND SYSTEM FOR CARRYING OUT CYCLIC ADSORPTION PROCESSES

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет Предварительной заявки на патент США № 62/343424, поданной 31 мая 2016 г., озаглавленной «Устройство и система для осуществления процессов циклической адсорбции», во всей полноте включаемой в настоящий документ путем ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Настоящие технологии относятся к способу и системе, связанным с процессами циклической адсорбции, применяемыми для кондиционирования потоков перед последующей обработкой. В частности, способ и система включают пусковой режим для процессов циклической адсорбции, который затем используется для пуска последующих процессов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] Разделение газов применяется во многих отраслях промышленности и, как правило, может быть выполнено путем пропускания смеси газов над адсорбентом, который предпочтительно адсорбирует один или несколько компонентов газа и не адсорбирует один или несколько других компонентов газа. Не адсорбированные компоненты отводят как отделенный продукт.
[0004] Одним конкретным типом технологии разделения газов является циклическая адсорбция, например, помимо прочего, адсорбция со сдвигом температуры (temperature swing adsorption - TSA), адсорбция со сдвигом давления (pressure swing adsorption - PSA), адсорбция с частичным сдвигом давления (partial pressure swing adsorption - РPSA), короткоцикловая адсорбция со сдвигом температуры (rapid cycle temperature swing adsorption - RCТSA), короткоцикловая адсорбция со сдвигом давления (rapid cycle pressure swing adsorption - RCPSA), короткоцикловая адсорбция с частичным сдвигом давления (rapid cycle partial pressure swing adsorption - RCPPSA), а также сочетания вышеупомянутых процессов, например, адсорбция со сдвигом давления и температуры. Например, способ PSA основан на том, что газы легче адсорбируются в поровой структуре или в свободном объеме адсорбента, когда газы находятся под давлением. То есть, чем выше давление газа, тем больше количество легко адсорбируемого газа адсорбируется. Когда давление уменьшают, адсорбированный компонент высвобождается, или десорбируется, из адсорбента.
[0005] Способы циклической адсорбции (например, PSA и/или TSA) могут использоваться для отделения газов от газовой смеси благодаря тому, что газы имеют тенденцию к заполнению микропор адсорбента в разной степени. Например, если газовую смесь, такую как природный газ, пропускают под давлением через резервуар с адсорбентом, который более селективен в отношении диоксида углерода, чем в отношении метана, по меньшей мере, часть диоксида углерода селективно адсорбируется адсорбентом, поэтому газ, выходящий из резервуара, обогащен метаном. Когда адсорбент исчерпывает возможность адсорбировать диоксид углерода, его регенерируют путем уменьшения давления, тем самым, высвобождая адсорбированный диоксид углерода. Затем адсорбент, обычно, продувают, и восстанавливают давление. После этого адсорбент готов для следующего цикла адсорбции.
[0006] Способы циклической адсорбции, обычно, включают использование модулей со слоями адсорбента, представляющих собой слои адсорбента, расположенные в корпусе, способном удерживать текучие среды с разным давлением на различных стадиях цикла внутри модуля. В таких модулях со слоями адсорбента в структуре слоя используется различный насадочный материал. Например, в модулях со слоями адсорбента используется насадочный кирпич, слой галечника или другая имеющаяся в распоряжении насадка. В качестве усовершенствования, в некоторых модулях со слоями адсорбента в структуре слоя может использоваться специализированная насадка. Специализированная насадка может включать материал со специальной конфигурацией, такой как сотовая структура, керамические формы и т.п.
[0007] Кроме этого, различные модули со слоями адсорбента могут быть соединены друг с другом трубопроводами и клапанами с целью управления потоками текучих сред в ходе осуществления цикла. Организация этих модулей со слоями адсорбента включает координацию циклов для каждого из модулей со слоями адсорбента с остальными модулями со слоями адсорбента в системе. Полный цикл может длиться от нескольких секунд до нескольких минут и включать в себя перемещение множества газообразных потоков через один или несколько модулей со слоями адсорбента.
2
2
2
[0008] Понятно, что удаление примесей может быть сопряжено с процессами, осуществляемыми в разных режимах, как то пусковой режим и нормальный рабочий режим. Пусковой режим может быть использован для подготовки оборудования (например, слоя адсорбента и различных потоков) к нормальному рабочему режиму. Нормальный рабочий режим может быть использован, когда в процесс подаются различные потоки, такие как исходный газообразный поток, из исходного газообразного потока удаляются примеси, и образуется поток продукта, что может быть названо устойчивым состоянием. Например, обычные процессы в нормальном рабочем режиме могут использоваться для обработки содержащих углеводороды потоков, включающих воду (НО) или диоксид углерода (СО), с целью подготовки потока к последующей обработке, например, извлечению газоконденсатных жидкостей (natural gas liquid - NGL) или получению сжиженного природного газа (СПГ). Нормальный рабочий режим может отличаться для каждого из соответствующих процессов последующей обработки в зависимости от требований, предъявляемых к нормальному рабочему режиму. Например, в соответствии с типичными требованиям, предъявляемым к СПГ, содержание СО должно быть менее 50 мольных частей на миллион (ppm).
[0009] В пусковом режиме цикл может отличаться от используемого в нормальном рабочем режиме. В обычных системах в качестве пускового режима может использоваться единственная стадия нагревания до высокой температуры с целью удалению любых примесей для регенерации адсорбента. Например, пусковой режим для модуля с молекулярным ситом может включать нагревание слоя до температуры более 550°F (288°С).
[0010] К сожалению, обычным пусковым режимам свойственны определенные недостатки. Например, пусковой режим может включать только нагревание адсорбента до высокой температуры. В соответствии с традиционными подходами, для нагревания адсорбента до высокой температуры обычно используют специализированные высокотемпературные пусковые нагреватели. Эти нагреватели являются дорогостоящими, требуют больших капитальных затрат и эксплуатационных расходов. Кроме того, эти нагреватели увеличивают вес и площадь, занимаемую установкой. К тому же, длительность цикла обычно больше, чем нужно для удаления примесей, гарантирующего достаточно времени для приведения в действие расположенного ниже по потоку оборудования. Кроме того, из-за нагревания адсорбента может сокращаться срок службы адсорбента и снижаться его эффективность.
[0011] Таким образом, в промышленности остается потребность в устройствах, способах и системах, обеспечивающих усовершенствование пусковых режимов, связанных с процессами извлечения углеводородов. В частности, существует потребность в усовершенствовании пусковых режимов для процессов короткоцикловой адсорбции.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] В одном из вариантов своего осуществления настоящая технология включает способ удаления примесей из исходного газообразного потока путем циклической адсорбции. Этот способ включает подачу исходного газообразного потока в процесс циклический адсорбции, проводимый во множестве модулей со слоями адсорбента, где в каждом из модулей со слоями адсорбента осуществляют цикл адсорбции, включающий стадию адсорбции и стадию регенерации; при этом, цикл адсорбции включает: осуществление стадии адсорбции на первом слое адсорбента в первом модуле со слоями адсорбента из множества модулей со слоями адсорбента, которая включает пропускание исходного газообразного потока через первый модуль со слоями адсорбента с первым слоем адсорбента с целью отделения одной или нескольких примесей от исходного газообразного потока с получением первого потока продукта; и осуществление стадии регенерации на втором слое адсорбента во втором модуле со слоями адсорбента из множества модулей со слоями адсорбента, которая включает пропускание, по меньшей мере, части первого потока продукта через второй модуль со слоями адсорбента со вторым слоем адсорбента с целью отделения одной или нескольких примесей от второго слоя адсорбента с получением первого потока продукта продувки.
[0013] Кроме того, в другом варианте своего осуществления настоящая технология включает способ удаления примесей из исходного газообразного потока путем циклической адсорбции. Этот способ включает: подачу исходного газообразного потока в процесс циклический адсорбции, проводимый во множестве модулей со слоями адсорбента, где в каждом из модулей со слоями адсорбента осуществляют цикл адсорбции, включающий стадию адсорбции и стадию регенерации; при этом, цикл адсорбции включает: осуществление стадии адсорбции в одном из множества модулей со слоями адсорбента, которая включает пропускание части исходного газообразного потока через один из множества модулей со слоями адсорбента с целью удаления одной или нескольких примесей из исходного газообразного потока и отведения потока продукта; и осуществление стадии регенерации в одном из множества модулей со слоями адсорбента, которая включает пропускание, по меньшей мере, части потока продукта из другого одного из множества модулей со слоями адсорбента через один из множества модулей со слоями адсорбента с целью удаления одной или нескольких примесей из одного из множества модулей со слоями адсорбента и отведения потока продукта продувки.
[0014] В другом варианте осуществления изобретение относится к системе циклической адсорбции. Система включает: множество трубопроводов, при этом, множество трубопроводов включает подводящий трубопровод, предназначенный для подачи исходного потока во множество модулей со слоями адсорбента на стадии адсорбции, трубопровод продукта, предназначенный для отведения потока продукта из множества модулей со слоями адсорбента на стадии адсорбции, продувочный трубопровод, предназначенный для подачи продувочного потока во множество модулей со слоями адсорбента на стадии регенерации, трубопровод продукта продувки, предназначенный для отведения потока продукта продувки из множества модулей со слоями адсорбента на стадии регенерации, и каждый трубопровод из множества трубопроводов относится к одной стадии циклической адсорбции из множества стадий циклической адсорбции; множество модулей со слоями адсорбента, соединенных со множеством трубопроводов, при этом, каждый из модулей со слоями адсорбента включает: корпус; адсорбент, расположенный внутри корпуса; множество клапанов, при этом, по меньшей мере, один из множества клапанов связан с одним из множества трубопроводов и предназначен для направления потока текучей среды по траектории потока, проходящей между соответствующим трубопроводом и адсорбентом; байпасный клапан пускового режима, соединенный жидкостной связью с продувочным трубопроводом и трубопроводом продукта и предназначенный для создания канала между трубопроводом продукта и продувочным трубопроводом в положении пускового режима и предназначенный для блокировки канала между трубопроводом продукта и продувочным трубопроводом в положении нормального рабочего режима.
[0015] В определенных вариантах осуществления изобретения способ и система могут включать некоторые дополнительные видоизменения. Способ может включать: определение того, соответствует ли первый поток продукта требованиям в отношении содержания примеси; если первый поток продукта соответствует требованиям, подачу, по меньшей мере, части первого потока продукта в последующий процесс; если первый поток продукта не соответствует требованиям, осуществление стадии регенерации в первом модуле со слоями адсорбента, которая включает пропускание части второго потока продукта через первый модуль со слоями адсорбента с целью удаления одной или нескольких примесей из первого слоя адсорбента с получением второго потока продукта продувки, при этом, второй поток продукта поступает из другого из множества модулей со слоями адсорбента; и повторение стадии адсорбции в первом модуле со слоями адсорбента. Кроме того, способ может включать смешивание небольшой части, отводимой от потока (например, головного потока), поступающего из последующего процесса, по меньшей мере, с частью первого потока продукта перед осуществлением стадии регенерации второго слоя; и/или регулирование величины, по меньшей мере, части первого потока продукта, используемой на стадии регенерации второго слоя, на основании величины небольшой части, отводимой от потока последующего процесса.
[0016] В других вариантах осуществления изобретения способ и система могут включать дополнительные отличительные особенности. Множество клапанов может включать один или несколько тарельчатых клапанов; множество трубопроводов и/или множество модулей со слоями адсорбента могут быть рассчитаны на работу при давлении от 0,1 бар абс. до 100 бар абс.; и/или множество трубопроводов могут дополнительно включать трубопровод сброса давления, предназначенный для отведения потока сброса давления из множества модулей со слоями адсорбента на стадии сброса давления. Система циклической адсорбции может дополнительно включать нагревательный модуль, расположенный по потоку выше продувочного трубопровода и ниже трубопровода продукта, при этом, нагревательный модуль может быть предназначен для нагревания потока продукта до температуры, лежащей в диапазоне от 450°F (232°С) до температуры исходного газообразного потока; отделительный модуль, расположенный по потоку выше продувочного трубопровода и ниже нагревательного модуля, при этом, отделительный модуль может быть предназначен для уменьшения давления потока продукта до давления в диапазоне от 0,1 бар абс. до 100 бар абс., которое меньше давления потока продукта, или который может снижать давление, по меньшей мере, на 10%, по меньшей мере, на 20% или по меньшей мере, на 30% относительно давления потока продукта, отводимого с первого слоя адсорбента; модуль кондиционирования, расположенный по потоку ниже трубопровода продукта продувки и выше подводящего трубопровода, при этом, модуль кондиционирования может предназначаться для удаления одной или нескольких примесей из потока продукта продувки; установку по производству СПГ, соединенную жидкостной связью с модулем со слоями адсорбента, которая может предназначаться для приема потока продукта и разделения потока продукта на поток готового продукта и поток горючего материала, при этом, поток горючего материала направляют в продувочный трубопровод; и/или установку криогенного извлечения NGL, соединенную жидкостной связью с модулем со слоями адсорбента и предназначенную для приема потока продукта и разделения потока продукта на поток готового продукта и поток остаточного газа, при этом, поток остаточного газа направляют в продувочный трубопровод.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0017] Изложенные выше и другие преимущества настоящего изобретения могут стать очевидны по рассмотрении нижеследующего подробного описания и чертежей не имеющих ограничительного характера примеров осуществления изобретения.
[0018] Фиг. 1 представляет собой трехмерное изображение системы циклической адсорбции с шестью модулями со слоями адсорбента и соединительными трубопроводами в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящих технологий.
[0019] Фиг. 2 представляет собой схему части модуля со слоями адсорбента и соответствующих клапанных узлов и трубопроводов в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящих технологий.
[0020] Фиг. 3 представляет собой примерную технологическую схему осуществления разомкнутого пускового режима процесса циклической адсорбции в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящих технологий.
[0021] Фиг. 4 представляет собой примерную технологическую схему осуществления замкнутого пускового режима процесса циклической адсорбции в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящих технологий.
[0022] Фиг. 5 представляет собой примерную схему стадии пускового режима в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящих технологий.
[0023] Фиг. 6А и 6В представляют собой примерные схемы, связанные с другой стадией пускового режима в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящих технологий.
[0024] Фиг. 7 представляет собой примерную схему, связанную с еще одной стадией пускового режима в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящих технологий.
[0025] Фиг. 8 представляет собой примерную схему, связанную со стадией замкнутого пускового режима в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящих технологий.
[0026] Фиг. 9А и 9В представляют собой примерные схемы, связанные со стадией замкнутого пускового режима в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящих технологий.
[0027] Фиг. 10 представляет собой примерную схему, связанную с другой стадией пускового режима в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящих технологий.
[0028] Фиг. 11 представляет собой примерную схему, связанную с еще одной стадией пускового режима в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящих технологий.
[0029] Фиг. 12 представляет собой примерную схему, связанную с нормальным рабочим режимом.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0030] Если не указано иное, все технические и научные термины в настоящем документе имеют обычное значение, понятное специалистам в области, к которой принадлежит настоящее изобретение. Показатели единственного числа «а», «an» и «the» (в тексте на английском языке) включают множественное число обозначаемых элементов, если контекст явно не указывает на иное. Точно так же, слово «или» подразумевает включение значение «и», если контекст явно не указывает на иное. Точно так же, слово «или» охватывает значение «и», если контекст явно не указывает на иное. Термин «включает» означает «содержит». Все патенты и публикации, упоминаемые в документе, включаются в него во всей полноте путем ссылки, если не указано иное. В случае противоречия значений термина или фразы, настоящее описание, включая пояснение терминов, преобладает. Термины, обозначающие направление, такие как «верхний», «нижний», «верх», «низ», «передний», «задний», «вертикальный» и «горизонтальный», использованы для описания и пояснения взаимоотношений между различными элементами. Следует понимать, что такие термины не означают абсолютной ориентации (например, «вертикальный» компонент может стать горизонтальным при повороте устройства). Материалы, способы и примеры, приведенные в настоящем документе, имеют иллюстративный, а не ограничительный характер.
[0031] В настоящем контексте «поток» относится к текучей среде (например, твердой, жидкой и/или газообразной), проводимой через различное оборудование. Оборудование может включать трубопроводы, резервуары, разветвленные трубопроводы, модули или другие надлежащие устройства.
[0032] В настоящем контексте «трубопровод» означает трубчатый элемент, образующий канал, по которому что-либо передается. Трубопровод может включать один или несколько элементов из следующих: труба, разветвленный трубопровод, трубка и т.д.
2
2
2
[0033] Обеспечиваемые изобретением способы, устройства и системы могут быть использованы в процессах циклической адсорбции, направленных на удаление примесей (СО, НО и НS) из исходных потоков, таких как потоки, содержащие углеводороды. Как указано выше и может быть принято во внимание, исходные потоки, содержащие углеводороды, могут иметь разный состав. Например, исходный газообразный поток может представляет собой содержащий углеводороды поток, в котором углеводороды составляют более одного объемного процента относительно общего объема исходного потока. В другом примере углеводородные исходные потоки содержат кислый газ, количество которого варьируется в широких пределах, например, от нескольких частей на миллион кислого газа до 90 объемных процентов (% об.) кислого газа. Не имеющими ограничительного характера примерами концентраций кислого газа в примерных газовых месторождениях являются, приблизительно, следующие концентрации:
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
(a) 4 частей на миллион HS, 2% об. CO, 100 частей на миллион HO; (b) 4 частей на миллион HS, 0,5% об. CO, 200 частей на миллион HO; (c) 1% об. HS, 2% об. CO, 150 частей на миллион HO; (d) 4 частей на миллион HS, 2% об. CO, 500 частей на миллион HO (e) 1% об. HS, 5% об. CO, 500 частей на миллион HO. Кроме того, в определенных вариантах применения содержащий углеводороды поток может включать, преимущественно, углеводороды и некоторое количество СО и/или воды. Например, содержащий углеводороды поток может содержать более 0,00005% об. СО относительно общего объема исходного газообразного потока и менее 2% об. СО относительно общего объема исходного газообразного потока; или менее 10% об. СО относительно общего объема исходного газообразного потока. Обработка исходных потоков может быть более сложной, если нужно достичь соответствия определенным требованиям.
2
2
2
2
[0034] Удаление примесей может быть выполнено способами циклической адсорбции в нормальном режиме работы с целью подготовки потока к последующей обработке, такой как извлечение NGL и/или получение СПГ. Например, к исходным потокам природного газа, подлежащим сжижению, предъявляются жесткие требования в отношении содержания СО, чтобы исключить образование твердого СО при криогенных температурах. Для производства СПГ может требоваться содержание СО, меньшее и равное 50 частей на миллион. Эти требования не предъявляются к потокам пригодного газа, подлежащего транспортировке по трубопроводным сетям, и они могут содержать до 2% об. СО относительно общего объема исходного газообразного потока. Как таковые, установки по производству СПГ, на которых в качестве сырья используется трубопроводный газ (например, природный газ), включают дополнительные стадии обработки, направленные на дополнительную очистку потока. Кроме того, настоящие технологии могут быть использованы для снижения содержания в потоке воды до менее, чем 0,1 части на миллион. Примерами способов и конфигураций циклической адсорбции могут служить описанные в патентах США № 62/213262, 62/213267, 62/213270, 62/213273, 62/246916, 62/246920 и 62/246922, каждый из которых включается в настоящий документ путем ссылки.
2
2
2
2
[0035] Настоящими технологиями обеспечиваются конфигурации и способы, используемые для усовершенствования пускового режима процесса циклической адсорбции и соответствующих процессов ниже по потоку. Хотя при описании нормального рабочего режима процессов основываются на устойчивом состоянии, регламент пускового режима включает различные циклы, осуществляемые до начала нормального режима работы. В соответствии с настоящими технологиями описываются различные способы, которые могут быть использованы для перехода от пускового режима к нормальному режиму работы. Предполагается, что в пусковом режиме каждый из слоев адсорбента, используемых в процессе циклической адсорбции, находится в равновесии с примесями. В вариантах применения для обезвоживания примесью является вода (НО), тогда как в вариантах применения для удаления диоксида углерода (СО), примесью является либо вода (например, в состоянии равновесия с атмосферой), либо СО (например, в случае завершения работы). Таким образом, пусковой режим используют для удаления примесей с целью подготовки слоев адсорбента для нормального режима работы. В частности, последовательность операций пускового режима может быть использована для процессов циклической адсорбции (например, обезвоживания и удаления СО до низкой концентрации) по потоку выше или в сочетании с процессами извлечения NGL и производства СПГ.
[0036] Первый способ осуществления пускового режима может включать использование внешней среды для удаления из слоев адсорбента одной или нескольких примесей. В таком разомкнутом пусковом режиме внешнюю среду используют для удаления из слоев адсорбента одной или нескольких примесей. Внешняя среда может включать использование потока газа извне, который пропускают через слои адсорбента для удаления из слоев адсорбента одной или нескольких примесей на стадии регенерации (например, стадии продувки). Поток газа извне может содержать азот, сухой метан или другой нереакционноспособный при рабочих условиях процесса газ. Например, поток газа извне может содержать, преимущественно, азот или метан и менее 0,1 части на миллион воды, менее 1 части на миллион воды или менее 10 частей на миллион воды.
[0037] Например, в вариантах применения для обезвоживания поток газа извне, такого как сухой азот (например, поток азота, содержащий менее 0,1 части на миллион воды, менее 1 части на миллион воды или менее 10 частей на миллион воды) может быть использован для удаления воды из слоев адсорбента в пусковом режиме. Когда поток сухого азота подают в каждый из слоев адсорбента, находящихся в равновесии с влажностью окружающей среды, некоторое количество воды переходит из адсорбента, образующего слой адсорбента, в поток сухого азота. Последовательность операций пускового режима может включать подачу исходного потока на слой адсорбента на стадии адсорбции и использование подаваемого извне потока для продувки слоя адсорбента на стадии продувки. Цикл пускового режима может включать продолжение использования сухого азота до тех пор, пока из каждого слоя адсорбента не будет удалено достаточное количество воды и не будет достигнут заданный профиль слоя. Тогда отводимый со слоев адсорбента поток продукта соответствует заданным параметрам (например, не превышение концентрации конкретных примесей в потоке продукта). Кроме того, пусковой режим может включать продолжение стадии продувки сухим азотом до достижения достаточного влагосодержания, после чего начинают осуществлять последовательность операций, описанную выше. В такой конфигурации поток продукта может соответствовать требованиям, начиная с первого цикла.
[0038] Когда поток продукта уже соответствует заданным требованиям, этот поток продукта может использоваться для запуска последующих процессов, таких как процессы в метаноотгонной колонне или линии сжижения природного газа. Когда последующие процессы и установки находятся в пусковом режиме, слои адсорбента продолжают регенерировать с использованием потока газа извне, такого как поток сухого азота. В качестве альтернативы, нагретую небольшую часть, отводимую со стороны продукта, также можно использовать для регенерации отработавших слоев адсорбента. Когда в последующем процессе образуется продувочный поток, этот продувочный поток может быть соединен с потоком газа извне, и количество подаваемого на стадии продувки газа извне может быть соответствующим образом изменено. Когда последующие процессы достигли нормального рабочего режима, заданный продувочный поток (например, соответствующий заданным требованиям), такой как поток остаточного газа или поток топливного газа, подают в слой адсорбента в рамках нормального режима работы. С этого момента поток регенерации слоя адсорбента заменяют с азота на продувочный поток, поступающий из последующего процесса.
[0039] Для облегчения быстрой регенерации и сведения к минимуму количества сухого азота, используемого при разомкнутом пусковом режиме, рабочие условия могут быть выбраны так, чтобы управлять удалением примесей из слоя адсорбента. Например, расход исходного газообразного потока может быть выбран из диапазона меньших величин, чем расход в нормальном режиме работы (например, расход при снижении производительности). Например, расход в пусковом режиме может составлять около 25% расхода при нормальном режиме работы, около 50% расхода при нормальном режиме работы, около 75% расхода при нормальном режиме работы, в диапазоне от 25% до 90% расхода при нормальном режиме работы, в диапазоне от 50% до 90% расхода при нормальном режиме работы и в диапазоне от 75% до 90% расхода при нормальном режиме работы. Кроме того, регенерация слоя адсорбента может быть проведена в диапазоне давления вблизи атмосферного давления (например, в диапазоне давления от атмосферного давления до 50 фунтов на кв.дюйм изб. (psi) (345 кПа) выше атмосферного давления) или в диапазоне давления вблизи давления нормального режима работы (например, в диапазоне давления от 75% давления нормального режима работы до 125% давления нормального режима работы или от атмосферного давления до давления нормального режима работы или при давлении, близком к давлению исходного потока). Например, регенерация слоя адсорбента может быть проведена при давлении, лежащем в диапазоне от 300 psi до 650 psi (2,1 МПа - 4,5 МПа). Кроме этого, температура потока внешней среды может соответствовать некоторому диапазону температуры (например, диапазону температуры от температуры на 20°С выше атмосферной температуры до температуры на 150°С выше атмосферной температуры). Кроме того, температура потока газа извне может лежать в диапазоне от 350°F до 550°F (177-288°С), в диапазоне от 450°F до 550°F (232-288°С), в диапазоне от 100°F до 550°F (38-288°С), в диапазоне от 150°F до 450°F (66-232°С) или в диапазоне от 250°F до 350°F (121-177°С).
[0040] Во втором способе осуществления пускового режима пусковой цикл может включать стадию адсорбции и стадию регенерации (например, стадию продувки). В этой последовательности операций замкнутого пускового режима, по меньшей мере, часть потока продукта первого слоя адсорбента может быть подана во второй слой адсорбента в качестве продувочного потока с целью поступательной очистки слоев адсорбента (например, снижения концентрации примесей в слоях адсорбента). К этому потоку может быть подведено тепло для повышения температуры и получения потока, менее насыщенного примесями, чем исходный поток. Поскольку на слоях адсорбента в процессе циклической адсорбции могут осуществляться разные стадии соответствующих циклов, по меньшей мере, часть потока продукта одного слоя адсорбента, находящегося в стадии адсорбции, может быть использована в качестве продувочного потока для слоя адсорбента, находящегося в стадии продувки. Получаемый поток продукта продувки может быть сожжен в факеле, рециркулирован и смешан с исходным потоком после улавливания примеси (например, улавливания воды) и/или использован в качестве топлива. Способ осуществления замкнутого пускового режима может включать постепенное снижение концентрации примесей в слоях адсорбента до уровня, удовлетворяющего заранее заданным требованиям, предъявляемым к слоям адсорбента. По меньшей мере, часть первого потока продукта составляет более 5% потока продукта, более 50% потока продукта или более 75% потока продукта.
[0041] Например, способ осуществления замкнутого пускового режима может быть использован для удаления воды из двух или более слоев адсорбента в процессе циклической адсорбции. Вначале слои адсорбента могут быть насыщены водой при рабочих условиях. Затем поток влажного газа может быть пропущен через первый слой адсорбента, в результате чего вода может быть удалена из потока влажного газа. В этом первом цикле поток влажного газа может не претерпевать обезвоживания или может претерпевать минимальное обезвоживание, так как слой адсорбента насыщен и не адсорбирует какое-либо дополнительное количество влаги из этого потока. Затем, полученный поток продукта, который представляет собой поток частично обезвоженного газа, может быть нагрет до высокой температуры при помощи пускового нагревателя. Температура может лежать в диапазоне от 100°F до 550°F (38-288°С), в диапазоне от 150°F до 450°F (66-232°С) или в диапазоне от 250°F до 350°F (121-177°С). Пусковой нагреватель может включать печь, теплообменник или другое надлежащее нагревательное устройство. Затем, давление нагретого потока может быть снижено с получением продувочного потока с более низким давлением и более высокой температурой, чем поток частично обезвоженного газа. Этот продувочный поток используют для продувки второго или другого слоя адсорбента с целью удаления части воды из этого слоя адсорбента. В ходе этого второго цикла слой адсорбента адсорбирует некоторое количество воды с образованием более сухого потока продукта. Воду, удаленную из потока, продувают на последующей стадии продувки, так как в этом случае возможность удаления влаги больше, чем в предыдущем цикле (например, продувочный газ суше, чем прежде). Этот цикл продолжают проводить в течение некоторого времени, после чего на прошедший продувку слой адсорбента подают исходный поток, и цикл повторяют. В ходе замкнутого пускового режима поступательно продувают каждый из слоев адсорбента и уменьшают количество воды в соответствующих слоях адсорбента. В каждом последующем цикле содержание воды в частично обезвоженном газе уменьшается, и в конце концов, поток продукта соответствующего слоя адсорбента приходит в соответствие с требованиями.
[0042] В вариантах применения для обезвоживания последовательность операций пускового цикла может быть спланирована с расчетом на уменьшение количества сжигаемого в факеле газа или полное исключение сжигания газа в факеле. Последовательность операций замкнутого режима может быть использована при снижении производительности. Давление продувки выбирают так, чтобы продукт продувки имел давление всасывания компрессора остаточного газа. Затем в компрессоре остаточного газа осуществляют сжатие продукта продувки и соединение с исходным потоком по потоку либо выше, либо ниже модуля обезвоживания триэтиленгликолем (TEG). Для удаления избытка воды, накопившегося на стадии продувки, может потребоваться барабанный сепаратор.
[0043] В качестве конкретного примера, способ осуществления замкнутого пускового режима может быть использован на установке криогенного извлечения NGL. Способ осуществления замкнутого пускового режима может включать подачу в модули с адсорбентом влажного газа при снижении производительности. Затем способ осуществления замкнутого пускового режима используют для очистки слоев адсорбента. Этот процесс продолжают до тех пор, пока поток продукта не будет соответствовать заданным требованиям и не будет достигнут заданный профиль содержания воды в слое адсорбента. Затем, расход газа, подаваемого в слой адсорбента в следующих циклах, увеличивают. Затем, небольшую часть, отводимую от потока сухого продукта, подают в установку криогенного извлечения NGL. Оставшийся газообразный продукт используют в качестве продувочного потока. По мере необходимости, температура продувочного потока на входе может быть отрегулирована в соответствии с требованиями к удалению воды путем продувки слоев адсорбента. Этот процесс может быть аналогичен разомкнутому пусковому режиму за исключением того, что вместо потока извне используется частично обезвоженный продувочный поток. Подачей потока продукта слоев адсорбента начинается последовательность пусковых операций на установке криогенного извлечения NGL. На этой установке криогенного извлечения NGL пуск может осуществляться в замкнутом режиме с использованием компрессора остаточного газа для рециркуляции головного продукта метаноотгонной колонны вместе с подаваемым потоком. По достижении установкой извлечения NGL заданных параметров, часть головного продукта метаноотгонной колонны смешивают с продувочным потоком, поступающим со слоев адсорбента процесса циклической адсорбции для увеличения расхода. Подвод тепла пусковым нагревателем по мере необходимости может быть уменьшен. В конце концов, головной продукт метаноотгонной колонны подают в слои адсорбента в качестве продувочного потока на соответствующих циклах, а часть потока продукта слоя адсорбента, используемую в качестве продувочного потока, уменьшают или, возможно, исключают. В итоге, процесс переходит в нормальный рабочий режим, представляющий собой устойчивое состояние, при котором газообразный продукт продувки со слоев адсорбента направляют на продажу.
2
[0044] Точно так же, описанная выше последовательность может быть использована в процессе производства СПГ. Однако, во время пуска процесса производства СПГ источник газа для сжатия продукта продувки до давления подачи может отсутствовать. По этой причине может потребоваться сжигание некоторого количества продувочного потока в факеле. В процессах удаления СО может быть использована та же последовательность операций пускового режима. Кроме того, для подведения необходимого количества тепла к слоям адсорбента может быть использована стадия нагревания при помощи нагревательного контура.
[0045] Один или несколько вариантов описанного выше регламента могут использоваться для сокращения времени запуска процесса. Первый вариант включает нагревание слоев адсорбента с целью уменьшения количества воды в слоях адсорбента, что может осуществляться вначале. На стадии нагревания нагретый влажный газ с низким давлением используют в качестве продувочного потока для слоев адсорбента и удаляют большое количество воды, уже адсорбированное слоями адсорбента. Второй вариант включает осуществление одной или нескольких стадий сброса давления в ходе осуществления пускового режима с целью быстрого снижения парциального давления и уменьшения количества воды, адсорбированной слоями адсорбента. Третий вариант включает проведение стадии продувки сухим азотом, который, если нужно, может быть нагрет, с целью сушки слоев адсорбента.
[0046] Настоящими технологиями обеспечивается способ осуществления пускового режима, который может быть использован для достижения нормального рабочего режима процесса циклической адсорбции, а именно процесса короткоцикловой адсорбции. Настоящие технологии могут включать использование некоторого дополнительного оборудования, такого как один или несколько каналов и/или один или несколько трубопроводов, образующих траекторию движения потока газа извне, резервуар хранения подаваемого извне газа, нагревательный модуль (печь и/или теплообменник), один или несколько вентиляторов и/или один или несколько компрессоров, находящихся в жидкостной связи с одним или несколькими слоями адсорбента, и/или оборудование для сброса давления, которое может быть использовано для облегчения проведения цикла пускового режима. Кроме того, другие компоненты и конфигурации могут использоваться для проведения процесса циклической адсорбции, как то оборудование для проведения короткоцикловой адсорбции (например, слои адсорбента с параллельными каналами, быстродействующие клапаны, конфигурации слоев адсорбента, интегрированных в другие процессы). Примерами способов и конфигураций циклической адсорбции могут служить описанные в патентах США № 62/213262, 62/213267, 62/213270, 62/213273, 62/246916, 62/246920 и 62/246922, каждый из которых включается в настоящий документ путем ссылки.
[0047] Преимущественно, настоящие технологии могут быть использованы для обеспечения пускового режима, не предусматривающего процесса сушки вовне, включающего минимум дополнительного оборудования для запуска и пригодного для реализации конфигураций без сжигания газа в факеле.
[0048] В одном или нескольких вариантах своего осуществления способ проведения пускового режима может включать использование замкнутого пускового режима или разомкнутого пускового режима. Для разомкнутого пускового режима настоящими технологиями предусматривается способ удаления примесей из исходного газообразного потока в процессе циклической адсорбции, который может быть использован в сочетании с одним или несколькими последующими процессами. Этот способ включает: а) проведение стадии регенерации (например, стадии продувки), при этом, стадия включает пропускание потока газа извне через модуль со слоями адсорбента с целью удаления примесей из слоя адсорбента в корпусе модуля со слоями адсорбента и получение потока продукта продувки; b) проведение одной или нескольких стадий адсорбции, при этом, каждая из одной или нескольких стадий адсорбции включает пропускание исходного газообразного потока через модуль со слоями адсорбента, в котором находится адсорбент, с целью отделения примесей от исходного газообразного потока с получением потока продукта; с) определение того, соответствует ли поток продукта требованиям в отношении содержания, по меньшей мере, одной примеси; d) если поток продукта соответствует требованиям (например, концентрация примеси не превышает определенного порогового значения), подачу потока продукта в последующий процесс; и е) если поток продукта не соответствует требованиям (например, концентрация примеси превышает определенное пороговое значение), повторение стадий а)-d), по меньшей мере, в ходе еще одного дополнительного цикла.
[0049] В качестве другого примера разомкнутого пускового режима, система циклической адсорбции может включать множество трубопроводов; множество модулей со слоями адсорбента, соединенных со множеством трубопроводов, и байпасный клапан потока газа извне, соединенный жидкостной связью с продувочным трубопроводом и предназначенный: в положении пускового режима для обеспечения канала для потока газа из резервуара для хранения подаваемого извне газа в продувочный трубопровод; и в положении нормального рабочего режима для блокировки канала для потока газа из резервуара для хранения подаваемого извне газа в продувочный трубопровод. Множество трубопроводов включает подводящий трубопровод, предназначенный для подачи исходного потока во множество модулей со слоями адсорбента на стадии адсорбции, трубопровод продукта, предназначенный для отведения потока продукта из множества модулей со слоями адсорбента на стадии адсорбции, продувочный трубопровод, предназначенный для подачи продувочного потока во множество модулей со слоями адсорбента на стадии регенерации, трубопровод продукта продувки, предназначенный для отведения потока продукта продувки из множества модулей со слоями адсорбента на стадии регенерации. Каждый трубопровод из множества трубопроводов относится к одной стадии циклической адсорбции из множества стадий циклической адсорбции. Каждый из модулей со слоями адсорбента включает корпус; адсорбент, расположенный внутри корпуса; множество клапанов, при этом, по меньшей мере, один из множества клапанов связан с одним из множества трубопроводов и предназначен для направления потока текучей среды по траектории потока, проходящей между соответствующим трубопроводом и адсорбентом.
[0050] Кроме этого, система и способ могут включать некоторые дополнительные отличительные особенности, позволяющие улучшить функционирование системы или способа. Например, множество клапанов может включать один или несколько тарельчатых клапанов; множество трубопроводов и/или множество модулей со слоями адсорбента могут быть рассчитаны на работу при давлении от 0,1 бар абс. до 100 бар абс.; система может включать нагревательный модуль, расположенный по потоку выше продувочного трубопровода и ниже резервуара для хранения подаваемого извне газа, при этом, нагревательный модуль предназначен для нагревания газа извне до температуры, лежащей в диапазоне от 450°F (232°С) до температуры исходного газообразного потока или температуры, лежащей в диапазоне от 450°F (232°С) до температуры, более, чем на 100°F превышающей температуру исходного газообразного потока; система может включать модуль кондиционирования, расположенный по потоку ниже трубопровода продукта продувки и выше резервуара для хранения подаваемого извне газа, при этом, модуль кондиционирования предназначен для удаления одной или нескольких примесей из потока продукта продувки; множество трубопроводов может дополнительно включать трубопровод сброса давления, предназначенный для отведения потока сброса давления из множества модулей со слоями адсорбента на стадии сброса давления; система может включать установку сжижения природного газа, соединенную жидкостной связью с модулем со слоями адсорбента и предназначенную для приема потока продукта и разделения потока продукта на поток готового продукта и поток горючего материала, при этом, поток горючего материала направляют в продувочный трубопровод. Кроме того, поток газа извне включает поток азота, содержащий, преимущественно, азот с содержанием воды менее 0,1 части на миллион, либо он может включать поток азота, содержащий, преимущественно, азот с содержанием воды менее 10 частей на миллион. Поток газа извне может представлять собой содержащий азот поток с содержанием азота более одного объемного процента относительно общего объема исходного потока.
[0051] Для разомкнутого пускового режима настоящими технологиями обеспечивается способ удаления примесей из исходного газообразного потока путем циклической адсорбции. Способ включает подачу исходного газообразного потока в процесс циклический адсорбции, проводимый во множестве модулей со слоями адсорбента, где в каждом из модулей со слоями адсорбента осуществляют цикл адсорбции, включающий стадию адсорбции и стадию регенерации; при этом, цикл адсорбции включает: осуществление стадии адсорбции на первом слое адсорбента в первом модуле со слоями адсорбента из множества модулей со слоями адсорбента, которая включает пропускание исходного газообразного потока через первый модуль со слоями адсорбента с первым слоем адсорбента с целью отделения одной или нескольких примесей от исходного газообразного потока с получением первого потока продукта; и осуществление стадии регенерации на втором слое адсорбента во втором модуле со слоями адсорбента из множества модулей со слоями адсорбента, которая включает пропускание, по меньшей мере, части первого потока продукта через второй модуль со слоями адсорбента со вторым слоем адсорбента с целью отделения одной или нескольких примесей от второго слоя адсорбента с получением первого потока продукта продувки.
[0052] Кроме того, в одном или нескольких вариантах осуществления настоящими технологиями обеспечивается способ удаления примесей из исходного газообразного потока путем циклической адсорбции. Способ включает: подачу исходного газообразного потока в процесс циклический адсорбции, проводимый во множестве модулей со слоями адсорбента, где в каждом из модулей со слоями адсорбента осуществляют цикл адсорбции, включающий стадию адсорбции и стадию регенерации; при этом, цикл адсорбции включает: осуществление стадии адсорбции в одном из множества модулей со слоями адсорбента с целью удаления одной или нескольких примесей из исходного газообразного потока и отведения потока продукта; и осуществление стадии регенерации в одном из множества модулей со слоями адсорбента, которая включает пропускание, по меньшей мере, части потока продукта из другого одного из множества модулей со слоями адсорбента через один из множества модулей со слоями адсорбента с целью удаления одной или нескольких примесей из одного из множества модулей со слоями адсорбента и отведения потока продукта продувки.
[0053] Другим вариантом осуществления изобретения обеспечивается система циклической адсорбции. Система включает: множество трубопроводов, при этом, множество трубопроводов включает подводящий трубопровод, предназначенный для подачи исходного потока во множество модулей со слоями адсорбента на стадии адсорбции, трубопровод продукта, предназначенный для отведения потока продукта из множества модулей со слоями адсорбента на стадии адсорбции, продувочный трубопровод, предназначенный для подачи продувочного потока во множество модулей со слоями адсорбента на стадии регенерации, трубопровод продукта продувки, предназначенный для отведения потока продукта продувки из множества модулей со слоями адсорбента на стадии регенерации, и каждый трубопровод из множества трубопроводов относится к одной стадии циклической адсорбции из множества стадий циклической адсорбции; множество модулей со слоями адсорбента, соединенных с множеством трубопроводов, при этом, каждый из модулей со слоями адсорбента включает: корпус; адсорбент, расположенный внутри корпуса; множество клапанов, при этом, по меньшей мере, один из множества клапанов связан с одним из множества трубопроводов и предназначен для направления потока текучей среды по траектории потока, проходящей между соответствующим трубопроводом и адсорбентом; байпасный клапан пускового режима, соединенный жидкостной связью с продувочным трубопроводом и трубопроводом продукта и предназначенный для создания канала между трубопроводом продукта и продувочным трубопроводом в положении пускового режима и предназначенный для блокировки канала между трубопроводом продукта и продувочным трубопроводом в положении нормального рабочего режима.
2
2
[0054] В некоторых вариантах осуществления способ и система могут включать некоторые дополнительные видоизменения. Например, способ может включать: определение того, соответствует ли первый поток продукта требованиям в отношении содержания примеси; если первый поток продукта соответствует требованиям, подачу, по меньшей мере, части первого потока продукта в последующий процесс; если первый поток продукта не соответствует требованиям, осуществление стадии регенерации в первом модуле со слоями адсорбента, которая включает пропускание части второго потока продукта через первый модуль со слоями адсорбента с целью удаления одной или нескольких примесей из первого слоя адсорбента с получением второго потока продукта продувки, при этом, второй поток продукта поступает из другого из множества модулей со слоями адсорбента; и повторение стадии адсорбции в первом модуле со слоями адсорбента. В качестве другого примера, способ может включать смешивание небольшой части, отводимой от потока (например, головного потока, такого как головной поток процесса извлечения NGL или топливный поток процесса производства СПГ), поступающего из последующего процесса, по меньшей мере, с частью первого потока продукта перед осуществлением стадии регенерации второго слоя; и/или регулирование величины, по меньшей мере, части первого потока продукта, используемой на стадии регенерации второго слоя, на основании величины небольшой части, отводимой от потока (например, головного потока) последующего процесса. Кроме этого, способ может включать отделение одной или нескольких примесей от, по меньшей мере, части первого потока продукта перед пропусканием, по меньшей мере, части первого потока продукта через второй модуль со слоями адсорбента; и/или, при этом, отделение дополнительно включает снижение давления, по меньшей мере, части первого потока продукта, по меньшей мере, на 10% относительно давления этого потока перед отделением одной или нескольких примесей. Например, исходный поток может содержать СО и воду. Модули со слоями адсорбента могут быть предназначены для удаления воды в первой группе слоев адсорбента и, затем, подачи образовавшегося потока продукта на удаление СО во вторую группу слоев адсорбента. В качестве альтернативы, часть потока продукта одного слоя адсорбента может быть подвергнута кондиционированию, направленному на удаление примесей, до подачи части потока продукта во второй слой адсорбента. Кондиционирование может включать мгновенную сепарацию, снижение давления, удаление примесей вне установки или подобные процессы удаления.
[0055] В других вариантах осуществления изобретения способ и система могут включать дополнительные отличительные особенности. Например, множество клапанов может включать один или несколько тарельчатых клапанов; множество трубопроводов и/или множество модулей со слоями адсорбента могут быть рассчитаны на работу при давлении от 0,1 бар абс. до 100 бар абс.; и/или множество трубопроводов могут дополнительно включать трубопровод сброса давления, предназначенный для отведения потока сброса давления из множества модулей со слоями адсорбента на стадии сброса давления. Система циклической адсорбции может дополнительно включать нагревательный модуль, расположенный по потоку выше продувочного трубопровода и ниже трубопровода продукта, при этом, нагревательный модуль может быть предназначен для нагревания потока продукта до температуры, лежащей в диапазоне от 450°F (232°С) до температуры, более, чем на 100°F превышающей температуру исходного газообразного потока, или в диапазоне от 450°F до температуры исходного газообразного потока; отделительный модуль, расположенный по потоку выше продувочного трубопровода и ниже нагревательного модуля, при этом, отделительный модуль предназначен для уменьшения давления потока продукта до давления в диапазоне от 0,1 бар абс. до 100 бар абс., которое меньше давления потока продукта, или уменьшения давления, по меньшей мере, на 10%, по меньшей мере, на 20% или по меньшей мере, на 30% относительно давления потока продукта, отводимого из слоя адсорбента (например, уменьшения давления потока продукта перед отделением примесей или на выходе слоя адсорбента); может дополнительно включать модуль кондиционирования, расположенный по потоку ниже трубопровода продукта продувки и выше подводящего трубопровода, при этом, модуль кондиционирования предназначен для удаления одной или нескольких примесей из потока продукта продувки; и/или может дополнительно включать установку по производству СПГ, соединенную жидкостной связью с модулем со слоями адсорбента и предназначенную для приема потока продукта и разделения потока продукта на поток готового продукта и поток горючего материала, при этом, поток горючего материала направляют в продувочный трубопровод.
2
[0056] В некоторых других вариантах своего осуществления пусковой режим процесса циклической адсорбции может быть интегрирован с последующими процессами и соответствующим оборудованием. Последующие процессы и оборудование могут включать процессы с использованием контролируемых зон замораживания (controlled freeze zone - CFZ), установку удаления азота (niotrogen removal unit - NRU), процессы криогенного извлечения NGL, процессы производства СПГ и другие процессы. В каждом из этих процессов к исходному потоку могут предъявляться разные требования. Например, пусковой режим может включать обезвоживание по потоку выше процесса криогенного извлечения NGL и процесса производства СПГ и может быть интегрирован с соответствующим последующим оборудованием. В качестве другого примера, пусковой режим может включать удаление СО по потоку выше процесса криогенного извлечения NGL и процесса производства СПГ и может быть интегрирован с соответствующим последующим оборудованием. Другие варианты осуществления изобретения могут включать сочетание двух способов осуществления пускового режима. Способ осуществления пускового режима может включать использование в данном способе внешней среды, которая может представлять собой поток сухого азота. Кроме того, способ осуществления пускового режима может включать поступательное обезвоживание и/или очистку слоев адсорбента путем пропускания через один или несколько слоев адсорбента потока продукта. Кроме того, пусковой режим может быть интегрирован с последующими процессами, такими как процессы криогенного извлечения NGL и/или процессы производства СПГ. Кроме того, способ осуществления пускового режима может включать проведение цикла пускового режима при минимальном количестве сжигаемого в факеле газа или без сжигания газа в факеле.
2
2
2
2
2
2
[0057] Определенными вариантами осуществления системы предусматривается использование комбинированного процесса циклической адсорбции, который объединяет TSA и PSA, для обработки природного газа трубопроводного качества с целью удаления примесей и получения потока, удовлетворяющего требованиям производства СПГ. Процесс циклической адсорбции, который может представлять собой процесс короткоцикловой адсорбции, используют для обработки природного газа, соответствующего требованиям трубопроводной транспортировки (например, исходного потока, содержащего, преимущественно, углеводороды, а также СО в количестве, меньшем или равном, примерно, 2% об., и/или HS в количестве, меньшем или равном 4 части на миллион) с целью получения потока, удовлетворяющего требованиям производства СПГ (например, менее 50 частей на миллион СО и менее, примерно, 4 части на миллион HS). Поток продукта, который может являться исходным потоком производства СПГ, может содержать более 98% об. углеводородов относительно общего объема потока продукта, при этом, содержание в нем СО и воды ниже определенных пороговых значений. Требования к исходному потоку для производства СПГ и криогенного извлечения NGL могут включать содержание СО, меньшее или равное 50 частей на миллион, тогда как содержание воды в этом потоке может быть менее 0,1 части на миллион.
2
2
2
2
2
[0058] Кроме этого, исходный газообразный поток может включать различные компоненты. Например, исходный газообразный поток может представлять собой содержащий углеводороды поток с содержанием углеводородов более одного объемного процента относительно общего объема исходного потока. Кроме того, исходный газообразный поток может содержать углеводороды и СО, при этом, содержание СО лежит в диапазоне от двухсот объемных частей на миллион до меньшего или равного, примерно, 2% объема исходного газообразного потока. Кроме того, процесс циклической адсорбции может быть предназначен для снижения содержания диоксида углерода (СО) до менее 50 частей на миллион. В качестве другого примера, исходный газообразный поток может содержать углеводороды и НО. Например, исходный газообразный поток может представлять собой поток, в котором содержание НО лежит в диапазоне от 0,2 об. части на миллион до уровня насыщения потока или от 100 об. частей на миллион до 1500 об. частей на миллион.
[0059] В определенных аспектах, как более подробно описано ниже, настоящие технологии могут включать использование высокотемпературного потока, который подают в слои адсорбента как часть стадии продувки с целью нагревания слоя адсорбента. Этот поток, который можно назвать продувочным потоком (например, поток извне или часть потока продукта), может быть нагрет до температуры, которая может быть меньше 550°F (288°С), меньше 500°F (260°С), меньше 450°F (232°С) или меньше 350°F (177°С), может быть равна температуре исходного газообразного потока, быть на 50°F выше температуры исходного газообразного потока, на 100°F выше температуры исходного газообразного потока или на 250°F выше температуры исходного газообразного потока. Например, поток, используемый на стадии продувки цикла пускового режима, может иметь температуру в диапазоне от 500°F (260°С) до температуры на 50°F выше температуры исходного газообразного потока, в диапазоне от 450°F (232°С) до температуры исходного газообразного потока, в диапазоне от 450°F (232°С) до температуры на 100°F выше температуры исходного газообразного потока или от 400°F (204°С) до температуры более, чем на 200°F, выше температуры исходного газообразного потока. Давление потока (продувочного потока или потока извне) может лежать в диапазоне от 0,01 бар абс. до 100 бар абс., от 1 бар абс. до 80 бар абс. или от 2 бар абс. до 50 бар абс.
2
2
2
[0060] Кроме того, настоящие технологии могут не предусматривать удаление всех адсорбированных в слое примесей (например, НО и СО) на стадии продувки пускового режима, а удаление части примесей так, чтобы конец отведения продукта слоя адсорбента характеризовался достаточно низким содержанием примеси для получения потока продукта с параметрами ниже требуемых. Таким образом, конец отведения продукта слоя адсорбента может оставаться почти не содержащим примесей (например, содержание СО в области вблизи конца отведения продукта менее 1 миллимоля на грамм (ммоль/г), менее 0,5 ммоль/г или менее 0,1 ммоль/г). Концентрация примесей на стадии продувки может быть ниже на стороне подачи слоя адсорбента, но длина слоя адсорбента, где присутствуют примеси, на стадии продувки сокращается. Например, область подачи может представлять собой некоторую часть слоя адсорбента от конца подачи слоя адсорбента до 10% длины слоя, от конца подачи слоя адсорбента до 25% длины слоя или от конца подачи слоя адсорбента до 40% длины слоя. Область отведения продукта может представлять собой некоторую часть слоя адсорбента от конца отведения продукта до 10% длины слоя, от конца отведения продукта до 25% длины слоя или от конца отведения продукта до 40% длины слоя. Перемещение фронта примесей назад на стадии продувки и вперед на стадии адсорбции является основой адсорбирующей способности данного процесса. Отчасти, в данном способе и конфигурации, это достигается путем использования ограниченного, рентабельного количества продувочного газа в продувочном потоке наряду с нагреванием слоя адсорбента.
[0061] Настоящие технологии могут включать использование двух или более слоев адсорбента, функционирующих в соответствии с одним и тем же циклом, на которых осуществляют разные стадии цикла (например, не синхронизированные друг с другом) с целью поддержания стабильного расхода текучих сред в разных потоках (например, исходном потоке, потоке продукта, нагревательном потоке и продувочном потоке).
2
[0062] Кроме того, в других вариантах осуществления изобретения, давление различных потоков может изменяться. Например, исходный поток может иметь давление подачи, лежащее в диапазоне от 0,01 бар абс. до 100 бар абс., от 1 бар абс. до 80 бар абс. или от 2 бар абс. до 50 бар абс., но не обязательно ограничивается этим диапазоном. Температура подачи может лежать в диапазоне от 0°F до 200°F (-18-93°С), в диапазоне от 20°F до 175°F (-7-79°С) или в диапазоне от 40°F до 150°F (4-65°С). Давление потока сброса давления, нагревательного потока и продувочного потока может быть установлено в соответствии с осуществляемым циклом, может зависеть от используемого адсорбента и/или может лежать в диапазоне от вакуума до давления подачи. Например, если адсорбентом является цеолит 4А, диапазон давления потока сброса давления может составлять от 0,01 бар абс. до 50 бар абс. или, более предпочтительно, от 1 бар абс. до 15 бар абс. Этот пример может зависеть от концентрации СО в исходном потоке. Кроме того, в других вариантах осуществления изобретения стадии снижения давления могут быть настроены так, чтобы достигался сдвиг давления с целью изменения количества метана, десорбирующегося на каждой стадии, если таковые проводятся. Кроме того, может быть применен нагревательный контур, и давление нагревания в нагревательном контуре может отличаться от давления продувки или сброса давления на соответствующих стадиях. Кроме того, некоторые варианты осуществления изобретения могут не предусматривать сдвига давления, в них стадия регенерации может быть основана на сдвиге температуры. Точно так же, в других вариантах осуществления изобретения, сдвиг температуры может не осуществляться, и стадия регенерации может быть основана на сдвиге давления.
2
2
2
2
[0063] Кроме того, описанный выше способ может быть использован в качестве способа осуществления пускового режима в процессах, направленных на отделение от исходного потока двух или нескольких примесей (например, двух процессов циклической адсорбции, проводимых последовательно). Например, исходный поток может быть подвергнут обезвоживанию путем циклической адсорбции, затем удалению СО путем циклической адсорбции, а полученный продукт может быть направлен в последующий процесс, такой как криогенное извлечение NGL или производство СПГ. Пусковой режим процессов обезвоживания и удаления СО может включать замкнутый пусковой режим и/или разомкнутый пусковой режим. Как один из примеров, для процесса обезвоживания может быть использован разомкнутый пусковой режим. Затем, когда получен поток продукта, удовлетворяющий требованиям в отношении удаления воды, этот поток продукта может быть использован в процессе удаления СО как часть потока разомкнутого пускового режима. В качестве альтернативы, для процесса обезвоживания может быть использован разомкнутый пусковой режим, а для процесса удаления СО может использоваться замкнутый пусковой режим, при этом, продувочный поток может быть смешан с исходным потоком процесса обезвоживания.
2
2
[0064] В некоторых конфигурациях для удаления множества примесей (например, воды и СО) может быть использована система интегрированной короткоцикловой адсорбции. Для проведения обезвоживания может быть использован надлежащий адсорбент или слои адсорбента, которые могут быть теми же или отличными от адсорбента, используемого для удаления других примесей, таких как СО.
2
[0065] Кроме того, настоящие технологии для нормального рабочего режима могут предусматривать определенную технологическую схему удаления примесей, таких как СО и/или вода. Например, процесс может включать стадию адсорбции и стадию регенерации, которые образуют цикл. Стадия адсорбции может включать пропускание исходного газообразного потока при давлении подачи и температуре подачи через модуль со слоями адсорбента для отделения одной или нескольких примесей от газообразного исходного потока с получением потока продукта. Исходный поток может быть пропущен через слой адсорбента в прямом направлении (например, от конца подачи слоя адсорбента к концу отведения продукта слоя адсорбента). Затем, подача исходного газообразного потока может быть прервана для проведения стадии регенерации. Стадия регенерации может включать одну или несколько стадий снижения давления, одну или несколько стадий нагревания и/или одну или несколько стадий продувки. Стадии снижения давления, которые могут представлять собой или включать стадию сброса давления, могут включать снижение давления в модуле со слоями адсорбента на заданную величину на каждой из последовательных стадий снижения давления, что может быть выполнено как одна стадия и/или множество стадий. Стадия снижения давления может быть проведена в прямом направлении или, более предпочтительно, в противоточном направлении (например, от конца отведения продукта слоя адсорбента к концу подачи слоя адсорбента). Стадия нагревания может включать подачу в модуль со слоями адсорбента нагревательного потока, который может представлять собой поток, рециркулируемый через нагревательный контур и используемый для нагревания адсорбента. Стадия продувки может включать подачу в модуль со слоями адсорбента продувочного потока и представлять собой стадию однократной продувки, и продувочный поток может быть подав в противоточном направлении относительно исходного потока. Продувочный поток может быть подан при температуре продувки и давлении продувки, которые могут представлять собой температуру продувки и давление продувки, равные температуре нагревания и давлению нагревания на стадии нагревания. Затем этот цикл может быть повторен для дополнительных потоков. Кроме того, процесс может включать одну или несколько стадий восстановления давления, проводимых после стадии продувки и до стадии адсорбции. В ходе осуществления одной или нескольких стадий восстановления давления давление в модуле со слоями адсорбента увеличивают на заданную величину на каждой из последовательных стадий восстановления давления. Длительность цикла в нормальном рабочем режиме может составлять период времени больше 1 секунды и меньше 600 секунд, период времени больше 2 секунд и меньше 300 секунд, период времени больше 2 секунд и меньше 180 секунд, период времени больше 5 секунд и меньше 150 секунд или период времени больше 5 секунд и меньше 90 секунд.
[0066] В других конфигурациях пусковой режим может предусматривать меньшие величины расхода и большую длительность циклов. Например, начальный расход может составлять 25% нормального расхода, используемого в нормальном рабочем режиме, при этом, длительность цикла в пусковом режиме может в четыре раза превышать длительность цикла в нормальном рабочем режиме. Начальный расход может быть увеличен равномерно или дискретно с разным шагом до достижения величины нормального рабочего режима. Например, длительность цикла в пусковом режиме может составлять период времени больше 1 секунды и меньше 2400 секунд, период времени больше 1 секунды и меньше 1500 секунд, период времени больше 1 секунды и меньше 1000 секунд, период времени больше 1 секунды и меньше 600 секунд, период времени больше 2 секунд и меньше 800 секунд, период времени больше 2 секунд и меньше 400 секунд, период времени больше 5 секунд и меньше 150 секунд или период времени больше 5 секунд и меньше 90 секунд.
2
2
[0067] В других конфигурациях пусковой режим может предусматривать установку слоев адсорбента, частично или полностью освобожденных от подлежащей удалению примеси. Например, если процесс циклической адсорбции предназначен, главным образом, для удаления воды, то в системе может быть установлен слой частично или полностью обезвоженного адсорбента. Тогда в пусковом режиме в слой адсорбента подают исходный поток, представляющий собой влажный газ, и отводят поток продукта, представляющий собой сухой газ, который может быть использован в качестве продувочного потока в другом слое адсорбента. В качестве альтернативы, другой способ может включать установку с системе циклической адсорбции слоя адсорбента, обработанного или кондиционированного так, что молекулы примеси замещают другие молекулы, уже адсорбированные в слое адсорбента. Например, если процесс циклической адсорбции предназначен, главным образом, для удаления СО, то в системе может быть установлен слой адсорбента, содержащий адсорбированные частицы, такие как вода. Тогда в пусковом режиме в слой адсорбента подают исходный поток, который может содержать СО, и отводят поток продукта, которые может быть использован в качестве продувочного потока в другом слое адсорбента.
[0068] В одном или нескольких вариантах своего осуществления настоящие технологии могут быть использованы в процессе циклической адсорбции любого типа. Не имеющими ограничительного характера примерами процессов циклической адсорбции, в которых могут быть использованы настоящие технологии, включают адсорбцию со сдвигом давления (РSA), адсорбцию со сдвигом разрежения (vacuum pressure swing adsorption - VPSA), адсорбцию со сдвигом температуры (TSA), адсорбцию с частичным сдвигом давления (partial pressure swing adsorption - РPSA), короткоцикловую адсорбцию со сдвигом давления (rapid cycle pressure swing adsorption - RCPSA), короткоцикловую адсорбцию со сдвигом температуры (rapid cycle thermal swing adsorption - RCTSA), короткоцикловую адсорбцию с частичным сдвигом давления (rapid cycle partial pressure swing adsorption - RCPPSA), а также сочетания этих процессов. Например, предпочтительный процесс циклической адсорбции может включать сочетание адсорбции со сдвигом давления и адсорбции со сдвигом температуры, которые могут осуществляться как короткоцикловый процесс. Примеры процессов циклической адсорбции дополнительно описаны в патентах США №№ 62/213262, 62/213267, 62/213270, 62/213273, 62/246916, 62/246920 и 62/246922 и патентных публикациях США №№ 2008/0282892, 2008/0282887, 2008/0282886, 2008/0282885, 2008/0282884 и 2014/0013955, которые во всей полноте включаются в настоящий документ путем ссылки.
[0069] В других конфигурациях настоящие технологии могут включать различные изменения. Способ может включать смешивание небольшой части, отводимой от потока последующего процесса, по меньшей мере, с частью первого потока продукта до осуществления стадии регенерации второго слоя; нагревание, по меньшей мере, части первого потока продукта перед пропусканием, по меньшей мере, части первого потока продукта через второй модуль со слоями адсорбента, при этом, по меньшей мере, часть первого потока продукта нагревают до температуры, лежащей в диапазоне от 450°F (232°С) до температуры исходного газообразного потока; нагревание потока продукта продувки, при этом, поток продукта продувки нагревают до температуры, которая на 10°F выше температуры точки росы потока продукта продувки; отделение одной или нескольких примесей от потока продукта продувки, получение кондиционированного потока продукта продувки, и смешивание кондиционированного потока продукта продувки с исходным газообразным потоком по потоку выше процесса циклической адсорбции; при этом, если последующий процесс представляет собой процесс производства СПГ и включает установку по сжижению природного газа, то способ включает отведение потока горючего материала из установки по сжижению природного газа для смешивания, по меньшей мере, с частью первого потока продукта до подачи во второй модуль со слоями адсорбента; при этом, если последующий процесс представляет собой процесс криогенного извлечения NGL и включает установку извлечения NGL, то способ дополнительно включает отведение головного погона установки извлечения NGL для использования в качестве, по меньшей мере, части продувочного потока; подачу потока газа извне и смешивание потока газа извне с частью первого потока продукта, при этом, поток газа извне представляет собой содержащий азот поток, включающий более одного объемного процента азота относительно общего объема потока извне; и/или отделительный модуль, расположенный по потоку выше продувочного трубопровода и ниже нагревательного модуля, при этом, отделительный модуль предназначен для снижения давления потока продукта, по меньшей мере, на 10% по сравнению с давлением потока продукта до отделительного модуля.
[0070] Кроме этого, в одном или нескольких вариантах осуществления изобретения для обеспечения разделения могут быть использованы различные адсорбенты. К их примерам относятся цеолиты 3А, 4А, 5А, ZK-4 и MOF-74. Однако, настоящий способ не ограничивается использованием этих адсорбентов, также могут быть использованы другие материалы. Настоящие технологии будут более понятны при рассмотрении со ссылкой на прилагаемые фиг. 1-12.
[0071] Фиг. 1 представляет собой трехмерное изображение системы 100 короткоцикловой адсорбции с шестью модулями со слоями адсорбента и соединительными трубопроводами. Хотя эта конфигурация является конкретным примером, настоящие технологии в широком смысле относятся к модулям со слоями адсорбента, которые могут быть размещены симметрично, несимметрично и/или в сочетании со множеством арматурных элементов. Кроме этого, эта конкретная конфигурация является примером, ибо другие конфигурации могут содержать отличное число модулей со слоями адсорбента.
[0072] В данной системе модули со слоями адсорбента, такие как модуль 102 со слоями адсорбента, могут предназначаться для осуществления циклической адсорбции, направленной на удаление примесей из исходных потоков (например, текучих, газообразных или жидких). Например, модуль 102 со слоями адсорбента может включать различные трубопроводы (например, трубопровод 104) для направления потока текучей среды через слой адсорбента, на слой адсорбента или со слоя адсорбента внутри модуля 102 со слоями адсорбента. Трубопроводы, отходящие от модуля 102 со слоями адсорбента, могут быть соединены с разветвленным трубопроводом (например, трубопроводом 106) для распределения течения потока к компонентам, от компонентов или между компонентами. Слой адсорбента в модуле со слоями адсорбента может обеспечивать отделение одной или нескольких примесей от исходного потока с образованием потока продукта. Понятно, что модули со слоями адсорбента могут включать другие трубопроводы, предназначенные для управления другими потоками текучих сред, участвующих в процессе, такими как продувочные потоки, потоки снижения давления и т.п. В частности, модули со слоями адсорбента могут включать оборудование пускового режима, такое как один или несколько нагревательных модулей (не показан), один или несколько трубопроводов подачи газа извне (который может представлять собой один из трубопроводов 106) и один или несколько расширителей, как дополнительно указано ниже, которые используют как часть пускового режима для слоев адсорбента. Кроме того, модуль со слоями адсорбента также может включать один или несколько уравнительных резервуаров, таких как уравнительный резервуар 108, которые принадлежат данному модулю со слоями адсорбента и могут предназначаться для одной или нескольких стадий процесса циклической адсорбции. Уравнительный резервуар 108 может использоваться для хранения потока газа извне, такого как азот, предназначенного для использования с цикле пускового режима.
[0073] В качестве одного из примеров, который дополнительно описан ниже со ссылкой на фиг. 2, модуль 102 со слоями адсорбента может включать корпус, который может иметь верхнюю часть и другие части корпуса, образующие, по существу, газонепроницаемый отсек, слой адсорбента, расположенный внутри корпуса, и множество клапанов (например, тарельчатых клапанов), обеспечивающих наличие каналов для текучей среды через отверстия в корпусе между внутренним пространством корпуса и участками, внешними по отношению к внутреннему пространству корпуса. Каждый из тарельчатых клапанов может включать дисковый элемент, входящий в головку клапана, или дисковый элемент, входящий в отдельное клапанное седло, вставленное в головку (не показано). Конфигурация тарельчатых клапанов может соответствовать множеству типов конфигураций тарельчатых клапанов. В качестве одного из примеров, модуль со слоями адсорбента может включать один или несколько тарельчатых клапанов, каждый из которых соединен жидкостной связью с отдельным трубопроводом, принадлежащим отдельному потоку. Тарельчатые клапаны могут обеспечивать жидкостную связь между слоем адсорбента и одним из соответствующих трубопроводов, разветвленных трубопроводов или коллекторов. Термин «в непосредственной жидкостной связи» означает прямое сообщение без промежуточных клапанов или других запорных средств, препятствующих потоку. Понятно, что в рамках объема настоящих технологий могут предусматриваться другие варианты.
[0074] Слой адсорбента включает твердый адсорбирующий материал, способный адсорбировать один или несколько компонентов из исходного потока. Такие твердые материалы выбирают так, чтобы они выдерживали физические и химические условия в модуле 102 со слоями адсорбента, эти материалы могут включать металлические, керамические иди другие материалы, в зависимости от процесса адсорбции. Дополнительные примеры адсорбирующих материалов приведены ниже.
[0075] Фиг. 2 представляет собой схему 200 части модуля со слоями адсорбента и соответствующих клапанных узлов и трубопроводов в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящих технологий. Часть модуля 200 со слоями адсорбента, которая может являться частью модуля 102 со слоями адсорбента фиг. 1, включает корпус, который может включать цилиндрическую стенку 214 и цилиндрический изоляционный слой 216, а также верхнее днище 218 и нижнее днище 220. Слой 210 адсорбента расположен между верхним днищем 218, нижним днищем 220 и изоляционным слоем 216, при этом образуются верхняя открытая зона и нижняя открытая зона, каковые открытые зоны образованы, по существу, открытым объемом траектории потока. Такой открытый объем траектории потока в модуле со слоями адсорбента вмещает газ, предназначенный для различных стадий. Корпус может быть рассчитан на давление от 0 бар абс. до 150 бар абс. во внутреннем пространстве.
[0076] В верхнем днище 218 и нижнем днище 220 имеются отверстия, в которые могут быть вставлены клапаны, такие как клапанные узлы 222-240, соответственно (например, тарельчатые клапаны). Верхний или нижний открытый объем траектории потока между соответствующим днищем 218 или 220 и слоем 210 адсорбента также может включать распределительные линии (не показаны), которые вводят текучие среды непосредственно в слой 210 адсорбента. В верхнем днище 218 имеются различные отверстия (не показаны), обеспечивающие каналы к впускным трубопроводам 242 и 244 и выпускным трубопроводам 248, 250 и 252, тогда как в нижнем днище 220 имеются различные отверстия (не показаны), обеспечивающие каналы к впускному трубопроводу 254 и выпускным трубопроводам 256, 258 и 260. Клапанные узлы 222-240 соединены жидкостной связью с соответствующими разветвленными трубопроводами 242-260. Если клапанные узлы 222-240 представляют собой тарельчатые клапаны, каждый из них может включать дисковый элемент, соединенный со штоком, который может располагаться в стакане клапана или направляющей клапана. Шток может быть соединен с каким-либо приводным устройством (не показано), предназначенным для придания прямолинейного движения соответствующему штоку соответствующего клапана. Понятно, что приводное устройство может приводиться в действие независимо на разных стадиях способа с целью активации одного клапана, или одно приводное устройство может быть использовано для управления двумя или несколькими клапанами. Кроме того, хотя отверстия могут быть, по существу, одинакового размера, отверстия и впускные клапаны для впускных трубопроводов могут иметь меньший размер, чем для выпускных трубопроводов, при условии, что объем газа, проходящего через впуски, обычно бывает меньше, чем объем продукта, проходящего через выпуски.
[0077] В способе короткоцикловой адсорбции цикл включает две или более стадий, каждая из которых занимает определенный временной интервал, сумма которых составляет длительность цикла. Эти стадии включают регенерацию слоя адсорбента после стадии адсорбции с использованием множества способов, включая сдвиг давления, сдвиг разрежения, сдвиг температуры, продувку (любым пригодным для данного способа типом продувочной текучей среды) и их сочетания. Например, цикл PSA может включать стадии адсорбции, снижения давления, продувки и восстановления давления. При осуществлении разделения при высоком давлении, снижение давления и восстановление давления (которое можно назвать выравниванием) могут проводиться за несколько стадий, чтобы уменьшить изменение давления на каждой стадии и повысить эффективность. В некоторых процессах циклической адсорбции, таких как процессы короткоцикловой адсорбции, существенная часть общей длительности цикла приходится на регенерацию слоя адсорбента. Следовательно, любе сокращение времени регенерации приводит к уменьшению общей длительности цикла. Такое сокращение также может способствовать уменьшению общего размера системы короткоцикловой адсорбции.
[0078] Кроме этого, в пусковом режиме процесса циклической адсорбции один или несколько трубопроводов и соответствующих клапанов могут использоваться в качестве траектории, предназначенной для одного или нескольких потоков пускового режима. Например, на стадии адсорбции или подачи, трубопровод 242 и клапанный узел 222 могут использоваться для подачи исходного потока газа в слой 210 адсорбента, тогда как клапанный узел 236 и трубопровод 256 могут использоваться для отведения потока продукта из слоя 210 адсорбента. На стадии регенерации или продувки трубопровод 244 и клапанный узел 224 могут использоваться для подачи в слой 210 адсорбента потока газа извне или рециркулируемого потока, тогда как клапанный узел 236 и трубопровод 256 могут использоваться для отведения потока продукта продувки из слоя 210 адсорбента. Соответственно, трубопровод 244 и клапанный узел 224 могут использоваться в режиме пуска, оставаясь активными и в нормальном рабочем режиме. Понятно, что в других вариантах осуществления продувочный поток может подаваться в противоточном направлении.
[0079] В качестве альтернативы, пусковой режим процесса циклической адсорбции может включать совместное использование одного или нескольких трубопроводов и соответствующих клапанов в нормальном рабочем режиме и в пусковом режиме. Например, трубопровод 242 и клапанный узел 222 могут быть использованы для подачи исходного газообразного потока в слой 210 адсорбента в пусковом режиме и нормальном рабочем режиме, тогда как клапанный узел 236 и трубопровод 256 могут быть использованы для отведения из слоя 210 адсорбента потока продукта в пусковом режиме и нормальном рабочем режиме. На стадии регенерации или продувки трубопровод 254 и клапанный узел 232 могут быть использованы для подачи в слой 210 адсорбента потока газа извне или рециркулируемого потока в пусковом режиме и для подачи в слой 210 адсорбента продувочного потока в нормальном рабочем режиме, тогда как клапанный узел 226 и трубопровод 248 могут быть использованы для отведения из слоя 210 адсорбента потока продукта продувки в пусковом режиме и нормальном рабочем режиме. Преимущественно, эта конфигурация может быть использована для уменьшения количества дополнительных клапанов или соединений модуля со слоями адсорбента, предназначенных для пускового режима, что требуется из-за ограниченности места на соответствующих днищах.
2
2
[0080] В нормальном рабочем режиме исходный газообразный поток может быть подвергнут различной обработке с целью получения потока NGL или потока СПГ. Например, обработка может включать удаление из поступающего потока ртути в соответствующем модуле; пропускание через фильтр с целью удаления твердых частиц и капель жидкости; обработку в устройстве циклической адсорбции с целью удаления одной или нескольких примесей, таких как НО, СО и серосодержащих соединений; обработку в установке производства СПГ или установке извлечения NGL с получением потока готового продукта, который может быть использован для продажи, перевозки или хранения. Кроме того, конфигурация может включать один или несколько нагревательных контуров, компрессор, нагревательный модуль и/или резервуар для хранения.
[0081] Как указано выше, настоящие технологии включают различные регламенты, которые могут быть использованы для пускового режима процесса циклической адсорбции. Пусковой режим может включать разомкнутый пусковой режим. Разомкнутый пусковой режим может включать проведение стадии адсорбции и, затем, стадии регенерации для каждого из слоев адсорбента. Стадия адсорбции может включать пропускание исходного газообразного потока через слой адсорбента с целью адсорбции одной или нескольких примесей из исходного газообразного потока и отведение из модуля со слоями адсорбента образующегося потока продукта. Полученный поток продукта может быть направлен в последующее технологическое оборудование и/или может быть рециркулирован в слой адсорбента или другой модуль со слоями адсорбента в качестве исходного газообразного потока. Стадия регенерации может включать пропускание потока газа извне через слой адсорбента с целью удаления одной или нескольких примесей из модуля со слоями адсорбента (например, части примесей из модуля со слоями адсорбента или пустот слоя адсорбента) и отведение из модуля со слоями адсорбента потока продукта продувки. Поток продукта продувки может быть сожжен в факеле или может быть соединен с топливным газом.
[0082] В качестве примера, фиг. 3 представляет собой примерную технологическую схему осуществления разомкнутого пускового режима процесса циклической адсорбции в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящих технологий. Показанный на этой схеме 300 способ осуществления пускового режима может включать использование потока газа извне для удаления одной или нескольких примесей из слоев адсорбента как часть цикла пускового режима. Кроме того, способ осуществления пускового режима может включать управление двумя или несколькими модулями со слоями адсорбента, в каждом из которых могут осуществляться разные стадии цикла пускового режима. Для каждого из модулей со слоями адсорбента процесс циклической адсорбции включает пусковой режим с использованием потока газа извне, как показано в блоках 302-308, что для простоты изложения описано как осуществляемое для одного модуля со слоями адсорбента. Затем, модули со слоями адсорбента могут использоваться в сочетании с последующим оборудованием, как показано в блоках 310-316, и начат нормальный рабочий режим, как показано в блоке 318. Поток газа извне может включать азот и/или метан, как указано выше. Поток газа извне может включать, преимущественно, азот и/или метан с содержанием воды менее 0,1 части на миллион или менее 10 частей на миллион воды. Поток газа извне может представлять собой содержащий азот поток, включающий более одного объемного процента азота относительно общего объема потока извне.
[0083] Осуществление процесса начинается с осуществления пускового режима в модулях со слоями адсорбента установки циклической адсорбции, как показано в блоках 302-308. Блок 302: в слое адсорбента проводят стадию регенерации потоком газа извне. Поток газа извне может включать азот или метан и может быть потоком сухого газа (например, менее 10 частей на миллион воды, менее 1 части на миллион воды или менее 0,1 части на миллион воды). Стадия регенерации, которая может представлять собой одну или несколько стадий продувки, может включать пропускание потока извне через слой адсорбента с получением потока продукта продувки, отводимого из модуля со слоями адсорбента. Поток продукта продувки может включать поток газа извне и часть примесей из слоя адсорбента. Этот поток продукта продувки может быть смешан с потоком топливного газа или может быть сожжен в факеле. Кроме того, перед подачей в слой адсорбента поток газа извне может быть подвергнут нагреванию. На стадии нагревания поток газа извне может быть нагрет до температуры менее 550°F (288°С), менее 500°F (260°С), менее 450°F (232°С) или менее 350°F (177°С), до температуры исходного газообразного потока, до температуры на 50°F выше температуры исходного газообразного потока, на 100°F выше температуры исходного газообразного потока или на 250°F выше температуры исходного газообразного потока. Например, поток извне, используемый на стадии продувки, может иметь температуру в диапазоне от 500°F (260°С) до температуры на 50°F выше температуры исходного газообразного потока, в диапазоне от 450°F (232°С) до температуры исходного газообразного потока, в диапазоне от 450°F (232°С) до температуры на 100°F выше температуры исходного газообразного потока или от 400°F (204°С) до температуры более, чем на 200°F, выше температуры исходного газообразного потока. Нагревание потока газа извне может включать пропускание потока через теплообменник или подобный ему нагревательный модуль с целью увеличения температуры потока извне. Блок 304: в слое адсорбента осуществляют стадию адсорбции. Стадия адсорбции может включать пропускание через слой адсорбента исходного газообразного потока с целью удаления из исходного газообразного потока одной или нескольких примесей и получения потока продукта, который отводят из модуля со слоями адсорбента. Блок 306: могут быть измерены параметры потока продукта. Измерения могут быть проведены путем отбора проб, использования устройства для измерения влажности, использования газового хроматографа или использования другого оборудования для анализа состава газа. Блок 308: может быть выполнено определение того, соответствует ли поток продукта требованиям. Это определение может включать анализ потока продукта с целью определения концентрации в потоке продукта одной или нескольких примесей. Если поток продукта соответствует требованиям (например, концентрация примеси не превышает определенного порогового значения), поток продукта направляют в последующие процессы. Однако, если поток продукта не соответствует требованиям (например, концентрация примеси превышает определенное пороговое значение), поток продукта может быть рециркулирован, смешан с исходным газообразным потоком и использован как часть потока на стадии адсорбции, как показано в блоке 304.
[0084] Когда поток продукта из модулей со слоями адсорбента поступает в последующий процесс, этот поток продукта может быть использован в находящемся ниже по потоку оборудовании, как показано в блоках 310-316. Блок 310: начало пускового режима последующего оборудования. Пусковой режим последующего оборудования может включать различные стадии, предшествующие подаче в последующее оборудования потока продукта, или может начинаться с подачи потока продукта в последующее оборудование. Последующие процессы могут включать процесс CFZ, процесс криогенного извлечения NGL или процесс получения СПГ с соответствующим оборудованием для каждого из них. Кроме того, в ходе последовательности операций пускового режима последующего оборудования в модулях со слоями адсорбента может продолжаться использование на стадии продувки потока газа извне. Блок 312: продувочный поток может быть подан в модули со слоями адсорбента из последующего процесса. Продувочный поток может включать головной погон или небольшую часть, отводимую из последующего процесса. Например, продувочный поток, поступающий с установки извлечения NGL, может представлять собой головной погон метаноотгонной колонны, или продувочный поток может представлять собой поток топливного газа установки по производству СПГ. Блок 314: количество газа извне, используемое на стадии продувки, может быть скорректировано. Корректировка может основываться на количестве продувочного газа, подаваемого в модули со слоями адсорбента. Например, расход потока газа извне может быть уменьшен на 10%, 50% или 90% на основании величины продувочного потока, поступающего из последующего оборудования, и заданной величины расхода. Блок 316: подача газа извне может быть прекращена. Подача газа извне может быть прекращена, когда в последующем процессе образуется достаточное количество продувочного газа, параметры которого близки к условиям устойчивого функционирования.
[0085] Когда осуществление пускового режима завершено, начинается нормальный рабочий режим, как показано в блоке 318. Блок 318: начало нормального рабочего режима. Нормальный рабочий режим может включать подачу исходного газообразного потока в модули со слоями адсорбента для проведения циклической адсорбции с целью удаления примесей и подачу потока продукта в последующий процесс. Затем, в последующем процессе этот поток продукта может проходить через различное оборудование последующего процесса с образованием потока готового продукта. Кроме того, из последующего процесса в процесс циклической адсорбции может поступать продувочный поток, который может быть использован на стадии регенерации для удаления примесей из слоев адсорбента в модулях со слоями адсорбента.
[0086] В качестве конкретного примера, исходный поток может представлять собой поток природного газа, содержащий, преимущественно, углеводороды, поток газа извне может представлять собой поток азота, и примеси в слое адсорбента могут представлять собой воду. На стадии продувки соответствующего слоя адсорбента поток азота пропускают через слой адсорбента, вода взаимодействует с потоком азота с образованием потока продукта продувки, который содержит азот и часть воды, удаленную из слоя адсорбента.
[0087] Кроме того, поток продукта из модулей со слоями адсорбента может быть использован в пусковом режиме для одной или нескольких последующих установок, таких как метаноотгонная колонна или линия сжижения природного газа. Когда последующие процессы и установки находятся в пусковом режиме, отработавшие слои адсорбента могут быть регенерированы с использованием потока сухого азота в качестве продувочного потока. Поток сухого азота может быть нагрет. В качестве альтернативы, нагретая небольшая часть, отводимая со стороны продукта, также может быть использована для регенерации слоев адсорбента на стадии продувки. Когда в последующем процессе запущен нормальный рабочий режим, продувочный поток может быть изменен и образован из потока остаточного газа, потока топливного газа или другого надлежащего потока, поступающего из последующих процессов.
[0088] В определенных вариантах осуществления изобретения поток продукта продувки может быть подвергнут обработке, направленной на удаление примесей из потока газа извне, чтобы очищенный поток продукта продувки можно было рециркулировать в модули со слоями адсорбента в качестве потока извне или смешанным с потоком извне. Например, если поток извне представляет собой поток азота, а примесью является вода, поток продукта продувки может быть нагрет, после чего его давление может быть снижено с целью отделения воды от азота в потоке продукта продувки. Таким образом, азот может быть регенерирован и рециркулирован в слои адсорбента для удаления дополнительного количества воды из слоев адсорбента на следующей стадии продувки.
3
[0089] В качестве дополнительного усовершенствования, путем изменения рабочих условий разомкнутого пускового режима можно управлять удалением примесей из слоев адсорбента. Например, расход может лежать в диапазоне от 25 до 1000 миллионов стандартных кубических футов в день (million standard cubic feet gas per day - MSCFD) (1 MSCFD=28317 ст.м/д) в нормальном рабочем режиме, тогда как в пусковом режиме расход может составлять от 6,25 до 500 MSCFD. На последующих стадиях продувки расход может увеличиваться до тех пор, пока не достигнет величины расхода нормального рабочего режима. Кроме того, давление потока извне может лежать в диапазоне от атмосферного давления до давления на 50 psi (345 кПа) выше атмосферного давления. Кроме того, температура потока извне может лежать в диапазоне от температуры на 20°С выше атмосферной температуры до температуры на 150°С выше атмосферной температуры. Кроме того, температура потока извне может быть менее 550°F (288°С), менее 500°F (260°С), менее 450°F (232°С) или менее 350°F (177°С), может быть равна температуре исходного газообразного потока, быть на 50°F выше температуры исходного газообразного потока, на 100°F выше температуры исходного газообразного потока или на 250°F выше температуры исходного газообразного потока. Например, поток извне, используемый на стадии продувки, может иметь температуру в диапазоне от 500°F (260°С) до температуры на 50°F выше температуры исходного газообразного потока, в диапазоне от 450°F (232°С) до температуры исходного газообразного потока, в диапазоне от 450°F (232°С) до температуры на 100°F выше температуры исходного газообразного потока или от 400°F (204°С) до температуры более, чем на 200°F, выше температуры исходного газообразного потока.
[0090] Для обеспечения разомкнутого пускового режима конфигурация процесса циклической адсорбции может включать дополнительные байпасные трубопроводы и разветвленные трубопроводы, предназначенные для подачи потока извне в модули со слоями адсорбента на стадии продувки. Поток извне может быть подан из внешнего источника по трубопроводу, соединенному жидкостной связью с продувочным трубопроводом. Кроме этого, конфигурация может включать один или несколько нагревательных модулей, расположенных по потоку выше продувочного трубопровода и предназначенных для нагревания потока газа извне перед пропусканием через модули со слоями адсорбента, и/или расположенных по потоку ниже трубопровода продукта продувки и предназначенных для нагревания потока продукта продувки. Нагревательный модуль может включать теплообменник, печь и т.п. Эта конфигурация также может включать один или несколько отделительных модулей, предназначенных для отделения одной или нескольких примесей от потока продукта продувки. Отделительные модули могут представлять собой резервуар мгновенной сепарации, предназначенный для снижения давления потока с целью отделения примесей от оставшейся части потока продукта продувки, или могут представлять собой адсорбционный модуль, в котором происходит взаимодействие, направленное на отделение примесей от оставшейся части потока продукта продувки. Примеси могут быть выведены из процесса, тогда как оставшаяся часть потока продукта продувки может быть направлена в один или несколько модулей регенерации. Модули регенерации могут использоваться для дополнительной очистки оставшейся части потока продукта продувки и/или увеличения давления оставшейся части потока продукта с получением потока газа извне, подаваемого в слои адсорбента.
[0091] В качестве альтернативы, пусковой режим может представлять собой замкнутый пусковой режим. Замкнутый пусковой режим может включать осуществление стадии адсорбции и, затем, стадии регенерации в каждом из слоев адсорбента, что включает прохождение потока продукта между слоями адсорбента. Стадия адсорбции может включать пропускание исходного газообразного потока через слой адсорбента с целью адсорбции одной или нескольких примесей из исходного газообразного потока и отведение из модуля со слоями адсорбента образующегося потока продукта. Полученный поток продукта может быть пропущен через другой, или второй, слой адсорбента, в котором осуществляется стадия регенерации. Поток продукта, который используют в качестве продувочного потока, может быть пропущен через слой адсорбента с целью удаления из модуля со слоями адсорбента одной или нескольких примесей (например, части примесей из модуля со слоями адсорбента или пустот слоя адсорбента) и отведения из модуля со слоями адсорбента потока продукта продувки. Поток продукта продувки может быть сожжен в факеле или может быть соединен с топливным газом.
[0092] Понятно, что в данном процессе может быть использовано множество модулей со слоями адсорбента. В каждом из модулей со слоями адсорбента может осуществляться последовательность операций пускового режима, но на разных стадиях. Например, в любой момент времени в некоторых модулях со слоями адсорбента может проводиться стадия адсорбции, а в других - стадия продувки.
[0093] Например, фиг. 4 представляет собой примерную технологическую схему осуществления замкнутого пускового режима процесса циклической адсорбции в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящих технологий. Показанный в виде технологической схемы 400 способ осуществления пускового режима включает использование потока продукта одного модуля со слоями адсорбента в качестве продувочного потока для другого модуля со слоями адсорбента, в котором осуществляется стадия регенерации. В соответствии с данным способом, в двух или более модулях со слоями адсорбента в ходе цикла пускового режима осуществляют разные стадии. Для каждого из модулей со слоями адсорбента процесс циклической адсорбции включает пусковой режим с использованием потока продукта в качестве продувочного потока, как показано в блоках 402-410, что для простоты описано как выполняемое для двух модулей со слоями адсорбента. После этого модули со слоями адсорбента могут быть использованы в сочетании с последующим оборудованием, как показано в блоках 412-418, и перейти в нормальный рабочий режим, как показано в блоке 420.
[0094] Осуществление процесса начинается с осуществления пускового режима в модулях со слоями адсорбента установки циклической адсорбции, как показано в блоках 402-408. Блок 402: в первом модуле со слоями адсорбента проводят стадию адсорбции. Стадия адсорбции может включать пропускание через слой адсорбента исходного газообразного потока с целью удаления из исходного газообразного потока одной или нескольких примесей и получения потока продукта, который отводят из модуля со слоями адсорбента. Блок 404: могут быть измерены параметры потока продукта. Измерения могут быть проведены путем отбора проб, использования устройства для измерения влажности, использования газового хроматографа или использования другого оборудования для анализа состава газа. Блок 406: может быть выполнено определение того, соответствует ли поток продукта требованиям. Это определение может включать анализ потока продукта с целью определения концентрации в потоке продукта одной или нескольких примесей. Если поток продукта соответствует требованиям (например, концентрация примесей не превышает определенного порогового значения), поток продукта может быть направлен в последующие процессы. Однако, если поток продукта не соответствует требованиям (например, концентрация примесей превышает определенное пороговое значение), часть потока продукта направляют во второй модуль со слоями адсорбента, в котором осуществляется стадия его регенерации, как показано в блоке 408. По меньшей мере, часть потока продукта может составлять более 5% потока продукта, более 50% потока продукта или более 75% потока продукта. Поток продукта продувки из второго модуля со слоями адсорбента может быть сожжен в факеле или может быть смешан с потоком топливного газа. Блок 410: проводят стадию регенерации первого модуля со слоями адсорбента с использованием потока продукта из другого модуля со слоями адсорбента. Поток продукта из другого модуля со слоями адсорбента может поступать из второго модуля со слоями адсорбента или одного из других модулей со слоями адсорбента процесса циклической адсорбции, в котором осуществляется стадия адсорбции. Подача потока продукта из другого модуля со слоями адсорбента может включать пропускание потока продукта в качестве продувочного потока через первый модуль со слоями адсорбента и получение потока продукта продувки, который отводят из первого модуля со слоями адсорбента. Поток продукта продувки может включать поток продукта и часть примесей из первого модуля со слоями адсорбента. Поток продукта продувки может быть смешан с потоком топливного газа или сожжен в факеле.
[0095] После того, как параметры потока продукта стали отвечать заданным требованиям, этот поток продукта может быть использован в находящемся ниже по потоку оборудовании, как показано в блоках 412-418. Блок 412: начало пускового режима последующего оборудования. Пусковой режим последующего оборудования может включать различные стадии, предшествующие подаче в последующее оборудование потока продукта, или может начинаться с подачи потока продукта в последующее оборудование. Последующие процессы могут включать процесс CFZ, процесс криогенного извлечения NGL или процесс получения СПГ с соответствующим оборудованием для каждого из них. В то время, когда в последующем процессе начинается реализация пускового режима, в модулях со слоями адсорбента в качестве продувочного потока на стадиях регенерации модулей со слоями адсорбента может быть использована часть потока продукта. Блок 414: продувочный поток может быть подан в модули со слоями адсорбента из последующего процесса. Продувочный поток может включать головной погон или небольшую часть, отводимую из последующего процесса. Например, продувочный поток, поступающий с установки извлечения NGL может представлять собой головной погон метаноотгонной колонны, или продувочный поток может представлять собой поток топливного газа установки по производству СПГ. Блок 416: количество потока продукта, используемое на стадии регенерации, может быть скорректировано. Корректировка может основываться на количестве продувочного газа, подаваемого в модули со слоями адсорбента. Блок 418: отведение части потока продукта может быть прекращено. Количество отводимого потока продукта может быть уменьшено и прекращено, когда в последующем процессе образуется достаточное количество продувочного газа.
[0096] Когда осуществление пускового режима завершено, начинается нормальный рабочий режим, как показано в блоке 420. Блок 420: начало нормального рабочего режима. Нормальный рабочий режим может включать подачу исходного газообразного потока в модули со слоями адсорбента для проведения циклической адсорбции с целью удаления примесей и подачу потока продукта в последующий процесс. Затем, в последующем процессе этот поток продукта может проходить через различное оборудование последующего процесса с образованием потока готового продукта. Кроме того, из последующего процесса в процесс циклической адсорбции может поступать продувочный поток, который может быть использован на стадии регенерации для удаления примесей из слоев адсорбента в модулях со слоями адсорбента.
[0097] В качестве конкретного примера, исходный поток может представлять собой поток природного газа, содержащий, преимущественно, углеводороды, примеси в слое адсорбента могут представлять собой воду. На стадии регенерации соответствующего модуля со слоями адсорбента поток продукта пропускают через модуль со слоями адсорбента, вода взаимодействует с потоком продукта с образованием потока продукта продувки, который включает поток продукта и часть воды, удаленную из соответствующего слоя адсорбента.
[0098] Кроме того, поток продукта из модулей со слоями адсорбента может быть использован в пусковом режиме для одной или нескольких последующих установок, таких как метаноотгонная колонна или линия сжижения природного газа. Когда последующие процессы и установки находятся в пусковом режиме, отработавшие слои адсорбента могут быть регенерированы с использованием части потока продукта в качестве продувочного потока. В качестве альтернативы, часть потока продукта может быть нагрета, ее давление уменьшено, после чего ее направляют в другой модуль со слоями адсорбента на стадии его регенерации. Когда в последующем процессе запущен нормальный рабочий режим, продувочный поток может быть изменен и образован из потока остаточного газа, потока топливного газа или другого надлежащего потока, поступающего из последующих процессов.
[0099] В определенных вариантах осуществления изобретения поток продукта может быть дополнительно кондиционирован перед подачей в следующий модуль со слоями адсорбента на стадии его регенерации в качестве продувочного потока. В частности, перед подачей в следующий модуль со слоями адсорбента на стадии его регенерации поток продукта может быть нагрет. Стадия нагревания может включать нагревание потока продукта до температуры менее 550°F (288°С), менее 500°F (260°С), менее 450°F (232°С) или менее 350°F (177°С), до температуры исходного газообразного потока, до температуры на 50°F выше температуры исходного газообразного потока, на 100°F выше температуры исходного газообразного потока или на 250°F выше температуры исходного газообразного потока. Например, поток продукта, используемый на стадии продувки, может иметь температуру в диапазоне от 500°F (260°С) до температуры на 50°F выше температуры исходного газообразного потока, в диапазоне от 450°F (232°С) до температуры исходного газообразного потока, в диапазоне от 450°F (232°С) до температуры на 100°F выше температуры исходного газообразного потока или от 400°F (204°С) до температуры более, чем на 200°F, выше температуры исходного газообразного потока. Нагревание потока продукта может включать пропускание потока через теплообменник или подобный ему нагревательный модуль с целью увеличения температуры потока продукта. Кроме этого, перед подачей в следующий модуль со слоями адсорбента на стадии его регенерации, поток продукта может быть подвергнут обработке на стадии снижения давления. На стадии снижения давления, которая может предшествовать стадии нагревания или следовать за стадией нагревания, давление потока продукта может быть уменьшено до давления, лежащего в диапазоне от 0,1 бар абс. до 100 бар абс., которое меньше давления потока продукта. Давление может быть снижено, по меньшей мере, на 10%, по меньшей мере, на 20% или по меньшей мере, на 30% относительно давления потока продукта, отводимого со слоя адсорбента. Снижение давления потока продукта может включать пропускание потока через расширитель или резервуар мгновенной сепарации с целью уменьшения давления потока продукта.
3
[0100] В качестве дополнительного усовершенствования, путем изменения рабочих условий замкнутого пускового режима можно управлять удалением примесей из слоев адсорбента. Например, расход может лежать в диапазоне от 25 до 1000 MSCFD (1 MSCFD=28317 ст.м/д) в нормальном рабочем режиме, тогда как в пусковом режиме расход может составлять от 6,25 до 500 MSCFD. На последующих стадиях продувки расход может увеличиваться до тех пор, пока не достигнет величины расхода нормального рабочего режима. Кроме того, давление потока продукта может лежать в диапазоне от атмосферного давления до давления на 50 psi (345 кПа) выше атмосферного давления. Кроме того, температура потока продукта может лежать в диапазоне от температуры на 20°С выше атмосферной температуры до температуры на 150°С выше атмосферной температуры.
[0101] В другом варианте осуществления изобретения поток продукта продувки может быть подвергнут обработке на стадиях кондиционирования с целью извлечения углеводородов стадии регенерации. Затем кондиционированный поток продукта продувки может быть рециркулирован в модули со слоями адсорбента в качестве исходного газообразного потока или смешан с исходным газообразным потоком. Например, поток продукта продувки может быть нагрет или охлажден, затем подвергнут мгновенной сепарации с целью отделения от оставшейся части потока продукта продувки воды. Поток продукта продувки может быть нагрет до температуры более 250°F (121°С), более 350°F (177°С) или более 450°F (232°С). В других конфигурациях поток продукта продувки нагревают до температуры, которая на 5°F выше температуры точки росы потока продукта продувки, на 10°F выше температуры точки росы потока продукта продувки или на 20°F выше температуры точки росы потока продукта продувки. Благодаря нагреванию потока продукта продувки до температуры, превышающей точку росы, нагретый поток продукта продувки может быть использован в последующих процессах, например, в газовой турбине. Таким образом, азот может быть регенерирован и рециркулирован в слои адсорбента для удаления из слоев адсорбента дополнительного количества воды на следующей стадии продувки. Кроме того, продукт продувки может быть охлажден или сжат с целью удаления примесей и может быть рециркулирован, составляя при этом, по меньшей мере, часть исходного потока или, по меньшей мере, часть потока продукта. Например, для удаления примесей может быть применена мгновенная сепарация.
[0102] Для обеспечения замкнутого пускового режима конфигурация процесса циклической адсорбции может включать дополнительные байпасные трубопроводы и разветвленные трубопроводы, предназначенные для подачи потока продукта или части технологического потока в другие модули со слоями адсорбента на стадии их регенерации. Конфигурация также может включать один или несколько нагревательных модулей, расположенных по потоку выше продувочного трубопровода и предназначенных для нагревания потока продукта перед пропусканием через модули со слоями адсорбента, и/или расположенных по потоку ниже трубопровода продукта продувки и предназначенных для нагревания потока продукта продувки. Нагревательный модуль может включать теплообменник, печь и т.п. Эта конфигурация также может включать один или несколько модулей снижения давления, предназначенных для уменьшения давления потока продукта. Модули снижения давления могут включать один или несколько расширителей и/или один или несколько отделительных модулей. Отделительные модули, которые могут представлять собой резервуар мгновенной сепарации, могут предназначаться для отделения от потока продукта одной или нескольких примесей. Кроме того, конфигурация может включать один или несколько модулей регенерации, предназначенных для очистки потока продукта продувки с целью удаления из потока продукта продувки примесей.
[0103] Примерные варианты осуществления стадий, которые могут быть проведены в рамках пускового режима, показаны на фиг. 5-12. Фиг. 5 представляет собой примерную схему стадии пускового режима в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящих технологий. На схеме 500 показана стадия нагревания слоя адсорбента. На этой стадии нагревания исходный поток, который может представлять собой поток влажного газа, может быть подан по трубопроводу 502 в нагревательный модуль 504. Нагревательный модуль 504 может предназначаться для нагревания исходного потока до температуры менее 550°F (288°С), менее 500°F (260°С), менее 450°F (232°С) или менее 350°F (177°С), до температуры исходного газообразного потока, до температуры на 50°F выше температуры исходного газообразного потока, на 100°F выше температуры исходного газообразного потока или на 250°F выше температуры исходного газообразного потока. Например, поток, используемый на стадии продувки, может иметь температуру в диапазоне от 500°F (260°С) до 50°F (10°С), в диапазоне от 450°F (232°С) до 100°F (38°С) или от 400°F (204°С) до 200°F (93°С) (например, температуру выше температуры исходного газообразного потока). После этого нагретый поток может быть направлен в модуль 506 снижения давления. Модуль 506 снижения давления может предназначаться для снижения давления нагретого потока до давления в диапазоне от 0,1 бар абс. до 100 бар абс., которое меньше давления потока до модуля 506 снижения давления, или которое может быть, по меньшей мере, на 10%, по меньшей мере, на 20% или по меньшей мере, на 30% меньше давления потока до модуля 506 снижения давления. Затем полученный продувочный поток из модуля 506 снижения давления подают в модуль 508 со слоями адсорбента в качестве продувочного потока. Продувочный поток может быть пропущен через модуль со слоями адсорбента с целью удаления одной или нескольких примесей из модуля 508 со слоями адсорбента и отведен по трубопроводу 510 как поток продукта продувки.
[0104] Показанный на схеме 500 модуль 508 со слоями адсорбента изначально может находиться в равновесии с окружающей средой. Затем исходный поток нагревают для удаления примесей, таких как вода. Этот исходный поток также может быть заменен на поток извне, такой как азот, если есть такая возможность.
[0105] Фиг. 6А и 6В представляют собой примерные схемы 600 и 620, связанные с другой стадией пускового режима в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящих технологий. На схеме 600 фиг. 6А показана стадия сброса давления. На стадии сброса давления поток сброса давления, который может представлять собой часть газа внутри модуля 602 со слоями адсорбента, может быть направлен по трубопроводу 604 на сжигание в факеле (не показано). Стадия сброса давления может быть применена для удаления большого количества примесей, таких как вода, из модуля 602 со слоями адсорбента.
[0106] На фиг. 6В на графике 620 показана зависимость 626 от давления: 624 - ось адсорбции в моль на килограмм (моль/кг); 622 - ось давления в бар. На графике 620 зависимость 626 отражает равновесное заполнение как функцию парциального давления. По мере снижения давления в слое адсорбента парциальное давление уменьшается, вызывая уменьшение заполнения адсорбента. Это приводит к десорбции из слоя адсорбента примеси, которая может быть отведена на сжигание в факеле.
[0107] Фиг. 7 представляет собой примерную схему 700, связанную с еще одной стадией пускового режима в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящих технологий. На схеме 700 показана стадия продувки газом извне. На стадии продувки газом извне поток газа извне, который может представлять собой поток, преимущественно, азота, может быть подан по трубопроводу 702 в нагревательный модуль 704. Нагревательный модуль 704 может предназначаться для нагревания потока газа извне до температуры менее 550°F (288°С), менее 500°F (260°С), менее 450°F (232°С) или менее 350°F (177°С), до температуры исходного газообразного потока, до температуры на 50°F выше температуры исходного газообразного потока, на 100°F выше температуры исходного газообразного потока или на 250°F выше температуры исходного газообразного потока. Например, поток продукта, используемый на стадии продувки, может иметь температуру в диапазоне от 500°F (260°С) до температуры на 50°F выше температуры исходного газообразного потока, в диапазоне от 450°F (232°С) до температуры исходного газообразного потока, в диапазоне от 450°F (232°С) до температуры на 100°F выше температуры исходного газообразного потока или от 400°F (204°С) до температуры более, чем на 200°F, выше температуры исходного газообразного потока. Затем нагретый поток газа извне может быть подан в модуль 706 со слоями адсорбента в качестве нагретого продувочного потока. Нагретый продувочный поток может быть пропущен через модуль 706 со слоями адсорбента с целью удаления одной или нескольких примесей из модуля 706 со слоями адсорбента и отведен по трубопроводу 708 как поток продукта продувки. Поток продукта продувки может быть подвергнут кондиционированию и/или сожжен в факеле.
[0108] Фиг. 8 представляет собой примерную схему 800, связанную со стадией замкнутого пускового режима в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящих технологий. На схеме 800 показано два модуля со слоями адсорбента, в которых осуществляют разные стадии последовательности операций пускового режима. В первом модуле 802 со слоями адсорбента может осуществляться стадия адсорбции, тогда как во втором модуле 804 со слоями адсорбента может осуществляться стадия регенерации (например, стадия продувки). На стадии адсорбции исходный поток может быть подан по трубопроводу 806 в первый модуль 802 со слоями адсорбента. Исходный поток в модуле 802 со слоями адсорбента может взаимодействовать со слоем адсорбента, в результате чего из исходного потока удаляется одна или несколько примесей, и образовавшийся поток может быть выведен и подан по трубопроводу в нагревательный модуль 808. Нагревательный модуль 808 может предназначаться для нагревания потока продукта до температуры менее 550°F (288°С), менее 500°F (260°С), менее 450°F (232°С) или менее 350°F (177°С), до температуры исходного газообразного потока, до температуры на 50°F выше температуры исходного газообразного потока, на 100°F выше температуры исходного газообразного потока или на 250°F выше температуры исходного газообразного потока. Например, поток продукта, используемый на стадии продувки, может иметь температуру в диапазоне от 500°F (260°С) до температуры на 50°F выше температуры исходного газообразного потока, в диапазоне от 450°F (232°С) до температуры исходного газообразного потока, в диапазоне от 450°F (232°С) до температуры на 100°F выше температуры исходного газообразного потока или от 400°F (204°С) до температуры более, чем на 200°F, выше температуры исходного газообразного потока. Затем нагретый поток продукта может быть подан в модуль 810 снижения давления. Модуль 810 снижения давления может предназначаться для снижения давления нагретого потока продукта до давления в диапазоне от 0,1 бар абс. до 100 бар абс., которое меньше давления потока до модуля 810 снижения давления, или которое может быть, по меньшей мере, на 10%, по меньшей мере, на 20% или по меньшей мере, на 30% меньше давления потока до модуля 810 снижения давления. Затем полученный поток из модуля 810 снижения давления подают во второй модуль 804 со слоями адсорбента в качестве продувочного потока стадии регенерации второго модуля 804 со слоями адсорбента. Продувочный поток может быть пропущен через второй модуль 804 со слоями адсорбента с целью удаления одной или нескольких примесей из слоя адсорбента во втором модуле 804 со слоями адсорбента и отведен по трубопроводу 812 как поток продукта продувки. Поток продукта продувки может быть смешан с топливным потоком, подвергнут кондиционированию и/или сожжен в факеле.
[0109] Преимущественно, на этой стадии замкнутого пускового режима подаваемое в процесс сырье используют для кондиционирования модулей со слоями адсорбента, что представляет собой процесс автономного кондиционирования модулей со слоями адсорбента в рамках процесса циклической адсорбции. Этот процесс может продолжаться до тех пор, пока поток продукта не будет обладать параметрами, удовлетворяющими требованиям последующего процесса. Кроме того, для улучшения этого процесса, если нужно, могут быть скорректированы длительность цикла, величины расхода, давления и температуры.
[0110] Фиг. 9А и 9В представляют собой примерные схемы 900 и 920, связанные со стадией замкнутого пускового режима в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящих технологий. Они относятся к конфигурации, представленной на фиг. 8. На фиг. 9А на схеме 900 показана зависимость 908 содержания примеси: 902 - содержание примеси в частях на миллион (ppm); по оси 904 отложено количество осуществленных циклов. Как показано на схеме 900, содержание 908 примеси продолжает снижаться в каждом осуществленном в модулях со слоями адсорбента цикле, что изображено отдельными точками, образующими зависимость 908 содержания примеси. Заданный порог 906 показан как установленный равным 0,1 ppm. Этот процесс, осуществляемый с использованием данной последовательности операций пускового режима, достигает заданных требований на 10-м цикле. На схеме 900 показана концентрация воды в потоке продукта после каждого последующего цикла.
[0111] На схеме 920 фиг. 9В показаны зависимости 930, 931, 932, 933, 934, 935, 936, 937 и 938 адсорбции примеси, отложенные по оси 922 адсорбции в моль/кг, от положения вдоль оси слоя 924, которое представляет собой нормализованное положение, равное положению вдоль оси, деленному на длину слоя адсорбента. На схеме 920 зависимость 930 соответствует моменту до начала осуществления циклов, зависимость 931 соответствует первому циклу, зависимость 932 - второму циклу, зависимость 933 - четвертому циклу, зависимость 934 - шестому циклу, зависимость 935 - восьмому циклу, зависимость 936 - десятому циклу, зависимость 937 - двенадцатому циклу, зависимость 938 - четырнадцатому циклу. Зависимости 930, 931, 932, 933, 934, 935, 936, 937 и 938 адсорбции примеси в модулях со слоями адсорбента продолжают снижаться в каждом проведенном цикле. На схеме 920 показано заполнение адсорбента как функция положения в слое адсорбента. Сначала весь слой находится в равновесии с окружающей средой. После первого цикла на конце отведения продукта слоя начинается обезвоживание. На 10-м цикле достигается заданный профиль слоя адсорбента, когда получаемый поток продукта отвечает требованиям.
[0112] Фиг. 10 представляет собой примерную схему 1000, связанную с другой стадией пускового режима в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящих технологий. На схеме 1000 показано два модуля 1002 и 1004 со слоями адсорбента, в которых осуществляют разные стадии последовательности операций замкнутого пускового режима после того, как в потоке продукта достигнуто соответствие заданному пороговому значению. Эта стадия может быть проведена за один или несколько циклов после осуществления циклов, соответствующих фиг. 8, и может быть использована для запуска последующих процессов, таких как извлечение NGL. В первом модуле 1002 со слоями адсорбента может осуществляться стадия адсорбции, тогда как во втором модуле 1004 со слоями адсорбента может осуществляться стадия регенерации (например, стадия продувки). На стадии адсорбции исходный поток может быть подан по трубопроводу 1006 в первый модуль 1002 со слоями адсорбента. Исходный поток в модуле 1002 со слоями адсорбента может взаимодействовать со слоем адсорбента, в результате чего из исходного потока удаляется одна или несколько примесей, и образовавшийся поток может быть выведен и подан по трубопроводу в распределитель 1008. Распределитель 1008 может направлять первую часть потока продукта в последующий процесс по трубопроводу 1010, а вторую часть потока продукта - в нагревательный модуль 1012 по трубопроводу 1014. Распределитель может представлять собой настраиваемый клапан или группу клапанов. Нагревательный модуль 1012 может предназначаться для нагревания второй части потока продукта до температуры более 250°F (121°С), более 350°F (177°С) или более 450°F (232°С). Затем нагретый поток может быть подан в модуль 1016 снижения давления. Модуль 1016 снижения давления может предназначаться для снижения давления нагретого потока продукта до давления в диапазоне от 0,1 бар абс. до 100 бар абс., которое меньше давления потока до модуля 1016 снижения давления, или которое может быть, по меньшей мере, на 10%, по меньшей мере, на 20% или по меньшей мере, на 30% меньше давления потока до модуля 1016 снижения давления. Затем полученный поток из модуля 1016 снижения давления подают во второй модуль 1004 со слоями адсорбента в качестве продувочного потока стадии регенерации второго модуля 1004 со слоями адсорбента. Продувочный поток может быть пропущен через второй модуль 1004 со слоями адсорбента с целью удаления одной или нескольких примесей из слоя адсорбента во втором модуле 1004 со слоями адсорбента и отведен по трубопроводу 1018 как поток продукта продувки. Поток продукта продувки может быть смешан с топливным потоком, подвергнут кондиционированию и/или сожжен в факеле.
[0113] Фиг. 11 представляет собой примерную схему 1100, связанную с еще одной стадией пускового режима в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящих технологий. На схеме 1100 показано два модуля 1002 и 1004 со слоями адсорбента, в которых осуществляют разные стадии последовательности операций замкнутого пускового режима после того, как в потоке продукта достигнуто соответствие заданному пороговому значению, и после того, как из последующего процесса в модули 1002 и 1004 со слоями адсорбента начал поступать продувочный поток. Эта стадия может быть проведена за один или несколько циклов после осуществления циклов, соответствующих фиг. 10 (с соответствующими фиг. 10 номерами позиций), и может быть использована для перехода процесса циклической адсорбции или последующих процессов к нормальному рабочему режиму. В данной конфигурации распределитель 1008 может быть отрегулирован так, чтобы увеличить первую часть потока продукта, подаваемую по трубопроводу 1010 в последующий процесс, и уменьшить вторую часть потока продукта, подаваемую по трубопроводу 1014 в нагревательный модуль 1012 и модуль 1016 снижения давления. Эта регулировка может основываться на объеме потока головного погона, поступающего из последующего процесса по трубопроводу 1102. Регулировка может включать использование клапана и/или системы управления в каскадной конфигурации, регулирование расхода при помощи клапана или блокирование потока при помощи одного или нескольких клапанов. Этот способ может быть использован для переведения процесса циклической адсорбции из RCTSA в RCPSA. Кроме того, этот способ может быть использован для запуска процесса извлечения NGL и/или производства СПГ.
[0114] Фиг. 12 представляет собой примерную схему 1200, связанную с нормальным рабочим режимом. На схеме 1200 показано два модуля 1202 и 1204 со слоями адсорбента, в которых осуществляют разные стадии последовательности операций нормального рабочего режима после завершения пускового режима. В первом модуле 1202 со слоями адсорбента может осуществляться стадия адсорбции, тогда как во втором модуле 1204 со слоями адсорбента может осуществляться стадия регенерации (например, стадия продувки). На стадии адсорбции исходный поток может быть подан по трубопроводу 1206 в первый модуль 1202 со слоями адсорбента. Исходный поток в модуле 1202 со слоями адсорбента может взаимодействовать со слоем адсорбента, в результате чего из исходного потока удаляется одна или несколько примесей, и образовавшийся поток может быть выведен по трубопроводу 1208 и подан в последующий процесс. На стадии регенерации продувочный поток направляют по трубопроводу 1210 из последующего процесса во второй модуль 1204 со слоями адсорбента. Продувочный поток может быть пропущен через второй модуль 1204 со слоями адсорбента с целью удаления одной или нескольких примесей из слоя адсорбента во втором модуле 1204 со слоями адсорбента и отведен по трубопроводу 1212 как поток продукта продувки. Поток продукта продувки может быть смешан с топливным потоком, подан в компрессор остаточного газа или другой дополнительный процесс кондиционирования.
[0115] Понятно, что способ осуществления пускового режима может включать различные сочетания стадий осуществления пускового режима. Разные пусковые режимы могут быть соединены друг с другом с образованием интегрированного пускового режима. Например, в ходе пускового режима в нескольких начальных циклах может использоваться последовательность операций разомкнутого пускового режима, после чего может быть осуществлен переход к последовательности операций замкнутого пускового режима. Кроме того, стадия пускового режима, показанная на фиг. 8, может использоваться после стадии пускового режима, показанной на фиг. 7, и/или стадии пускового режима, показанной на фиг. 3.
[0116] В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения адсорбент может включать адсорбирующий материал, нанесенный на неадсорбирующий носитель. Не имеющими ограничительного характера примерами адсорбирующих материалов являются оксид алюминия, микропористые цеолиты, углерод, катионогенные цеолиты, цеолиты с высоким содержанием оксида кремния, высококремнеземистые упорядоченные мезопористые материалы, золь-гель материалы, материалы ALPO (aluminum phosphorous and oxygen - фосфористый алюминий и кислород) (микропористые и мезопористые материалы, содержащие, преимущественно, фосфористый алюминий и кислород), материалы SAPO (silicon aluminum phosphorous and oxygen - фосфористый кремний-алюминий и кислород) (микропористые и мезопористые материалы, содержащие, преимущественно, фосфористый кремний-алюминий и кислород), материалы MOF (metal organic framework - металлорганический каркас) (микропористые и мезопористые материалы с металлорганическим каркасом) и микропористые и мезопористые материалы с каркасом цеолит имидазолат. Другие материалы включают микропористые и мезопористые сорбенты с функциональными группами. Примерами функциональных групп являются первичные, вторичные, третичные амины и другие непротогенные основные группы, такие как амидины, гуанидины и бигуаниды.
[0117] В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения модуль со слоями адсорбента может быть использован для отделения загрязняющих примесей от исходного потока в нормальном рабочем режиме. Способ может включать пропускание исходного газообразного потока при давлении подачи через модуль со слоями адсорбента, включающий адсорбирующий контактор, с целью отделения одной или нескольких загрязняющих примесей от исходного газообразного потока с получением потока продукта, при этом, адсорбирующий контактор включает первую часть и вторую часть; прекращение подачи исходного газообразного потока; проведение стадии снижения давления, при этом, на стадии снижения давления происходит уменьшение давления в модуле со слоями адсорбента; проведение необязательной стадии нагревания, при этом, на стадии нагревания происходит увеличение температуры в модуле со слоями адсорбента и возникновение разности температур между концом подачи слоя адсорбента и концом отведения продукта слоя адсорбента; проведение стадии продувки, при этом, на стадии продувки происходит уменьшение давления в модуле со слоями адсорбента; проведение стадии восстановления давления, при этом, на стадии восстановления давления происходит увеличение давления в модуле со слоями адсорбента; и повторение стадий а) -е), по меньшей мере, в еще одном дополнительном цикле.
[0118] Кроме того, в одном или нескольких вариантах осуществления изобретения модуль со слоями адсорбента может включать слой адсорбента, который может быть использован для отделения целевого газа от газообразной смеси. Адсорбент обычно образован из адсорбирующего материала, нанесенного на неадсорбирующий носитель, или контактор. В таких контакторах имеются, по существу, параллельные каналы, в которых 20% об., предпочтительно, 15% об. или менее открытого порового объема контактора, исключая каналы потока, составляют поры размером более, примерно, 20 Ангстрем. Каналом потока считается та часть контактора, по которой протекает газ, если стационарный перепад давления приложен между точкой или местом, в котором исходный поток поступает в контактор, и точкой или местом, в котором поток продукта выходит из контактора. В контакторе адсорбент встроен в стенки канала потока.
[0119] В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения при использовании процесса RCTSA или интегрированного процесса RCРSA и RCTSA, общая длительность цикла в нормальном рабочем режиме обычно составляет менее 600 секунд, предпочтительно, менее 400 секунд, предпочтительно, менее 300 секунд, предпочтительно, менее 250 секунд, предпочтительно, менее 180 секунд, более предпочтительно, менее 90 секунд, еще более предпочтительно, менее 60 секунд. В другом варианте осуществления изобретения процесс короткоцикловой адсорбции в пусковом режиме может проводиться при меньших величинах расхода, чем в нормальном рабочем режиме, из-за чего длительность цикла может быть больше, чем в нормальном рабочем режиме. Например, длительность цикла пускового режима может составлять больше 1 секунды и меньше 2400 секунд, больше 1 секунды и меньше 1500 секунд, больше 1 секунды и меньше 1000 секунд, больше 1 секунды и меньше 600 секунд, больше 2 секунд и меньше 800 секунд, больше 2 секунд и меньше 400 секунд, больше 5 секунд и меньше 150 секунд или больше 5 секунд и меньше 90 секунд.
[0120] Ввиду множества возможных вариантов осуществления изобретения, к которым приложимы принципы раскрытого изобретения, следует признать, что иллюстративные варианты осуществления изобретения являются лишь предпочтительными примерами изобретения и не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения.