СПОСОБ УДАЛЕНИЯ АЗОТА ИЗ ОБОГАЩЕННОЙ УГЛЕВОДОРОДОМ ФРАКЦИИ
METHOD OF REMOVING NITROGEN FROM A HYDROCARBON-ENRICHED FRACTION

Изобретение относится к способу получения сжиженной обогащенной углеводородом фракции (фракции продукта) с содержанием азота ≤1 мол. %, в котором обогащенную углеводородом фракцию сжижают и переохлаждают с помощью холодильного контура, а затем подвергают ректификационному удалению азота.
Под термином «холодильный контур» в дальнейшем следует понимать любую холодильную установку и любой холодильный контур, посредством которых обогащенная углеводородом фракция может быть сжижена и затем переохлаждена. Только иллюстративные примеры включают контуры охладителя (смеси) с фазовым превращением и без него, детандерные контуры, абсорбционные системы охлаждения и т.д.
Для азотсодержащих природных газов необходимы подходящие меры по сжижению, чтобы концентрация азота в СПГ (сжиженном природном газе) составляла не более 1 мол. %, иначе возможно появление нежелательных и опасных слоев СПГ различной плотности в резервуаре для хранения СПГ. Известный способ удаления азота состоит в отведении потока топливного газа на холодном конце процесса сжижения природного газа, имеющего явно повышенное содержание азота по сравнению с необработанным газом. Таким образом, для СПГ можно достичь содержания азота не более 1 мол. %, даже если концентрация азота в необработанным газе значительно превышает 1 мол. %. Если газовая турбина должна принимать по меньшей мере часть этого топливного газа, то, в соответствии с конструкцией газовой турбины, здесь также необходимо соблюдать максимально допустимую концентрацию азота, составляющую от 15 до 45 мол. %.
2
4
2
4
Однако, если содержание азота в природном газе настолько велико, что невозможно одновременно соответствовать максимально допустимому содержанию азота в СПГ и в топливном газе, то обычно приходится выделять высококонцентрированный поток азота, содержащий ≥99 мол. % азота, и выпускать его непосредственно в атмосферу. Этот высококонцентрированный поток азота может быть получен путем разделения топливного газа в так называемой установке удаления азота (УУА) после фактического процесса сжижения природного газа или посредством разделения N/CH, интегрированного в процесс сжижения природного газа, как известно, например, из патента США 7520143. В этом разделении N/CH высококонцентрированную фракцию азота, смесь азот/углеводород и фракцию продукта СПГ выводят из процесса разделения. При этом азот отделяют от общего потока необработанного газа в колонне, получая технически чистый азот. Такое значительное обогащение азотом, достигающее, исходя из содержания азота в необработанным газе, обычно до ≥99 мол. % азота, которое происходит при неудовлетворительном равновесии газ/жидкость из-за повышенного давления, требует сравнительно высокой интенсивности разделения и, следовательно, высокого энергопотребления. Во многих случаях, однако, желательно не выделять никаких дополнительных фракций, кроме сжиженного природного газа и высококонцентрированной фракции азота.
Целью настоящего изобретения является создание способа, относящегося к получению сжиженной обогащенной углеводородом фракции продукта с содержанием азота ≤1 мол. %, в котором избегают выделения смеси азот/углеводород при сохранении низких капитальных и эксплуатационных расходов и, помимо сжиженной обогащенной углеводородом фракции продукта, получают только высококонцентрированную фракцию азота с содержанием азота по меньшей мере 98 мол. %, предпочтительно ≥99 мол. %.
Для достижения этой цели предложен способ получения сжиженной обогащенной углеводородом фракции продукта с содержанием азота ≤1 мол. %, который отличается тем, что:
а) сжиженную и переохлажденную обогащенную углеводородом фракцию расширяют и подают в колонну отгонки азота,
б) фракцию продукта отводят из ее нижней части,
в) обогащенную азотом фракцию отводят из ее верхней части, сжимают, сжижают и переохлаждают с помощью холодильного контура, расширяют и подают в колонну азота высокого давления,
г) часть потока обогащенной азотом фракции из колонны азота высокого давления, который был охлажден с помощью холодильного контура, подают в качестве ребойлерного потока, а
д) обедненную азотом фракцию отводят из ее нижней части и подают в колонну отгонки азота,
е) причем две колонны находятся в тепловом контакте через теплообменник, который служит в качестве ребойлера для колонны отгонки азота и в качестве конденсатора легких фракций для колонны азота высокого давления, и
ж) между двумя колоннами расположен коллектор флегмы, из которого отводят газообразный и/или жидкий поток азота высокой чистоты.
Способ получения сжиженной обогащенной углеводородом фракции продукта с содержанием азота ≤1 мол. % по настоящему изобретению позволяет фракционировать обогащенную углеводородом фракцию, подлежащую сжижению, или природный газ, подлежащий сжижению, с получением кондиционного СПГ и так называемого технически чистого азота. При этом не получают никаких дополнительных продуктов / потоков продуктов, в частности, смесей азот/метан. При сравнительно низком давлении, которое выгодно для равновесия газ/жидкость и при котором, следовательно, уменьшается сложность разделения, в колонне отгонки азота происходит уменьшение содержания азота до ≤1 мол. % в фракции продукта, которую отводят из нижней части колонны отгонки азота, при этом не предъявляют особых требований к чистоте обогащенной азотом фракции, которую отводят из верхней части этой колонны, в отношении содержания азота в ней. Эта обогащенная азотом фракция представляет собой только часть обогащенной углеводородом фракции, подлежащей сжижению. Поскольку только эту обогащенную азотом фракцию подвергают предельному обогащению азотом до >98 мол. % в колонне азота высокого давления, то сложность устройства и энергопотребление значительно снижаются по сравнению со способами, известными из уровня техники.
Дополнительные предпочтительные воплощения способа получения сжиженной обогащенной углеводородом фракции продукта по настоящему изобретению, которые заявлены в зависимых пунктах формулы изобретения, отличаются тем, что:
- в обогащенной углеводородом фракции, подлежащей сжижению, содержание азота составляет по меньшей мере 2 мол. %, предпочтительно по меньшей мере 3 мол. %,
- сжиженную и переохлажденную обогащенную углеводородом фракцию (2) расширяют до давления 110-200 кПа (1,1-2,0 бар), предпочтительно 115-150 кПа (1,15-1,5 бар),
- обогащенную азотом фракцию, отведенную из верхней части колонны отгонки азота, сжимают до давления 2,5-5,0 МПа (25-50 бар), предпочтительно 3,0-4,5 МПа (30-45 бар),
- колонна азота высокого давления работает при давлении 2,0-3,0 МПа (20-30 бар), предпочтительно 2,2-2,7 МПа (22-27 бар),
- количество ребойлерного потока составляет от 10% до 70%, предпочтительно от 20% до 50%, от количества сжатой обогащенной азотом фракции,
- в потоке азота высокой чистоты, который отводят из коллектора флегмы, содержание азота составляет по меньшей мере 98 мол. %, предпочтительно по меньшей мере 99 мол. %,
- в обогащенной азотом фракции, которую отводят из верхней части колонны отгонки азота, содержание азота составляет от 10 до 60 мол. %, предпочтительно от 30 до 50 мол. %,
- если топливный газ требуется по меньшей мере в одной точке в способе, то используемый топливный газ является частью потока обогащенной углеводородом фракции, подлежащей сжижению, и/или частью потока сжатой обогащенной азотом фракции, подлежащей охлаждению.
Способ получения сжиженной обогащенной углеводородом фракции продукта по настоящему изобретению и его дополнительные предпочтительные воплощения подробно пояснены демонстрационным примером, показанным на Фиг. 1.
Обогащенную углеводородом фракцию 1, подлежащую сжижению, сжижают и переохлаждают в теплообменниках Е1, Е2 и Е3 или областях теплообмена с помощью холодильного контура. Для ясности холодильный контур K показан только в схематичной форме. Его конструкция не имеет значения для реализации способа по настоящему изобретению. Он только должен быть спроектирован таким образом, чтобы он мог обеспечивать достаточную холодопроизводительность для сжижения и переохлаждения обогащенной углеводородом фракции и для сжижения и переохлаждения обогащенной азотом фракции 5, отведенной из верхней части колонны Т1 отгонки азота, которая будет подробно обсуждаться ниже. В воплощении, показанном на Фиг. 1, сжижение и переохлаждение обогащенной углеводородом фракции 1 и вышеупомянутой обогащенной азотом фракции 5 осуществляют в трех теплообменниках Е1-Е3 или областях теплообмена, где теплообменник Е1 служит для охлаждения, теплообменник Е2 служит для сжижения, а теплообменник Е3 служит для переохлаждения вышеупомянутых фракций. Вместо указанных трех теплообменников Е1-Е3 возможны любые комбинации теплообменников, что означает, что также можно использовать, например, так называемый спирально-змеевиковый теплообменник.
Переохлажденная обогащенная углеводородом фракция 2 имеет температуру от -150°С до -160°С. Ее расширяют в клапане V1 до давления 110-200 кПа (1,1-2,0 бар), предпочтительно 115-150 кПа (1,15-1,5 бар), и подают в колонну Т1 отгонки азота, в ее верхнюю область, в качестве флегмы 3. С помощью теплообменника или ребойлера Е4, нагрев которого будет пояснен далее, в нижней части колонны Т1 отгонки азота устанавливают содержание азота ≤1 мол. %. Таким образом, можно отводить фракцию 4 продукта с содержанием азота ≤1 мол. % из нижней части колонны Т1 отгонки азота. Эту фракцию 4 продукта затем направляют для ее дальнейшего использования, например, для промежуточного хранения в хранилище СПГ.
Из верхней части колонны Т1 отгонки азота отводят обогащенную азотом фракцию 5, имеющую более высокое содержание азота по сравнению с сжиженной обогащенной углеводородом фракцией 3. Содержание азота в ней составляет от 10 до 60 мол. %, предпочтительно от 30 до 50 мол. %. Ее сжимают в компрессоре С1 до давления 2,5-5,0 МПа (25-50 бар), предпочтительно 3,0-4,5 МПа (30-45 бар). В теплообменнике Е5, расположенном ниже по потоку, отводят теплоту сжатия, а сжатую обогащенную азотом фракцию 6 охлаждают до температуры окружающей среды. Затем, как и обогащенную углеводородом фракцию 1, ее охлаждают в теплообменниках Е1-Е3 до температуры между -150°С и -160°С; это приводит к полной конденсации и последующему переохлаждению обогащенной азотом фракции.
Сжиженную обогащенную азотом фракцию 7 расширяют в клапане V2 и подают в колонну Т2 азота высокого давления по трубопроводу 8. Это осуществляют при давлении 2,0-3,0 МПа (20-30 бар), предпочтительно 2,2-2,7 МПа (22-27 бар). Конденсатор легких фракций, используемый в колонне Т2 азота высокого давления, представляет собой описанный выше теплообменник Е4, в котором конденсирующийся азот из колонны Т2 азота высокого давления покрывает потребность в тепле обогащенного углеводородом потока или СПГ, который кипит в нижней части колонны Т1 отгонки азота. Между двумя колоннами Т1/Т2 находится коллектор D1 флегмы, из которого отводят газообразный и/или жидкий поток 10 азота высокой чистоты. Это так называемый технически чистый азот, в котором содержание азота составляет по меньшей мере 98 мол. %, предпочтительно по меньшей мере 99 мол. %.
В колонну Т2 азота высокого давления через клапан V3 подают при соответствующей температуре часть потока обогащенной азотом фракции 5/6, который был охлажден в холодильном контуре К, в качестве ребойлерного потока. Количество ребойлерного потока 9 предпочтительно составляет от 10% до 70%, в частности, от 20% до 50% от количества сжатой обогащенной азотом фракции 6. Ребойлерный поток 9 можно отводить между теплообменниками Е1 и Е2, а также между теплообменниками Е2 и Е3.
Из нижней части колонны Т2 азота высокого давления отводят обедненную азотом фракцию 11, имеющую более низкое содержание азота по сравнению с обогащенной азотом фракцией 5. Ее расширяют в клапане V4 и подают в колонну Т1 отгонки азота ниже точки подачи сжиженной обогащенной углеводородом фракции 3.
Если топливный газ требуется по меньшей мере в одной точке в способе, то используемый топливный газ может представлять собой часть потока обогащенной углеводородом фракции 1, подлежащей сжижению, и/или часть потока сжатой обогащенной азотом фракции 6, подлежащей охлаждению.