СПОСОБ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА
METHOD FOR LOW-TEMPERATURE SEPARATION OF HYDROCARBON GAS

Изобретение относится к технологии переработки углеводородных газов путем низкотемпературной конденсации и может быть использовано в нефте- и газоперерабатывающей промышленности.
6
Известен способ сжижения природного газа (см. патент РФ № 2093765, МПК F25J 1/00, опубл. 20.10.1997 г.), в соответствии с которым исходный газ охлаждают под давлением, затем отсепарированную газообразную фазу расширяют в турбодетандере для понижения ее давления и направляют в первую колонну на фракционирование путем контакта с получением в верхней части газовой фазы, обогащенной метаном, и жидкой фазы в нижней части, которую подают во вторую колонну на фракционирование путем дистилляции с получением газообразной фазы в верхней части и жидкой фазы, обогащенной углеводородами более тяжелыми, чем метан, в качестве нижнего продукта, затем полученную газообразную фазу охлаждают и отделяют от нее жидкую фазу, которую подают на орошение второй колонны, после чего газообразную фазу охлаждают газовой фазой, обогащенной метаном, и подают в сконденсированном виде в первую колонну в качестве орошения, при этом фракционирование во второй колонне производят при давлении, меньшем, чем в первой колонне, и перед подачей, по меньшей мере, части сконденсированной газообразной фазы в первую колонну в качестве орошения повышают ее давление.
Общими признаками известного и предлагаемого способов являются:
- подача подготовленного и охлажденного потока углеводородного газа в первую колонну с получением верхнего продукта - газовой фазы, обогащенной метаном, и нижнего продукта - конденсата, направляемого во вторую колонну;
- получение во второй колонне газообразной фазы и жидкой фазы, обогащенной углеводородами более тяжелыми, чем метан;
- охлаждение полученной газообразной фазы;
- отделение газообразной фазы от жидкой фазы, подаваемой на орошение второй колонны;
- охлаждение газообразной фазы верхним продуктом первой колонны;
- подача сконденсированной газообразной фазы в первую колонну в качестве орошения.
Недостатками известного способа являются:
- повышенное давление в первой колонне, которое требует более высокого давления исходного газа для получения необходимого уровня холода за счет детандирования отсепарированной газообразной фазы;
- пониженное давление во второй колонне, приводящее к увеличению потерь целевых тяжелых углеводородов с верхним газообразным продуктом, что приводит, в свою очередь, к увеличению содержания тяжелых углеводородов в орошении первой колонны и увеличению потерь целевых тяжелых углеводородов с верхним газообразным продуктом из нее.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ низкотемпературного разделения углеводородного газа (см. патент US 4690702, F25J 3/02, С07С 7/09, опубл. 01.09.1987 г.), при котором углеводородный газ охлаждают при высоком давлении таким образом, чтобы вызвать сжижение части углеводородов, отделяют газовую фазу от жидкой фазы, расширяют газовую фазу для понижения давления и охлаждения, направляют жидкую и газовую фазу в первую зону фракционирования, из верхней части которой отводят остаточный газ, обогащенный метаном, а из нижней части жидкую фазу, направляемую во вторую зону фракционирования с получением газообразной фазы в качестве верхнего продукта и жидкой фазы, обогащенной высшими углеводородами, в качестве нижнего продукта, охлаждают полученную газообразную фазу и отделяют от нее жидкую фазу, которую подают на орошение второй зоны фракционирования, после чего охлаждают отделенную газообразную фазу остаточным газом, обогащенным метаном, и подают в сконденсированном виде в первую зону фракционирования в качестве орошения.
Общими признаками известного и предлагаемого способов являются:
- подача подготовленного и охлажденного углеводородного сырья на первую ступень фракционирования с получением верхнего продукта - газовой фазы, обогащенной метаном, и нижнего продукта - конденсата, направляемого на вторую ступень фракционирования;
3+выше
- получение на второй ступени фракционирования газовой фазы деэтанизации и жидкой фазы, обогащенной тяжелыми углеводородами С;
- охлаждение газовой фазы деэтанизации;
- разделение газовой фазы деэтанизации на газ деэтанизации и жидкую фазу, подаваемую на орошение второй ступени фракционирования;
- охлаждение газа деэтанизации верхним продуктом первой ступени фракционирования;
- подача сконденсированного газа деэтанизации на первую ступень фракционирования в качестве орошения.
3+выше
Недостатком известного способа является недостаточная степень охлаждения и конденсации газа деэтанизации, подаваемого на орошение первой ступени фракционирования, вследствие его охлаждения только за счет верхнего продукта первой ступени фракционирования, что приводит к снижению извлечения из углеводородного газа целевых углеводородов - фракции С из углеводородного газа.
3+выше
Техническая задача заключается в повышении степени извлечения из углеводородного газа фракции С - широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ).
3+выше
Поставленная задача достигается тем, что в способе низкотемпературного разделения углеводородного газа, включающем подачу подготовленного и охлажденного потока углеводородного газа на первую ступень фракционирования с получением верхнего продукта - газовой фазы, обогащенной метаном, и нижнего продукта - конденсата, направляемого на вторую ступень фракционирования с отводом полученной газовой фазы деэтанизации и жидкой фазы, обогащенной тяжелыми углеводородами С, охлаждение газовой фазы деэтанизации и ее разделение на газ деэтанизации и жидкую фазу, подаваемую на орошение второй ступени фракционирования, охлаждение газа деэтанизации верхним продуктом первой ступени фракционирования и подачу сконденсированного газа деэтанизации на первую ступень фракционирования в качестве орошения, перед охлаждением газа деэтанизации верхним продуктом первой ступени фракционирования осуществляют его дополнительное охлаждение путем теплообмена с потоком нижней зоны первой ступени фракционирования.
Кроме того, часть жидкой фазы, отделенной от газа деэтанизации и подаваемой на орошение второй ступени фракционирования, отбирают и смешивают с потоком газа деэтанизации перед его дополнительным охлаждением потоком нижней зоны первой ступени фракционирования.
Кроме того, часть жидкой фазы, отделенной от газа деэтанизации и подаваемой на орошение второй ступени фракционирования, отбирают и смешивают с потоком дополнительно охлаждаемого газа деэтанизации перед подачей его на теплообмен с верхним продуктом первой ступени фракционирования.
Кроме того, охлаждение полученной на второй ступени фракционирования газовой фазы деэтанизации осуществляют нижним продуктом первой ступени фракционирования.
Кроме того, осуществляют доохлаждение полученной на второй ступени фракционирования газовой фазы деэтанизации пропановым холодом.
Кроме того, нижний продукт первой ступени фракционирования подогревают частью исходного углеводородного газа.
3+выше
3+выше
Дополнительное охлаждение газа деэтанизации потоком нижней зоны первой ступени фракционирования перед его охлаждением верхним продуктом первой ступени фракционирования позволяет за счет холода жидкости низа первой ступени фракционирования более глубоко охладить газ деэтанизации, а значит и лучше его сконденсировать, т.е. получить больше жидкости для орошения первой ступени фракционирования. Кроме того, подача газа деэтанизации сначала на теплообмен с нижним продуктом первой ступени фракционирования, а затем на теплообмен с ее верхним продуктом позволяет регулировать температуру первой ступени фракционирования и за счет снижения температуры ее верхней части позволяет уменьшить содержание углеводородов С в верхнем продукте этой ступени. Это, в свою очередь, позволяет увеличить степень извлечения ШФЛУ на второй ступени фракционирования, поскольку чем меньше углеводородов С теряется с верхним продуктом первой ступени фракционирования, тем более увеличивается их содержание в нижнем продукте этой ступени, являющемся сырьем для второй ступени фракционирования.
3+выше
3+выше
3+выше
Подача части жидкой фазы, отделенной от газа деэтанизации и подаваемой на орошение второй ступени фракционирования, на смешивание с потоком газа деэтанизации перед его дополнительным охлаждением потоком нижней зоны первой ступени фракционирования или с потоком дополнительно охлаждаемого газа деэтанизации перед его подачей на теплообмен с верхним продуктом первой ступени фракционирования позволяет (при необходимости) увеличить количество подаваемого орошения на первую ступень фракционирования. Количество отбираемой жидкой фазы может быть до 90% и определяется максимальным извлечением углеводородов С (или минимальным содержанием углеводородов С в газовой фазе первой ступени фракционирования). При увеличении отбора жидкой фазы, подаваемой на смешение с газом деэтанизации, извлечение углеводородов С растет за счет увеличения количества орошения первой колонны, а затем, при достижении оптимальной точки, начинается падение извлечения за счет увеличения содержания пропана в газе деэтанизации, происходящего из-за снижения орошения второй колонны (отбор жидкости на впрыск в газ деэтанизации уменьшает остаточное количество жидкости, которое может быть подано на орошение второй колонны).
Охлаждение полученной на второй ступени фракционирования газовой фазы деэтанизации нижним продуктом первой ступени фракционирования позволяет при переработке легкого углеводородного сырья для теплообмена использовать только внутренние потоки, не прибегая к дополнительному использованию пропанового холода, тем самым снижая эксплуатационные затраты.
3+выше
3+выше
Дополнительное доохлаждение полученной на второй ступени фракционирования газовой фазы деэтанизации пропановым холодом позволяет при переработке углеводородного сырья среднего или тяжелого состава избежать повышения температуры на первой ступени фракционирования из-за выделения тепла конденсации углеводородов и, соответственно, снижения извлечения углеводородов С, а также устранить зависимость степени извлечения углеводородов С от температуры поступающего на установку исходного углеводородного сырья летом и зимой и, таким образом, сохранить высокую степень извлечения ШФЛУ.
Подогрев нижнего продукта первой ступени фракционирования частью исходного углеводородного газа позволяет снизить диаметр колонны второй ступени фракционирования и уменьшить расход тепла, т.е. сократить эксплуатационные затраты.
Способ осуществляется следующим образом.
Подготовленный и охлажденный поток углеводородного газа поступает в первую фракционирующую колонну с получением верхнего продукта - отбензиненного газа и нижнего продукта - конденсата. Отбензиненный газ подогревается в теплообменниках и выводится с установки, а конденсат направляется на вторую ступень фракционирования. Перед подачей конденсата на вторую ступень фракционирования он может отдавать свой холод, тем самым нагреваясь, или верхнему продукту второй ступени фракционирования, или части исходного углеводородного газа.
Конденсат поступает в среднюю часть второй фракционирующей колонны с получением верхнего продукта - газовой фазы деэтанизации и нижнего продукта - ШФЛУ. Полученная газовая фаза деэтанизации охлаждается в теплообменнике потоком конденсата (если используется легкое углеводородное сырье) или при использовании углеводородного сырья среднего или тяжелого состава еще дополнительно доохлаждается в пропановом холодильнике. Кроме того, полученная газовая фаза деэтанизации может охлаждаться только в пропановом холодильнике, если конденсат с первой ступени фракционирования нагревается частью исходного углеводородного газа.
Охлажденная и частично сконденсированная газовая фаза деэтанизации поступает в емкость для ее разделения на газ деэтанизации и жидкую фазу, которая далее подается на орошение второй фракционирующей колонны.
Газ деэтанизации из емкости направляется в теплообменное устройство (например, термосифон), установленное в нижней части первой фракционирующей колонны, на дополнительное охлаждение. Далее охлажденный газ деэтанизации поступает на охлаждение потоком отбензиненного газа в теплообменник, после чего дросселируется и в сконденсированном виде подается на первую ступень фракционирования в качестве орошения.
Для увеличения количества подаваемого орошения (в зависимости от жирности углеводородного газа) часть жидкой фазы, отделенной от газа деэтанизации и подаваемой на орошение второй фракционирующей колонны, отбирают и подают на смешение с потоком газа деэтанизации перед его дополнительным охлаждением в теплообменном устройстве или же с потоком дополнительно охлаждаемого газа деэтанизации перед его подачей на теплообмен с отбензиненным газом.
Пример 1
3
3
3+выше
Легкий углеводородный газ с расходом 240 тыс. ст. м/ч, с содержанием углеводородов С 72,81 г/ст. м, с температурой 40°С и давлением 4 МПа проходит последовательное охлаждение в теплообменниках до температуры минус 46,5°С, частично конденсируется и направляется в низкотемпературный сепаратор, в котором происходит разделение газовой и жидкой фазы. Газовую фазу из низкотемпературного сепаратора направляют на расширение в детандерную часть турбодетандерного агрегата, после которого с температурой минус 80,8°С подают в среднюю часть первой фракционирующей колонны. Жидкую фазу из низкотемпературного сепаратора дросселируют и с температурой минус 63,4°С подают в нижнюю часть первой фракционирующей колонны.
3+выше
3
В первой фракционирующей колонне при температуре верха колонны минус 85,5°С, температуре низа колонны минус 54,6°С и давлении 1,45 МПа получают верхний продукт - отбензиненный газ и нижний продукт - конденсат. Отбензиненный газ последовательно подогревается в теплообменниках и поступает в компрессорную часть турбодетандерного агрегата, где его давление повышается, после чего отбензиненный газ с содержанием углеводородов С 3,43 г/ст. м выводится с установки.
Конденсат в количестве 25809 кг/ч подается в теплообменник, в котором охлаждает верхний продукт второй фракционирующей колонны, тем самым нагреваясь, и далее поступает во вторую фракционирующую колонну, в которой при температуре верха колонны 1,4°С, температуре низа колонны 84,6°С и давлении 2,42 МПа получают в качестве верхнего продукта - газовую фазу деэтанизации и в качестве нижнего продукта - ШФЛУ. Полученную ШФЛУ выводят с установки.
Полученная газовая фаза деэтанизации охлаждается в теплообменнике потоком конденсата до температуры минус 22,6°С, частично конденсируется и подается в емкость, в которой разделяется на газ деэтанизации и жидкую фазу. Из емкости жидкая фаза подается на орошение второй фракционирующей колонны, а газ деэтанизации в количестве 4549 кг/ч поступает в теплообменное устройство, в котором дополнительно охлаждается потоком нижней зоны первой фракционирующей колонны до температуры минус 60°С. После чего газ деэтанизации поступает в теплообменник на охлаждение потоком отбензиненного газа, дросселируется, т.к. давление во второй фракционирующей колонне больше, чем давление в первой фракционирующей колонне, и с температурой минус 81,6°С сконденсированный газ деэтанизации поступает в первую фракционирующую колонну в качестве орошения.
3+выше
Для увеличения количества орошения первой фракционирующей колонны и повышения тем самым извлечения на установке целевых углеводородов С часть жидкой фазы отбирается из емкости в количестве 4500 кг/ч и подается на смешение с потоком дополнительно охлажденного газа деэтанизации, выходящего из теплообменного устройства, перед его охлаждением в теплообменнике потоком отбензиненного газа.
Пример 2
3
3
3+выше
Тяжелый углеводородный газ с расходом 118 тыс. ст. м/ч, с содержанием углеводородов С 343,79 г/ст. м, с температурой 40°С и давлением 3,47 МПа проходит последовательное охлаждение в теплообменниках, в том числе и в пропановом холодильнике, до температуры минус 47,6°С, частично конденсируется и направляется в низкотемпературный сепаратор, в котором происходит разделение газовой и жидкой фазы. Газовую фазу из низкотемпературного сепаратора направляют на расширение в детандерную часть турбодетандерного агрегата, после которого с температурой минус 73,3°С подают в среднюю часть первой фракционирующей колонны. Жидкую фазу из низкотемпературного сепаратора дросселируют и с температурой минус 58,6°С подают в нижнюю часть первой фракционирующей колонны.
3+выше
3
В первой фракционирующей колонне при температуре верха колонны минус 83,5°С, температуре низа колонны минус 48,7°С и давлении 1,56 МПа получают верхний продукт - отбензиненный газ и нижний продукт - конденсат. Отбензиненный газ последовательно подогревается в теплообменниках и поступает в компрессорную часть турбодетандерного агрегата, где его давление повышается, после чего отбензиненный газ с содержанием углеводородов С 3,26 г/ст. м выводится с установки.
Конденсат в количестве 51250 кг/ч подается в теплообменник, в котором охлаждает верхний продукт второй фракционирующей колонны, при этом нагреваясь, и далее поступает во вторую фракционирующую колонну, в которой при температуре верха колонны 5,0°С, температуре низа колонны 86,7°С и давлении 2,79 МПа получают в качестве верхнего продукта - газовую фазу деэтанизации и в качестве нижнего продукта - ШФЛУ. Полученную ШФЛУ выводят с установки.
Полученная газовая фаза деэтанизации, охлажденная в теплообменнике потоком конденсата с первой фракционирующей колонны, дополнительно доохлаждается в пропановом холодильнике до температуры минус 30°С, частично конденсируется и подается в емкость, в которой разделяется на газ деэтанизации и жидкую фазу. Из емкости жидкая фаза подается на орошение второй фракционирующей колонны, а газ деэтанизации в количестве 6111 кг/ч поступает в теплообменное устройство, в котором дополнительно охлаждается потоком нижней зоны первой фракционирующей колонны до температуры минус 53,6°С. После чего охлажденный газ деэтанизации поступает в теплообменник на охлаждение потоком отбензиненного газа, дросселируется, т.к. давление во второй фракционирующей колонне больше, чем давление в первой фракционирующей колонне, и с температурой минус 86,6°С сконденсированный газ деэтанизации поступает в первую фракционирующую колонну в качестве орошения.
3+выше
Для увеличения количества орошения первой фракционирующей колонны и повышения тем самым извлечения на установке целевых углеводородов С часть жидкой фазы отбирается из емкости в количестве 6000 кг/ч и подается на смешение с потоком газа деэтанизации перед его дополнительным охлаждением в теплообменном устройстве потоком нижней зоны первой фракционирующей колонны.
Более подробные расчетные данные предлагаемой схемы низкотемпературного разделения углеводородного газа и прототипа для разных составов углеводородного газа приведены в таблице.
3+выше
3+выше
Таким образом, дополнительное охлаждение газа деэтанизации за счет теплообмена с потоком нижней зоны первой ступени фракционирования позволяет по сравнению с прототипом более глубоко охладить и сконденсировать газ деэтанизации и за счет этого снизить температуру верхней части первой ступени фракционирования (см. данные показателей в таблице), что позволяет увеличить степень извлечения углеводородов С на 0,2…2%, чем в прототипе, а в целом достичь степень извлечения углеводородов С до 99% и более.
Таблица
Расчеты извлечения углеводородов С<sub>3+выше</sub> до схеме прототипа и предлагаемому изобретению
Наименование показателя
Легкий газ
Средний газ
Тяжелый газ
Прототип
Предлагаемая
Прототип
Предла-гаемая
Прототип
Предла-гаемая
лето
зима
лето
зима
лето
лето
лето
лето
Содержание углеводородов С<sub>3+выше</sub>,г/ст. м<sup>3</sup>:
- в сырье на установку
72.81
72.81
72.81
72.71
173.06
173.06
343.79
343.79
- в отбензиненном газе с установки
3.65
0.69
3.43
0.57
5.38
1.66
7.77
3.26
Извлечение углеводородов С<sub>3+выше</sub>, %
95.14
99.08
95.44
99.24
97.13
99.11
98.13
99.22
Температура, °С:
- газа на установку
40.0
30.0
40.0
30.0
40.0
40.0
40.0
40.0
- после пропанового холодильника на НТК
-
-
-
-
-18.0
-18.0
-30.0
-30.0
- после аппарата воздушного охлаждения
39.7
10.0
39.7
10.0
-
-
-
-
- в низкотемпературном сепараторе
-46.6
-50.1
-46.5
-49.8
44.9
-46.9
-47.5
-47.6
- после расширения в турбодетандере
-80.9
-84.3
-80.8
-84.0
-79.0
-81.0
-73.2
-73.3
- после дросселирования конденсата в дросселе
-63.6
-68.3
-63.4
-67.9
-61.0
-63.6
-58.5
-58.6
- орошения первой колонны
-78.1
-76.2
-81.6
-80.6
-72.2
-85.3
-76.0
-86.6
- верха первой колонны
-85.2
-88.8
-85.5
-88.9
-83.8
-88.1
-80.0
-83.5
- низа первой колонны
-54.7
-58.4
-54.6
-59.2
-59.3
-49.2
-48.2
-48.7
- питания второй колонны
-5.9
-11.3
-5.5
-11.9
-13.9
-16.8
17.0
10.5
- верха второй колонны
1.4
-5.3
1.4
-5.6
-5.0
-7.2
9.7
5.0
- в емкости
-22.4
-20.3
-22.6
-20.1
-4.9
-7.2
-30.0
-30.0
- низа второй колонны
84.7
83.4
84.6
83.3
87.6
86.9
87.2
86.7
- в рибойлере
94.1
92.7
94.0
92.7
97.0
96.2
97.7
97.3
Давление, МПа (изб.):
- газа на входе установки
4.00
4.00
4.00
4.00
4.00
4.00
3.47
3.47
- в низкотемпературном сепараторе
3.88
3.88
3.88
3.88
3.86
3.86
3.18
3.18
- верха первой колонны
1.45
1.45
1.45
1.45
1.45
1.45
1.56
1.56
- верха второй колонны
2.42
2.42
2.42
2.42
2.42
2.42
2.79
2.79
Расход:
- газа на входе установки, тыс. ст. м<sup>3</sup>/ч
240
240
240
240
219
219
118
118
- газа на турбодетандер, тыс. ст. м<sup>3</sup>/ч
230
228
230
228
191275
190
88
88
- конденсата из низкотемпературного сепаратора, кг/ч
15239
17642
15239
17427
42611
44222
46328
46390
- орошения первой колонны, кг/ч
9069
9781
9049
10250
8990
9965
12721
12111
в том числе жидкости в потоке после дросселя, кг/ч
8728
9044
9027
9981
6992
9114
10591
11030
- кубового продукта первой колонны, кг/ч
25776
27171
25809
27677
45975
47740
51400
51250
- газовой фазы деэтанизации второй колонны, кг/ч
4569
7281
4549
7750
8990
9965
5421
6111
- отбора рефлюкса из емкости на впрыск, кг/ч
4500
2500
4500
2500
0
0
7300
6000
- ШФЛУ со второй колонны
16707
17400
16760
17427
36985
37775
41560
42021
Энергозатраты, кВт:
- пропанового холода
-
-
-
-
3625
4008
4421
4792
- тепла
2376
2778
2375
2851
4690
4975
4 111
4452