УСТАНОВКА И СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЭТАНА ИЗ ПРИРОДНОГО ГАЗА С ПРИМЕНЕНИЕМ КАСКАДНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
PLANT AND METHOD OF EXTRACTING ETHANE FROM NATURAL GAS USING CASCADE COOLING

Область техники
Настоящее изобретение относится к области извлечения легких углеводородов, в частности к области извлечения этана, и, в частности, оно относится к установке и способу извлечения этана из природного газа с применением каскадного охлаждения, которые можно применять при изменяющемся давлении поступающего газа, тогда как на заводах по извлечению этана характерным условием является давление поступающего газа меньше чем 5 МПа, и обладает такими преимуществами, как сравнительно высокая эффективность извлечения этана, а также сокращение капиталовложений и снижение потребления энергии.
Уровень техники
Этан является высококачественным сырьем для получения этилена быстрым охлаждением и термическим крекингом и характеризуется многочисленными преимуществами, например высоким выходом олефинов, малым объемом побочных продуктов, относительно простой технологией получения, сокращением соответствующих вложений, коротким циклом получения, быстрой окупаемостью и т. д.; широко применяется на Ближнем Востоке и в США; в странах и областях, которые менее богаты в отношении собственных запасов нефти, объем импорта этилена с каждым годом увеличивается; ввиду высокой прибыли при низких затратах спрос на увеличение процентного содержания олефинов в сырье все более увеличивается, при этом в выводимом получаемом природном газе содержится много этана; сегодня коэффициент использования сравнительно низкий, поэтому, чтобы с учетом текущих потребностей использовать природный газ с высокой эффективностью, осуществляют диверсификацию продуктов, получаемых из природного газа, при этом важное значение имеет активное развитие технологии извлечения этана.
На большинстве современных заводах по извлечению этана из природного газа в основном применяют технологию «предварительного охлаждения пропана/пропилена + охлаждения в детандере». Поскольку применяемый односоставный хладагент предварительно охлаждают, а температура предварительного охлаждения поступающего газа сравнительно низкая, то определенное количество холода в основном обеспечивают за счет охлаждения расширением; если давление поступающего газа не слишком высокое и невозможно обеспечить достаточное количество холода, объем получения этана относительно более низкий и не соответствует связанным с ним затратам. Следовательно, обеспечить сравнительно низкую температуру предварительного охлаждения и повысить объем получения этана может технология «каскадного охлаждения + охлаждения в детандере», применяемая при изменяющемся давлении поступающего газа и, если давление поступающего газа не высокое, которая может решить проблемы, связанные с высокими капиталовложениями, высоким потреблением энергии и сложностью эксплуатации.
Суть изобретения
Чтобы преодолеть недостатки аналогов, известных из уровня техники, согласно настоящему изобретению предложена установка и способ извлечения этана из природного газа с применением каскадного охлаждения, которые характеризуются такими преимуществами, как низкое потребление энергии, простое управление, сравнительно низкая мощность отдельных компрессоров, сокращение капиталовложений, а также простота и гибкость эксплуатации.
Технические решения, применяемые в настоящем изобретении, следующие: установка для извлечения этана из природного газа с применением каскадного охлаждения, содержащая холодильник, низкотемпературный сепаратор, деметанизатор, деэтанизатор, систему теплообмена с пропаном и систему теплообмена с этиленом, при этом выпускной элемент для природного газа холодильника связан с низкотемпературным сепаратором; с выпускным элементом для жидкой фазы низкотемпературного сепаратора последовательно связаны деметанизатор, деэтанизатор, конденсатор деэтанизатора, емкость орошения деэтанизатора, система теплообмена с пропаном и система теплообмена с этиленом; газовая фаза из верхней части деметанизатора последовательно проходит через холодильник, детандер и компрессор получаемого газа; выпускной элемент для природного газа системы теплообмена с этиленом связан с впускным элементом в верхней части деметанизатора; компрессор пропана, конденсатор пропана и система теплообмена с пропаном соединены с образованием циркуляционного контура; компрессор этилена, система теплообмена с пропаном и система теплообмена с этиленом соединены с образованием циркуляционного контура.
Согласно настоящему изобретению также предложен способ извлечения этана из природного газа с применением каскадного охлаждения, включающий следующие этапы:
3
1) ректификацию поступающего природного газа с разделением на продукт в виде этана, C+ и получаемый природный газ:
осушенный содержащий этан природный газ с 3,0–7,0 МПа изб. после предварительного охлаждения посредством холодильника до -35 – -75°C вводят в низкотемпературный сепаратор для разделения на газовую и жидкую фазу; большую часть отделенной газовой фазы после расширения посредством детандера до давления, составляющего 2,0–4,0 МПа изб., вводят в деметанизатор; меньшую часть отделенной газовой фазы вводят в холодильник и после конденсирования до -80 – -95°C со сжижением снова вводят в верхнюю часть деметанизатора; жидкую фазу, отделенную в низкотемпературном сепараторе, после регулирования потока до 2,2–4,0 МПа изб. вводят в деметанизатор; давление в деметанизаторе регулируют в диапазоне 1,8–3,8 МПа изб.;
2
выходящий из нижней части деметанизатора C+ вводят в деэтанизатор; давление в деэтанизаторе регулируют в диапазоне 1,6–3,5 МПа изб.; выходящую из деэтанизатора после ректификации газовую фазу после конденсирования посредством конденсатора деэтанизатора до -30 – 5°C повергают сепарации в емкости орошения деэтанизатора, и полученную жидкость посредством оросительного насоса деэтанизатора подают в деэтанизатор в виде обратного потока; газовая фаза, полученная сепарацией посредством емкости орошения деэтанизатора, представляет собой продукт в виде этана, который вводят в систему теплообмена с пропаном;
большую часть выходящей из деметанизатора газовой фазы после доведения до температуры 10–35°C за счет теплообмена в холодильнике и после последующего последовательного увеличения давления посредством соосного концевого элемента детандера для увеличения давления и компрессора получаемого газа выводят в виде получаемого природного газа; оставшуюся меньшую часть вводят в систему теплообмена с пропаном;
2) обеспечение посредством системы теплообмена с пропаном определенного количества холода для сжижения и переохлаждения получаемого этана:
пропан в качестве хладагента, давление которого посредством компрессора пропана увеличивают до 1300–1700 кПа изб., после конденсирования и охлаждения посредством конденсатора пропана до 30–50°C вводят в систему теплообмена с пропаном; посредством системы теплообмена с пропаном продукт в виде этана в газовой фазе конденсируют и охлаждают до -34 – -37°C; получаемый природный газ обратного потока предварительно охлаждают до -34 – -37 °C; и этилен в качестве хладагента конденсируют и охлаждают до -34 – -37 °C;
3) обеспечение посредством системы теплообмена с этиленом определенного количества холода для сжижения и переохлаждения получаемого газа обратного потока:
этилен в качестве хладагента, давление которого посредством компрессора этилена увеличивают до 1600–2400 кПа изб., после последовательных конденсирования и охлаждения посредством системы теплообмена с этиленом до -36 – -34 °C вводят в систему теплообмена с этиленом; посредством системы теплообмена с этиленом конденсированный продукт в виде этана переохлаждают до -90 – -85 °C; получаемый природный газ обратного потока сжижают и переохлаждают до -95 – -90 °C.
По сравнению с аналогами, известными из уровня техники, преимущества настоящего изобретения следующие: его можно применять на заводах по извлечению этана при изменяющемся давлении поступающего газа, тогда как на заводах по извлечению этана давление составляет меньше чем 5 МПа; настоящее изобретение может осуществлять многоэтапное регулирование потока односоставного хладагента, повысить эффективность охлаждения и до определенной степени снизить нагрузку на компрессор хладагента на этапе охлаждения в установке для извлечения этана. Изобретение характеризуется такими преимуществами, как простая конструкция, возможность лучшего регулирования под изменения состава поступающего газа, сравнительно низкая мощность отдельных компрессоров, сокращение капиталовложений, низкое потребление энергии, а также простота и гибкость эксплуатации.
Описание прилагаемых графических материалов
Настоящее изобретение описано посредством вариантов осуществления и прилагаемых графических материалов, в которых:
на фиг. 1 представлена схема последовательности основных технологических операций в заявляемой установке.
Конкретный способ осуществления
Как видно на фиг. 1, установка для извлечения этана из природного газа с применением каскадного охлаждения содержит: холодильник 1, низкотемпературный сепаратор 2, детандер 3, деметанизатор 4, ребойлер 5 кубового продукта деметанизатора, деэтанизатор 6, конденсатор 7 деэтанизатора, емкость 8 орошения деэтанизатора, оросительный насос 9 деэтанизатора, ребойлер 10 кубового продукта деэтанизатора, компрессор 11 получаемого газа, компрессор 12 пропана, конденсатор 13 пропана, систему 14 теплообмена с пропаном, компрессор 15 этилена, систему 16 теплообмена с этиленом. Установка для извлечения этана из природного газа с применением каскадного охлаждения в основном содержит три части, а именно ректификационную часть, систему теплообмена с пропаном и систему теплообмена с этиленом.
3
1. Ректификационная часть: в этой части происходит ректификация поступающего природного газа для разделения на продукт в виде этана, C+ и получаемый природный газ.
Холодильник 1 представляет собой место в установке для извлечения этана, в котором происходит предварительное охлаждение поступающего газа и переохлаждение низкотемпературного газа; с холодильником 1 последовательно соединены низкотемпературный сепаратор 2, детандер 3, деметанизатор 4 и компрессор 11 получаемого газа.
Жидкая фаза из выпускного элемента низкотемпературного сепаратора 2 непосредственно проходит в деметанизатор 4; жидкая фаза из выпускного элемента деметанизатора 4 непосредственно проходит в деэтанизатор 6; с деэтанизатором 6 последовательно соединены конденсатор 7 деэтанизатора, емкость 8 орошения деэтанизатора и оросительный насос 9 деэтанизатора; выпускной элемент оросительного насоса 9 деэтанизатора выполнен в сообщении с впускным элементом деэтанизатора 6; деметанизатор 4 в нижней части снабжен ребойлером 5 кубового продукта деметанизатора, предназначенным для обеспечения в нижней части деметанизатора 4 определенного количества тепла; деэтанизатор 6 в нижней части снабжен ребойлером 10 кубового продукта деэтанизатора, предназначенным для обеспечения в нижней части деэтанизатора 6 определенного количества тепла.
2. Система теплообмена с пропаном: в этой части в основном обеспечивается определенное количество холода для сжижения и переохлаждения получаемого этана.
Газовая фаза из выпускного элемента емкости 8 орошения деэтанизатора представляет собой продукт в виде этана и после попадания в систему 14 теплообмена с пропаном и систему 16 теплообмена с этиленом для конденсации с целью сжижения подается в резервуар для хранения этана.
Газ из выпускного элемента компрессора 12 пропана последовательно проходит через конденсатор 13 пропана и систему 14 теплообмена с пропаном и завершает цикл системы охлаждения пропаном.
3. Система теплообмена с этиленом: в этой части в основном обеспечивается определенное количество холода для сжижения и переохлаждения получаемого газа обратного потока. Большая часть получаемого газа, выходящая из компрессора 11 через выпускной элемент, непосредственно выводится из установки; оставшуюся часть необходимо конденсировать для обеспечения количества холода в деметанизаторе 4, поэтому она последовательно проходит через систему 14 теплообмена с пропаном и систему 16 теплообмена с этиленом и после конденсации с целью сжижения снова попадает в деметанизатор 4.
Газовая фаза из выпускного элемента компрессора 15 этилена последовательно проходит через систему 14 теплообмена с пропаном и систему 16 теплообмена с этиленом и завершает цикл системы охлаждения этиленом.
Согласно настоящему изобретению также предложен способ извлечения этана из природного газа с применением каскадного охлаждения, включающий следующие этапы.
1. Ректификация
Осушенный содержащий этан природный газ с 3,0–7,0 МПа изб. подают в холодильник 1; после предварительного охлаждения посредством холодильника 1 до приблизительно -35 – -75 °C большая часть (приблизительно 60–80 %) газовой фазы, полученной сепарацией в низкотемпературном сепараторе 2, входит в детандер 3; расширенная газовая фаза, после того как ее давление достигает 2,0–4,0 МПа изб., непосредственно входит в деметанизатор 4; оставшаяся часть газовой фазы продолжает поступать в холодильник 1 и после дополнительного конденсирования до -80 – -95 °C с целью сжижения повторно входит в верхнюю часть деметанизатора 4. Жидкая фаза, полученная сепарацией в низкотемпературном сепараторе 2, после регулирования потока до 2,2–4,0 МПа изб., непосредственно входит в деметанизатор 4. Давление в деметанизаторе регулируют в диапазоне 1,8–3,8 МПа изб.
2
Выходящий из нижней части деметанизатора 4 C+ непосредственно входит в деэтанизатор 6; давление в деэтанизаторе 6 регулируют в диапазоне 1,6–3,5 МПа изб.; выходящая из деэтанизатора 6 после ректификации газовая фаза проходит через конденсатор 7 деэтанизатора, и жидкость, полученная сепарацией после ее частичного конденсирования до приблизительно -30 – 5 °C посредством емкости 8 орошения деэтанизатора, подается посредством оросительного насоса 9 деэтанизатора в деэтанизатор 6 в виде обратного потока; газовая фаза, полученная сепарацией посредством емкости 8 орошения деэтанизатора, представляет собой продукт в виде этана.
80 % – 90 % выходящей из деметанизатора 4 газовой фазы после ее доведения до температуры 10–35 °C за счет теплообмена в холодильнике 1 и после последующего последовательного увеличения давления посредством соосного концевого элемента детандера 3 для увеличения давления и компрессора 11 получаемого газа выводится в виде получаемого природного газа.
2. Охлаждение пропаном
Система 14 теплообмена с пропаном содержит теплообменник с пропаном высокого давления, теплообменник с пропаном среднего давления и теплообменник с пропаном низкого давления; в этой системе продукт в виде этана в газовой фазе конденсируют и охлаждают до -34 – -37 °C; получаемый природный газ обратного потока предварительно охлаждают до -34 – -37 °C; и этилен в качестве хладагента конденсируют и охлаждают до -34 – -37 °C.
Пропан в качестве хладагента, давление которого посредством компрессора 12 пропана увеличивают до 1300–1700 кПа изб., после конденсирования и охлаждения до 30–50 °C посредством конденсатора 13 пропана вводят в систему 14 теплообмена с пропаном; путем регулирования потока до 15–23 °C в теплообменнике с пропаном высокого давления обеспечивают определенное количество холода; получаемый природный газ обратного потока и этилен в качестве хладагента после предварительного охлаждения до 18–26 °C вводят в теплообменник с пропаном среднего давления. Пропан в газовой фазе в теплообменнике с пропаном высокого давления возвращают во впускной элемент увеличения давления третьего уровня компрессора 12 пропана; в отношении отделенного жидкого пропана продолжают регулирование потока до -15 – -5 °C с введением в теплообменник с пропаном среднего давления, в котором обеспечивают определенное количество холода; продукт в виде этана, получаемый природный газ обратного потока и этилен в качестве хладагента после охлаждения до -12 – -2 °C вводят в теплообменник с пропаном низкого давления. Пропан в газовой фазе в теплообменнике с пропаном среднего давления возвращают во впускной элемент увеличения давления второго уровня компрессора пропана; в отношении отделенного жидкого пропана продолжают регулирование потока до -39 – -37 °C с введением в теплообменник с пропаном низкого давления, в котором обеспечивают определенное количество холода; продукт в виде этана, получаемый природный газ обратного потока и этилен в качестве хладагента охлаждают до -36 – -34 °C с введением в систему теплообмена с этиленом. Отделенную газовую фазу из теплообменника с пропаном низкого давления вводят во впускной элемент увеличения давления первого уровня компрессора 12 пропана. Завершают цикл охлаждения пропаном.
3. Охлаждение этиленом
Система 16 теплообмена с этиленом содержит теплообменник с этиленом высокого давления, теплообменник с этиленом среднего давления и теплообменник с этиленом низкого давления; в этой системе конденсированный продукт в виде этана переохлаждают до -90 – -85 °C; получаемый природный газ обратного потока сжижают и переохлаждают до -95 – -90 °C.
В теплообменнике с этиленом высокого давления с помощью этилена в качестве хладагента, давление которого посредством компрессора 15 этилена увеличивают до 1600–2400 кПа изб., после последовательных конденсирования и охлаждения посредством системы теплообмена с этиленом до -36 – -34 °C обеспечивают путем регулирования потока до -60 – -50 °C определенное количество холода; получаемый природный газ обратного потока и этан после предварительного охлаждения до -57 – 47 °C вводят в теплообменник с этиленом среднего давления. Этилен в газовой фазе в теплообменнике с этиленом высокого давления возвращают во впускной элемент увеличения давления третьего уровня компрессора 15 этилена; в отношении отделенного жидкого этилена продолжают регулирование потока до -81 – -73 °C с введением в теплообменник с этиленом среднего давления, в котором обеспечивают определенное количество холода; получаемый природный газ обратного потока и этан после охлаждения до -78 – -70 °C вводят в теплообменник с этиленом низкого давления. Этилен в газовой фазе в теплообменнике с этиленом среднего давления возвращают во впускной элемент увеличения давления второго уровня компрессора 15 этилена; в отношении отделенного жидкого этилена продолжают регулирование потока до -98 – -93 °C с введением в теплообменник с этиленом низкого давления, в котором обеспечивают определенное количество холода; получаемый природный газ обратного потока после охлаждения до -95 – -90 °C направляют в верхнюю часть деметанизатора 4 в виде обратного потока; этан после охлаждения до -90 – -85 °C подают в резервуар для хранения этана с целью хранения. Отделенную газовую фазу из теплообменника с этиленом низкого давления вводят во впускной элемент увеличения давления первого уровня компрессора 15 этилена. Завершают цикл охлаждения этиленом.
Согласно настоящему изобретению части для охлаждения пропаном можно охлаждать пропиленом, а часть для охлаждения этиленом можно охлаждать этаном.
Согласно настоящему изобретению каждый из деметанизатора и деэтанизатора снабжен ребойлером.
Согласно настоящему изобретению деметанизатор представляет собой тарельчатую колонну, а также может быть выполнен в виде сочетания насадочной и тарельчатой колонн; деэтанизатор может представлять собой тарельчатую колонну, а также может представлять собой насадочную колонну.
Согласно настоящему изобретению система теплообмена с пропаном в зависимости от давления продукта в виде этана также может обеспечивать теплообмен первого уровня, а также может обеспечивать теплообмен второго уровня или теплообмен четвертого уровня; соответствующий впускной элемент компрессора пропана может обеспечивать увеличение давления первого уровня, а также может обеспечивать увеличение давления второго уровня или обеспечивать увеличение давления четвертого уровня.
Согласно настоящему изобретению средством для охлаждения пропана также может быть пропилен.
Согласно настоящему изобретению на основании того, что давление в выпускном элементе компрессора пропана изменяется, конденсатор 13 пропана осуществляет конденсирование циркулирующей водой, а также может осуществлять конденсирование с помощью воздушного охладителя.
Согласно настоящему изобретению система теплообмена с этиленом в зависимости от давления получаемого природного газа обратного потока может обеспечивать теплообмен второго уровня или теплообмен четвертого уровня; соответствующий впускной элемент компрессора этилена может обеспечивать увеличение давления второго уровня или увеличение давления четвертого уровня.
Согласно настоящему изобретению на основании разных требований к условиям хранения этана и температур охлаждения получаемого природного газа обратного потока средство для охлаждения этилена также можно заменить этаном.
3
Согласно настоящему изобретению выходящая из нижней части деэтанизатора жидкая фаза представляет собой C+ и может непосредственно продаваться, и в зависимости от потребности пользователей можно решить, получать ли путем сепарирования посредством депропанизатора и дебутанизатора продукты в виде пропана и бутана (LPG), а также стабильный продукт в виде легких углеводородов для продажи и тем самым диверсифицировать продукцию.