СПОСОБ УДАЛЕНИЯ АЗОТА
METHOD OF NITROGEN REMOVAL

Изобретение касается способа удаления фракции с высоким содержанием азота из исходной фракции, содержащей в основном азот и углеводороды, где исходную фракцию разделяют методом ректификации на фракцию с высоким содержанием азота и фракцию с высоким содержанием метана, и при этом фракцию с высоким содержанием метана с целью получения холода выпаривают и перегревают при возможно наибольшем давлении относительно подлежащей охлаждаемой исходной фракции, и фракцию с высоким содержанием азота, по меньшей мере временно и/или по меньшей мере частично, сжимают и подают на ректификацию в виде возвратного потока.
Способ такого рода для удаления фракции с высоким содержанием азота из исходной фракции, содержащей в основном азот и углеводороды, будет поясняться ниже с помощью процесса, изображенного на фиг.1.
По трубопроводу 1 содержащую в основном азот и углеводороды исходную фракцию, которая возможно была подвергнута предварительной обработке, такой как удаление серы, удаление диоксида углерода, сушка и прочие, подводят к теплообменнику E1 и в нем посредством технологических потоков, о которых ниже еще будет сказано подробнее, охлаждают и частично конденсируют. По трубопроводу 1' частично сконденсированную исходную фракцию подводят к колонне T1 для предварительного разделения.
Эта колонна T1 для предварительного разделения вместе с низконапорной колонной T2 образует две колонны T1/T2. Термическое соединение разделительных колонн T1 и T2 осуществляют через конденсатор-испаритель E3.
Из нижней части колонны T1 для предварительного разделения по трубопроводу 2 отводят жидкую фракцию с высоким содержанием углеводородов, которую в теплообменнике E2 переохлаждают посредством технологических потоков, о которых ниже еще будет сказано подробнее, и затем через трубопровод 2' и расширительный клапан a подают к низконапорной колонне T2 в нижней области.
По трубопроводу 3 из верхней области колонны T1 для предварительного разделения отводят жидкую фракцию с высоким содержанием азота. Частичный поток этой фракции по трубопроводу 3' в виде возвратного продукта подают в колонну T1 для предварительного разделения. Отведенную по трубопроводу 3 фракцию с высоким содержанием азота в теплообменнике E2 переохлаждают и через трубопровод 3'' и расширительный клапан b подводят к низконапорной колонне T2 выше точки подачи описанной выше фракции с высоким содержанием метана.
По трубопроводу 4 в головной части низконапорной колонны T2 отводят газообразную фракцию с высоким содержанием азота. Содержание в ней метана составляет обычно менее 1% об. В теплообменниках E2 и E1 эту фракцию с высоким содержанием азота затем нагревают и перегревают, прежде чем она будет отведена по трубопроводу 4'' и выпущена в атмосферу или при необходимости подведена к месту другого применения.
По трубопроводу 5 из нижней части низконапорной колонны T2 жидкую фракцию с высоким содержанием метана, которая наряду с метаном включает в себя содержащиеся в исходной фракции высшие углеводороды, отводят. Содержание в ней азота составляет обычно менее 5% об. Фракция с высоким содержанием метана посредством насоса P нагнетается до наибольшего возможного давления, которое обычно составляет от 5 до 15 бар. В теплообменнике E2 жидкую фракцию с высоким содержанием метана нагревают и при необходимости частично выпаривают. По трубопроводу 5' жидкую фракцию затем подводят к теплообменнику E1 и в нем посредством подлежащей охлаждению исходной фракции полностью выпаривают и перегревают, прежде чем она будет выведена из процесса по трубопроводу 5''.
Такого рода способы удаления фракции с высоким содержанием азота из исходной фракции, содержащей в основном азот и углеводороды, реализуют в так называемых устройствах для удаления азота (NRU, Nitrogen Rejection Unit). Удаление азота из смесей азот/углеводороды осуществляют всегда, когда повышенное содержание азота препятствует надлежащему применению смеси азот/углеводороды. Так, например, содержание азота, равное более чем 5% мол., превышает обычные нормативы для трубопроводов природного газа, по которым транспортируют смесь азот/углеводороды. Эксплуатация газовых турбин также возможна только до определенного содержания азота в горючем газе.
Такие NRU, как правило, имеют конструкцию, аналогичную устройству для разложения воздуха, с двумя колоннами, как, например, описано на фиг.1, в качестве центрального технологического узла.
Если теперь концентрация азота в исходной фракции падает ниже предельного значения, которое составляет, в зависимости от постановки задачи, от 20 до 30% об., то проведение достаточно тонкой очистки (<1% об. метана) отведенной по трубопроводу 4 из низконапорной колонны T2 газообразной фракции с высоким содержанием азота более невозможна, так как создание возвратного продукта для колонн T1 и T2 достигло термодинамических пределов. В частности, при процессах с возрастающим со временем содержанием азота в исходной фракции, например, в случае добычи нефти с поддержанием напора посредством азота (EOR = Enhanced Oil Recovery), при которой содержание азота в попутном нефтяном газе по прошествии лет все более увеличивается, часть фракции (продукта) с высоким содержанием азота, подлежащей выводу из процесса по трубопроводу 4'', используется поэтому в виде среды возвратного продукта.
Для этого, по меньшей мере временно, частичный поток фракции с высоким содержанием азота, который подводят по трубопроводу 9 к одно- или многоступенчатому компрессору C, сжимают, по меньшей мере до давления колонны T1, для предварительного разделения, то есть до давления от 20 до 50 бар. Сжатый частичный поток фракции с высоким содержанием азота по трубопроводам 9' и 9'' направляют через теплообменники E1 и E2, и в них охлаждают, и при необходимости частично или полностью конденсируют.
Через трубопровод 10 и расширительный клапан e и/или трубопроводы 11/12 и расширительный клапан d сжатый частичный поток фракции с высоким содержанием азота может быть подведен к колонне T1 для предварительного разделения и/или низконапорной колонне T2 в виде возвратного потока. Альтернативно сжатый частичный поток по трубопроводу 13, по меньшей мере частично, может быть добавлен непосредственно к фракции (продукту) с высоким содержанием азота. Посредством этих действий рабочая область двух колонн T1/T2 может быть существенно расширена в отношении содержания азота в исходной фракции в сторону более низкого содержания азота.
Компрессор C до сих пор применяется исключительно для того, чтобы поддерживать чистоту отводимой по трубопроводу 4 из низконапорной колонны T2 газообразной фракции с высоким содержанием азота при варьирующемся содержании азота в исходной фракции. Низкое содержание азота в исходной фракции требует более высокой мощности компрессора, чем среднее содержание азота. Начиная с определенного предельного значения азота в исходной фракции, применение компрессора C больше не требуется. Типичная постановка задачи заключается в том, чтобы перерабатывать исходную фракцию с растущим со временем содержанием азота. Это приводит к тому, что компрессор C сначала должен развивать свою полную мощность. С растущим содержанием азота в исходной фракции мощность компрессора может постепенно снижаться. Начиная с определенной концентрации азота в исходной фракции, компрессор перестает функционировать.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа для удаления фракции с высоким содержанием азота из исходной фракции, содержащей в основном азот и углеводороды, который позволяет равномерно распределять нагрузку на компрессор независимо от концентрации азота в исходной фракции, чтобы амортизировать связанные с компрессором значительные инвестиционные расходы.
Для решения этой задачи предлагается способ для удаления фракции с высоким содержанием азота из исходной фракции, содержащей в основном азот и углеводороды, который отличается тем, что, по меньшей мере, временно, по меньшей мере, один частичный поток сжатой фракции с высоким содержанием азота после осуществленной конденсации расширяют и с целью получения холода, по меньшей мере частично, предпочтительно полностью, выпаривают.
При этом фракцию с высоким содержанием азота предпочтительным образом сжимают до давления от 20 до 80 бар и после осуществленной конденсации расширяют до давления от 1 до 20 бар.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретением способа, по меньшей мере, временно, по меньшей мере, один частичный поток сжатой фракции с высоким содержанием азота после осуществленного охлаждения расширяют, вырабатывая холод, и с целью получения холода, по меньшей мере частично, предпочтительно полностью, выпаривают.
В соответствии с изобретением описанный выше компрессор C теперь уже применяют неисключительно с описанной целью создания одного или, соответственно, нескольких возвратных потоков, а кроме этого используют для получения холода.
Получаемую в соответствии с изобретением холодопроизводительность предпочтительным образом используют для того, чтобы обеспечить возможность вывода полученных методом ректификации фракций в виде жидких продуктов.
Другие предпочтительные варианты осуществления предлагаемого изобретением способа для удаления фракции с высоким содержанием азота из исходной фракции, содержащей в основном азот и углеводороды, которые являются предметами зависимых пунктов патента, отличаются тем, что
- еще не полностью выпаренную фракцию с высоким содержанием метана подводят к циркуляционной емкости, образующуюся исключительно в циркуляционной емкости жидкую долю фракции с высоким содержанием метана частично выпаривают и снова подводят к циркуляционной емкости, и полностью выпаренный головной продукт циркуляционной емкости перегревают,
- содержание метана в полученной методом ректификации фракции с высоким содержанием азота составляет менее 1% об.,
- содержание азота в полученной методом ректификации фракции с высоким содержанием метана составляет менее 5% об.,
- когда происходит разделение методом ректификации исходной фракции в двух колоннах, состоящих из колонны предварительного разделения и низконапорной колонны, в верхней области колонны для предварительного разделения, предпочтительно над крайним верхним дном колонны для предварительного разделения, отводят фракцию с высоким содержанием гелия и расширяют в низконапорной колонне, предпочтительно в головной части низконапорной колонны.
Предлагаемый изобретением способ удаления фракции с высоким содержанием азота из исходной фракции, содержащей в основном азот и углеводороды, а также другие предпочтительные варианты его осуществления, которые являются предметом зависимых пунктов патента, ниже будут поясняться подробнее на примере осуществления, изображенном на фиг. 2.
При описании или, соответственно, пояснении примера осуществления, изображенного на фиг.2, заявитель не будет подробно возвращаться к тем стадиям способа, которые уже пояснялись с помощью фиг.1.
В отличие от процесса, изображенного на фиг.1, процесс, изображенный на фиг.2, показывает, что, по меньшей мере временно, по трубопроводу 16 частичный поток сжатой фракции 9'' с высоким содержанием азота, которая была сконденсирована в теплообменнике E1, отводят, расширяют в клапане f и по трубопроводу 17 подводят к фракции с высоким содержанием азота в трубопроводе 4'. Вместе с ней расширенный частичный поток в теплообменнике E1 с целью получения холода, по меньшей мере частично, предпочтительно полностью, выпаривают. После того как фракцию с высоким содержанием азота в компрессоре C сжимают предпочтительно до давления от 20 до 80 бар, в клапане f происходит предпочтительно расширение до давления от 1 до 20 бар.
Кроме того, по трубопроводу 15, по меньшей мере временно, частичный поток сжатой фракции с высоким содержанием азота после осуществленного охлаждения в теплообменнике E1 может отводиться и расширяться, вырабатывая холод, в расширительной турбине X. Затем расширенный частичный поток по трубопроводу 15' также подводится к фракции с высоким содержанием азота в трубопроводе 4' и в теплообменнике E1 нагревается с целью получения холода. При этом варианте осуществления повышается дополнительная холодопроизводительность.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления предлагаемого изобретением способа отведенный по трубопроводу 15 из теплообменника E1 частичный поток сжатой фракции с высоким содержанием азота может расширяться в расширительной турбине X до более высокого давления, и при отдельном прохождении через теплообменник E1 нагреваться и затем подводиться к промежуточной ступени компрессора C. Благодаря этому еще более улучшается эффективность получения холода.
Посредством предлагаемого изобретением процесса достигается то, что, по меньшей мере, один частичный поток фракции с высоким содержанием азота, отведенной по трубопроводу 5 из нижней части низконапорной колонны T2, может выводиться через трубопровод 20 и клапан h в жидком виде. Альтернативно или дополнительно частичный поток фракции с высоким содержанием азота может выводиться в жидком виде через трубопровод 18 и клапан g.
Альтернативно или дополнительно к отведению жидкой фракции с высоким содержанием метана по трубопроводу 20 отведенная из нижней части низконапорной колонны T2 жидкая фракция с высоким содержанием метана может также сначала переохлаждаться в теплообменнике E2 и выводиться через трубопровод 21 и клапан i.
То же самое справедливо для выводимой по трубопроводу 18 жидкой фракции с высоким содержанием азота, которая также может сначала переохлаждаться в теплообменнике E2 и выводиться через трубопровод 22 и клапан k.
Теперь нагрузка на компрессор C может равномерно распределяться, независимо от концентрации азота в исходной фракции, в любой момент времени. В частности, при растущем со временем содержании азота в исходной фракции затраты на компрессор не обесцениваются на длительный срок, а компрессор выполняет дополнительную, экономически полезную задачу комплексного производства LNG и/или LIN.
В случае низкого содержания азота в исходной фракции возможное производство LNG и/или LIN меньше, чем при высоком содержании азота. Поэтому установленная мощность компрессора выбирается в соответствии с оптимизированной гаммой продуктов на весь срок службы установки.
В отличие от изображенного на фиг.1 процесса, процесс, изображенный на фиг.2, показывает, что еще не полностью выпаренную фракцию с высоким содержанием метана, которую отводят по трубопроводу 5' из теплообменника E2, подводят не непосредственно к теплообменнику E1, а к циркуляционной емкости D. Образующуюся исключительно в циркуляционной емкости D жидкую долю фракции с высоким содержанием метана, которую подводят к теплообменнику E1 по трубопроводу 6, в теплообменнике E1 частично выпаривают и затем по трубопроводу 6' снова подводят к циркуляционной емкости D. Отведенный по трубопроводу 7 в головной части циркуляционной емкости D полностью выпаренный головной продукт с высоким содержанием метана перегревают затем в теплообменнике E1, прежде чем он будет выведен из процесса по трубопроводу 7'.
Осуществление процесса фракции с высоким содержанием метана в теплообменнике E1 локально определяется благодаря тому, что путь разделяется на участок выпаривания и участок перегрева. Выпаривание фракции с высоким содержанием метана происходит теперь уже исключительно на участке теплообменника E1, который через трубопровод 6 соединен с нижней частью циркуляционной емкости D.
Описанное осуществление процесса обеспечивает возможность надежного и стабильного выпаривания фракции (продукта) с высоким содержанием метана даже в изменяющихся рабочих условиях, таких как, например, изменение количества неочищенного газа, состава неочищенного газа, давления неочищенного газа, а также в случае колебаний регулирования. Эти обстоятельства, например, очень выраженно проявляются при добыче нефти с поддержанием напора посредством азота (EOR = Enhanced Oil Recovery), при которой содержание азота в попутном нефтяном газе по прошествии лет все более увеличивается.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления предлагаемого изобретением способа в верхней области колонны T1 для предварительного разделения, предпочтительно выше верхней тарелки колонны T1 для предварительного разделения, отводят фракцию 8 с высоким содержанием гелия и посредством клапана c расширяют в низконапорную колонну T2, предпочтительно в головную часть низконапорной колонны T2. Этот вариант осуществления предлагаемого изобретением способа при исходных фракциях с содержанием гелия обладает тем преимуществом, что инертный газ гелий может быть выведен, и воздействия производственных колебаний или изменений доли гелия в исходной фракции при обратной промывке в низконапорной колонне T2 гасятся и не приводят непосредственно к загрязнениям фракции (продукта) с высоким содержанием азота с повышенным содержанием метана.