2
СПОСОБ УДАЛЕНИЯ СОИЗ ЗАГРЯЗНЕННОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ПОТОКА СЫРЬЯ
METHOD FOR REMOVING CO2 FROM A CONTAMINATED HYDROCARBON FEED STREAM

Данное изобретение относится к способу отделения СО2 от загрязненного потока сырья, содержащего углеводороды.
2
2
2
Способы сжижения потоков газа, содержащих углеводороды, хорошо известны в данной области техники. Поток газа, содержащий углеводороды, такой как поток природного газа, по ряду причин желательно сжижать. В качестве примера, природный газ легче хранить и транспортировать на большие расстояния в виде жидкости, чем в газообразном виде, потому что он занимает меньший объем и не нуждается в хранении при высоких давлениях. Как правило, перед сжижением загрязненный поток газа, содержащий углеводороды, обрабатывают для удаления одной или нескольких нежелательных примесей (таких как HO, CO, HS и т.п.), которые могут замерзать во время процесса сжижения или нежелательны в продукте.
WO2014/166925 описывает способ сжижения загрязненного потока газа, содержащего углеводороды, способ содержит по меньшей мере этапы:
(1) обеспечение загрязненного потока газа, содержащего углеводороды;
(2) охлаждение загрязненного потока газа, содержащего углеводороды, в первом теплообменнике, таким образом получая охлажденный загрязненный поток сырья, содержащий углеводороды;
(3) охлаждение охлажденного загрязненного потока сырья, содержащего углеводороды, в расширителе холодильной машины, таким образом получая частично сжиженный поток сырья;
(4) разделение частично сжиженного потока сырья в сепараторе, таким образом получая газообразный поток сырья и жидкий поток сырья;
(5) расширение жидкого потока сырья, полученного на этапе (4), в результате чего получают мультифазный поток сырья, мультифазный поток сырья содержит по меньшей мере парообразную фазу, жидкую фазу и твердую фазу;
(6) разделение мультифазного потока сырья в сепараторе, таким образом получая газообразный поток сырья и суспензионный поток сырья;
(7) разделение суспензионного потока сырья в сепараторе твёрдой и жидкой фаз, таким образом получая жидкий углеводородный поток сырья и концентрированный суспензионный поток сырья;
(8) пропускание газообразного потока сырья, полученного на этапе (4), через первый теплообменник, таким образом получая нагретый газообразный поток сырья; и
(9) сжатие нагретого газообразного потока сырья, таким образом получая поток сжатого газа; и
(10) объединение потока сжатого газа, полученного на этапе (9), с загрязненным потоком газа, содержащим углеводороды, обеспеченным на этапе (1).
Способ, описанный в WO 02014/166925, позволяет сжижать загрязненный поток газа, содержащий углеводороды, используя относительно малое количество оборудования, таким образом обеспечивая простой и экономически эффективный способ сжижения загрязненного потока газа, содержащего углеводороды, в частности, загрязненного потока газа, содержащего метан, такого как природный газ.
Нежелательная примесь может представлять собой СО2. Растворимость СО2 в сжиженном природном газе очень низкая. Таким образом, способ согласно WO2014/166925 не удаляет СО2 в газовой фазе, а создает твердое образование СО2 путем расширения по клапану, что приводит к быстрому перенасыщению жидкостей. Частицам дают возможность достичь равновесия, а затем они могут быть удалены с использованием циклона, отстойника, фильтра или их комбинации.
Однако, поскольку частицы CO2 обычно имеют относительно небольшой размер, вероятно, возникнут проблемы обеспечения режима подачи потока сырья и разделения потока сырья. Это может привести к образованию твердых остатков CO2 в продукте или засорению, что приведет к нестабильности функционирования.
Кроме того, поток отходов может представлять собой смесь CO2 и ценных углеводородов. Обработка мелкозернистой суспензии затрудняет сепарацию и может привести к значительной потере ценных углеводородов и, следовательно, к потере стоимости продукта.
Другие способы удаления газообразных нежелательных примесей из потока газа, содержащего газообразные нежелательные примеси, включая СО2, представлены в известном уровне техники, как например WO 02010/023238 и US 3376709.
В US 3376709 описано отделение кислых газов от природного газа за счет затвердевания способом, который включает в себя подачу природного газа в условиях давления и температуры таким образом, чтобы образовать жидкий раствор, уменьшение давление на раствор для получения смеси, состоящей из твердой, жидкой и парообразной фаз, обеспечение немедленного контакта смеси с жидким природным газом, содержащим твердые частицы кислого газа, и удаление из него твердых частиц кислого газа. Согласно US 3376709 размер твердых частиц кислого газа обычно составляет от около 0,001 до около 2 микрон. Как уже упоминалось выше, обработка мелкозернистой суспензии затрудняет разделение и может привести к значительной потере стоимости продукта.
Целью настоящего изобретения является по меньшей мере частичное преодоление по меньшей мере одной из этих проблем.
Одна или несколько вышеуказанных или других целей достигаются в соответствии с настоящим изобретением способом выделения СО2 из загрязненного потока сырья (10), содержащего углеводороды; способ включает в себя
(a) обеспечение мультифазного загрязненного потока сырья (100), содержащего углеводороды, из загрязненного потока сырья (10), содержащего углеводороды, мультифазный загрязненный поток сырья (100), содержащий углеводороды, содержит по меньшей мере жидкую фазу и твердую фазу, при этом твердая фаза содержит частицы СО2;
(b1) подачу суспензионного потока сырья (120), полученного из мультифазного загрязненного потока сырья (100), содержащего углеводороды, в кристаллизационную камеру (91), кристаллизационная камера (91) содержит затравочные частицы, затравочные частицы содержат CO2;
(b2) получение жидкого углеводородного потока сырья (170) из кристаллизационной камеры (91), в результате чего в кристаллизационной камере (91) образуется концентрированная суспензия (140);
(b3) удаление из кристаллизационной камеры (91) с помощью экструдера (142) концентрированной суспензии (140) и получение из экструдера (142) обогащенного СО2 твердого продукта и обогащенного метаном жидкого углеводородного потока сырья (147).
В соответствии с дополнительным аспектом предлагается система для отделения СО2 от загрязненного потока сырья, содержащего углеводороды; система содержит
- трубопровод (100), подходящий для транспортировки мультифазного загрязненного потока сырья, содержащего углеводороды, мультифазный загрязненный поток сырья, содержащий углеводороды, содержит по меньшей мере жидкую фазу и твердую фазу, при этом твердая фаза содержит частицы СО2,
- сепаратор (9) твёрдой и жидкой фаз, содержащий кристаллизационную камеру (91), кристаллизационная камера (91) содержит
- суспензионное впускное отверстие (120), гидравлически связанное с трубопроводом (100) для приема суспензионного потока сырья, полученного из мультифазного загрязненного потока сырья, содержащего углеводороды,
- выпускное отверстие (174) текучей среды для выпуска жидкого углеводородного потока сырья (170) из кристаллизационной камеры (91),
- выпускное отверстие (145) концентрированной суспензии,
- экструдер (142) гидравлически связан с кристаллизационной камерой (91) через выпускное отверстие (145) концентрированной суспензии для получения концентрированной суспензии (140) из кристаллизационной камеры (91) и выпуска обогащенного СО2 твердого продукта и обогащенного метаном жидкого углеводородного потока сырья (147).
Использование экструдера обеспечивает эффективный способ удаления концентрированной суспензии (140) из кристаллизационной камеры (91), в то время как относительно чистый обогащенный СО2 твердый продукт и относительно чистый обогащенных метаном жидкий углеводородный поток сырья (147) получаются отдельно друг от друга.
Обогащенный СО2 твердый продукт также можно назвать обогащенным СО2 компактным продуктом, и наоборот.
Концентрированная суспензия содержит жидкую фазу и твердую фазу, образованную множеством частиц СО2. Экструдер выполняет функцию удаления концентрированной суспензии из кристаллизационной камеры, уплотняет твердые частицы в концентрированной суспензии (140), а также выполняет функции сепаратора, поскольку отделяет твердую фазу от жидкой фазы (создавая обогащенный СО2 твердый продукт и обогащенный метаном жидкий углеводородный поток сырья).
Экструдер удаляет концентрированную суспензию с помощью механической силы (силы экструзии), которая толкает частицы твердой фазы, присутствующие совместно в концентрированной суспензии, чтобы образовать более крупные частицы СО2, крупные скопления частиц СО2 или (полу) непрерывного твердого продукта СО2, который может быть относительно легко отделен от жидкости. В то же время сила экструзии выдавливает жидкость, присутствующую в концентрированной суспензии, например, через отверстия или фильтры в корпусе экструдера.
Может использоваться любой тип подходящего экструдера, в частности, шнековый экструдер.
Предпочтительно экструдер содержит выпускное отверстие 155 экструдера, и экструдер ориентирован таким образом, что выпускное отверстие 155 экструдера находится на нижнем гравитационном уровне экструдера.
Понятно, что вышеуказанный способ применяется непрерывно, при этом различные этапы выполняются одновременно. Это также относится к вариантам осуществления изобретения, описанным ниже. Так, где в этом тексте используется слово «этап» или «этапы», или используется нумерация (например, b1, b2), это не делается для указания определенного порядка во времени. Этапы могут применяться в любом подходящем порядке, в частности, могут применяться, в том числе, одновременно.
Далее изобретение будет дополнительно описано со ссылкой на следующие неограничивающие графические материалы:
фиг.1а-1b схематически изображают варианты осуществления способа и системы для отделения СО2 от загрязненного потока сырья, содержащего углеводороды, а
фиг. 2 схематически изображает вариант осуществления способа и системы для осуществления способа сжижения загрязненного потока газа, содержащего углеводороды, с использованием варианта осуществления изобретения, изображенного на фиг. 1b.
Для достижения целей этого описания одни и те же ссылочные номера относятся к тем же или подобным компонентам.
Фиг. 1а и 1b изображают способ и систему для отделения СО2 от загрязненного потока сырья, содержащего углеводороды.
Во-первых, обеспечивается загрязненный поток газа 10, содержащий углеводороды. Хотя загрязненный поток газа, содержащий углеводороды, конкретно не ограничен, он предпочтительно представляет собой поток газа, обогащенный метаном, такой как природный газ.
2+
2
6
2
4
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения загрязненный поток газа 10, содержащий углеводороды, содержит по меньшей мере 50% мол. метана, предпочтительно по меньшей мере 80% мол. Предпочтительно углеводородная фракция загрязненного потока газа 10, содержащего углеводороды, содержит, в частности, по меньшей мере 75% мол. метана, предпочтительно по меньшей мере 90% мол. Углеводородная фракция в потоке природного газа может соответственно содержать от 0 до 25% мол. С- углеводородов (то есть углеводородов, содержащих 2 или более атомов углерода на молекулу), предпочтительно от 0 до 20% мол. С-С углеводородов, более предпочтительно от 0,3 до 18% мол. углеводородов С-С, особенно от 0,5 до 15% мол. этана.
2
2
6+
Нежелательная примесь содержит CO2 и, возможно, содержит дополнительные нежелательные примеси, такие как HS, HO, C углеводороды, ароматические соединения.
Количество нежелательной примеси в загрязненном потоке газа 10, содержащем углеводороды, составляет соответственно от 0,5 до 50% мол., обычно выше 1,0 % мол. и ниже 20% мол.
Количество нежелательной примеси СО2 в загрязненном потоке газа, содержащем углеводороды, обычно составляет от 0,02 % мол. до 15 % мол. загрязненного потока газа, содержащего углеводороды, предпочтительно в диапазоне 0,02 % мол. - 5 % мол., более предпочтительно в диапазоне 0,1 % мол. - 5 % мол., и еще более предпочтительно - в диапазоне 0,2 % мол. - 3 % мол., например 2 % мол.
Из загрязненного потока газа 10, содержащего углеводороды, получается мультифазный загрязненный поток сырья 100, содержащий углеводороды. Это изображено на фиг. 1а и 1b схематично, поскольку может быть реализовано по-разному, что является понятным специалисту в данной области. Более подробный пример будет описан ниже со ссылкой на фиг. 2.
Мультифазный загрязненный поток сырья 100, содержащий углеводороды, содержит по меньшей мере жидкую фазу и твердую фазу, твердая фаза содержит частицы CO2, частицы СО2 обычно имеют средний размер меньше 50 мкм, например, менее 20 микрон. Мультифазный загрязненный поток сырья 100, содержащий углеводороды, может дополнительно содержать парообразную фазу.
Расположенный ниже, после клапана, при более низком давлении и температуре, мультифазный загрязненный поток сырья 100, содержащий углеводороды, является перенасыщенным СО2. CO2, превышающий растворимость, выйдет из жидкой фазы, кристаллизуясь в твердую фазу, образуя стабильную систему в преобладающих условиях. Образование твердых частиц начнется быстро, но потребуется определенное количество времени до того, как система приблизится к установившимся условиям, в зависимости от концентрации CO2, давления и температуры, как понятно специалисту в данной области техники.
Кроме того, на фиг. 1а - 1b показан необязательный сепаратор 7 (обозначен пунктирными линиями), сепаратор 9 твёрдой и жидкой фаз, содержащий кристаллизационную камеру 91, экструдер 140 и обратный трубопровод 141.
В случае, когда мультифазный загрязненный поток сырья 100, содержащий углеводороды, содержит жидкую фазу, твердую фазу и не содержит паровую фазу, мультифазный загрязненный поток сырья 100, содержащий углеводороды, может быть передан непосредственно в сепаратор 9 твердой и жидкой фаз в виде суспензионного потока сырья 120. Суспензия содержит жидкую и твердую фазу.
В случае, когда мультифазный загрязненный поток сырья 100, содержащий углеводороды, содержит жидкую фазу, твердую фазу, а также паровую фазу, способ может содержать
(a’) разделение мультифазного загрязненного потока сырья (100), содержащего углеводороды, в сепараторе (7), таким образом получая газообразный поток сырья (110) и суспензионный поток сырья (120).
Затем суспензионный поток сырья может быть передан в сепаратор 9 твердой и жидкой фаз.
Сепаратор 7 может содержать впускное отверстие, гидравлически связанное с трубопроводом (100) для приема мультифазного загрязненного потока сырья, содержащего углеводороды, сепаратор (7) дополнительно содержит первое выпускное отверстие для газообразного потока сырья (110) и второе выпускное отверстие для суспензионного потока сырья (120).
Хотя сепаратор 7 и сепаратор 9 твёрдой и жидкой фаз показаны и описаны как отдельные сосуды, соединенные сливным стаканом 123, следует понимать, что сепаратор 7 и сепаратор 9 твердой и жидкой фаз также могут быть воплощены в виде единственного сосуда, содержащего сепаратор 7 и сепаратор 9 твердой и жидкой фаз.
Сепаратор (7), используемый на этапе (a’), может представлять собой циклонный сепаратор или горизонтальной сепарационный сосуд, действие которого основано на использовании силы тяжести. В циклонном сепараторе поток сырья приводится во вращение таким образом, что более тяжелые компоненты вытесняются наружу и могут быть отделены от более легких компонентов с образованием газообразного потока сырья (110) и суспензионного потока сырья (120).
Для разделения газообразной фазы/жидкой фазы может быть использован любой подходящий тип циклонного сепаратора, включая циклонный сепаратор Gasunie или открытый вертикальный сосуд с тангенциальным впускным отверстием.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения кристаллизационная камера (91) представляет собой сепарационный сосуд, действие которого основано на использовании силы тяжести. Сепарационный сосуд, действие которого основано на использовании силы тяжести, может быть открытым сосудом.
Предпочтительно емкость для сепаратора на основе силы тяжести расположена вертикально, но также может использоваться горизонтальный сепарационный сосуд, действие которого основано на использовании силы тяжести. Термины «вертикальный» и «горизонтальный» используются здесь для обозначения ориентации продольной оси тела, такой как ось цилиндрического тела сосуда.
Суспензионный поток сырья 120, полученный из мультифазного загрязненного потока сырья 100, содержащего углеводороды (либо непосредственно, либо через сепаратор 7), подается в кристаллизационный сосуд 91 сверху через суспензионное впускное отверстие 120. Кристаллизационная камера 91 может содержать устройство для перемешивания, чтобы предотвратить полное затвердевание суспензии и/или для создания благоприятных условий для оптимизации роста кристаллов.
Суспензионное впускное отверстие 120 образовано сливным стаканом 123, имеющим выпускное отверстие 124, которое при использовании погружается в суспензию, содержащуюся в кристаллизационном сосуде 91. В качестве альтернативы, сливной стакан 123 имеет свое выпускное отверстие 123, расположенное ниже или выше суспензии, содержащейся в кристаллизационной емкости.
Жидкость отделяют из кристаллизационной емкости 91 по переливному устройству 92 и выпускают в виде жидкого углеводородного потока сырья 170. Выпускное отверстие 124 сливного стакана 123 может быть расположено на гравитационном уровне выше или ниже верхнего края переливного устройства 92.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения суспензионное впускное отверстие (120) образовано сливным стаканом 123 с выпускным отверстием (124), сепаратор (9) твёрдой и жидкой фаз содержит переливное устройство (92), имеющее верхнюю кромку, расположенную на гравитационном уровне выше или ниже выпускного отверстия (124), при этом выпускное отверстие текучей среды (174) для выпуска жидкого углеводородного потока сырья (170) из кристаллизационной камеры (91) расположено на противоположной стороне переливного устройства (92) от выпускного отверстия (124) сливного стакана (124).
Переливное устройство отделяет жидкие углеводороды от суспензии и твердых частиц СО2.
Обратный трубопровод 141 может выходить в кристаллизационной камере 91 на уровне ниже, чем верхний край переливного устройства 92.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения этап (b2) содержит:
подачу жидкого углеводородного потока сырья (170) в резервуар для хранения СПГ. Подача жидкого углеводородного потока сырья 170 в резервуар для хранения СПГ может осуществляться насосом 171. Жидкий углеводородный поток сырья 170, полученный из кристаллизационной камеры 91 на этапе (b2), может содержать небольшие частицы СО2, например, со средним размером менее 10 микрон. Необязательно, эти частицы могут быть удалены на этапе глубокой очистки, как более подробно описано ниже.
На этапе b3 экструдер (142) оказывает механическую силу (силу экструзии) на концентрированную суспензию (140) для перемещения концентрированной суспензии (140) из кристаллизационной камеры (91), получая таким образом обогащенный СО2 твердый продукт. Фактически обогащенный СО2 твердый продукт может представлять собой поток уплотненных частиц СО2, уплотненных крупных скоплений СО2 или (полу) непрерывного потока твердого продукта CO2. Обогащенный СО2 твердый продукт может дополнительно содержать остаток других технологических веществ, такие как углеводороды.
Сила экструзии приводит в движение концентрированную суспензию через отверстие или матрицу для сжатия или уплотнения концентрированной суспензии, получая, таким образом, обогащенный СО2 твердый продукт. Из-за силы экструзии, оказываемой экструдером (142), частицы CO2 группируются вместе, образуя твердый продукт, который может быть получен как непрерывный поток обогащенного СО2 твердого продукта.
При приложении силы экструзии жидкость, содержащаяся в концентрированной суспензии, выжимается из концентрированной суспензии 140, тем самым получая обогащенный метаном жидкий углеводородный поток сырья 147.
Может использоваться любой подходящий экструдер, в том числе экструдеры с осевыми торцевыми пластинами, экструдеры с радиальным экраном, экструдеры с вращающимся цилиндром, экструдеры поршневого типа, экструдеры барабанного типа и шнековые экструдеры.
Предпочтительно экструдер 142 представляет собой шнековый экструдер. Шнековые экструдеры используют шнек (привод) для придания экструзионного усилия концентрированной суспензии 140, чтобы переместить концентрированную суспензию 140 из кристаллизационной камеры 91.
Шнековый экструдер 142 содержит шнек, расположенный в барабане (корпусе). Шнек содержит спиралевидный гребень, обернутый вокруг вала. Барабан образован цилиндрической стенкой. Продольные оси шнека и барабана выровнены. Цилиндрическая стенка содержит один или несколько фильтров.
Вращение шнека применяет силу для приведения в движение концентрированной суспензии и уплотнения частиц СО2, таким образом получая обогащенный СО2 твердый продукт, тогда как жидкость, присутствующая в концентрированной суспензии, выжимается из барабана через один или несколько фильтров или отверстий в стенке барабане для получения обогащенного метана.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения способ дополнительно включает
(b4) получение обратного потока (141) CO2 из обогащенного CO2 твердого продукта, полученного в (b3), обратный поток (141) содержит CO2,
(b5) обратную подачу обратного потока (141) CO2 путем подачи обратного потока (141) CO2 в кристаллизационную камеру (91) или в положение перед кристаллизационной камерой (91) для того, чтобы обеспечивать затравочные частицы.
Затравочные частицы могут быть непосредственно обеспечены в кристаллизационной камере или могут быть обеспечены в кристаллизационной камере (91) опосредованно, путем обратной подачи обратного потока (141) CO2 в положение перед кристаллизационной камерой 91, в частности, в сепаратор 7 или к мультифазному загрязненному потоку сырья (100), содержащему углеводороды. Обратный поток CO2 может содержать затравочные частицы CO2 (фиг. 1a) или может содержать жидкий CO2, где затравочные частицы CO2 создаются после повторного введения обратного потока сырья (фиг. 1b), как будет более подробно объяснено далее.
Концентрированная суспензия 140 образуется в кристаллизационной камере 91 путем удаления жидкого углеводородного потока сырья 170 и обеспечения возможности кристаллизации СО2. Концентрированная суспензия содержит меньше жидкости и больше крупных частиц СО2, чем суспензионный поток сырья 120, полученный из мультифазного загрязненного потока сырья 100, содержащего углеводороды.
Этот процесс облегчается за счет обеспечения затравочных частиц CO2 посредством обратного потока 141 CO2.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения затравочные частицы, обеспеченные в (b5), имеют средний размер, превышающий 20 микрон.
Затравочные частицы, обеспеченные на этапе (b5), могут иметь средний размер, превышающий 50 или даже превышающий 100 микрон.
Путем введения относительно крупных затравочных частиц в кристаллизационную емкость с помощью обратного потока 142 CO2 процесс кристаллизации облегчается и ускоряется, и в результате в концентрированной суспензии 140 образуются относительно большие частицы СО2, которые можно относительно легко удалить из кристаллизационной камеры, используя экструдер.
Обратный поток, который используется для подачи затравочных частиц в кристаллизационный сосуд, содержит затравочные частицы со средним размером более 20 микрон. Предпочтительно, чтобы средний размер затравочных частиц в обратном потоке 141 находился в диапазоне от 20 микрон до 20 мм, более предпочтительно - в диапазоне от 20 микрон до 1 мм и еще более предпочтительно - в диапазоне от 50 микрон до 200 микрон.
Для оптимизации процесса кристаллизации затравочные частицы предпочтительно поддерживаются небольшими, чтобы максимизировать поверхность, доступную для кристаллизации. Однако это приведет к образованию относительно небольших частиц СО2, которые не будут легко осаждаться и их будет относительно трудно отделить. Было обнаружено, что в комбинации с экструдером затравочные частицы с таким средним размером, как было указано, обеспечивают хороший баланс между скоростью кристаллизации (кг/с), с одной стороны, и простотой отделения, с другой стороны.
-6
Термин «микрон» используется в этом тексте в соответствии с обычной практикой: 1 микрон равен 1x10 метра.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения (b4) включает в себя получение обратного потока CO2, содержащего затравочные частицы CO2, а (b5) включает в себя подачу обратного потока (141) CO2 в кристаллизационную камеру (91) для обеспечения затравочных частиц в кристаллизационной камере (91). Такой вариант осуществления изобретения показан на фиг. 1a.
Согласно этому варианту осуществления изобретения обратный поток CO2 содержит затравочные частицы со средним размером более 20 микрон. Предпочтительно, чтобы средний размер затравочных частиц в обратном потоке 141 находился в диапазоне от 20 микрон до 20 мм, более предпочтительно - в диапазоне от 20 микрон до 1 мм и еще более предпочтительно - в диапазоне от 50 микрон до 200 микрон.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения (b4) включает в себя разрушение твердого СО2, полученного в (b3), с образованием затравочных частиц. Система может содержать устройство для образования затравочных частиц, такое как скребок, измельчитель, матрица или лопастное устройство, предназначенное для получения затравочных частиц из твердого CO2, полученного из экструдера, затравочных частиц CO2. Устройство образования затравочных частиц может работать в паровой атмосфере.
На этапе (b3) может быть использован скребок, предназначенный для соскабливания затравочных частиц CO2 с твердого CO2, полученного из экструдера, для создания обратного потока CO2, которые будет содержать затравочные частицы, имеющие вышеуказанный размер. Скребок или дробилка 148 может быть расположен непосредственно после выпускного отверстия 155 экструдера.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения (b4) включает в себя добавление текучей среды-носителя, такой как жидкий поток природного газа, к обратному потоку (141).
Для переноса затравочных частиц затравочные частицы можно суспендировать в текучей среде-носителе. Текучая среда-носитель может быть жидкостью-носителем или газом-носителем. Предпочтительно текучая среда-носитель представляет собой жидкий поток природного газа.
Путем добавления текучей среды-носителя к обратному потоку получают суспендированный обратный поток.
Текучая среда-носитель может содержать часть сжиженного природного газа, полученного в процессе в целом. Поток сжиженного природного газа, добавленный к обратному потоку, может быть получен из жидкого углеводородного потока сырья 170, полученного из кристаллизационной камеры 91 на этапе b2. Поток сжиженного природного газа, добавленный к обратному потоку, также может быть получен из жидкого углеводородного потока сырья 170’, что более подробно будет описано далее.
В зависимости от размера частиц объемная доля затравочных частиц в суспендированном обратном потоке находится в диапазоне 30-70%, предпочтительно в диапазоне 40-60%. Согласно альтернативному варианту осуществления изобретения, показанному на фиг. 1b, обратный поток CO2 содержит жидкий СО2, который возвращается обратно с помощью распылительного охлаждения, таким образом образуя затравочные частицы.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения этап (b4) включает в себя нагревание по меньшей мере части обогащенного СО2 твердого продукта, таким образом создавая жидкий поток, обогащенный CO2, и образование обратного потока (141) по меньшей мере из части жидкого потока, обогащенного CO2.
Экструдер 142 сжимает концентрированную суспензию и увеличивает давление с образованием твердого продукта, обогащенного СО2. Затем твердый продукт, обогащенный СО2, нагревается для создания жидкого потока, обогащенного CO2, часть которого берется для образования обратного потока CO2. Затравочные частицы CO2 могут быть образованы из жидкого потока, обогащенного CO2. В соответствии с этим вариантом осуществления не требуется никакой текучей среды-носителя.
Нагревание может осуществляться одним или несколькими нагревательными элементами 150. Как показано на фиг. 1а, нагревательный элемент 150' может быть расположен после экструдера для нагрева части твердого продукта, обогащенного СО2, которая не передается в обратный поток 141. В соответствии с вариантом осуществления изобретения, показанным на фиг. 1b, нагревательный элемент 150 может быть интегрирован в экструдер 142 или расположен рядом с экструдером 142. Нагревательные элементы предпочтительно расположены вблизи выпускного отверстия 155 экструдера или на выпускном отверстии.
Экструдер 142 может быть шнековым экструдером 142, содержащим шнек 151, расположенный в цилиндре 152, цилиндр содержит цилиндрическую стенку, окружающую шнек. Нагревательные элементы 150 могут быть интегрированы в стенку цилиндра в положении на выпускном отверстии или около выпускного отверстию 155 экструдера.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения этап (b5) включает в себя распыление жидкого потока, обогащенного CO2, в обратное положение, таким образом образуя затравочные частицы.
Распыление может быть осуществлено путем введения жидкого потока, обогащенного CO2, через одно или несколько распылительных сопел 158. При входе в сосуд капли жидкого CO2 расширяются до состояния, когда жидкой фазы уже не существует. Почти весь CO2 будет затвердевать. Из-за высокой локальной концентрации СО2, полученный в результате размер твердого СО2 будет тесно коррелировать с размером капель CO2. Регулируя размеры капель, создаваемых распылительным соплом, можно отрегулировать до предпочтительного значения размер затравочных частиц.
Распылительные сопла содержат множество сопловых отверстий. Выбирая количество сопловые отверстия и размер сопловых отверстий, можно управлять размером капель CO2 и, таким образом, обеспечиваемых затравочных частиц CO2.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения этап (b5) дополнительно включает в себя обработку жидкого потока, обогащенного CO2, для образования затравочных частиц CO2, и обратную подачу затравочных частиц CO2 путем подачи затравочных частиц CO2 в кристаллизационную камеру (91) или в положение перед кристаллизационной камерой (91) для обеспечения затравочных частиц.
Вместо распыления жидкого СО2 в кристаллизационную камеру или положение перед кристаллизационной камерой, жидкий поток СО2 может быть превращен в поток, содержащий твердые частицы CO2 и транспортную среду, такую как жидкие или газообразные углеводороды. Для этого гранулирования, как правило, приводится в действие этап преобразования в газ/твердое вещество, а затем прессование в гранулы желаемого размера.
Как указано выше, жидкий углеводородный поток сырья 170, полученный из кристаллизационной камеры 91 в (b2), может содержать небольшие частицы CO2.
Чтобы отделить такие частицы СО2 от жидкого углеводородного потока сырья 170, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения (b2) дополнительно включает в себя обработку жидкого углеводородного потока сырья (170), полученного из кристаллизационной камеры, технологической операцией (172) глубокой очистки, таким образом получая доочищенный жидкий углеводородный поток сырья (170’) и остаточный поток сырья (175), при этом способ дополнительно включает в себя
- подачу доочищенного жидкого углеводородного потока сырья (170’) в резервуар для хранения СПГ, и,
- необязательно, рециркуляцию остаточного потока сырья (175) в кристаллизационный сосуд, например, путем объединения остаточного потока сырья (175) с обратным потоком (141).
Необязательная технологическая операция глубокой очистки служит для удаления любых оставшихся мелких твердых частиц из жидкого углеводородного потока сырья (170), в частности, любых остаточных частиц СО2, которые могли оказаться в жидком углеводородном потоке сырья. Доочищенный жидкий углеводородный поток сырья содержит меньше частиц CO2, чем жидкий углеводородный поток сырья, полученный из кристаллизационной камеры 91.
Остаточный поток сырья 175 может быть рециркулирован, например, путем объединения остаточного потока сырья 175 с одним из: мультифазным загрязненным потоком сырья 100, содержащим углеводороды, обратным потоком, потоком концентрированной суспензии, полученным из кристаллизационной камеры 91. Остаточный поток сырья может функционировать в качестве текучей среды-носителя для обратного потока. Остаточный поток сырья 175 также может быть рециркулирован путем введения остаточного потока сырья 175 в одно из следующего: сепаратор 7, кристаллизационный сосуд 91, или любой другой подходящий сосуд или поток перед сепаратором 7.
Технологическая операция глубокой очистки может представлять собой любую подходящую технологическую операцию глубокой очистки, в том числе пропускание жидкого углеводородного потока сырья через фильтр, такой как ленточный фильтр или фильтр HEPA, или пропускание жидкого углеводородного потока сырья через оборудование статического разделения, такое как (параллельные) пескоотделительные циклонные сепараторы или один или несколько (параллельных) гидроциклонных сепаратора 172, из которых из одного или нескольких нижних потоков получают остаточный поток сырья, а путем объединения одного или нескольких верхних потоков поток получают доочищенный жидкий углеводородный поток сырья.
Подача жидкого углеводородного потока сырья 170 в резервуар для хранения СПГ может включать в себя подачу жидкого углеводородного потока сырья через этап снижения давления, например, образованный дроссельным клапаном 173 и/или концевой испарительной камерой.
В соответствии с одним вариантом осуществления способ дополнительно включает в себя получение вентиляционного потока (121) из кристаллизационной камеры (91).
Сепаратор 7 и сепаратор 9 твёрдой и жидкой фаз могут работать при по существу равном давлении. В вариантах осуществления изобретения, в которых сливной стакан 120 при использовании не выпускает пар или газ из сепаратора 9 твердой и жидкой фаз в сепаратор 7, может быть предусмотрена вентиляционная линия (121) для обеспечения такого потока. В частности, это имеет место в вариантах осуществления изобретения, в которых сливной стакан выходит под уровнем жидкости или жижи в сепараторе 9 твёрдой и жидкой фаз.
Кристаллизационная камера (91) может содержать верхнее вентиляционное выпускное отверстие (122).
Может быть предусмотрен вентиляционный трубопровод, который одним концом связан с возможностью переноса текучей среды с вентиляционным выпускным отверстием, а другим концом связан с возможностью переноса текучей среды с сепаратором 7, для обеспечения обратной подачи вентиляционного потока в сепаратор.
Вентиляционный выпускное отверстие предпочтительно расположено в верхней части кристаллизационной камеры.
После подачи в кристаллизационную камеру из суспензионного потока сырья может выходить газ. Вентиляционный поток может быть передан в сепаратор (7) этапа (a’) через вентиляционный трубопровод. В качестве альтернативы, вентиляционный поток может быть объединен с газообразным потоком 110, полученным в (a’).
На дне кристаллизационного сосуда 91 выполнено соединение с экструдером, в частности, шнековым экструдером. Соединение между экструдером и кристаллизационным сосудом может быть выполнено любым способом, известным в данной области техники.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения часть концентрированной суспензии (140), выводимой из кристаллизационной камеры (91), которая не является частью обратного потока (141), разжижается путем нагревания (с помощью нагревательного элемента после экструдера 142 или с помощью интегрированного нагревательного элемента (интегрированного в экструдер), в результате чего получают сжиженный концентрированный поток сырья (144), и сжиженный концентрированный поток сырья (144):
- подают в дистилляционную колонну для получения верхнего потока, обогащенного углеводородами и нижнего потока, обогащенного СО2, или
- подают в хранилище для улавливания углерода, или
- подают в геологическое хранилище для СО2, или
- подают в испарительный сосуд для получения из испарительного сосуда газообразного верхнего потока, обогащенного углеводородом, и жидкого нижнего потока, обогащенного CO2, или
- подают через мембранный блок для получения потока, обогащенного СО2, который отводят, и потока, обогащенного углеводородом, который рециркулируют вверх в технологическом процессе или который может выпускаться отдельно.
Газообразный верхний поток, обогащенный углеводородами, полученный из испарительного сосуда, может быть объединен с потоком топливного газа.
Как указано выше, на этапе (b3) концентрированную суспензию 140 выводят из кристаллизационной камеры 91 с помощью экструдера 142, таким образом получая твердый СО2.
Термин «концентрированная суспензия» используется для обозначения того, что плотность и вязкость концентрированной суспензии выше, чем плотность и вязкость суспензии, которая включает в себя суспензионный поток сырья, полученный из сепаратора 7.
Экструдер гидравлически связан с нижней частью кристаллизационной камеры 91, предпочтительно с самой нижней частью кристаллизационной камеры 91, таким образом, что под действием силы тяжести экструдер получает относительно плотную часть концентрированной суспензии 140.
Экструдер механически выталкивает концентрированную суспензию 140 из кристаллизационной камеры 91, сжимая вместе частицы СО2 и выталкивая жидкости из концентрированной суспензии, создавая твердый СО2, предпочтительно в виде непрерывного твердого потока СО2 и жидкого углеводородного потока сырья 147, обогащенного метаном.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения экструдер содержит корпус, корпус содержит по меньшей мере одно отверстие для выпуска жидкого углеводородного потока сырья (147), обогащенного метаном. Корпус содержит выпускное отверстие 155 экструдера для выпуска твердого продукта, обогащенного CO2, и по меньшей мере одно отверстие для выпуска жидкого углеводородного потока сырья (147), обогащенного метаном. Одно или несколько отверстий могут содержать фильтры, которые обеспечивают прохождение жидких углеводородов, обогащенных метаном, но не пропускают твердый продукт, обогащенный СО2.
Затем этап (b3) включает в себя получение жидкого углеводородного потока сырья (147), обогащенного метаном, из экструдера (142) через по меньшей мере одно отверстие для выпуска жидкого углеводородного потока сырья (147), обогащенного метаном.
Корпус образует линию тока от впускного отверстия экструдера, которое гидравлически связано с выпускным отверстием (145) концентрированной суспензии кристаллизационной камеры (91), до выпускного отверстия (155) экструдера, экструдер содержит исполнительный механизм, по меньшей мере частично расположенный в корпусе, чтобы механически выталкивать концентрированную суспензию (140) из кристаллизационной камеры (91) к выпускному отверстию экструдера, при этом корпус содержит одно отверстие для выпуска жидкого углеводородного потока сырья (147), обогащенного метаном.
По меньшей мере одно отверстие для выпуска жидкого углеводородного потока сырья (147), обогащенного метаном, предпочтительно гидравлически связано с трубопроводом, переносящим жидкий углеводородный поток сырья (170), полученный на этапе (b2), из кристаллизационной камеры 91, таким образом способ включает в себя объединение жидкого углеводородного потока сырья (147), обогащенного метаном, и жидкий углеводородный поток сырья (170), полученный на этапе (b2) из кристаллизационной камеры 91.
На фиг. 2 показан вариант осуществления того, как способ и система, описанные выше со ссылкой на фиг. 1b, могут быть встроены в схему технологического процесса/сжижения, обычно обозначаемую ссылочным номером 1.
Схема 1 технологического процесса содержит: компрессор 2, теплообменник 3 («первый теплообменник»), расширитель 4 холодильной машины, первый сепаратор 5, JT-клапан 6, второй сепаратор 7, резервуар 11 для хранения СПГ, дополнительные компрессоры 13 и 14, второй теплообменник 15, расширитель 16 холодильной машины и необязательный метанольный сепаратор 17. Схема технологического процесса может содержать дополнительные теплообменники в дополнение к первому теплообменнику 3 и второму теплообменнику 15. Предпочтительно первый теплообменник 3 и второй теплообменник 15 представляют собой отдельные теплообменники.
Во время использования схемы 1 технологического процесса обеспечивается загрязненный поток газа 10, содержащий углеводороды, который сжимается в компрессоре 2. Сжатый загрязненный поток газа 20, содержащий углеводороды, охлаждается (как поток сырья 30) в первом теплообменнике 3, таким образом получая охлажденный загрязненный поток газа 40, содержащий углеводороды. Первый теплообменник 3 представляет собой (подобно второму теплообменнику 15) непрямой теплообменник; следовательно, прямого контакта между потоками не осуществляется, а существует лишь теплообменный контакт.
Как показано в варианте осуществления изобретения по фиг. 2, охлажденный загрязненный поток сырья 40, содержащий углеводороды, подают в метанольный сепаратор 17 для отделения метанола (в виде потока 50), который был предварительно введен (например, в поток 20), чтобы предотвратить образование гидрата. После метанольного сепаратора 17 (метанол-обедненный) охлажденный загрязненный поток газа, содержащий углеводороды, дополнительно охлаждается в виде потока 60 в расширителе 4 холодильной машины, таким образом получая частично сжиженный поток сырья 70. Этот частично сжиженный поток сырья 70 разделяют в сепараторе 5, получая таким образом газообразный поток сырья 80 и жидкий поток сырья 90. Жидкий поток сырья 90 расширяют в JT-клапане 6, таким образом получая мультифазный загрязненный поток сырья 100, содержащий углеводороды, как описано выше, который подается в сепаратор 7.
Газообразный поток сырья 80 пропускают через первый теплообменник 3, тем самым получая нагретый газообразный поток сырья 270; если желательно, некоторые инертные вещества (такие как N2) могут быть отведены из нагретого газообразного потока сырья 270 в виде (второстепенного) потока 280. Поскольку поток 80 используется для охлаждения потока 30, это является этапом «самоохлаждения».
Нагретый газообразный поток сырья 270 сжимается в компрессоре 13, таким образом получая поток 220 сжатого газа. Часть 230 потока 220 сжатого газа объединяется с загрязненным потоком газа 20, содержащим углеводороды.
Как можно видеть в варианте осуществления изобретения по фиг. 2, часть 240 потока 220 сжатого газа проходит через второй теплообменник 15 (и охлаждается в нем), таким образом получая охлажденный поток 250 сжатого газа. Охлажденный поток 250 сжатого газа расширяют в расширителе 16 холодильной машины, таким образом получая поток 260 расширившегося газа. В дальнейшем поток 260 расширившегося газа объединяют с газообразным потоком 80, чтобы образовать поток 265.
Кроме того, в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 2, газообразный поток 110 пропускают в виде потока 190 через второй теплообменник 15, таким образом получая второй нагретый газообразный поток 200. Второй нагретый газообразный поток 200 сжимается в компрессоре 14, таким образом получая второй поток 210 сжатого газа; этот второй поток 210 сжатого газа объединяют с нагретым газообразным потоком 270 (с образованием потока 215).
Кроме того, из резервуара 11 для хранения СПГ получают поток 180 выпарочного газа, который может быть объединен с газообразным потоком 110, полученным из сепаратора 7 (на этапе a’)).
Таким образом, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, этап (а) содержит:
(a1) обеспечение загрязненного потока газа (10, 20), содержащего углеводороды;
(a2) охлаждение загрязненного потока газа (20), содержащего углеводороды, в первом теплообменнике (3), таким образом получая охлажденный загрязненный поток сырья (40), содержащий углеводороды;
(a3) охлаждение охлажденного загрязненного потока сырья (40), содержащего углеводороды, в расширителе (4) холодильной машины, таким образом получая частично сжиженный поток сырья (70);
(a4) разделение частично сжиженного потока сырья (70) в сепараторе (5), таким образом получая газообразный поток сырья (80) и жидкий поток сырья (90);
(a5) расширение жидкого потока сырья (90), полученного на этапе (а4), получая таким образом мультифазный загрязненный поток сырья (100), содержащий углеводороды, мультифазный загрязненный поток сырья (100), содержащий углеводороды, содержит по меньшей мере жидкую фазу и твердую фазу, при этом твердая фаза содержит частицы СО2. Мультифазный загрязненный поток сырья (100), содержащий углеводороды, может содержать парообразную фазу.
Жидкий поток углеводородного продукта, полученный на этапе (а4), может содержать больше CO2, чем частично сжиженный поток сырья, как например по меньшей мере 250 мкмоль/моль, и может содержать больше C5+, как например по меньшей мере 0,1 % мол.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения способ дополнительно включает
(d) пропускание газообразного потока сырья (80), полученного на этапе (a4), через первый теплообменник (3), таким образом получая нагретый газообразный поток сырья (270); и
(e) сжатие нагретого газообразного потока сырья (270), таким образом получая поток (220) сжатого газа; и
(f) объединение потока (220) сжатого газа, полученного на этапе (е), с загрязненным потоком газа (20), содержащим углеводороды, обеспеченным на этапе (a1).
Специалист в данной области техники легко поймет, что много модификаций можно осуществить, не выходя за объем данного изобретения. Например, когда используется слово «этап» или «этапы», то понятно, что это не делается для обозначения конкретного порядка. Этапы могут применяться в любом подходящем порядке, в том числе могут применяться одновременно.