СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА С УЛУЧШЕННЫМ ИЗВЛЕЧЕНИЕМ ПРОПАНА
METHOD OF NATURAL GAS LIQUEFACTION WITH BETTER PROPANE EXTRACTION

Настоящее изобретение относится к области сжижения природного газа.
Природный неочищенный газ состоит главным образом из метана, а также различных составляющих, таких как вода, сероводород, диоксид углерода, ртуть, азот и легкие углеводороды, содержащие в основном от двух до шести атомов углерода. Некоторые составляющие, такие как вода, сероводород, диоксид углерода и ртуть, являются загрязнителями, которые удаляются на этапах, предшествующих стадиям сжижения природного газа. Более тяжелые, чем метан, углеводороды конденсируются и извлекаются, в качестве жидкостей природного газа, которые могут повысить его стоимость.
Газовые жидкости отделяют от метана посредством фракционной колонны и охлаждением и частичным сжижением природного газа. Полученный в голове фракционной колонны газ предназначен для сжижения с получением жидкого природного газа. Функционирование при очень высоком давлении позволяет ограничить необходимую для сжижения энергию. Однако рабочее давление фракционной колонны ограничено критическим давлением разделяемой смеси.
Задачей настоящего изобретения является извлечение пропана и увеличение критического давления газа, предназначенного для сжижения, таким образом, чтобы осуществлять фракционирование при наибольшем давлении, снижая таким образом необходимую для сжижения энергию.
Поставленная задача решается способом сжижения природного газа, в котором осуществляют следующие стадии:
a) частично сжижают природный газ, путем его охлаждения,
b) частично сжиженный природный газ вводят во фракционную колонну так, чтобы получить обогащенную метаном газовую фракцию и жидкую фракцию, обедненную метаном,
c) газовую фракцию охлаждают до частичного сжижения, затем вводят охлажденную газовую фракцию в баллон-отделитель так, чтобы разделить газовую фазу и жидкую фазу,
d) рециркулируют по меньшей мере часть жидкой фазы во фракционной колонне в порядке орошения,
e) разделяют жидкую фракцию так, чтобы получить фракцию, обогащенную этаном, и по меньшей мере фракцию, обогащенную соединениями более тяжелыми, чем этан,
f) рециркулируют по меньшей мере часть фракции, обогащенной этаном, осуществляя один из следующих процессов:
- вводят вышеназванную часть фракции, обогащенной этаном, в вышеназванный баллон-отделитель,
- перед стадией d) смешивают вышеназванную часть фракции, обогащенной этаном, с вышеназванной жидкой фазой,
g) сжижают газообразную фазу, полученную на стадии c) охлаждением, с последующим расширением для получения природного жидкого газа.
В соответствии с изобретением фракция, обогащенная этаном, полученная на стадии e), может содержать, по меньшей мере, 90 молярных % этана.
На стадии f) по меньшей мере часть вышеназванной фракции, обогащенной этаном, может быть рециркулирована до расхода от 5% до 20% этана, содержащегося в вышеназванном природном газе.
Способ настоящего изобретения может осуществляться в следующих условиях:
- фракционная колонна может функционировать под давлением от 40 бар до 60 бар,
на стадии a) природный газ может быть охлажден до температуры от 0°C до -60°C, и
- на стадии c) газовую фракцию можно охладить до температуры от -45°C до -70°C.
В соответствии с первым вариантом выполнения на стадии e) в колонне деэтанизации можно разделить жидкую фракцию, причем вышеназванная фракция, обогащенная этаном, получена в верхней части колонны деэтанизации, фракция, обогащенная более тяжелыми, чем этан, соединениями, получена на дне колонны деэтанизации. Более того, фракция, обогащенная этаном, может быть, по меньшей мере, частично сжижена, причем часть жидкой фракции, обогащенной этаном, введена в верхней части колонны деэтанизации в порядке орошения, другая часть жидкой фракции, обогащенной этаном, рециркулирует в соответствии со стадией f). В соответствии с первым вариантом выполнения колонна деэтанизации может функционировать под давлением от 20 до 35 бар, и вышеназванная фракция, обогащенная этаном, может быть по меньшей мере частично сжижена охлаждением до температуры от -5°C до 10°C.
В соответствии со вторым вариантом выполнения на стадии e) в колонне деметанизации можно разделить жидкую фракцию так, чтобы получить газовый поток, обогащенный метаном, и жидкий поток, обогащенный более тяжелыми, чем метан, соединениями, затем в колонне деэтанизации можно отделить жидкий поток, причем вышеназванная фракция, обогащенная этаном, получена в верхней части колонны деэтанизации, а фракция, обогащенная более тяжелыми, чем этан, соединениями, получена на дне колонны деэтанизации. Более того, фракция, обогащенная этаном, может быть по меньшей мере частично сжижена, причем часть жидкой фракции, обогащенной этаном, введена в верхней части колонны деэтанизации в порядке орошения, другая часть жидкой фракции, обогащенной этаном, рециркулирует в соответствии со стадией f). В соответствии со вторым вариантом выполнения в верхнюю часть колонны деметанизации в порядке орошения можно ввести часть жидкой фракции, полученной на стадии c). В соответствии со вторым вариантом выполнения колонна деметанизации может функционировать под давлением от 25 до 40 бар, и колонна деэтанизации может функционировать под давлением от 20 до 35 бар, и вышеназванная фракция, обогащенная этаном, может быть по меньшей мере частично сжижена охлаждением до температуры от -5°C до 10°C.
Другие особенности и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания и чертежей, в числе которых:
Фиг.1 представляет схему способа сжижения с фракционированием,
Фиг.2-5 схематически представляют различные варианты осуществления изобретения.
На фиг.1 природный газ, подаваемый по трубопроводу 1, может быть предварительно очищен от таких примесей, как вода, сероводород, диоксид углерода и ртуть. Для охлаждения до частичного сжижения природный газ вводится в теплообменник Е1. В Е1 природный газ может быть охлажден до температуры от 0°C до -60°C. В Е1 охлаждение осуществляется посредством замкнутой циркуляции в охлаждении С1, которое функционирует за счет сжатия и расширения охлаждающей жидкости.
Частично сжиженный поток, выходящий из Е1, вводится в зону фракционирования F. Настоящее изобретение предлагает различные способы осуществления зоны F, описанные со ссылками на фигуры от 2 до 5. Обозначения на фигурах от 2 до 5, одинаковые с обозначениями на фиг.1, означают те же элементы.
Жидкости природного газа удаляются одним или несколькими потоками LGN. Метан 5, полученный в зоне F, переохлаждается в теплообменнике Е2 до полного сжижения. В Е2 охлаждение осуществляется посредством замкнутой циркуляции в охлаждении С2, которое функционирует за счет сжатия и расширения охлаждающей жидкости. Жидкий природный газ под давлением отводится из Е2 для расширения в расширительном устройстве V до атмосферного давления для получения жидкого природного газа GNL.
Согласно фиг.2 и 3, природный газ 1 охлаждается и частично конденсируется в теплообменнике Е1, затем вводится во фракционную колонну 2. Обычно колонна 2 функционирует при давлении от 40 до 60 бар абс. Полученный в вершине колонны 2 пар является частично сконденсированным в охладителе 3. В баллоне 4 газовая фаза отделяется от жидкой фазы. Охладитель 3 с помощью охлаждающей жидкости, например, используемой в теплообменнике Е2, осуществляет охлаждение до очень низкой температуры, обычно от -45°C до -70°C. Газовая фаза 5 направляется в теплообменник Е2 для сжижения. С помощью насоса 6 по трубопроводу 7 полученная на дне баллона 4 жидкая фаза снова направляется в вершину фракционной колонны посредством орошения. Температура на дне колонны контролируется испарителем 12 так, чтобы испарить легкие фракции, присутствующие в виде жидкости на дне колонны 2, и ограничить их вынос в трубопровод 8.
Полученная на дне колонны 2 жидкая фаза отводится по трубопроводу 8 в колонне деэтанизации 14. Колонна 14 может функционировать при от 20 до 35 бар абс. Колонна 14 позволяет разделять поток, содержащий главным образом этан, отведенный к вершине, и поток, содержащий углеводороды, более тяжелые, чем этан внизу. Поток полученного в вершине колонны 14 этана частично, даже полностью сконденсирован в низкотемпературном конденсаторе 15 при температуре от -5°С до 10°С. Поток, полученный на выходе из конденсатора 15, направляется во флегмовый сосуд 16. В случае если поток этана сконденсирован только частично, паровая фаза этана отводится в вершину сосуда 16. Полученный на дне 16 жидкий этан откачивается насосом 17 для направления через трубопровод 18 в вершину колонны 14 в порядке орошения. Полученная на дне сосуда 16 жидкая фракция этана может быть направлена в хранилище по трубопроводу 20. Днище колонны 14 поддерживается при температуре испарителем 21 так, чтобы удалить максимум этана из фракции С3+, отводимой от днища 14 по трубопроводу 22. Фракция С3 может быть отделена, например, в колонне депропанизации.
Согласно фиг.2 и 3, настоящее изобретение предлагает рециркулировать поток, богатый жидким этаном, полученный на днище сосуда 16, ко фракционной колонне 2. В соответствии с изобретением поток, богатый жидким этаном, содержит, по меньшей мере, 90 молярных %, предпочтительно более 98 молярных %, этана. Более точно, ссылаясь на фиг.2, часть жидкого потока, откачиваемая насосом 17, вводится трубопроводом 19 в сосуд 4. Вместе с тем, как показано на фиг.3, часть жидкого потока, откачиваемая насосом 17, вводится в трубопровод оттока 7 по трубопроводу 19. Таким образом, полученная на дне сосуда 4 жидкая фаза собирается и примешивается в поток, богатый этаном, подводимый трубопроводом 19.
Рециркуляция этана в соответствии с настоящим изобретением позволяет значительно повысить выделение пропана на дне фракционной колонны 2. Для получения высокого процента выделения пропана поток, богатый этаном, возвращают в цикл, причем молярный расход этана составляет от 5% до 20 молярных % от молярного расхода этана, содержащегося в газе для обработки, подводимом через трубопровод 1.
Более того, приток этана в вершину колонны 2 позволяет легко повысить критическое давление жидкости, циркулирующей в колонне 2 и улучшить таким образом разделение.
Вместе с тем, рециркулирование этана позволяет также обогатить природный газ, отводимый от вершины колонны 2, повысить стоимость этана и повысить теплоту сгорания природного газа.
Числовые примеры, представленные ниже, позволяют проиллюстрировать режимы работы способов, описанных по ссылкам на фиг.2 и 3.
Расход природного газа, следующего состава, подводимого трубопроводом 1, составляет 34000 кмоль/ч:
Компонент
Содержание (% моль)
N2
0,9
C1
90
C2
8
C3
0,5
ИзоС4
0,1
нС4
0,1
ИзоС5
0,05
нС5
0,05
нС6
0,05
нС7
0,05
нС8
0,05
нС9
0,05
Бензол
0,05
Толуол
0,05
Способы осуществляются в следующих условиях:
Фракционная колонна 2:
- Давление: 45 бар абс. на дне, 44 бар абс. в конденсаторе 3,
- Температура природного газа на входе: -30°C,
- Температура в конденсаторе 3: -65°C,
Деэтанизатор 14:
- Давление: 27,5 бар абс. на дне, 27 бар абс. в конденсаторе 15,
- Температура подачи: 42°C,
- Температура в конденсаторе 15: 3°C.
Степень рециркуляции, то есть молярный расход этана, рециркулируемого по трубопроводу 19, по отношению к молярному расходу этана, содержащегося в газе, подаваемом по трубопроводу 1, составляет 5%.
Степень выделения С3 определяется как отношение расхода С3 в трубопроводе 22 к расходу С3 в трубопроводе 1.
Моделирования процессов были осуществлены для способа, проиллюстрированного на фиг.2, для способа, проиллюстрированного на фиг.3, так же, как и для способа без рециркуляции С2, то есть для способа, идентичного способам, представленным на фиг.2 и 3 за исключением того, что он не содержит рециркуляции С2, осуществляемой по трубопроводу 19.
Способ без рециркуляции С2
Способ по фиг.2 с рециркуляцией С2 во флегмовом сосуде 4
Способ по фиг.3 с рециркуляцией С2 в линии оттока 7
Расход С2 при рециркуляции (кмоль/ч)
0
136,4
136,4
Коэффициент отдачи С3 (%)
71,1
79,9
84,2
Критическое давление в начале фракционирования 5 (бар)
56,7
56,9
56,9
Установлено, что изобретение позволяет улучшить выделение С3 и легко отойти от критических условий во фракционной колонне, и улучшить степень выделения С3.
Относительно фиг.4 и 5, природный газ 1 охлаждается и частично конденсируется в тепелообменнике Е1 до температуры от -60°С до 0°С, а затем вводится во фракционную колонну 2. Колонна 2 может функционировать при давлении от 40 бар до 60 бар. Пар, полученный в вершине колонны 2, частично конденсируется конденсатором 3. Газовая фаза отделяется от жидкой фазы в сосуде 4. Конденсатор 3 осуществляет охлаждение до очень низкой температуры, например, от -45°C до -70°C, с помощью охлаждающей жидкости, например, используемой в теплообменнике Е2. Газовая фаза 5 направляется в теплообменник Е2 для сжижения. Полученная на дне сосуда 4 жидкая фаза с помощью насоса 6 снова направляется через трубопровод 7 в вершину фракционной колонны 2 в порядке орошения.
Полученная на дне колонны 2 жидкая фаза отводится по трубопроводу 8 во вторую фракционную колонну 9 для осуществления второго разделения метана и углеводородов, более тяжелых, чем метан, при давлении более низком, чем в колонне 2. Колонна 9 может функционировать при давлении от 25 бар до 40 бар. Часть жидкой фазы, полученной на дне сосуда 4, вводится в вершину колонны 9 в порядке орошения. Температура на дне колонны 9 контролируется испарителем 12 так, чтобы выпарить легкие фракция, находящиеся в виде жидкости на дне колонны 9 и ограничить их вынос в трубопровод 13. Колонна 9 позволяет получить наверху поток, обогащенный метаном, удаленный трубопроводом 11 и внизу поток, обогащенный углеводородами, более тяжелыми, чем метан.
Жидкий поток, полученный на дне колонны 9, вводится трубопроводом 13 в колонну деэтанизации 14. Колонна 14 функционирует при давлении, более низком, чем в колонне 9, например, при давлении от 20 бар до 35 бар. Колонна 14 позволяет отделить поток, содержащий главным образом этан, отводимый в вершину, и поток, содержащий главным образом углеводороды, более тяжелые, чем этан, на дне. Поток этана, полученный в вершине колонны 14, частично, даже полностью, конденсируется криогенным конденсатором 15 до температуры от -5°C до 10°C. Поток, полученный на выходе из конденсатора 15, направляется во флегмовый сосуд 16. В случае если поток этана сконденсирован только частично, то паровая фаза этана отводится в вершину сосуда 16. Жидкий этан, полученный на дне 16, откачивается насосом 17 для направления через трубопровод 18 в вершину колонны 14 в порядке орошения. Жидкая фракция этана, полученная на дне сосуда 16, может быть направлена в зону хранилища по трубопроводу 20. Дно колонны 14 поддерживается испарителем 21 при такой температуре, чтобы удалить наибольшее количество этана из фракции С3+, отводимой от дна 14 трубопроводом 22. Фракция С3+ может быть отделена, например, в колонне депропанизации.
Согласно фиг.4 и 5, в настоящем изобретении предлагается рециркулировать часть жидкого потока, богатого этаном, полученного на дне сосуда 16 во фракционной колоне 2, более конкретно, как показано на фиг.4, часть жидкого потока, прокачиваемого насосом 17, вводится по трубопроводу 19 в сосуд 4. Согласно еще одному варианту, как показано на фиг.5, часть жидкого потока, прокачиваемого насосом 17, вводится по трубопроводу оттока 7 в трубопровод 19. Таким образом, жидкая фаза, полученная на дне сосуда 4, собирается и примешивается в поток, богатый этаном, подводимый трубопроводом 19.
Числовые примеры, представленные ниже, позволяют проиллюстрировать режимы работы способов, описанных со ссылкой на фиг.4 и 5.
Расход природного газа, следующего состава, подводимого трубопроводом 1, составляет 34000 кмоль/ч:
Компонент
Содержание (% моль)
N2
0,9
C1
90
C2
8
C3
0,5
изоС4
0,1
нС4
0,1
изоС5
0,05
нС5
0,05
нС6
0,05
нС7
0,05
нС8
0,05
нС9
0,05
Бензол
0,05
Толуол
0,05
Способы осуществляются в следующих условиях:Фракционная колонная 2:
- Давление: 45 бар абс. на дне, 44 бар абс. в конденсаторе 3,
- Температура природного газа на входе: -30°C,
- температура в конденсаторе 15: -65°C,
- расход 10 откачки для обратного течения деметанизатора 9: 350 кмоль/ч
Деметанизатор 9:
- Давление: 30 бар абс. на дне, 29,5 бар абс. в вершине,
- Температура подачи: -41°C,
Деэтанизатор 14:
- Давление: 27,5 бар абс. на дне, 27 бар абс. в конденсаторе 15,
- Температура подачи: 42°C,
- температура в конденсаторе 15: 3°C.
Степень рециркуляции, то есть молярный расход этана, рециркулируемого по трубопроводу 19, по отношению к молярному расходу этана, содержащегося в газе, подаваемом по трубопроводу 1, составляет 10%.
Степень выделения С3 определяется как отношение расхода С3 в трубопроводе 22 к расходу С3 в трубопроводе 1.
Моделирования процессов были осуществлены для способа, описанного со ссылкой на фиг.4, для способа, описанного со ссылкой на фиг.5, так же, как и для способа без рециркуляции С2, то есть для способа, идентичного способам, представленным на фиг.4 и 5 за исключением того, что он не содержит рециркуляции С2, осуществляемой по трубопроводу 19.
Схема
Способ без рециркуляции С2
Способ по фиг.4 с рециркуляцией С2 во флегмовом сосуде 4
Способ по фиг.5 с рециркуляцией С2 в линии оттока 7
Расход С2при рециркуляции(кмоль/ч)
0
273
273
Коэффициентотдачи С3 (%)
62,4
76,6
82,6
Критическоедавление в начале фракционирования5 (бар)
56,7
56,9
56,9
Установлено, что изобретение позволяет улучшить выделение С3 и отойти от критических условий во фракционной колонне, особенно, когда выход рециркуляции осуществляется в трубопровод обратного потока.