Комбинированное выделение высоко- и низкокипящих соединений из природного газа
COMBINED EXTRACTION OF HIGH- AND LOW-BOILING COMPOUNDS FROM NATURAL GAS

Изобретение относится к способу выделения высоко- и низкокипящих соединений из обогащенной углеводородами сырьевой фракции, предпочтительно из природного газа, согласно которому
- сырьевую фракцию частично конденсируют,
- ректификацией отделяют жидкую фракцию с высоким содержанием высококипящих компонентов (первая ступень разделения),
- получающуюся при этом газовую фракцию, обедненную высококипящими компонентами, по меньшей мере частично конденсируют, и
- ректификацией разделяют на жидкую фракцию с высоким содержанием метана и газовую фракцию с высоким содержанием легкокипящих компонентов (вторая ступень разделения).
Как правило, природный газ содержит наряду с главным компонентом метаном также компоненты с более высокой температурой кипения, как, например, этан, пропан и высшие алканы, называемые далее высококипящими компонентами, а также компоненты с более низкой температурой кипения, как, например, азот, водород и гелий, называемые далее легкокипящими компонентами. При разделении природного газа в известных случаях выгодно снова повышать теплотворную способность или тепловой эквивалент, сниженный в результате отделения высококипящих компонентов, путем отделения инертных низкокипящих компонентов, под которыми здесь понимают азот и гелий.
Из DE 102013013883 известен типовой способ выделения высоко- и низкокипящих соединений из природного газа. Содержание этой заявки во всей ее полноте включено в настоящую заявку в качестве ссылки.
Недостатком описанного в DE 102013013883 способа выделения высоко- и низкокипящих соединений из природного газа является то, что отделение высоко- и низкокипящих компонентов, которое осуществляют в раздельных колоннах, термически связано через теплообменники E1 и E5, показанные на фигурах 1 и 2 заявки DE 102013013883. Это затрудняет независимое функционирование обеих ступеней разделения, в частности отделение высококипящих компонентов без одновременного выделения низкокипящих компонентов из сырьевой фракции с высоким содержанием углеводородов.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы разработать типовой способ выделения высоко- и низкокипящих соединений из природного газа, который позволяет временно выделять исключительно высококипящие компоненты.
Для решения этой задачи предлагается способ выделения высоко- и низкокипящих соединений из сырьевой фракции с высоким содержанием углеводородов, предпочтительно из природного газа, отличающийся тем, что первая ступень разделения и вторая ступень разделения термически развязаны.
Согласно изобретению, теперь, в отличие от способа, описанного в DE 102013013883, реализована термическая развязка первой и второй ступеней разделения. Чтобы достичь этого, сырьевую фракцию частично конденсируют исключительно за счет самой себя и/или за счет подлежащей нагреву, получаемой на второй ступени разделения жидкой фракции с высоким содержанием метана. В отличие от этого сырьевая фракция с высоким содержанием углеводородов в способе, описанном в DE 102013013883, по меньшей мере частично охлаждается за счет хладагента контура охлаждения второй ступени разделения. Чтобы можно было управлять тепловым балансом между термически развязанными ступенями разделения, согласно одному предпочтительному варианту осуществления способа по настоящему изобретению, по меньшей мере временно парциальный поток полученной на второй ступени разделения жидкой фракции с высоким содержанием метана подается на первую ступень разделения как (дополнительная) флегма.
Следующие предпочтительные варианты осуществления предлагаемого изобретением способа выделения высоко- и низкокипящих соединений из сырьевой фракции с высоким содержанием углеводородов, предпочтительно из природного газа, являющиеся объектами зависимых пунктов формулы изобретения, отличаются тем, что
- первая ступень разделения работает при давлении по меньшей мере 25 бар, предпочтительно по меньшей мере 28 бар,
- обедненную высококипящими компонентами газовую фракцию перед ее подачей на вторую ступень разделения не компримируют,
- флегму для второй ступени разделения формируют через открытый контур охлаждения,
- причем хладагент, циркулирующий в открытом контуре охлаждения, испаряют при двух разных значительных температурах за счет потоков флегмы в дефлегматоре и в боковом конденсаторе второй ступени разделения, и
- давление испаренного в боковом конденсаторе хладагента по меньшей мере в три раза выше, чем давление хладагента, испаренного в дефлегматоре,
- по меньшей мере временно часть потока образовавшейся на первой ступени разделения обедненной высококипящими компонентами газовой фракции смешивают с жидкой фракцией с высоким содержанием метана, полученной на второй ступени разделения,
- если давление сырьевой фракции с высоким содержанием углеводородов превышает 50 бар, сырьевую фракцию перед подачей на первую ступень разделения дросселируют по меньшей мере в две стадии, и
- вторую ступень разделения осуществляют в колонне, содержащей разделительную стенку, причем разделительная стенка расположена по меньшей мере в той части колонны, где в колонну подают обедненную высококипящими компонентами газовую фракцию и отбирают фракцию с низким содержанием диоксида углерода, добавляемую в открытый контур охлаждения.
Предлагаемый изобретением способ выделения высоко- и низкокипящих соединений из сырьевой фракции с высоким содержанием углеводородов, а также следующие варианты его осуществления подробнее поясняются на примерах осуществления, показанных на фигурах 1 и 2. При этом оба примера осуществления отличаются только в отношении формирования фракции флегмы, подаваемой на первую ступень разделения T1.
По линии 1 поток природного газа, содержащего низко- и высококипящие компоненты, который, как правило, имеет давление от 40 до 100 бар, пропускают через теплообменники E1 и E2 и в них частично конденсируют за счет технологических потоков, о которых ниже будет говориться более подробно. Отводимый из теплообменника E2 поток 2 природного газа разделяется в сепараторе D1 на жидкую фазу 3 и газовую фазу 4. Первую проводят через расширительный клапан V1 в верхнюю часть колонны разделения метан-этан T1 (деметанизатор), которая представляет собой первую ступень разделения. Вышеупомянутая газовая фаза 4 дросселируется в детандере X1 и также подается в верхнюю часть колонны T1. Часть потока 5 образующейся в сепараторе D1 газовой фазы 4 после конденсации в теплообменнике E2 подается в колонну T1 как флегма через расширительный клапан V4.
Если давление сырьевой фракции 1 с высоким содержанием углеводородов больше 50 бар, выгодно дросселировать сырьевую фракцию 1 по меньшей мере в две стадии перед ее подачей на первую ступень разделения T1. Такой способ действий показан, например, на фигуре 2 документа DE 102013013883.
Колонна T1 работает предпочтительно при давлении по меньшей мере 25 бар, в частности, по меньшей мере 28 бар. Необходимый боковой обогрев a/b колонны T1 показан лишь схематично. Из куба колонны T1 отбирается жидкая фракция 8 с высоким содержанием высококипящих компонентов и проводится на ее дальнейшее применение, например, разделение на этан и другую фракцию, состоящую из пропана и высших углеводородов. Фракцию этана часто применяют как сырье для установки получения этилена, пропансодержащую фракцию используют в различных химических процессах. Парциальный поток 9 жидкой фракции 8 превращают в пар в кипятильнике E3 и снова подают в колонну T1.
Обедненная высококипящими компонентами газовая фракция 10, получаемая в голове первой ступени разделения T1, по меньшей мере частично конденсируется в теплообменнике E4 и через расширительный клапан V6 подается во вторую колонну или ступень разделения T2. При этом вышеописанная фракция 10 между ее отводом с первой ступени разделения T1 и ее подачей на вторую ступень разделения T2 предпочтительно не подвергается повышению давления посредством насоса или компрессора.
В колонне T2 происходит ректификационное разделение на жидкую фракцию 11 с высоким содержанием метана, которую отводят из куба колонны T2, а также газовую фракцию 12 с высоким содержанием легкокипящих компонентов, которую отбирают в голове колонны T2. Вышеуказанная жидкая фракция 11 с высоким содержанием метана расширяется в клапане V7 до давления на 5-20 бар, предпочтительно на 7-12 бар ниже рабочего давления в колонне T1. Затем эту обогащенную метаном фракцию полностью испаряют в теплообменнике E4, нагревают в теплообменниках E2 и E1 и на выходе получают как поток 11' продукта с высоким содержанием метана. Аналогично отбираемая с верхней части колонны T2 газовая фракция 12 с высоким содержанием легкокипящих компонентов нагревается в теплообменнике E6 и затем по линии 12' проводится на дальнейшее применение, например, на получение гелия. Часть потока 13 вышеуказанной жидкой фракции 11 с высоким содержанием метана по меньшей мере частично испаряют в теплообменнике E5' и затем подают в колонну T2 в ее нижнюю часть.
По меньшей мере часть потока 7 полученной на второй ступени разделения T2 жидкой фракции 11 с высоким содержанием метана подается на первую ступень разделения T1 в качестве флегмы; как правило, для этого следует предусмотреть насос P1.
В примере осуществления, показанном на фигуре 2, вышеописанная частичная конденсация обедненной высококипящими компонентами газовой фракции 10 осуществляется в испарителе с водяной ванной D5 за счет получаемой на второй ступени разделения T2 жидкой фракции 11 с высоким содержанием метана. Жидкая фракция из наличной жидкости испарителя с ванной, обедненная высококипящими компонентами, по линии 7', в которой установлен насос P1', подается на первую ступень разделения T1 как флегма. Этот способ действия позволяет еще больше повысить выход высококипящих компонентов. Для повышения эффективности разделения на первой ступени разделения T1 выгодно подавать потоки флегмы 5 и 7, соответственно 7', в колонну T1 по отдельности.
Вторая ступень разделения или колонна T2 предпочтительно имеет разделительную стенку T, причем она устанавливается по меньшей мере в той части колонны T2, в которой в колонну подается обедненная высококипящими компонентами фракция 10, и отбирается фракция 11 с низким содержанием диоксида углерода 25, на которой ниже остановимся подробнее. Разделительная стенка T приводит к тому, что эти две фракции не вступают в материальный контакт.
Флегма для второй ступени разделения, или колонны, T2 формируется посредством открытого контура охлаждения. Хладагент в этом контуре охлаждения имеет содержание метана предпочтительно по меньшей мере 80 моль.%, в частности по меньшей мере 85 моль.%. Особенно выгодно, если состав хладагента в этом контуре охлаждения по существу соответствует составу вышеупомянутой фракции 25, бедной диоксидом углерода. В качестве хладагента для открытого контура охлаждения используется упомянутая бедная диоксидом углерода и богатая метаном фракция 25. Она отводится из колонны T2 через регулирующий клапан V13, превращается в пар в боковом конденсаторе E8, нагревается в теплообменниках E5' и E1', проводится на первую ступень конденсатора хладагента C1 и вместе с потоком 23 хладагента сжимается до промежуточного давления, о чем еще будет подробнее говориться ниже. После охлаждения в промежуточном компрессоре E9 сжатый хладагент сжимается на второй ступени компрессора до желаемого давления в контуре. После охлаждения во вторичном холодильнике E10 сжатый хладагент 20 после разделения на два парциальных потока охлаждается в теплообменниках E1' и E6 и после смешения в теплообменнике E5 полностью конденсируется за счет парциального потока 13; затем полностью конденсированный хладагент 21 подается в буферную емкость D4. Из этой буферной емкости отбираются два парциальных потока хладагента 24 и 25. Парциальный поток хладагента 24 переохлаждается в теплообменнике E5' и затем через клапан V12 дросселируется в колонне T2, тогда как часть потока хладагента 25 после переохлаждения в теплообменнике E6 подается через расширительный клапан V11 в дефлегматор E7 колонны T2. Из дефлегматора вышеуказанный парциальный поток хладагента отводится по линии 23, нагревается в теплообменнике E6 и затем подается на первую ступень рециркуляционного компрессора C1. Для регулирования массовых потоков в линиях 24 и 25 их можно соединить друг с другом через регулирующий клапан V14. В дефлегматоре E7 и боковом конденсаторе E8 потоки хладагента 25 и 24 превращают в пар за счет потоков флегмы 14 и 15, причем давление испарившегося в боковом конденсаторе E8 хладагента 25 предпочтительно по меньшей мере в три раза, в частности, по меньшей мере в пять раз выше, чем давление хладагента 23, испарившегося в дефлегматоре E7.
Вследствие ректификации в колонне T2, а также благодаря установленной в ней разделительной стенке T достигается, что концентрация диоксида углерода в отбираемой по линии 25 бедной диоксидом углерода фракции хладагента составляет менее 50 объемных ч/млн, предпочтительно менее 5 объемных ч/млн. Установив разделительную стенку T, можно предоставить для дефлегматора E7 фракцию хладагента, которая и при рабочей температуре ниже -150°C, предпочтительно ниже -155°C не приводит к образованию твердой фазы из-за диоксида углерода. Тем самым достигается, что отбираемая в верхней части колонны T2 газовая фракция 12 с высоким содержанием легкокипящих компонентов имеет содержание метана менее 2 об.%, предпочтительно менее 1 об.%.
Вследствие вышеописанного раздельного создания потоков флегмы 14 и 15 в двух разных конденсаторах E7 и E8 расход энергии в компрессорной установке C1 снижается по меньшей мере на 20% по сравнению со способом, в котором не используется боковой конденсатор E8. Благодаря выбранному рабочему давлению первой ступени разделения T1 гарантируется, что отбираемую в верхней части колонны T2 газовую фракцию 12 с высоким содержанием легкокипящих компонентов, имеющую содержание азота более 90 моль.%, предпочтительно более 95 моль.%, можно по меньшей мере частично конденсировать за счет хладагента, не вызывая при этом снижения давления ниже атмосферного на стороне всасывания циркуляционного компрессора C1.
Из фигуры 2 документа DE 102013013883 известен способ, в котором вторая ступень разделения реализуется в трех соединенных друг с другом колоннах. При таком образе действий также можно применять предлагаемый изобретением способ выделения высоко- и низкокипящих соединений из сырьевой фракции с высоким содержанием углеводородов.
Термическое расцепление первой и второй ступени разделения достигается согласно изобретению тем, что сырьевая фракция 1 частично конденсируется исключительно за счет самой себя и/или за счет подлежащей нагреву, полученной на второй ступени разделения жидкой фракции 11 с высоким содержанием метана. В отличие от способа согласно DE 102013013883 не осуществляют никакого охлаждения сырьевой фракции за счет вышеописанного контура охлаждения. Чтобы можно было управлять тепловым балансом между термически расцепленными ступенями разделения, согласно одному предпочтительному варианту осуществления способа по изобретению по меньшей мере временно парциальный поток 7 или 7' полученной на второй ступени разделения жидкой фракции 11 с высоким содержанием метана подается на первую ступень разделения как (дополнительная) флегма.
Кроме того, в отличие от способа, описанного в DE 102013013883, по меньшей мере частично охлажденная сырьевая фракция подается в теплообменник E5, а переоборудованный теплообменник E5' применяется исключительно для кипячения подаваемого в колонну T2 парциального потока 13 путем конденсации хладагента высокого давления. Переохлаждение парциального потока сжиженного хладагента высокого давления из D4 за счет хладагента среднего давления происходит теперь в дополнительном теплообменнике E5'.
Таким образом, согласно изобретению, в удалении высококипящих компонентов участвуют исключительно теплообменники E1, E2 и E3. Все прохождения через эти теплообменники происходят в нормальном режиме и тогда, когда работает только отделение высококипящих, но не низкокипящих компонентов, то есть работает только колонна T1, но не колонна T2. Головной продукт колонны T1 в этом случае по линии 50, в которой предусмотрен регулирующий клапан V5, проходит мимо на отделение низкокипящих компонентов. Линия 50 служит, кроме того, для разгрузки процесса выделения низкокипящих компонентов на второй ступени разделения T2 благодаря тому, что по меньшей мере временно парциальный поток обеденной высококипящими компонентами газовой фракции 10, полученной на первой ступени разделения T1, смешивается по линии 50 с получаемой на второй ступени разделения T2 жидкой фракцией 11 с высоким содержанием метана.
Хотя аппаратурные издержки в способе по изобретению для выделения высоко- и низкокипящих соединений из сырьевой фракции с высоким содержанием углеводородов из-за разделения первоначально двух теплообменников (в DE 102013013883 это теплообменники E1 и E5) теперь на четыре теплообменника E1, E1', E5 и E5' требуют дополнительных капиталовложений, гибкость производства, в частности при пуске, настолько повышается, что суммарная экономическая эффективность установки в результате предложенных мер возрастает.