СПОСОБ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ) ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОБЕДНЕННОГО АЗОТОМ ПРОДУКТА СПГ
METHOD (EMBODIMENTS) AND APPARATUS (EMBODIMENTS) FOR PRODUCING NITROGEN-DEPLETED LNG PRODUCT

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к способу сжижения потока сырьевого природного газа и удаления из него азота с получением обедненного азотом продукта сжиженного природного газа (СПГ). Настоящее изобретение также относится к устройству (такому, например, как установка сжижения природного газа или другая форма перерабатывающего оборудования) для сжижения потока сырьевого природного газа и удаления из него азота с получением обедненного азотом продукта СПГ.
В способах сжижения природного газа часто является желательным или необходимым, например, из-за требований чистоты и/или извлечения, удалять азот из потока сырьевого, в то же время, сводя к минимуму потери продукта (метана). Удаляемый продукт азота может использоваться в качестве топливного газа или выпускаться в атмосферу. Если он используется в качестве топливного газа, продукт азота должен содержать значительное количество метана (как правило, >30% моль) для поддержания его тепловой ценности. В этом случае, отделение азота не является сложным благодаря свободным спецификациям относительно чистоты продукта азота, и целью является выбор наиболее эффективного способа с минимальным дополнительным оборудованием и потребляемой энергий. Во многих установках для переработки СПГ малого и среднего масштаба, которые приводятся в действие электрическими двигателями, однако, имеется очень небольшая потребность в топливном газе и продукт азота должен выпускаться в атмосферу. Если он выпускается, продукт азота должен удовлетворять строгим спецификациям по чистоте (например, >95% моль, или >99% моль), из-за проблем с окружающей средой и/или из-за требований по извлечению метана. Это требование по чистоте создает проблемы при разделении. В случае очень высокой концентрации азота (как правило, больше чем 10% моль, а в некоторых случаях, до 20% моль или даже выше) в исходных  материалах природного газа, специальная установка регенерации азота (NRU), как показано, представляет собой устойчивый способ эффективного удаления азота и получения чистого (>99% моль) продукта азота. В большинстве случаев, однако, природный газ содержит примерно 1-10% моль азота. Когда концентрация азота в исходных материалах находится в этом диапазоне, применимость NRU затрудняется высокими капитальными затратами из-за сложностей, связанных с дополнительным оборудованием. Ряд документов, известных из литературы, предлагают альтернативные решения для удаления азота из природного газа, включая добавление потока рецикла азота в NRU или использование специальной ректификационной колонны. Однако эти способы часто являются очень сложными, требуют большого количества оборудования (вместе с соответствующими капитальными затратами), являются сложными в работе и/или являются неэффективными, в особенности, для потоков сырья при более низких концентрациях азота (<5%). Кроме того, часто случается, что концентрация азота в исходных материалах природного газа будет изменяться со временем, это означает, что если даже имеют дело с исходными материалами с высоким содержанием азота в данный момент времени, нет гарантии, что так будет всегда. Следовательно, было бы желательным разработать способ, который является простым, эффективным и способен эффективно удалять азот из сырьевого природного газа с низкими концентрациями азота.
Патент США № US 3721099 описывает способ сжижения природного газа и выделения азота из сжиженного природного газа посредством ректификации. В этом способе, исходные материалы природного газа предварительно охлаждают и частично сжижают в серии узлов теплообменников и разделяют в фазовом сепараторе на жидкую фазу и фазу паров. Затем поток паров природного газа сжижается и предварительно охлаждается в змеевике в нижней части сдвоенной ректификационной колонны, обеспечивая нагрузку по пару для колонны высокого давления. Жидкие потоки природного газа из змеевика затем дополнительно предварительно охлаждаются в узле теплообменника, расширяются в расширительном клапане и вводятся в колонну высокого давления и разделяются в ней. Жидкий поток, обогащенный метаном, извлеченный из нижней части ректификационной колонны высокого давления, и обогащенный метаном жидкий поток, полученный из фазового сепаратора, предварительно охлаждается в других узлах теплообменников, расширяется через расширительные клапаны и вводится в колонну низкого давления и разделяется в ней. Обратный поток в колонну низкого давления обеспечивается потоком жидкого азота, полученным от сжижения в узле теплообменника потока азота, полученного из верхней части колонны высокого давления. Обедненный азотом продукт LNG (в основном жидкий метан), содержащий примерно 0,5% азота, получают из нижней части колонны низкого давления и направляют в танк-хранилище для LNG. Обогащенные азотом потоки получают из верхней части колонны низкого давления (содержащий примерно 95% моль азота) и из верхней части колонны высокого давления. Обогащенные азотом потоки и отпарной газ из танка для LNG подогреваются в различных узлах теплообменников для обеспечения их рефрижерации.
Патент США №7520143 описывает способ, в котором выходящий поток азота, содержащий 98% моль азота, отделяется с помощью колонны для удаления азота. Поток сырьевого природного газа сжижается в первой (теплой) секции главного теплообменника с получением потока LNG, который извлекают из промежуточного положения теплообменника, расширяют в расширительном клапане и направляют в нижнюю часть колонны для удаления азота. Донная жидкость из колонны для удаления азота предварительно охлаждается во второй (холодной) секции главного теплообменника и расширяется через клапан в испарительном барабане с получением обедненного азотом продукта LNG (меньше чем 1,5% моль азота) и обогащенного азотом потока, который имеет более низкую чистоту (30% моль азота), чем выходящий поток азота, и который используют в качестве топливного газа. Пары из верхней части колонны из колонны для удаления азота разделяются, при этом часть паров извлекается в качестве выходящего потока азота, а остальная часть конденсируется в теплообменнике в испарительном барабане с получением обратного потока в колонну для удаления азота. Рефрижерация главного теплообменника обеспечивается системой рефрижерации с замкнутым контуром, использующей смешанный хладагент.
Заявка на патент США US 2011/0041389 описывает способ, несколько сходный со способом, описанным в патенте США №7520143, в котором выходящий поток азота высокой чистоты (как правило, 90-100% объем азота) отделяется из потока сырьевого природного газа в ректификационной колонне. Поток сырьевого природного газа охлаждается в теплой секции главного теплообменника с получением охлажденного потока природного газа. Часть этого потока извлекают из первого промежуточного положения главного теплообменника, расширяют и направляют в нижнюю часть ректификационной колонны как отпарной газ. Остальная часть потока дополнительно охлаждается и сжижается в промежуточной секции главного теплообменника с формированием потока LNG, который извлекают из второго (более холодного) промежуточного положения в теплообменнике, расширяют и направляют в промежуточное положение ректификационной колонны. Донная жидкость из ректификационной колонны извлекается как обедненный азотом поток LNG, предварительно охлаждается в холодной секции главного теплообменника и расширяется в фазовом сепараторе с получением обедненного азотом продукта LNG и обогащенного азотом потока, который сжимается и рециклируется обратно в поток сырьевого природного газа. Пары из верхней части ректификационной колонны разделяют, при этом часть паров извлекается как выходящий поток азота высокой чистоты, а остальная часть конденсируется в теплообменнике в фазовом сепараторе с получением обратного потока для ректификационной колонны.
IPCOM000222164D, документ в базе данных ip.com, описывает способ, в котором отдельную установку регенерации азота (NRU) используют для получения обедненного азотом потока природного газа и выходящего потока чистого азота. Поток сырьевого природного газа охлаждают и частично сжижают в узле теплого теплообменника и разделяют в фазовом сепараторе на потоки паров природного газа и жидкости. Поток паров сжижают в холодном узле теплообменника и направляют в верхнюю часть или в промежуточное положение дистилляционной колонны. Поток жидкости дополнительно охлаждается в холодном узле теплообменника, отдельно от потока паров и параллельно с ним, а затем его направляют в промежуточное положение дистилляционной колонны (ниже положения, в котором вводится поток паров). Объемная скорость образования паров для дистилляционной колонны обеспечивается посредством нагрева и испарения части обедненной азотом донной жидкости из дистилляционной колонны в холодном узле теплообменника, с получением при этом также рефрижерации для узла. Остальная часть обедненной азотом донной жидкости закачивается и нагревается и испаряется в теплом узле теплообменника, обеспечивая тем самым рефрижерацию для этого узла, и покидает теплообменник как полностью испаренный поток паров. Обогащенные азотом пары из верхней части колонны, извлеченные из дистилляционной колонны, нагреваются в холодном и теплом узлах теплообменников с обеспечением дополнительной рефрижерации для указанных узлов. Когда поток паров вводится в промежуточное положение дистилляционной колонны, дополнительный обратный поток для колонны может обеспечиваться посредством конденсации части паров из верхней части колонны и возвращения их в колонну. Это можно осуществить посредством нагрева паров из верхней части колонны в теплообменнике подогревателе, разделения нагретых паров из верхней части колонны и конденсации части нагретых паров из верхней части колонны в теплообменнике подогревателе и возвращения конденсированной части в верхнюю часть дистилляционной колонны. В этом способе не используют внешнюю рефрижерацию.
Заявка на патент US 2011/0289963 описывает способ, в котором колонна для извлечения азота используется для выделения азота из потока природного газа. В этом способе, поток сырьевого природного газа охлаждается и частично сжижается в теплой секции главного теплообменника посредством теплообмена с одним единственным смешанным хладагентом. Частично конденсированный природный газ извлекают из главного теплообменника и разделяют в фазовом сепараторе или дистилляционной емкости на потоки паров природного газа и жидкости. Поток жидкости дополнительно охлаждается в холодной секции главного теплообменника перед расширением и введением в колонну для извлечения азота. Обедненный азотом продукт LNG (содержащий 1-3% объем азота) извлекается из нижней части колонны для извлечения, а обогащенный азотом поток паров (содержащий менее чем 10% объем метана) извлекается из верхней части колонны для извлечения. Поток паров природного газа из фазового сепаратора или дистилляционной емкости расширяется и охлаждается в отдельных теплообменниках и вводится в верхнюю часть колонны для извлечения для обеспечения обратного потока. Рефрижерация дополнительных теплообменников обеспечивается посредством испарения части донной жидкости из колонны для извлечения (обеспечивая тем самым также объемную скорость образования паров из колонны) и посредством нагрева обогащенного азотом потока паров, извлекаемого из верхней части колонны для извлечения.
Патент США №8522574 описывает другой способ, в котором азот удаляют из сжиженного природного газа. В этом способе, поток сырьевого природного газа сначала охлаждают и сжижают в главном теплообменнике. Затем поток жидкости охлаждают во вторичном теплообменнике и расширяют виспарительной емкости, где обогащенные азотом пары отделяются из обогащенной метаном жидкости. Поток паров дополнительно расширяется и направляется в верхнюю часть фракционирующей колонны. Поток жидкости из испарительной емкости разделяется, при этом одна часть вводится в промежуточном положении во фракционирующую колонну, а другая часть нагревается во вторичном теплообменнике и вводится в нижнюю часть фракционирующей колонны. Обогащенные азотом пары из верхней части колонны, полученные из фракционирующей колонны, проходят через вторичный теплообменник и нагреваются в нем, обеспечивая дополнительную рефрижерацию для указанного теплообменника. Продукт сжиженного природного газа извлекается из нижней части фракционирующей колонны.
Заявка на патент US 2012/019883 описывает способ сжижения потока природного газа и удаления азота из него. Поток сырьевого природного газа сжижается в главном теплообменнике, расширяется и вводится в нижнюю часть разделительной колонны. Рефрижерация главного теплообменника обеспечивается с помощью системы рефрижерации с замкнутым контуром, в которой циркулирует смешанный хладагент. Обедненный азотом LNG, извлеченный из нижней части разделительной колонны, расширяется и дополнительно разделяется в фазовом сепараторе. Обедненный азотом LNG из фазового сепаратора направляется в танк-хранилище для LNG. Поток паров из фазового сепаратора объединяется с отпарным газом из танка-хранилища для LNG, нагревается в главном теплообменнике для обеспечения дополнительной рефрижерации главного теплообменника, сжимается и рециклируется в поток сырьевого природного газа. Обогащенные азотом пары (90-100% объем азота), извлеченные из верхней части разделительной колоны, также нагреваются в главном теплообменнике для обеспечения дополнительной рефрижерации главного теплообменника.
Сущность изобретения
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, предлагается способ получения обедненного азотом продукта LNG, способ включает:
(a) прохождение потока сырьевого природного газа через главный теплообменник для охлаждения потока сырьевого природного газа и сжижения всего указанного потока или его части, с получением тем самым первого потока LNG;
(b) извлечение первого потока LNG из главного теплообменника;
(c) расширение, частичное испарение и разделение первого потока LNG или потока LNG, сформированного из части первого потока LNG, с образованием обедненного азотом продукта LNG и потока рецикла, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа;
(d) сжатие потока рецикла с формированием сжатого потока рецикла;
(e) прохождение сжатого потока рецикла через главный теплообменник, отдельно от потока сырьевого природного газа и параллельно с ним, для охлаждения сжатого потока рецикла и, по меньшей мере, частичного сжижения всего потока или его части, с получением при этом первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа;
(f) извлечение первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа из главного теплообменника и
(g) расширение, частичное испарение и разделение первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа, с образованием обогащенного азотом парообразного продукта.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения, предлагается устройство для получения обедненного азотом продукта LNG, устройство содержит:
главный теплообменник, имеющий охлаждающие проходы для приема потока сырьевого природного газа и прохождения указанного потока через теплообменник для охлаждения потока и сжижения всего потока или его части, с тем, чтобы получить первый поток LNG, и для приема сжатого потока рецикла, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа, и прохождения указанного потока через теплообменник для охлаждения потока и, по меньшей мере, частичного сжижения всего потока или его части с тем, чтобы получить первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа, где указанные охлаждающие проходы расположены таким образом, чтобы прохождение сжатого потока рецикла через теплообменник осуществлялось отдельно от потока сырьевого природного газа и параллельно с ним;
систему рефрижерации для подачи хладагента в главный теплообменник для охлаждения охлаждающих проходов;
первую систему разделения, в сообщении текучих сред с главным теплообменником, для приема, расширения, частичного испарения и разделения первого потока LNG или потока LNG, сформированного из части первого потока LNG, с образованием обедненного азотом продукта LNG и потока рецикла, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа;
компрессор, в сообщении текучих сред с первой системой разделения и главным теплообменником, для приема потока рецикла, сжатия потока рецикла с формированием сжатого потока рецикла, и возвращения сжатого потока рецикла в главный теплообменник; и
вторую систему разделения, в сообщении текучих сред с главным теплообменником для приема, расширения, частичного испарения и разделения первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа, с образованием обогащенного азотом парообразного продукта.
Предпочтительные аспекты настоящего изобретения включают следующие аспекты, пронумерованные как №1-№28:
№1. Способ получения обедненного азотом продукта LNG, способ включает:
(a) прохождение потока сырьевого природного газа через главный теплообменник для охлаждения потока сырьевого природного газа и сжижения всего указанного потока или его части, с получением тем самым первого потока LNG;
(b) извлечение первого потока LNG из главного теплообменника;
(c) расширение, частичное испарение и разделение первого потока LNG или потока LNG, сформированного из части первого потока LNG, с образованием обедненного азотом продукта LNG и потока рецикла, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа;
(d) сжатие потока рецикла с формированием сжатого потока рецикла;
(e) прохождение сжатого потока рецикла через главный теплообменник, отдельно от потока сырьевого природного газа и параллельно с ним, для охлаждения сжатого потока рецикла и, по меньшей мере, частичного сжижения всего потока или его части, с получением при этом первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом поток природного газа;
(f) извлечение первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа из главного теплообменника и
(g) расширение, частичное испарение и разделение первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа, с образованием обогащенного азотом парообразного продукта.
№2. Способ согласно аспекту №1, где стадия (c) включает расширение первого потока LNG или потока LNG, сформированного из него, перенос расширенного потока в танк-хранилище для LNG, в котором часть LNG испаряется, с формированием при этом обогащенных азотом паров природного газа и обедненного азотом продукта LNG, и извлечение обогащенных азотом паров природного газа из танка с формированием потока рецикла.
№3. Способ согласно аспекту №1 или №2, где стадия (g) включает расширение и частично испарение первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа и разделение указанного потока в фазовом сепараторе на паровую и жидкую фазы с образованием обогащенного азотом парообразного продукта и второго потока LNG.
№4. Способ согласно аспекту №3, где стадия (c) включает расширение, частичное испарение и разделение первого потока LNG с образованием обедненного азотом продукта LNG и потока рецикла, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа, и где способ дополнительно включает:
(h) расширение, частичное испарение и разделение второго потока LNG с получением дополнительных обогащенных азотом паров природного газа для потока рецикла и дополнительного обедненного азотом продукта LNG.
№5. Способ согласно аспекту №1 или №2, где стадия (g) включает расширение и частичное испарение первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа, введение указанного потока в дистилляционную колонну для разделения потока на паровую и жидкую фазы и формирование обогащенного азотом парообразного продукта из паров из верхней части колонны, извлеченных из дистилляционной колонны.
№6. Способ согласно аспекту №5, где стадия (c) включает расширение, частичное испарение и разделение первого потока LNG с образованием обедненного азотом продукта LNG и потока рецикла, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа.
№7. Способ согласно аспекту №5, где:
стадия (c) включает (i) расширение, частичное испарение и разделение первого потока LNG с образованием обедненного азотом потока LNG и потока отпарного газа, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа, и (ii) дополнительное расширение, частичное испарение и разделение обедненного азотом потока LNG с образованием обедненного азотом продукта LNG и потока рецикла, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа; и
стадия (g) дополнительно включает введение потока отпарного газа в нижнюю часть дистилляционной колонны.
№8. Способ согласно аспекту № 6 или 7, где стадия (g) дополнительно включает формирование второго потока LNG из донной жидкости, извлеченной из дистилляционной колонны, и
где способ дополнительно включает:
(h) расширение, частичное испарение и разделение второго потока LNG с получением дополнительных обогащенных азотом паров природного газа для потока рецикла и дополнительного обедненного азотом продукта LNG.
№9. Способ согласно аспекту №5, где стадия (c) включает (i) расширение и частичное испарение первого потока LNG и введение указанного потока в дистилляционную колонну для разделения потока на паровую и жидкую фазы, первый поток LNG вводится в дистилляционную колонну в положении ниже положения, в котором первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа вводится в колонну, (ii) формирование второго потока LNG из донной жидкости, извлеченной из дистилляционной колонны, и (iii) расширение, частичное испарение и разделение второго потока LNG с образованием обедненного азотом продукта LNG и потока рецикла, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа.
№10. Способ согласно аспекту №9, где первый поток LNG вводится в дистилляционную колонну в промежуточном положении колонны, и объемная скорость образования паров для дистилляционной колонны обеспечивается посредством нагрева и испарения части донной жидкости в теплообменнике ребойлера с помощью опосредованного теплообмена с первым потоком LNG перед введением первого потока LNG в дистилляционную колонну.
№11. Способ согласно аспекту №9, где первый поток LNG вводится в нижнюю часть дистилляционной колонны.
№12. Способ по любому из аспектов №5-№10, где объемная скорость образования паров для дистилляционной колонны обеспечивается посредством нагрева и испарения части донной жидкости в теплообменнике ребойлера с помощью опосредованного теплообмена со всем первым, по меньшей мере, частично сжиженным обогащенным азотом потока природного газа или его частью перед введением указанного потока в дистилляционную колонну.
№13. Способ по любому из аспектов №5-№12, где стадия (e) включает введение сжатого потока рецикла в главный теплообменник, охлаждение сжатого потока рецикла, извлечение части охлажденного сжатого потока рецикла из промежуточного положения главного теплообменника с формированием потока отпарного газа и дополнительное охлаждение и, по меньшей мере, частичное сжижение другой части охлажденного сжатого потока рецикла с формированием, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа; и где стадия (g) дополнительно включает введение потока отпарного газа в нижнюю часть дистилляционной колонны.
№14. Способ по любому из аспектов №5-№13, где первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа вводится в верхнюю часть дистилляционной колонны.
№15. Способ по любому из аспектов №5-№13, где первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа расширяется, частично испаряется и разделяется на отдельные потоки паров и жидкости перед введением в дистилляционную колонну, поток жидкости вводится в дистилляционную колонну в промежуточном положении и поток паров, охлажденный и, по меньшей мере, частично конденсированный в теплообменнике конденсора с помощью опосредованного теплообмена с парами из верхней части колонны, извлеченными из колонны, а затем вводится в верхнюю часть колонны.
№16. Способ по любому из аспектов №5-№13, где обратный поток для дистилляционной колонны обеспечивается посредством конденсации части паров из верхней части колонны из дистилляционной колонны в теплообменнике конденсора.
№17. Способ согласно аспекту №16, где рефрижерация для теплообменника конденсора обеспечивается посредством нагрева паров из верхней части колонны, извлеченных из дистилляционной колонны.
№18. Способ согласно аспекту №16 или №17, где рефрижерация для теплообменника конденсора обеспечивается с помощью системы рефрижерации с замкнутым контуром, которая подобным же образом обеспечивает рефрижерацию для главного теплообменника, хладагент, циркулирующий с помощью системы рефрижерации с замкнутым контуром, проходит через теплообменник конденсора и нагревается в нем.
№19. Способ по любому из аспектов №1-№18, где способ дополнительно включает рециклирование части обогащенного азотом парообразного продукта посредством добавления указанной части в поток рецикла, полученный на стадии (c), перед сжатием потока рецикла на стадии (d).
№20. Способ по любому из аспектов №1-№19, где главный теплообменник содержит теплый край, в который параллельно вводят поток сырьевого природного газа и сжатый поток рецикла, и холодный край, из которого параллельно извлекают первый поток LNG и первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа.
№21. Способ по любому из аспектов №1-№19, где главный теплообменник содержит теплый край, в который вводят поток сырьевого природного газа, и холодный край, из которого параллельно извлекают первый поток LNG и первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа, сжатый поток рецикла вводят в главный теплообменник в промежуточном положении между теплым и холодным краями теплообменника.
№22. Способ согласно аспекту №21, где поток рецикла нагревают в теплообменнике подогревателя перед сжатием на стадии (d) и где сжатый поток рецикла охлаждается в дополнительном охладителе и дополнительно охлаждается в теплообменнике подогревателя перед введением в главный теплообменник на стадии (e).
№23. Способ по любому из аспектов №1-№22, где главный теплообменник содержит теплый край, в который вводят поток сырьевого природного газа, и холодный край, из которого извлекают первый поток LNG;
где стадия (a) включает (i) введение потока сырьевого природного газа на теплом краю главного теплообменника, охлаждение и, по меньшей мере, частичное сжижение потока сырьевого природного газа и извлечение охлажденного и, по меньшей мере, частично сжиженного потока из промежуточного положения главного теплообменника, (ii) расширение, частичное испарение и разделение охлажденного и, по меньшей мере, частично сжиженного потока, с формированием обогащенного азотом потока паров природного газа и обедненного азотом потока жидкого природного газа, и (iii) раздельное повторное введение потоков паров и жидкости в промежуточном положении главного теплообменника и дополнительное параллельное охлаждение потоков паров и жидкости, поток жидкости дополнительно охлаждается с формированием первого потока LNG, и поток паров дополнительно охлаждается и, по меньшей мере, частично сжижается с формированием второго, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа; и
где стадия (b) включает извлечение первого потока LNG и второго, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа из холодного края главного теплообменника.
№24. Способ согласно аспекту №23, когда он зависит от любого от аспектов №1, №2 и №5-№21, где стадия (g) включает расширение и частичное испарение первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа и второго, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа, введение потоков в дистилляционную колонну для разделения потоков на паровую и жидкую фазы и формирование обогащенного азотом парообразного продукта из паров из верхней части колонны, извлеченных из дистилляционной колонны.
№25. Способ согласно аспекту №24, где первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа вводится в дистилляционную колонну в положении выше положения, в котором в дистилляционную колонну вводится второй, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа.
№26. Способ по любому из аспектов №1-№25, где рефрижерация для главного теплообменника обеспечивается системой рефрижерации с замкнутым контуром, хладагент, циркулирующий с помощью системы рефрижерации с замкнутым контуром, проходит через главный теплообменник и нагревается в нем.
№27. Устройство для получения обедненного азотом продукта LNG, устройство содержит:
главный теплообменник, имеющий охлаждающие проходы для приема входного потока природного газа и прохождения указанного потока через теплообменник для охлаждения потока и сжижения всего потока или его части с тем, чтобы получить первый поток LNG, и для приема сжатого потока рецикла, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа, и прохождения указанного потока через теплообменник для охлаждения и, по меньшей мере, частичного сжижения потока с тем, чтобы получить первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа, где указанные охлаждающие проходы расположены таким образом, чтобы прохождение сжатого потока рецикла через теплообменник осуществлялось отдельно от потока сырьевого природного газа и параллельно с ним;
систему рефрижерации для подачи хладагента в главный теплообменник для охлаждения охлаждающих проходов;
первую систему разделения, в сообщении текучих сред с главным теплообменником для приема, расширения, частичного испарения и разделения первого потока LNG или потока LNG, сформированного из части первого потока LNG, с образованием обедненного азотом продукта LNG и потока рецикла, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа;
компрессор, в сообщении текучих сред с первой системой разделения и главным теплообменником для приема потока рецикла, сжатия потока рецикла с формированием сжатого потока рецикла и возвращения сжатого потока рецикла в главный теплообменник; и
вторую систему разделения, в сообщении текучих сред с главным теплообменником, для приема, расширения, частичного испарения и разделения первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа, с образованием обогащенного азотом парообразного продукта.
№28. Устройство в соответствии с аспектом №27, где система рефрижерации представляет собой систему рефрижерации с замкнутым контуром, первая система разделения включает расширительное устройство и танк для LNG, и вторая система разделения включает расширительное устройство и фазовый сепаратор или дистилляционную колонну.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой блок-схему, изображающую способ и устройство в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения для сжижения и удаления азота из потока природного газа, с получением обедненного азотом продукта LNG.
Фиг. 2 представляет собой блок-схему, изображающую способ и устройство в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3 представляет собой блок-схему, изображающую способ и устройство в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 4 представляет собой блок-схему, изображающую способ и устройство в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 5 представляет собой блок-схему, изображающую способ и устройство в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 6 представляет собой блок-схему, изображающую способ и устройство в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 7 представляет собой блок-схему, изображающую способ и устройство в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 8 представляет собой блок-схему, изображающую способ и устройство в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 9 представляет собой блок-схему, изображающую способ и устройство в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 10 представляет собой блок-схему, изображающую способ и устройство в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 11 представляет собой график, показывающий кривые охлаждения для теплообменника конденсора, используемого в способе, и в устройстве, изображенном на Фиг. 10.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Если не указано иного, единственное число, как используется в настоящем документе, означает один или несколько, когда применяется к любому признаку в вариантах осуществления настоящего изобретения, описанного в описании и формуле изобретения. Использование обозначений единственного числа не ограничивает значение единственным признаком, если только такое ограничение не формулируется конкретно. Обозначения, предшествующие существительным или словосочетаниям в единственном или множественном числе, обозначают конкретный указанный признак или конкретные указанные признаки и могут иметь значение единственного числа или множественного числа, в зависимости от контекста, в котором оно используется.
Как отмечено выше, в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, предлагается способ получения обедненного азотом продукта LNG, включающий:
(a) прохождение потока сырьевого природного газа через главный теплообменник для охлаждения потока сырьевого природного газа и сжижения (и, как правило, предварительного охлаждения) всего указанного потока или его части, с получением при этом первого потока LNG;
(b) извлечение первого потока LNG из главного теплообменника;
(c) расширение, частичное испарение и разделение первого потока LNG или потока LNG, сформированного из части первого потока LNG, с образованием обедненного азотом продукта LNG и потока рецикла, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа;
(d) сжатие потока рецикла с формированием сжатого потока рецикла;
(e) прохождение сжатого потока рецикла через главный теплообменник, отдельно от потока сырьевого природного газа и параллельно с ним, для охлаждения сжатого потока рецикла и, по меньшей мере, частичного сжижения всего потока или его части, с получением при этом первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа;
(f) извлечение первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа из главного теплообменника и
(g) расширение, частичное испарение и разделение первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа, с образованием обогащенного азотом парообразного продукта.
Как используется в настоящем документе, термин "природный газ" охватывает также синтетические, искусственные и природные газы. Поток сырьевого природного газа содержит метан и азот (при этом метан, как правило, представляет собой главный компонент). Как правило, поток сырьевого природного газа имеет концентрацию азота от 1 до 10% моль, и способы и устройство, описанные в настоящем документе, могут эффективно удалять азот из потока сырьевого природного газа, даже когда концентрация азота в потоке сырьевого природного газа является относительно низкой, такой как 5% моль или ниже. Поток природного газа обычно будет также содержать другие компоненты, такие, например, как один или несколько других углеводородов, и/или другие компоненты, такие как гелий, диоксид углерода, водород, и тому подобное. Однако он не должен содержать каких-либо дополнительных компонентов при концентрациях, которые будут замораживаться в главном теплообменнике во время охлаждения и сжижения потока. Соответственно, перед введением в главный теплообменник, поток сырьевого природного газа может предварительно обрабатываться, при необходимости, для удаления воды, кислотных газов, ртути и тяжелых углеводородов из потока сырьевого природного газа, с тем, чтобы уменьшить концентрации любых таких компонентов в потоке сырьевого природного газа до таких уровней, которые не дадут в результате никаких проблем с замерзанием.
Как используется в настоящем документе, и если не указано иного, поток является "обогащенным азотом", если концентрация азота в потоке выше, чем концентрация азота в потоке сырьевого природного газа. Поток является "обедненным азотом", если концентрация азота в потоке ниже, чем концентрация азота в потоке сырьевого природного газа. В способе в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, как описано выше, обогащенный азотом продукт паров имеет более высокую концентрацию азота, чем первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа (и таким образом, он может быть описан как дополнительно обогащенный азотом по отношению к потоку сырьевого природного газа). Когда поток сырьевого природного газа содержит другие компоненты, в дополнение к метану и азоту, потоки, которые являются "обогащенными азотом", могут также быть обогащенными другими легкими компонентами (например, другими компонентами, имеющими температуру кипения сходную или более низкую, чем у азота, такими, например, как гелий), и потоки, которые являются "обедненными азотом", могут также быть обедненными другими тяжелыми компонентами (например, другими компонентами, имеющими температуру кипения сходную или более высокую, чем у метана, такими, например, как более тяжелые углеводороды).
Как используется в настоящем документе, термин "главный теплообменник" относится к теплообменнику ответственному за охлаждение и сжижение всего потока природного газа или его части с получением первого потока LNG. Как описано ниже более подробно, теплообменник может состоять из одной или нескольких охладительных секций, расположенных последовательно и/или параллельно. Каждая из таких секций может составлять отдельный узел теплообменника, имеющий свой собственный кожух, но точно также секции могут объединяться в единый узел теплообменника, имеющий общий кожух. Узел (узлы) теплообменника могут принадлежать к любому пригодному для использования типу, такому как, но, не ограничиваясь этим, тип узла кожухотрубного теплообменника, тип змеевика или типы с пластинами и ребрами. В таких узлах, каждая охладительная секция будет, как правило, содержать свой собственный пучок труб (когда узел принадлежит к кожухотрубному типу или к типу змеевика) или пучок пластин и ребер (когда узел принадлежит к типу с пластинами и ребрами). Как используется в настоящем документе, "теплый край" и "холодный край" главного теплообменника представляют собой относительные термины, относящиеся к краям главного теплообменника, которые находятся при самой высокой и самой низкой температуре (соответственно), и они не предназначены для использования каких-либо конкретных диапазонов температур, если не указано иного. Фраза "промежуточное положение" главного теплообменника относится к положению между теплым и холодным краями, как правило, между двумя охладительными секциями, которые располагаются последовательно.
Как правило, вся рефрижерация или некоторая ее часть для главного теплообменника обеспечивается системой рефрижерации с замкнутым контуром, хладагент, циркулирующий с помощью системы рефрижерации с замкнутым контуром проходит через главный теплообменник и нагревается в нем. Система рефрижерации с замкнутым контуром (или системы рефрижерации с замкнутым контуром, когда используется их несколько для обеспечения рефрижерации главного теплообменника) могут принадлежать к любому пригодному для использования типу. Иллюстративные системы рефрижерации, содержащие одну или несколько систем с замкнутым контуром, которые можно использовать в соответствии с настоящим изобретением, включают систему с одним смешанным хладагентом (SMR), систему с двойным смешанным хладагентом (DMR), гибридную систему со смешанным хладагентом на основе пропана (C3MR), систему с циклом расширения азота (или с другим циклом расширения газа) и каскадную систему рефрижерации.
В способах и устройствах, описанных в настоящем документе, и если не указано иного, потоки могут расширяться и/или, в случае жидких или двухфазных потоков, расширяться и частично испаряться посредством прохождения потока через любое пригодное для использования расширительное устройство. Поток может, например, расширяться и частично испаряться посредством прохождения через расширительный клапан или клапан Джоуля-Томпсона, или любое другое средство для осуществления (по существу) изоэнтальпического расширения (и, следовательно, быстрого испарения) потока. В дополнение к этому или альтернативно, поток может, например, расширяться и частично испаряться посредством прохождения и расширяться с совершением работы в средстве для извлечения механической работы, таком, например, как гидравлическая турбина или турбоэспандер, осуществляя тем самым (по существу) изоэнтропическое расширение потока.
В предпочтительном варианте осуществления, стадия (c) способа использует танк-хранилище для LNG для отделения первого потока LNG или потока LNG, сформированного из части первого потока LNG, с образованием обедненного азотом продукта LNG и потока рецикла. Таким образом, стадия (c) предпочтительно включает расширение первого потока LNG или потока LNG, сформированного из него, с переносом расширенного потока в танк-хранилище для LNG, в котором часть LNG испаряется, с формированием при этом обогащенных азотом паров природного газа и обедненного азотом продукта LNG, и с извлечением обогащенных азотом паров природного газа из танка с формированием потока рецикла.
В одном из вариантов осуществления, стадия (g) способа использует фазовый сепаратор для отделения первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа, с образованием обогащенного азотом парообразного продукта. Таким образом, стадия (g) может включать расширение и частичное испарение первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа и разделение указанного потока в фазовом сепараторе на паровую и жидкую фазы с образованием обогащенного азотом парообразного продукта и второго потока LNG.
Как используется в настоящем документе, термин "фазовый сепаратор" относится к средству, такому как барабан или другая форма емкости, в которую можно вводить двухфазный поток, для разделения потока на составляющие его паровую и жидкую фазу. В противоположность дистилляционной колонне (обсуждаемой ниже), емкость не содержит никаких секций разделения, сконструированных для осуществления переноса массы между находящимися в противотоке потоками жидкости и паров внутри емкости. Когда поток должен расширяться (или расширяться и частично испаряться) перед разделением, расширительное устройство для расширения потока и фазовый сепаратор для разделения потока могут объединяться в одном средстве, таком, например, как испарительный барабан (в котором вход в барабан содержит расширительный клапан).
Когда стадия (g) использует фазовый сепаратор, как описано выше, стадия (c) способа предпочтительно включает расширение, частичное испарение и разделение первого потока LNG (в противоположность потоку LNG, сформированному из части первого потока LNG) с образованием обедненного азотом продукта LNG и потока рецикла, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа. В дополнение к этому способ может дополнительно включать стадию (h) расширения, частичного испарения и разделения второго потока LNG с получением дополнительных обогащенных азотом паров природного газа для потока рецикла и дополнительного обедненного азотом продукта LNG. В этом и других вариантах осуществления, когда второй поток LNG также расширяется, частично испаряется и разделяется с получением дополнительных обогащенных азотом паров природного газа и дополнительного обедненного азотом продукта LNG, эта стадия может осуществляться посредством объединения первого и второго потоков LNG, а затем расширения, частичного испарения и разделения объединенного потока; посредством раздельного расширения и частичного испарения потоков, объединения расширенных потоков, а затем разделения объединенного потока; или посредством индивидуального расширения, частичного испарения и разделения каждого потока.
В альтернативном варианте осуществления, стадия (g) способа использует дистилляционную колонну для разделения первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа, с образованием обогащенного азотом парообразного продукта. Таким образом, стадия (g) может включать расширение и частичное испарение первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа, введение указанного потока в дистилляционную колонну для разделения потока на паровую и жидкую фазы и формирование обогащенного азотом парообразного продукта из паров из верхней части колонны, извлеченных из дистилляционной колонны.
Как используется в настоящем документе, термин "дистилляционная колонна" относится к колонне (или к набору колонн), содержащей одну или несколько секций разделения, каждая секция разделения состоит из вставок, таких как насадка и/или одна или несколько тарелок, которые увеличивают площадь контакта, и таким образом, усиливают массоперенос между восходящими парами и нисходящей жидкостью, протекающей через секцию внутри колонны. Таким путем, концентрация более легких компонентов (таких как азот) в парах из верхней части колонны, то есть, в парах, которые собираются в верхней части колонны, увеличивается, и концентрация более тяжелых компонентов (таких как метан) в донной жидкости, то есть в жидкости, которая собирается в нижней части колонны, увеличивается. "Верхняя часть" колонны относится к части колонны над секциями разделения. "Нижняя часть" колонны относится к части колонны под секциями разделения. "Промежуточное положение" колонны относится к положению между верхней частью и нижней частью колонны, как правило, между двумя секциями разделения, которые соединены последовательно.
В этих вариантах осуществления, в которых стадия (g) использует дистилляционную колонну, как описано выше, стадия (c) способа может включать расширение, частичное испарение и разделение первого потока LNG с образованием обедненного азотом продукта LNG и потока рецикла, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа. Стадия (g) может дополнительно включать формирование второго потока LNG из донной жидкости, извлеченной из дистилляционной колонны. В дополнение к этому способ может дополнительно включать стадию (h), описанную выше.
Альтернативно, стадия (c) способа может включать (i) расширение, частичное испарение и разделение первого потока LNG с образованием обедненного азотом потока LNG и потока отпарного газа, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа, и (ii) дополнительное расширение, частичное испарение и разделение обедненного азотом потока LNG с образованием обедненного азотом продукта LNG и потока рецикла, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа. Стадия (g) способа может дополнительно включать введение потока отпарного газа в нижнюю часть дистилляционной колонны. Стадия (g) может дополнительно включать формирование второго потока LNG из донной жидкости, извлеченной из дистилляционной колонны. В дополнение к этому способ может дополнительно включать стадию (h), описанную выше.
Альтернативно, стадия (c) способа может включать (i) расширение и частичное испарение первого потока LNG и введение указанного потока в дистилляционную колонну для разделения потока на паровую и жидкую фазы, первый поток LNG вводится в дистилляционную колонну в положении ниже положения, в котором вводится в колонну первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа, (ii) формирование второго потока LNG из донной жидкости, извлеченной из дистилляционной колонны, и (iii) расширение, частичное испарение и разделение второго потока LNG с образованием обедненного азотом продукта LNG и потока рецикла, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа. Первый поток LNG может вводиться в дистилляционную колонну в промежуточном положении колонны. Первый поток LNG может вводиться в нижнюю часть дистилляционной колонны.
Объемная скорость образования паров для дистилляционной колонны может быть обеспечена посредством нагрева и испарения части донной жидкости в теплообменнике ребойлера с помощью опосредованного теплообмена с первым потоком LNG перед введением первого потока LNG в дистилляционную колонну.
Объемная скорость образования паров для дистилляционной колонны может быть обеспечена посредством нагрева и испарения части донной жидкости в теплообменнике ребойлера с помощью опосредованного теплообмена всего первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа или его части перед введением указанного потока в дистилляционную колонну.
Объемная скорость образования паров для дистилляционной колонны может быть обеспечена посредством нагрева и испарения части донной жидкости в теплообменнике ребойлера посредством внешнего источника тепла (такого, например, как, но, не ограничиваясь этим, электрический нагреватель).
Стадия (e) способа может включать введение сжатого потока рецикла в главный теплообменник, охлаждение сжатого потока рецикла, извлечение части охлажденного сжатого потока рецикла из промежуточного положения главного теплообменника с формированием потока отпарного газа и дополнительное охлаждение и, по меньшей мере, частичное сжижение другой части охлажденного сжатого потока рецикла с формированием первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа. Стадия (g) может затем дополнительно включать введение потока отпарного газа в нижнюю часть дистилляционной колонны.
Стадия (g) способа может дополнительно включать введение потока отпарного газа, генерируемого из любого пригодного для использования источника, в нижнюю часть дистилляционной колонны. В дополнение к потокам отпарного газа, генерируемых из источников, описанных выше, дополнительные или альтернативные источники могут включать формирование потока отпарного газа из части сжатого газа рецикла перед тем, как остальной газ рецикла вводится как поток сжатого газа рецикла в главный теплообменник; формирование потока отпарного газа из части холодного потока сырьевого природного газа, извлеченного из промежуточного положения главного теплообменника; и формирование потока отпарного газа из части сырьевого природного газа.
Предпочтительно, первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа вводится в верхнюю часть дистилляционной колонны или в дистилляционную колонну в промежуточном положении колонны.
Первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа может расширяться, частично испаряться и разделяться на отдельные потоки паров и жидкости перед введением в дистилляционную колонну, поток жидкости вводится в дистилляционную колонну в промежуточном положении, и поток паров охлаждается и, по меньшей мере, частично конденсируется в теплообменнике конденсора, с помощью опосредованного теплообмена с парами из верхней части колонны, извлеченными из колонны, а затем вводится в верхнюю часть колонны. Первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа предпочтительно разделяется на отдельные потоки паров и жидкости в фазовом сепараторе. Когда первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа уже представляет собой двухфазный поток, может потребоваться минимальное дополнительное расширение и испарение потока, в этом случае может не быть необходимым прохождение потока через расширительное устройство перед введением потока в фазовый сепаратор (любое необходимое расширение и испарение осуществляется посредством расширения и испарения, которое неизбежно осуществляется при введении двухфазного потока в барабан или другую емкость).
Обратный поток для дистилляционной колонны может обеспечиваться посредством конденсации части паров из верхней части колонны из дистилляционной колонны в теплообменнике конденсора. Рефрижерация для теплообменника конденсора может обеспечиваться посредством нагрева паров из верхней части колонны, извлеченных из дистилляционной колонны. Рефрижерация для теплообменника конденсора может обеспечиваться системой рефрижерации с замкнутым контуром, которая подобным же образом обеспечивает рефрижерацию для главного теплообменника, хладагент, циркулирующий с помощью системы рефрижерации с замкнутым контуром, проходит через теплообменник конденсора и нагревается в нем.
Способ в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения (включая любые его варианты осуществления, описанные выше) может дополнительно включать рециклирование части обогащенного азотом парообразного продукта посредством добавления указанной части к потоку рецикла, полученному на стадии (c), перед сжатием потока рецикла на стадии (d).
В некоторых вариантах осуществления, поток сырьевого природного газа и сжатый поток рецикла могут вводиться параллельно на теплом краю главного теплообменника, и первый поток LNG и первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа может извлекаться параллельно из холодного края главного теплообменника.
В других вариантах осуществления, поток сырьевого природного газа может вводиться на теплом краю главного теплообменника, сжатый поток рецикла может вводиться в промежуточном положении главного теплообменника, и первый поток LNG и первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа может параллельно извлекаться из холодного края главного теплообменника. В этих вариантах осуществления, поток рецикла может нагреваться в теплообменнике подогревателя перед сжатием на стадии (d) способа, и сжатый поток рецикла может охлаждаться в дополнительном охладителе и дополнительно охлаждаться в теплообменнике подогревателя перед введением в главный теплообменник на стадии (e) способа.
В некоторых вариантах осуществления, стадии (a) и (b) способа могут включать (i) введение потока сырьевого природного газа на теплом краю главного теплообменника, охлаждение и, по меньшей мере, частичное сжижение потока сырьевого природного газа и извлечение охлажденного и, по меньшей мере, частично сжиженного потока из промежуточного положения главного теплообменника, (ii) расширение, частичное испарение и разделение охлажденного и, по меньшей мере, частично сжиженного потока с формированием обогащенного азотом потока паров природного газа и обедненного азотом жидкого потока природного газа, (iii) раздельное повторное введение потоков паров и жидкости в промежуточное положение главного теплообменника и дополнительное параллельное охлаждение потоков паров и жидкости, поток жидкости дополнительно охлаждается с формированием первого потока LNG, и поток паров дополнительно охлаждается и, по меньшей мере, частично сжижается с формированием второго, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа; и извлечение первого потока LNG и второго, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа из холодного края главного теплообменника.
В вариантах осуществления, описанных в предыдущем абзаце, стадия (g) способа может включать расширение и частичное испарение первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа и второго, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа, введение потоков в дистилляционную колонну для разделения потоков на паровую и жидкую фазы и формирование обогащенного азотом парообразного продукта из паров из верхней части колонны, извлеченных из дистилляционной колонны. Первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа может вводиться в дистилляционную колонну в положении выше положения, в котором вводится в дистилляционную колонну второй, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа.
Также как отмечено выше, в соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предлагается устройство для получения обедненного азотом продукта LNG,
устройство содержит:
главный теплообменник, имеющий охлаждающие проходы для приема входного потока природного газа и прохождения указанного потока через теплообменник для охлаждения потока и сжижения всего потока или его части с тем, чтобы получить первый поток LNG, и для приема сжатого потока рецикла, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа, и прохождения указанного потока через теплообменник для охлаждения и, по меньшей мере, частичного сжижения потока с тем, чтобы получить первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа, где указанные охлаждающие проходы расположены таким образом, чтобы прохождение сжатого потока рецикла через теплообменник осуществлялось отдельно от потока сырьевого природного газа и параллельно с ним;
систему рефрижерации для подачи хладагента в главный теплообменник для охлаждения охлаждающих проходов;
первую систему разделения в сообщении текучих сред с главным теплообменником для приема, расширения, частичного испарения и разделения первого потока LNG или потока LNG, сформированного из части первого потока LNG, с образованием обедненного азотом продукта LNG и потока рецикла, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа;
компрессор, в сообщении текучих сред с первой системой разделения и главным теплообменником, для приема потока рецикла, сжатия потока рецикла с формированием сжатого потока рецикла и возвращения сжатого потока рецикла в главный теплообменник; и
вторую систему разделения в сообщении текучих сред с главным теплообменником для приема, расширения, частичного испарения и разделения первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока природного газа, с образованием обогащенного азотом парообразного продукта.
Как используется в настоящем документе, термин "сообщение текучих сред" показывает, что рассматриваемые средства или системы соединены друг с другом таким образом, что упоминаемые потоки могут направляться и приниматься с помощью рассматриваемых средств или систем. Средства или системы могут, например, соединяться, с помощью соответствующих труб, проходов или других форм каналов для переноса рассматриваемых потоков.
Устройство в соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения является пригодным для осуществления способа в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения. Таким образом, различные предпочтительные или необязательные признаки и варианты осуществления устройства в соответствии со вторым аспектом будут очевидны из предшествующего обсуждения разнообразных предпочтительных или необязательных вариантов осуществления и признаков способа в соответствии с первым аспектом. Например, в устройстве в соответствии со вторым аспектом, система рефрижерации предпочтительно включает систему рефрижерации с замкнутым контуром. Первая система разделения предпочтительно включает расширительное устройство и танк для LNG. Вторая система разделения может включать расширительное устройство и фазовый сепаратор, расширительное устройство и дистилляционную колонну или некоторое их сочетание.
Исключительно в качестве примеров, различные предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будет теперь описаны со ссылками на Фиг. 1-11. В этих Фигурах, где признак является общим для нескольких Фигур, этому признаку присваивается один и тот же ссылочный номер на каждой Фигуре, для ясности и краткости.
Обращаясь к Фиг. 1, здесь показаны способ и устройство в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, для сжижения и удаления азота из потока природного газа, с получением обедненного азотом продукта LNG.
Поток 100 сырьевого природного газа сначала проходит через охлаждающий проход или набор охлаждающих проходов в главном теплообменнике, для охлаждения, сжижения и (как правило) дополнительного охлаждения потока сырьевого природного газа, с получением при этом первого потока LNG 112. Поток сырьевого природного газа содержит метан и азот. Как правило, поток сырьевого природного газа имеет концентрацию азота от 1 до 10% моль, и способы и устройства, описанные в настоящем документе, могут эффективно удалять азот из природного газа, даже когда концентрация азота в потоке сырьевого природного газа является относительно низкой, например, 5% моль или ниже. Как хорошо известно в данной области, поток сырьевого природного газа не должен содержать никаких дополнительных компонентов при концентрациях, которые будут замораживаться в главном теплообменнике во время охлаждения и сжижения потока. Соответственно, перед введением в главный теплообменник, поток сырьевого природного газа может предварительно обрабатываться при необходимости удаления воды, кислотных газов, ртути и тяжелых углеводородов из потока сырьевого природного газа, с тем, чтобы уменьшить концентрации любых таких компонентов в потоке сырьевого природного газа до таких уровней, когда это не будет приводить в результате к каким-либо проблемам с замораживанием. Соответствующее оборудование и технологии для осуществления дегидратации, удаления кислотных газов, удаления ртути и удаления тяжелых углеводородов хорошо известны. Поток природного газа может также находиться при давлении выше давления окружающей среды, и таким образом может сжиматься и охлаждаться при необходимости в одном или нескольких компрессорах и дополнительных охладителях (не показаны) перед введением в главный теплообменник.
В варианте осуществления, изображенном на Фиг. 1, главный теплообменник состоит из трех последовательных охладительных секций, а именно, из теплой секции 102, в которой поток 100 сырьевого природного газа предварительно охлаждается, средней или промежуточной секцией 106, в которой охлажденный поток 104 сырьевого природного газа сжижается, и холодной секции 110, в которой сжиженный поток 108 сырьевого природного газа дополнительно охлаждается, край теплой секции 102, на котором вводится поток 100 сырьевого природного газа, следовательно, составляет теплый край главного теплообменника, и край холодной секции 110, из которой извлекается первый поток 112 LNG, следовательно, составляет холодный край главного теплообменника. Как будет видно, термины 'теплый' и 'холодный' в этом контексте относятся только к относительным температурам внутри охладительных секций и не используют никаких конкретных диапазонов температур. В системе, изображенной на Фиг. 1, каждая из этих секций составляет отдельный узел теплообменника, имеющий свою собственную оболочку, корпус или другую форму кожуха, но таким же образом, две или все три секции могут объединяться в один узел теплообменника, имеющий общий кожух. Узел (узлы) теплообменника может принадлежать к любому пригодному для использования типу, такому как, но, не ограничиваясь этим, тип узла кожухотрубного теплообменника, тип змеевика или типы с пластинами и ребрами. В таких узлах каждая охладительная секция будет, как правило, содержать свой собственный пучок труб (когда узел принадлежит к кожухотрубному типу или к типу змеевика) или пучок пластин и ребер (когда узел принадлежит к типу с пластинами и ребрами).
Вся рефрижерация или ее часть для главного теплообменника может обеспечиваться с помощью любой пригодной для использования системы рефрижерации с замкнутым контуром (не показана). Иллюстративные системы рефрижерации, которые можно использовать, включают систему с одним смешанным хладагентом (SMR), систему с двойным смешанным хладагентом (DMR), гибридную систему со смешанным хладагентом на основе пропана (C3MR), систему с циклом расширения азота (или с другим циклом расширения газа) и каскадную систему рефрижерации. В системах SMR и с циклом расширения азота, рефрижерация подается во все три секции 102, 106, 110 главного теплообменника с помощью единственного смешанного хладагента (в случае системы SMR) или с помощью азота (в случае системы с циклом расширения азота), циркулирующего с помощью системы рефрижерации с замкнутым контуром. В системах DMR и C3MR, две отдельных системы рефрижерации с замкнутым контуром, где циркулируют два отдельных хладагента (два различных смешанных хладагента, в случае системы DMR, и хладагент на основе пропана и смешанный хладагент в случае системы C3MR), используются для подачи хладагента в главный теплообменник, так что различные секции главного теплообменника могут охлаждаться с помощью различных систем с замкнутым контуром. Работа систем SMR, DMR, C3MR, систем с циклом расширения азота и других таких систем рефрижерации с замкнутым контуром хорошо известна.
Первый (дополнительно охлажденный) поток 112 LNG, извлеченный из холодного края главного теплообменника, затем расширяется, частично испаряется и разделяется с формированием обедненного азотом (и, следовательно, обогащенного метаном) потока 122 LNG и потока 120 отпарного газа, состоящего из обогащенных азотом паров природного газа. Поток 120 упоминается в настоящем документе как поток отпарного газа, поскольку этот поток используется для обеспечения отпарного газа для дистилляционной колонны, как будет описано далее более подробно. В системе, изображенной на Фиг. 1, первый поток 112 LNG расширяется, частично испаряется и разделяется посредством прохождения потока через дроссельный (Джоуля-Томпсона) клапан 114 в фазовый сепаратор 118. Однако точно так же можно использовать любой альтернативный тип расширительного устройства, такой как средство для извлечения механической работы (например, гидравлическую турбину или турбоэспандер) и другие формы разделительных устройств.
Обедненный азотом поток 122 LNG затем дополнительно расширяется, например, посредством прохождения потока через клапан 124 Джоуля-Томпсона или турбоэспандер (не показан), с формированием расширенного обедненного азотом потока 126 LNG, который вводится в танк-хранилище 128 для LNG. Внутри танка-хранилища 128 для LNG часть LNG испаряется, в результате начального расширения и введения LNG в танк и/или в результате нагрева со стороны окружающей среды со временем (поскольку танк-хранилище не может быть абсолютно изолированным), с получением обогащенных азотом паров природного газа, которые собираются в верхней части танка, и извлекается из нее как поток 192, 130 рецикла, и остается обедненный азотом продукт LNG, который хранится в танке и может извлекаться как поток 196 продукта. В альтернативном варианте осуществления (не показано), танк-хранилище 128 для LNG может быть заменен фазовым сепаратором (таким как испарительный барабан) или другой формой средства разделения, в котором расширенный обедненный азотом поток 122 LNG разделяется на жидкую и паровую фазу, формирующие, соответственно, обедненный азотом поток 196 продукта LNG и поток 192, 130 рецикла, состоящий из обогащенных азотом паров природного газа. В случае, когда используется танк-хранилище для LNG, обогащенные азотом пары природного газа, которые собираются в верхней части танка и извлекаются из него, могут также упоминаться как газ испарения в танке (TFG) или отпарной газ (BOG). В случае, когда используется фазовый сепаратор, обогащенные азотом пары природного газа, которые формируются в фазовом сепараторе и извлекаются из него, могут также упоминаться как конечный газ испарения (EFG).
Поток 192, 130 рецикла, состоящий из обогащенных азотом паров природного газа, затем повторно сжимается в одном или нескольких компрессорах 132, и охлаждается в одном или нескольких дополнительных охладителях 136 с формированием сжатого потока 138 рецикла, который рециклируется в главный теплообменник (по этой причине, этот поток упоминается как поток рецикла). Дополнительные охладители могут использовать любую пригодную для использования форму хладоносителя, такого, например, как вода или воздух при температуре окружающей среды. Сжатый поток 138 рецикла, в результате охлаждения в дополнительном охладителе (охладителях) 136, находится приблизительно при такой же температуре (например, при температуре окружающей среды), как и поток 100 сырьевого природного газа, но он не добавляется и не смешивается с входным потоком природного газа. Вместо этого, сжатый поток рецикла вводится отдельно на теплом краю главного теплообменника и проходит через отдельный охлаждающий проход или набор охлаждающих проходов, который проходит параллельно охлаждающим проходам, в которых охлаждается поток сырьевого природного газа, с тем, чтобы раздельно охлаждать сжатый поток рецикла в теплой, средней и холодной секциях 102, 106 и 110 главного теплообменника, сжатый поток рецикла охлаждается и, по меньшей мере, частично сжижается с формированием первого, по меньшей мере, частично сжиженного (то есть частично или полностью сжиженного) обогащенного азотом потока 144 природного газа.
Первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток 144 природного газа извлекается из холодного края главного теплообменника, а затем расширяется, частично испаряется и вводится в дистилляционную колонну 162, в которой он разделяется на паровую и жидкую фазы. Более конкретно, первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток 144 природного газа расширяется, например, через клапан 146 Джоуля-Томпсона или турбоэспандер (не показан), частично испаряется и разделяется в фазовом сепараторе 150 на раздельные потоки паров 152 и жидкости 172. Поток 152 паров охлаждается и, по меньшей мере, частично конденсируется в теплообменнике 154, дополнительно расширяется в расширительном устройстве (таком как клапан Джоуля-Томпсона) 158 и вводится как поток 160 в дистилляционную колонну 162 для разделения на жидкую и паровую фазы. Поток 172 жидкости охлаждается в теплообменнике ребойлера 174, дополнительно расширяется в расширительном устройстве (таком как клапан Джоуля-Томпсона) 178, и вводится как поток 180 в дистилляционную колонну 162 для разделения на жидкую и паровую фазы.
В варианте осуществления, изображенном на Фиг. 1, дистилляционная колонна 162 содержит две секции разделения, каждая состоит из вставок, таких как насадка и/или одна или несколько тарелок, для увеличения площади контакта, и таким образом, они усиливают перенос массы между восходящими парами и нисходящей жидкостью внутри колонны. Охлажденный и дополнительно расширенный поток 180, сформированный из жидкой части первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока 144 природного газа, вводится в дистилляционную колонну 162 в промежуточном положении колонны, между двумя секциями разделения. Охлажденный, по меньшей мере, частично конденсированный и дополнительно расширенный поток 160 паров, формированный из паровой части первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока 144 природного газа, вводится в верхнюю часть дистилляционной колонны 162, над обеими секциями разделения, обеспечивая обратный поток для колонны. Поток 120 отпарного газа, который отделяется, как описано выше, от первого потока 112 LNG в фазовом сепараторе 118, также вводится в дистилляционную колонну 162, в нижней части колонны, обеспечивая, таким образом, отпарной газ для колонны. Объемная скорость образования паров, и таким образом, дополнительный отпарной газ для колонны, также обеспечивается посредством нагрева и испарения части 182 донной жидкости из колонны в теплообменнике 174 ребойлера (с помощью опосредованного теплообмена с жидкой частью 172 первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока 144 природного газа) и возвращения испарившейся донной жидкости 184 в нижнюю часть дистилляционной колонны.
Пары из верхней части дистилляционной колонны 162 дополнительно обогащаются азотом (то есть они являются обогащенными азотом по сравнению с первым, по меньшей мере, частично сжиженным обогащенным азотом потоком 144 природного газа, и таким образом, дополнительно обогащенными азотом по сравнению с входным потоком 100 природного газа) и извлекаются из верхней части дистилляционной колонны 162 в виде обогащенного азотом потока 164 парообразного продукта. Этот поток нагревается в теплообменнике 154 (с помощью опосредованного теплообмена с паровой частью 152 первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока 144 природного газа), обеспечивая нагретый обогащенный азотом поток 166 парообразного продукта, который проходит через контрольный клапан 169 (который контролирует рабочее давление дистилляционной колонны) с формированием конечного обогащенного азотом потока 170 парообразного продукта. В зависимости от концентрации азота в потоке 100 сырьевого природного газа и спецификаций для обогащенного азотом продукта, части 165, 168 нагретого обогащенного азотом потока 166 продукта могут рециклироваться посредством объединения с потоком 192 рецикла для того, чтобы регулировать и поддерживать стационарный уровень концентрации азота в потоке 130 рецикла, компенсируя флуктуации композиции сырьевого природного газа, количество нагретого обогащенного азотом потока 166 продукта, который рециклируется, контролируется с помощью клапана 167. Выгода от потока 165 и клапана 167 заключается в том, что они делают возможным поддержание стабильной работы системы сжижения и дистилляционной колонны, когда композиция или поток сырьевого газа флуктуирует. Конечный обогащенный азотом поток 170 парообразного продукта может дополнительно нагреваться посредством теплового объединения с другими потоками хладагентов для извлечения рефрижерации (не показано).
Остальная часть донной жидкости из дистилляционной колонны, которая не нагревается и не испаряется в теплообменнике ребойлера 174, извлекается из нижней части дистилляционной колонны, с формированием второго потока LNG 186. Второй поток 186 LNG затем расширяется, например, посредством прохождения потока через клапан 188 Джоуля-Томпсона или турбоэспандер (не показан), с формированием расширенного потока 190, приблизительно при таком же давлении, как и расширенный обедненный азотом поток 126 LNG, сформированный из первого потока 112 LNG. Расширенный второй поток LNG, подобным же образом, вводится в танк-хранилище 188 для LNG, в котором, как описано выше, часть LNG испаряется, обеспечивая обогащенные азотом пары природного газа, которые извлекаются из верхней части танка как поток 192, 130 рецикла, и остается обедненный азотом продукт LNG, который хранится в танке и может извлекаться как поток 196 продукта. Таким путем, второй поток 186 LNG и обедненный азотом поток 122 LNG, сформированный из первого потока 112 LNG, расширяются, объединяются и объединенные вместе, они разделяются на поток 192, 130 рецикла и продукт 196 LNG. Однако в альтернативном варианте осуществления (не показан), второй поток 186 LNG и обедненный азотом поток 122 LNG, сформированные из первого потока 112 LNG, могут расширяться и вводиться в различные танки-хранилища для LNG (или в другие формы системы разделения) с получением отдельных потоков рецикла, которые затем объединяются, и раздельных потоков продукта LNG. Точно так же, в другом варианте осуществления (не показан), второй поток 186 LNG и обедненный азотом поток 122 LNG (если он имеет сходное давление или доводится до него) объединяются перед расширением через клапан Джоуля-Томпсона, турбоэспандер или другую форму расширительного устройства, а затем объединенный расширенный поток вводится в танк-хранилище для LNG (или в другую форму системы разделения).
В варианте осуществления, изображенном на Фиг. 1, содержание метана в конечном продукте 170 азота может достигать менее чем 1% моль, и продукт LNG, хранимый в танке для LNG и извлекаемый из него, содержит менее чем 1% моль азота. Следовательно, этот вариант осуществления предлагает простые и эффективные средства сжижения природного газа и удаления азота с получением как продукта LNG высокой чистоты, так и потока азота высокой чистоты, который может удаляться, удовлетворяя при этом требованиям к чистоте окружающей среды и не приводя в результате к значительным потерям метана. В частности, использование главного теплообменника для охлаждения и, по меньшей мере, частичного сжижения потока рецикла, параллельно, но отдельно от введения природного газа, предлагает различные преимущества. Пары, такие как BOG/TFG/EFG или что-либо подобное, которые отделяются при получении конечного обедненного азотом продукта LNG, и которые в настоящем изобретении формируют поток рецикла, по-прежнему содержат значительные количества, как азота, так и метана, который желательно извлечь. Этого можно достичь, как делается в некоторых способах, известных из литературы, посредством рециклирования BOG/TFG/EFG обратно в сам вводимый природный газ. Однако поток рецикла является обогащенным азотом по сравнению с входным потоком природного газа, и таким образом, сжижение или частичное сжижение этого потока отдельно от вводимого природного газа, а затем разделение полученного в результате, по меньшей мере, частично конденсированного обогащенного азотом потока обеспечивают более эффективный способ разделения компонентов азота и метана для потоков рецикла, чем если бы поток рецикла рециклировался обратно и разделялся вместе с потоком сырьевого природного газа. Дополнительные выгоды поддержания потока рецикла отдельно от потока сырьевого природного газа включают то, что поток рецикла не должен сжиматься до того же давления, что и исходные материалы, и не должен проходить через системы предварительной обработки сырьевого природного газа (таким образом уменьшая нагрузку на любые такие системы). Точно так же, хотя поток рецикла может охлаждаться и, по меньшей мере, частично сжижаться посредством добавления специального теплообменника и системы рефрижерации для осуществления этого, использование главного теплообменника и связанной с ним существующей системы рефрижерации для охлаждения и, по меньшей мере, частичного сжижения потока рецикла, таким образом, что его затем можно разделить на обогащенный азотом продукт и дополнительный продукт LNG, обеспечивает более компактный и экономически эффективный способ и устройство.
Обращаясь теперь к Фиг. 2-10, здесь изображаются различные дополнительные способы и устройства для сжижения и удаления азота из потока природного газа, с получением обедненного азотом продукта LNG в соответствии с альтернативными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Способ и устройство, изображенные на Фиг. 2, отличаются от изображенных на Фиг. 1 тем, что первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток 144 природного газа, извлеченный из холодного края главного теплообменника, разделяется в фазовом сепараторе, а не в дистилляционной колонне, на паровую и жидкую фазы с формированием обогащенного азотом парообразного продукта и второго потока LNG. Более конкретно, первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток 144 природного газа расширяется, например, через клапан 146 Джоуля-Томпсона или турбоэспандер (не показан), частично испаряется и разделяется в фазовом сепараторе 262 с формированием обогащенного азотом продукта 170 паров и второго потока 186 LNG. В дополнение к этому, поскольку первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток 144 природного газа разделяется в фазовом сепараторе, а не в дистилляционной колонне, нет никакой выгоды от генерирования потока отпарного газа из первого потока 112 LNG, извлекаемого из холодного края главного теплообменника, и соответственно, первый поток 112 LNG расширяется, например, посредством прохождения потока через клапан 114 Джоуля-Томпсона или турбоэспандер (не показан), и расширенный обедненный азотом поток LNG 116 вводится непосредственно в танк-хранилище 128 для LNG, в который вводится также расширенный второй поток LNG 190 и из которого извлекаются обедненный азотом продукт LNG 196 и поток 130 рецикла.
Способ и устройство, изображенные на Фиг. 3, отличаются от изображенных на Фиг. 1 тем, что первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток 144 природного газа, извлеченный из холодного края главного теплообменника, не разделяется на отдельные потоки паров и жидкости перед введением в дистилляционную колонну и разделением в ней на паровую и жидкую фазы с формированием обогащенного азотом парообразного продукта и второго потока LNG, и тем, что отпарной газ не получают из первого потока 112 LNG, извлекаемого из холодного края главного теплообменника. Таким образом, в этом способе и устройстве, первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток 144 природного газа охлаждается в теплообменнике ребойлера 374, расширяется и частично испаряется, например, через клапан 358 Джоуля-Томпсона или турбоэспандер (не показан) и вводится как охлажденный, расширенный и частично испаренный поток 360 в дистилляционную колонну 362 для разделения на жидкую и паровую фазы. Дистилляционная колонна 362 в этом случае содержит одну секцию разделения. Охлажденный, расширенный и частично испаренный поток 360 вводится в верхнюю часть дистилляционной колонны 162, выше секции разделения, обеспечивая обратный поток для колонны. Объемная скорость образования паров для колонны обеспечивается посредством нагрева и испарения части 382 донной жидкости из колонны в теплообменнике ребойлера 374. Остальная часть донной жидкости извлекается из нижней части дистилляционной колонны с формированием второго потока LNG 186. Первый поток 112 LNG и второй поток 186 LNG расширяются, например, посредством прохождения потоков через клапаны 114, 188 Джоуля-Томпсона или турбоэспандеры (не показаны), и вводятся в танк-хранилище 128 для LNG, из которого извлекается обедненный азотом продукт 196 LNG и поток 130 рецикла. В альтернативном варианте осуществления (не показан), дополнительные или альтернативные источники тепла могут использоваться для подачи тепла в теплообменник 374 ребойлера. Например, внешний источник тепла (такой как электрический нагреватель) можно использовать вместо охлаждения первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока 144 природного газа в теплообменнике ребойлера или в дополнение к нему.
Способ и устройство, изображенные на Фиг. 4, отличаются от изображенных на Фиг. 3 тем, что не используют теплообменника 374 ребойлера, обеспечивающего объемную скорость образования паров для дистилляционной колонны 362. Вместо этого, отпарной газ для дистилляционной колонны 362 обеспечивается потоком отпарного газа 331, сформированного из части охлажденного сжатого потока рецикла 142, извлеченного из промежуточного положения главного теплообменника. Более конкретно, в варианте осуществления, изображенном на Фиг. 4, сжатый поток 138 рецикла, как и до этого, вводится на теплом краю главного теплообменника и охлаждается в теплой 102 и средней 106 секциях главного теплообменника с формированием охлажденного сжатого потока 142 рецикла (который на этой стадии предпочтительно по-прежнему представляет собой, по меньшей мере, в основном, весь пар). Этот поток 142 затем разделяется, при этом часть извлекается из главного теплообменника с формированием потока 331 отпарного газа, а остальная часть 321 потока дополнительно охлаждается и, по меньшей мере, частично сжижается в холодной секции 110 главного теплообменника с формированием первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока 144 природного газа, который извлекается из холодного края главного теплообменника. Затем поток 331 отпарного газа расширяется, например, через клапан 332 Джоуля-Томпсона или турбоэспандер (не показан) и вводится как поток 333 в нижнюю часть дистилляционной колонны 362, обеспечивая тем самым отпарной газ для колонны. Первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток 144 природного газа расширяется и частично испаряется, например, через клапан 146 Джоуля-Томпсона или турбоэспандер (не показан), и вводится как расширенный и частично испаренный поток 348 в верхнюю часть дистилляционной колонны 362 для разделения на жидкую и паровую фазы, и тем самым обеспечивается также обратный поток для колонны.
Необходимо также отметить, что в альтернативных вариантах осуществления (не показаны), отпарной газ для дистилляционной колонны может дополнительно или альтернативно генерироваться из других положений и/или потоков способа. Например, в зависимости от условий способа, поток отпарного газа может дополнительно или альтернативно отбираться: из охлажденного сжатого потока рецикла 140 между теплой 102 и средней 106 секциями главного теплообменника; из сжатого газа рецикла, покидающего дополнительный охладитель 136 (остальная часть указанного газа затем формирует сжатый поток рецикла 138, который вводится на теплом краю главного теплообменника); из холодного потока 108 сырьевого природного газа (если он по-прежнему парообразный) между средней 106 и холодной 110 секциями главного теплообменника или из сырьевого природного газа (остальная часть сырья затем формирует поток 100 сырьевого природного газа, который вводится на теплом краю главного теплообменника).
Способ и устройство, изображенные на Фиг. 5, отличаются от изображенных на Фиг. 3 тем, что дистилляционная колонна 462 имеет две секции разделения, и охлажденный расширенный и частично испаренный поток 360 вводится в дистилляционную колонну 462 в промежуточном положении колонны, между двумя секциями разделения. Обратный поток для дистилляционной колонны обеспечивается посредством конденсации части паров из верхней части колонны из дистилляционной колонны в теплообменнике конденсора. Более конкретно, пары 164 из верхней части колонны, извлеченные из верхней части дистилляционной колонны 462, сначала нагреваются в теплообменнике 454 конденсора. Часть нагретых паров из верхней части конденсора затем сжимается в компрессоре 466, охлаждается в дополнительном охладителе 468 (с использованием хладоносителя, такого, например, как воздух или вода при температуре окружающей среды), дополнительно охлаждается и, по меньшей мере, частично сжижается в теплообменнике 454 конденсора, расширяется, например, через клапан 476 Джоуля-Томпсона, и возвращается в верхнюю часть дистилляционной колонны 462, обеспечивая обратный поток. Остальная часть нагретых паров из верхней части конденсора формирует обогащенный азотом продукт 170 паров. С использованием этого азотного цикла теплового насоса (включающего теплообменник 454 конденсора, компрессор 466, и дополнительный охладитель 468) для того, чтобы сделать верхнюю часть дистилляционной колонны 462 еще холоднее, можно получить обогащенный азотом продукт 170 еще более высокой чистоты (например, имеющий концентрацию азота примерно 99,9% моль).
Способ и устройство, изображенные на Фиг. 6, отличаются от изображенных на Фиг. 1 тем, что дистилляционная колонна 562 имеет одну секцию разделения, первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток 144 природного газа, извлеченный из холодного края главного теплообменника, не разделяется на раздельные потоки паров и жидкости перед введением в дистилляционную колонну и разделением в ней, и первый поток 112 LNG, извлеченный из холодного края главного теплообменника, также вводится в дистилляционную колонну и разделяется в ней. Более конкретно, в этом способе и устройстве первый поток 112 LNG расширяется и частично испаряется, например, посредством прохождения через клапан 114 Джоуля-Томпсона или турбоэспандер (не показан), и вводится как частично испаренный поток 116 в нижнюю часть дистилляционной колонны 562 для разделения на паровую и жидкую фазы, тем самым обеспечивая также отпарной газ для колонны. Первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток 144 природного газа расширяется и частично испаряется, например, посредством прохождения через клапан 146 Джоуля-Томпсона или турбоэспандер (не показан), и вводится как частично испаренный поток 148 в верхнюю часть дистилляционной колонны 562 для разделения на паровую и жидкую фазы, тем самым обеспечивая также обратный поток для колонны. Обедненная азотом донная жидкость извлекается из нижней части дистилляционной колонны 562 с формированием второго потока LNG 186, который, как раньше, расширяется и вводится в танк-хранилище 128 для LNG, из которого обедненный азотом продукт 196 LNG и поток 130 рецикла затем извлекаются (расширенный второй поток 190 LNG представляет собой, в этом случае, единственный поток LNG, вводимый в танк-хранилище 128 для LNG или в другую систему разделения). Пары из верхней части колонны, извлекаемые из верхней части дистилляционной колонны, опять образуют обогащенный азотом продукт 170 паров.
Способ и устройство, изображенные на Фиг. 7, отличаются от изображенных на Фиг. 6 тем, что дистилляционная колонна 662 имеет две секции разделения, первый поток 112 LNG разделяется в дистилляционной колонне на паровую и жидкую фазы посредством введения в промежуточном положении дистилляционной колонны 662, между двумя секциями разделения. Более конкретно, первый поток 112 LNG охлаждается в теплообменнике 654 ребойлера, расширяется и частично испаряется, например, посредством прохождения через клапан 616 Джоуля-Томпсона или турбоэспандер (не показан) и вводится как частично испаренный поток 618 в промежуточном положении дистилляционной колонны 662. В этом варианте осуществления, первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток 144 природного газа также охлаждается в теплообменнике 654 ребойлера перед расширением и частичным испарением, например, посредством прохождения через клапан 658 Джоуля-Томпсона или турбоэспандер (не показан), и вводится как частично испаренный поток 660 в верхнюю часть дистилляционной колонны 662. Объемная скорость образования паров для колонны обеспечивается посредством нагрева и испарения части 682 донной жидкости из колонны в теплообменнике 654 ребойлера, остальная часть донной жидкости извлекается из нижней части дистилляционной колонны с формированием второго потока 186 LNG.
Способ и устройство, изображенные на Фиг. 8, отличаются от изображенных на Фиг. 1 тем, что сжатый поток рецикла не вводится на теплом краю главного теплообменника, но вместо этого, он вводится в промежуточном положении между охладительными секциями главного теплообменника. В качестве иллюстрации, главный теплообменник в этом случае также содержит только две охладительные секции. Таким образом, в этом способе и устройстве поток 100 сырьевого природного газа вводится в теплую секцию 706 и охлаждается в ней, и полученный в результате охлажденный поток 708 сырьевого природного газа затем сжижается и предварительно охлаждается в холодной секции 710 с получением первого потока LNG 112. Поток 192 рецикла, извлеченный из танка 128 для LNG, сначала нагревают в теплообменнике 794 подогревателя, и нагретый поток рецикла затем сжимается в компрессоре 732, охлаждается в дополнительном охладителе 736 (в контакте с соответствующей охлаждающей средой, такой, например, как вода при температуре окружающей среды или воздух), а затем дополнительно охлаждается в теплообменнике подогревателя (посредством теплообмена с извлеченным предварительно потоком 192 рецикла) с обеспечением охлажденного и сжатого потока 740 рецикла. Этот охлажденный и сжатый поток рецикла, который в результате охлаждения в теплообменнике подогревателя находится при температуре, сходной с охлажденным входным потоком 708 природного газа, вводится в главный теплообменник в промежуточном положении между двумя охладительными секциями, обходя теплую секцию 706 главного теплообменника, и проходит через холодную секцию 710 и охлаждается и, по меньшей мере, частично сжижается в ней с получением первого, по меньшей мере, частично сжиженного обогащенного азотом потока 144 природного газа.
Способ и устройство, изображенные на Фиг. 9, отличаются от изображенных на Фиг. 6 (и в других ранее описанных вариантах осуществления) тем, что только часть потока сырьевого природного газа сжижается в главном теплообменнике и извлекается из него как первый поток LNG, другая часть потока сырьевого природного газа извлекается как второй, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток природного газа. Более конкретно, в варианте осуществления, изображенном на Фиг. 9, сжиженный поток 108 сырьевого природного газа, извлеченный из средней или промежуточной секции 106 главного теплообменника, не направляется в холодную секцию 110 главного теплообменника. Вместо этого, поток расширяется и частично испаряется, например, посредством прохождения через клапан 850 Джоуля-Томпсона (или любое другое пригодное для использования расширительное устройство, такое, например, как турбоэспандер), и вводится в фазовый сепаратор 854, где он разделяется на обогащенный азотом поток 856 паров природного газа и обедненный азотом жидкий поток 858 природного газа. Затем эти два потока проходят через раздельные охлаждающие проходы в холодной секции 110 главного теплообменника, так что два потока дополнительно охлаждаются, раздельно, но параллельно, с тем, чтобы сформировать первый поток 112 LNG из обедненного азотом жидкого потока 858 природного газа и второй, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток 812 природного газа из обогащенного азотом потока 856 паров природного газа.
Первый поток 112 LNG, второй, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток 812 природного газа и первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток 144 природного газа, после извлечения из холодного края главного теплообменника, затем направляются, все, в дистилляционную колонну 862 для разделения на паровую и жидкие фазы. Дистилляционная колонна 862 в этом случае содержит две секции разделения. Первый поток 112 LNG (который в этом примере имеет самую низкую концентрацию азота среди потоков 112, 812 и 144) расширяется и частично испаряется, например, посредством прохождения через клапан 114 Джоуля-Томпсона или турбоэспандер (не показан), и вводится как частично испаренный поток 116 в нижнюю часть дистилляционной колонны 862, тем самым обеспечивая также отпарной газ для колонны. Второй, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток 812 природного газа расширяется и частично испаряется, например, посредством прохождения через клапан 814 Джоуля-Томпсона или турбоэспандер (не показан), и вводится как частично испаренный поток 816 в промежуточном положении дистилляционной колонны 862, между двумя секциями разделения. Первый, по меньшей мере, частично сжиженный обогащенный азотом поток 144 природного газа (который в этом примере имеет самую высокую концентрацию азота среди потоков 112, 812 и 144) охлаждается в теплообменнике 846, расширяется и частично испаряется, например, посредством прохождения через клапан 848 Джоуля-Томпсона или турбоэспандер (не показан), и вводится как частично испаренный поток 860 в верхнюю часть дистилляционной колонны 862, тем самым, обеспечивая также обратный поток для колонны. Обедненная азотом донная жидкость извлекается из нижней части дистилляционной колонны 862, с формированием второго потока 186 LNG, который, как и раньше, расширяется и вводится в танк-хранилище 128 для LNG, из которого затем извлекаются обедненный азотом продукт 196 LNG и поток 130 рецикла (расширенный второй поток 190 LNG представляет собой, в этом случае, единственный поток LNG, вводимый в танк-хранилище 128 для LNG или другую систему разделения). Пары из верхней части колонны, извлекаемые из верхней части дистилляционной колонны, опять формируют обогащенный азотом поток 164 парообразного продукта, который в этом случае нагревается в теплообменнике 846 (с помощью опосредованного теплообмена с первым, по меньшей мере, частично сжиженным обогащенным азотом потоком 144 природного газа), с получением нагретого обогащенного азотом потока 170 парообразного продукта. В этом варианте осуществления, обогащенный азотом поток 164, 170 парообразного продукта, полученный из верхней части дистилляционной колонны, может представлять собой почти чистый поток паров азота.
Способ и устройство, изображенные на Фиг. 10, отличаются от изображенных на Фиг. 5 тем, что в этом способе и устройстве дополнительная рефрижерация для теплообменника 454 конденсора обеспечивается с помощью системы рефрижерации с замкнутым контуром, которая обеспечивает рефрижерацию для главного теплообменника. Фигура 10 также служит, в более общем смысле, для иллюстрации одной из возможных систем рефрижерации с замкнутым контуром, которую можно использовать для обеспечения рефрижерации главного теплообменника в любом из предыдущих вариантов осуществления настоящего изобретения.
Более конкретно, и как иллюстрируется на Фиг. 10, рефрижерация главного теплообменника может, например, обеспечиваться с помощью системы с одним смешанным хладагентом (SMR). В этом типе системы с замкнутым контуром, а смешанный хладагент, который циркулирует, состоит из смеси компонентов, такой как смесь азота, метана, этана, пропана, бутана и изопентана. Также в качестве иллюстрации, в этом примере, каждая из охладительных секций 102, 106 и 110 главного теплообменника представляет собой узел теплообменника типа змеевика. Нагретый смешанный хладагент 950, покидающий теплый край главного теплообменника, сжимается в компрессоре 952 с формированием сжатого потока 956. Затем сжатый поток проходит через дополнительный охладитель для охлаждения и частичной конденсации потока, а затем разделяется в фазовом сепараторе на потоки паров 958 и жидкости 906. Поток 958 паров дополнительно сжимается в компрессоре 960 и охлаждается и частично конденсируется с формированием потока 900 смешанного хладагента высокого давления при температуре окружающей среды. Дополнительные охладители могут использовать любой пригодный для использования сток тепла в окружающей среде, такой как воздух, пресную воду, морскую воду или воду из испарительной охладительной колонны.
Поток 900 смешанного хладагента высокого давления разделяется в фазовом сепараторе на поток 904 пара и поток 902 жидкости. Затем потоки 902 и 906 жидкости предварительно охлаждаются в теплой секции 102 главного теплообменника перед понижением давления и объединением с формированием холодного потока 928 хладагента, который проходит через кожуховую часть теплой секции 102 главного теплообменника, где он испаряется и нагревается, обеспечивая рефрижерацию указанной секции. Поток паров 904 охлаждается и частично сжижается в теплой секции 102 главного теплообменника, покидая ее как поток 908. Затем поток 908 разделяется в фазовом сепараторе на поток 912 паров и поток 910 жидкости. Поток 910 жидкости предварительно охлаждается в средней секции 106 главного теплообменника, а затем с уменьшением давления формирует холодный поток 930 хладагента, который проходит через кожуховую часть средней секции 106 главного теплообменника, где он испаряется и нагревается, обеспечивая рефрижерацию указанной секции. Поток 912 паров конденсируется и предварительно охлаждается в средней секции 106 и холодной секции 110 главного теплообменника, покидая его как поток 914. Поток 914 расширяется с получением, по меньшей мере, холодного потока 932 хладагента, который проходит через кожуховую часть холодной секции 110 главного теплообменника, где он испаряется и нагревается, обеспечивая рефрижерацию указанной секции. Нагретый хладагент (полученный из потока 932), покидающий кожуховую часть холодной секции 110, объединяется с потоком 930 хладагента в кожуховой части средней секции 106, где он дополнительно нагревается и испаряется, обеспечивая дополнительный хладагент для этой секции. Объединенный нагретый хладагент, покидающий кожуховую часть средней секции 106, объединяется с потоком 928 хладагента в кожуховой части оболочки теплой секции 102, где он дополнительно нагревается и испаряется, обеспечивая дополнительный хладагент для этой секции. Объединенный нагретый хладагент, покидающий кожуховую часть теплой секции 102, является полностью испаренным и перегретым примерно на 5°C, и он покидает ее как нагретый поток 950 смешанного хладагента, замыкая, таким образом, контур рефрижерации.
Как отмечено выше, в варианте осуществления, изображенном на Фиг. 10, система рефрижерации с замкнутым контуром также обеспечивает рефрижерацию теплообменника 454 конденсора, который конденсирует часть 472 паров из верхней части 164 из дистилляционной колонны 462 с тем, чтобы обеспечить обратный поток для указанной колонны. Это достигается посредством разделения охлажденного смешанного хладагента, покидающего главный теплообменник, и направления части указанного хладагента для нагрева в теплообменнике 454 конденсора, перед возвращением в главный теплообменник и дополнительным нагревом в нем. Более конкретно, смешанный поток 914 хладагента, покидающий холодный край главного теплообменника, разделяется на две части, меньшую часть 918 (как правило, меньше чем 10%) и главную часть 916. Главная часть расширяется с получением холодного потока 932 хладагента, который используется для обеспечения хладагента для холодной секции 110 главного теплообменника, как описано выше. Меньшая часть 918 расширяется, например, посредством прохождения потока через клапан 920 Джоуля-Томпсона или другую пригодную для использования форму расширительного устройства (такую, например, как турбоэспандер), с формированием холодного потока 922 хладагента. Затем поток 922 нагревается и, по меньшей мере, частично испаряется в теплообменнике 454 конденсора, с получением потока 924, который затем возвращается в главный теплообменник посредством объединения с нагретым хладагентом (полученным из потока 932), покидая кожуховую часть холодной секции 110 и поступая в кожуховую часть средней секции 106 с потоком 930 хладагента. Альтернативно, поток 924 может также непосредственно смешиваться с потоком 930 (не показан).
Использование системы рефрижерации с замкнутым контуром для обеспечения также и рефрижерации теплообменника 454 конденсора улучшает общую эффективность способа, сводя к минимуму внутренние разности температур в теплообменнике 454 конденсора с помощью смешанного хладагента, обеспечивая охлаждение при соответствующей температуре, когда осуществляется конденсация рециклированного азота. Это иллюстрируется кривыми охлаждения, изображенными на Фиг. 11, которые получены для теплообменника 454 конденсора, когда он работает в соответствии с вариантом осуществления, изображенным на Фиг. 10 и описанным выше. Предпочтительно, давление высвобождения компрессора 466 выбирается таким образом, что сжатая и нагретая часть паров из верхней части 472 колонны, которая должна охлаждаться в теплообменнике 454 конденсора, конденсируется при температуре чуть выше температуры, при которой испаряется смешанный хладагент. Пары 164 из верхней части колонны, извлеченные из дистилляционной колонны 462, могут поступать в теплообменник 454 конденсора при своей точке росы (примерно -159°C) и нагреваться примерно до условий окружающей среды. После извлечения обогащенного азотом парообразного продукта 170, остальная часть паров из верхней части затем сжимается в компрессоре 466, охлаждается в дополнительном охладителе 468 примерно до температуры окружающей среды и возвращается в теплообменник 454 конденсора, для охлаждения и конденсации, обеспечивая обратный поток для дистилляционной колонны 462, как описано ранее.
ПРИМЕР
Для иллюстрации работы настоящего изобретения, отслеживается способ, описанный и изображенный на Фиг. 1, для получения выходящего поток азота всего лишь с 1% моль метана и сжиженного продукта природного газа всего лишь с 1% моль азота. Композиция сырьевого газа показана в Таблице 1. Композиции первичных потоков приведены в Таблице 2. Данные генерируются с использованием программного обеспечения ASPEN Plus. Как можно увидеть из данных в Таблице 2, способ может эффективно удалять азот из сжиженного потока природного газа и обеспечивать пригодный для продажи продукт LNG, а также поток азота, который может удаляться.
Таблица 1Условия введения и рассматриваемая композиция
Температура (°F(°С))
91,4 (30)
Давление (фунт/кв. дюйм абс. (кг/кв. см))Скорость потока
957 (60)
(фунтмоль/час (кгмоль/час))
4098 (1843)
Компонент (% моль)
N<sub>2</sub>
5,0
C<sub>1</sub>
92,0
C<sub>2</sub>
1,5
C<sub>3</sub>
1,0
nC<sub>4</sub>
0,40
nC<sub>5</sub>
0,10
Таблица 2Композиции потока
144
152
172
120
122
186
170
196
Молярная доля %
N<sub>2</sub>
39,2
86,6
36,0
43,6
4,0
5,9
99,0
1,0
Cl
60,8
13,4
64,0
56,4
92,9
94,1
1,0
95,9
С2
0,0
0,0
0,0
0,0
1,5
0,0
0,0
1,6
С3
0,0
0,0
0,0
0,0
1,0
0,0
0,0
1,0
nC4
0,0
0,0
0,0
0,0
0,4
0,0
0,0
0,4
nC5
0,0
0,0
0,0
0,0
0,1
0,0
0,0
0,1
Температура °F (°С)
-245,1 (-138)
-252,7 (-142)
-252,7 (-142)
-246,0 (-137)
-246,0 (-137)
-269,6 (-150)
-257,5 (-144)
-262,5 (-147)
Давление (фунт/кв. дюйм абс. (кг/кв. см))
448,6 (28)
127,9 (8)
127,9 (8)
43,5 (2,7)
43,5 (2,7)
23,2 (1,4)
18,0 (1,2)
15,2 (0,9)
Доля паров
0,0
1,0
0,0
1,0
0,0
0,0
1,0
0,0
Поток в целом, фунтмоль/ час (кгмоль/ час)
583,7 (263)
37,0 (17)
546,7 (246)
101,6 (46)
3996,7 (1799)
435,3 (196)
171,1 (77)
3945,2 (1775)
Будет понятно, что настоящее изобретение не ограничивается деталями, описанными выше со ссылками на предпочтительные варианты осуществления, но что многочисленные модификации и изменения могут быть осуществлены без отклонения от духа или рамок настоящего изобретения, как определяется в следующей далее формуле изобретения.