СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ ОБОГАЩЕННОЙ УГЛЕВОДОРОДАМИ, СОДЕРЖАЩЕЙ АЗОТ СЫРЬЕВОЙ ФРАКЦИИ, ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНО ПРИРОДНОГО ГАЗА
METHOD FOR LIQUEFACTION OF NITROGEN-CONTAINING FEED FRACTION ENRICHED WITH HYDROCARBONS, PREFERABLY NATURAL GAS FRACTION

Изобретение относится к способу сжижения обогащенной углеводородами, содержащей азот исходной фракции, предпочтительно природного газа.
Богатые углеводородами исходные фракции или природные газы, которые содержат азот, требуют при их сжижении подходящих мер, чтобы можно было ограничить концентрацию азота в конечном продукте ЖПГ до 1 об. %. В случае более высокой концентрации азота в резервуарах для хранения ЖПГ из-за разности плотностей может дойти до нежелательного и опасного расслоения. Чтобы избежать этого, обычно азот удаляют с процесса, отводя богатый азотом поток горючего газа на холодном конце процесса сжижения. Этот поток горючего газа имеет по сравнению с исходной фракцией существенно более высокое содержание азота. Таким путем можно ограничить содержание азота в получаемом ЖПГ максимально 1 об. %, даже если концентрация азота в сжижаемой исходной фракции лежит существенно выше 1 об. %.
Процессы сжижения часто содержат газовые турбины, которые могут использовать, по меньшей мере частично, вышеуказанный поток горючего газа. Однако в этом случае надо следить за тем, чтобы максимальная допустимая концентрация азота в потоке горючего газа составляла от 20 до 40 об. %. Если содержание азота в сжижаемой исходной фракции настолько высоко, что максимально допустимое содержание азота в ЖПГ-продукте, а также в вышеуказанном потоке горючего газа нельзя удержать, обычно высококонцентрированную фракцию азота, содержание метана в которой составляет менее 1 об.%, удаляют с процесса сжижения; эту высококонцентрированную азотную фракцию можно напрямую выпустить в атмосферу. Получение этой азотной фракции может проводиться либо путем разделения потока горючего газа в так называемой установке Nitrogen-Rejection (отвод азота) или быть интегрировано в процесс сжижения, и в этом случае проводится еще перед отбором потока горючего газа.
На фиг.1 показан отвечающий уровню техники способ сжижения обогащенной углеводородами, содержащей азот исходной фракции, в котором извлечение высококонцентрированной азотной фракции интегрировано в процесс сжижения.
По линии 101 обогащенная углеводородами, содержащая азот исходная фракция проводится на процесс сжижения, представленный теплообменниками или зонами теплообмена E1-E3. При этом показанный пунктиром контур циркуляции 120 относится к любому холодильному циклу или любой холодильной установке, какой, соответственно какая, могут применяться при сжижении и переохлаждении указанной исходной фракции.
В теплообменнике или зоне теплообмена E1 сначала происходит охлаждение исходной фракции, которая затем по линии 102 проводится на второй теплообменник или зону теплообмена E2 и там полностью сжижается. По линии 103 и через расширительный клапан a теперь сжиженная исходная фракция подается на разделительную колонну T1. Из ее куба по линии 104 отбирается обогащенная углеводородами и обедненная азотом фракция, которая переохлаждается в теплообменнике или зоне теплообмена E3.
По линии 105 эта переохлажденная фракция выводится из собственно процесса сжижения, в клапане b расширяется и проводится на разделитель D1. Из куба разделителя D1 по линии 106 отбирается жидкая фракция продуктового ЖПГ и проводится в не показанный на фиг.1 резервуар для хранения ЖПГ.
Сверху разделительной колонны T1 по линии 108 отбирается высококонцентрированная азотная фракция; содержание в ней азота обычно составляет от 90 до 100 об.%. Часть этой азотной фракции по линии 109 сразу выпускается в атмосферу, а другой частичный поток этой азотной фракции после прохождения через расположенный в разделителе D1 дефлегматор E4 по линии 110 подается на разделительную колонну T1 как флегма.
Однако способ действия, описанный с помощью фиг.1, приводит к проблемам, если для потока горючего газа 107, который, в отличие от высококонцентрированной азотной фракции, 109 нельзя сразу выпустить в атмосферу, не имеется потребителя.
Задачей настоящего изобретения является указать родственный способ сжижения обогащенной углеводородами, содержащей азот сырьевой фракции, предпочтительно природного газа, который устраняет описанные недостатки и позволяет, в частности, отвести весь содержащийся в сырьевой фракции азот, либо с потоком продуктового ЖПГ, либо с высококонцентрированной азотной фракцией.
Для решения этой задачи разработан способ сжижения обогащенной углеводородами, содержащей азот сырьевой фракции, на котором:
a) сырьевую фракцию сжижают,
b) разделяют ректификацией на обогащенную азотом фракцию, содержание метана в которое составляет макс. 1 об.%, и на обогащенную углеводородами и обедненную азотом фракцию,
c) обогащенную углеводородами, обедненную азотом фракцию переохлаждают и расширяют,
d) расширенную обогащенную углеводородами, обедненную азотом фракцию разделяют на жидкую обогащенную углеводородами фракцию, содержание азота в которой составляет макс. 1 об.%, и обогащенную азотом фракцию, и
e) обогащенную азотом фракцию добавляют в сырьевую фракцию.
Следующие выгодные варианты осуществления способа согласно изобретению для сжижения обогащенной углеводородами, содержащей азот сырьевой фракции, являющиеся объектами зависимых пунктов формулы изобретения, отличаются тем, что:
- обогащенную азотом фракцию перед добавлением к сырьевой фракции сжимают в одну или несколько ступеней и/или охлаждают, и/или обогащенную азотом фракцию после добавления в сырьевую фракцию сжимают в одну или несколько ступеней,
- если сырьевая фракция перед ее охлаждением подвергалась процессу адсорбционной сушки, то способ отличается тем, что обогащенную азотом фракцию перед добавлением в сырьевую фракцию используют как регенерационный газ для процесса адсорбционной сушки,
- парциальный поток охлажденной сырьевой фракции проводится на последующее ректификационное разделение сжиженной сырьевой фракции как отдувочный газ,
- сжижение и/или переохлаждение обогащенной углеводородами, содержащей азот сырьевой фракции проводится с применением любого процесса сжижения,
- если сжиженная обогащенная углеводородами фракция, содержание азота в которой составляет макс. 1 об.%, хранится в цистерне, скапливающийся в цистерне отпарной газ добавляют в обогащенную азотом фракцию и/или сырьевую фракцию, и
- по меньшей мере, один парциальный поток обогащенной азотом фракции применяется для предварительного охлаждения сырьевой фракции.
В отличие от способа согласно уровню техники, какой пояснялся представленным на фиг.1 ведением процесса, теперь поток горючего газа, образующийся в конце процесса сжижения и после расширения сжиженной и переохлажденной сырьевой фракции, проводится не на потребителя горючего газа, как, например, газовая турбина, а добавляется в сжижаемую сырьевую фракцию перед ее проведением на процесс охлаждения или сжижения.
Способ согласно изобретению для сжижения обогащенной углеводородами, содержащей азот сырьевой фракции, а также другие варианты его осуществления подробнее поясняются далее посредством показанного на фиг.2 примера осуществления.
Аналогично способу действия, описанному на фиг.1, обогащенная углеводородами, содержащая азот сырьевая фракция по линиям 1 и 1' проводится на первый теплообменник E1 и в нем охлаждается. Затем сырьевая фракция по линии 2 проводится во второй теплообменник E2, в котором она сжижается. По линии 3 и через расширительный клапан a сжиженная сырьевая фракция подается на разделительную колонну T1.
Предпочтительно, парциальный поток 2' охлажденной сырьевой фракции 2 через расширительный клапан c подается на разделительную колонну T1 как отдувочный газ, благодаря чему поддерживается ректификационный эффект разделительной колонны T1.
Из куба разделительной колонны T1 по линии 4 отбирается обогащенная углеводородами, обедненная азотом фракция, которая переохлаждается в теплообменнике или зоне теплообмена E3.
Показанный пунктиром контур циркуляции 20 относится к любому холодильному циклу или любой холодильной установке, какой, соответственно какая, могут применяться при сжижении и переохлаждении указанной сырьевой фракции.
По линии 5 эта переохлажденная фракция отбирается с собственно процесса сжижения, расширяется в клапане b и проводится на разделитель D1. Из куба разделителя D1 по линии 6 отбирается жидкая фракция продуктового ЖПГ и проводится в не показанный на фиг.2 резервуар для хранения ЖПГ.
Сверху разделительной колонны T1 по линии 9 отбирается высококонцентрированная азотная фракция; содержание азота в ней составляет обычно от 90 до 100 об.%. Часть этой азотной фракции по линии 10 сразу выпускается в атмосферу, а другой парциальный поток этой азотной фракции после прохождения через находящийся в разделителе D1 дефлегматор E4 по линии 11 подается на разделительную колонну T1 как флегма.
Предпочтительно, дефлегматор E4, а также разделитель D1 устанавливаются настолько высоко, чтобы из-за силы тяжести флегма 11 не могла происходить на разделительную колонну T1 без использования насоса. Далее, давление в разделителе D1 составляет по меньшей мере 2 бара, предпочтительно 3 бара, чтобы сделать возможным перенос продуктовой ЖПГ фракции в атмосферные резервуары для хранения ЖПГ без насоса.
Согласно одному выгодному варианту осуществления способа по изобретению, по меньшей мере парциальный поток обогащенной азотом фракции 10, перед его выпуском в атмосферу, может применяться для предварительного охлаждения сырьевой фракции 1. Если сырьевая фракция 1, как описывается далее, подвергалась процессу сушки, то этому процессу сушки предпочтительно предшествует предварительное охлаждение.
В усовершенствование способа согласно изобретению для сжижения обогащенной углеводородами, содержащей азот сырьевой фракции, предлагается, что если продуктовая ЖПГ-фракция содержится в резервуаре для хранения ЖПГ, то скапливающийся в резервуаре отпарной газ добавляется в обогащенную азотом фракцию 7 и/или сырьевую фракцию 1. Для этого отпарной газ из находящегося под атмосферным давлением резервуара для хранения ЖПГ предпочтительно сначала сжимается до давления в разделителе D1, и затем вместе с отбираемой из разделителя D1 фракцией 7 с высоким содержанием азота сжимается до давления сырьевой фракции 1.
Отбираемая сверху разделителя D1 по линии 7 обогащенная азотом фракция или фракция горючего газа, теперь, согласно изобретению, сжимается в одну или несколько ступеней C1, охлаждается в установке доохлаждения E5 и затем по линии 8 смешивается с обогащенной углеводородами, содержащей азот сырьевой фракцией в линии 1. Если сырьевая фракция 1 находится при сравнительно низком давлении, то обогащенная азотом фракция 7 сначала смешивается с сырьевой фракцией 1 и затем вместе с ней подвергается сжатию.
Как правило, сырьевая фракция перед подачей в процессе сжижения подвергается сушке A, предпочтительно процессу адсорбционной сушки. Если это имеет место, то обогащенную азотом фракцию можно провести на процесс адсорбционной сушки A как регенерационный газ и только после проведенной регенерации сырьевой фракции добавлять в линию 1.
В то время как в соответствующем уровню техники способе, поясненном на фиг.1, образуются три разные фракции: фракция продуктового ЖПГ, фракция горючего газа и высококонцентрированная азотная фракция, которые отбираются с процесса, то в случае способа по изобретению это всего две фракции, а именно продуктовая ЖПГ-фракция 6, а также отбираемая сверху разделительной колонны T1 высококонцентрированная азотная фракция 10.
Возврат обогащенной азотом фракции 7 в сырьевую фракцию 1 имеет следствием то, что на процесс сжижения предпочтительным образом накладывается открытый контур циркуляции смеси. Этот открытый контур циркуляции смеси состоит в основном из компонентов азот и метан, а также незначительных количеств высших углеводородов и в известных случаях кислорода и следов гелия. Этот открытый контур циркуляции смеси предварительно охлаждается в теплообменнике E1, полностью сжижается в теплообменнике E2 и в разделительной колонне T1 делится на чисто азотную фракцию, содержание метана в которой меньше 1 об.%, и богатую метаном кубовую фракцию. Метановая часть открытого контура циркуляции смеси и оставшееся количество азота, которое не было отобрано сверху разделительной колонны T1, вместе с ЖПГ переохлаждается в теплообменнике E3, для конденсации флегмы в разделительной колонне T1 выпаривается в теплообменнике E4 и вместе с газовой фазой из разделителя D1 снова проводится в сырьевую фракцию 1.
2
4
Вместе с холодильным циклом или холодильной установкой 20, которые могут содержать все известные технические приемы, как, например, выпаривание чистого вещества, выпаривание смеси, эффективное расширение жидкости или газа, а также произвольную их комбинацию, получается каскад холодильных циклов с открытым контуром циркуляции смеси N/CH на холодном конце процесса сжижения.
Благодаря открытой структуре контура циркуляции смеси можно снабжать дефлегматор E4 требуемым холодом независимо от состава и давления сырьевой фракции, так что полное количество содержащегося в сырьевой фракции азота концентрируется до необходимой чистоты и может выдаваться как продуктовый поток с высокой концентрацией азота. Тем самым избегают выхода нежелательной газовой смеси, которая в способах, отвечающих уровню техники, образует фракцию горючего газа.