Способ очистки газа, обогащенного углеводородами
METHOD OF PURIFYING GAS ENRICHED WITH HYDROCARBONS

Настоящее изобретение относится к способу очистки газа, обогащенного углеводородами, например, природного газа. Такой способ используется, например, в установках для сжижения природного газа или в установках для очистки природного газа. Обычно природный газ содержит «тяжелые» углеводороды и ароматические производные. Подразумевается, что термин «тяжелые углеводороды» означает углеводороды, имеющие более четырех углеродных атомов, включая, в частности, углеводороды, имеющие более шести углеродных атомов. Ароматические производные являются циклическими соединениями, такими как, например, бензол, ксилол или толуол.
Для того, чтобы предотвратить затвердевание некоторых тяжелых углеводородов и ароматических производных, таких как, например, бензол, в процессе сжижения природного газа, целесообразно удалять их при температуре, достаточно высокой, для предотвращения любого риска образования твердых веществ.
Одним существующим решением является направление «горячего» природного газа (т.е. перед поступлением в сжижающий теплообменник) в промывочную колонну, где он промывается и освобождается от его тяжелых составляющих, включая бензол. Газовый поток на верхнем выпуске данной колонны, очищенный от тяжелых соединений, затем направляется в сжижающий теплообменник, где он конденсируется. Промежуточный выпуск в теплообменнике делает возможным извлечение потока жидкости - результат частичной конденсации природного газа и используется для получения флегмы верхней части колонны.
Недостатком данного решения является то, что промывка колонны при температуре окружающей среды криогенной жидкостью, кроме того, при термодинамическом равновесии обычно происходит из котла частичной конденсации, дает в результате очень высокое мгновенное испарение, что отражает плохую термическую интеграцию системы и, таким образом, низкую эффективность.
Кроме того, состав и рабочие условия очищаемого природного газа могут изменяться в течение срока службы установки, и жидкая флегма верха колонны может быть недостаточной, если это зависит только от частичной конденсации.
Настоящее изобретение предназначено решить проблемы, описанные выше относительно снижения уровня содержания тяжелых углеводородов и ароматических производных, в частности, бензола, присутствующих в природном газе.
Предметом настоящего изобретения является способ очистки газа, обогащенного углеводородами и содержащего, по меньшей мере, 10 ч./млн по объему углеводородов, имеющих, по меньшей мере, шесть углеродных атомов (таких как бензол), который способ содержит следующие стадии:
стадия а) -охлаждение указанного газа до температуры в интервале между  -20°С и -60°С в результате теплообмена с, по меньшей мере, одним хладагентом в теплообменнике;
стадия b) -очистка от соединений, содержащих, по меньшей мере, шесть углеродных атомов, газа, частично сжиженного на стадии а) в промывочной колонне, содержащей верхнюю часть колонны на ее самом высоком конце и сосуд колонны на ее самом нижнем конце, для того, чтобы образовать на верхней части промывочной колонны газовый поток, содержащий менее 5 ч./млн по объему соединений, имеющих, по меньшей мере, шесть углеродных атомов, и в сосуде колонны поток жидкости, обогащенный соединениями, имеющими, по меньшей мере, пять углеродных атомов;
стадия с) -по меньшей мере, частичная конденсация указанного газового потока, получаемого на стадии b) в теплообменнике, для того, чтобы образовать двухфазный поток;
стадия d) -разделение указанного двухфазного потока, получаемого на стадии с) в фазоразделительном котле при температуре в интервале между -60°С и -80°С для того, чтобы образовать газовый поток в верхней части котла и поток жидкости в сосуде котла;
стадия е) -использование потока жидкости, поучаемого на стадии d), в качестве флегмы верхней части промывочной колонны;
стадия f) -конденсация газового потока, получаемого на стадии d), теплообменом в теплообменнике при температуре ниже -100°С для того, чтобы образовать сжиженный газ, содержащий менее 5 ч./млн по объему соединений, имеющих, по меньшей мере, шесть углеродных атомов.
В соответствии с другими отдельными формами настоящее изобретение также имеет своим предметом:
- способ, как определено выше, отличающийся тем, что газовый поток, получаемый на стадии b), и сжиженный газ, получаемый на стадии f), содержат менее 1 ч./млн по объему соединений, имеющих, по меньшей мере, шесть углеродных атомов;
- способ, как определено выше, отличающийся тем, что газом, обогащенным углеводородами, является природный газ;
- способ, как определено выше, отличающийся тем, что указанные углеводороды, имеющие, по меньшей мере, шесть углеродных атомов, содержат преобладание бензола;
- способ, как определено выше, отличающийся тем, что указанным хладагентом является смешанный хладагент, содержащий азот, метан, этан и бутан;
- способ, как определено выше, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть потока жидкости, образованного на стадии f), отводится при температуре ниже -100°С и затем рециклируется в сепаратор, используемый на стадии d);
- способ, как определено выше, отличающийся тем, что поток жидкости, образованный в в кубовой части сепаратора на стадии d), подается с использованием, по меньшей мере, одного насоса для того, чтобы питать верхнюю часть промывочной колонны, используемой на стадии b);
- способ, как определено выше, отличающийся тем, что рабочая температура стадии а) находится в интервале от -20°С до -40°С;
- способ, как определено выше, отличающийся тем, что рабочая температура стадии d) находится в интервале от -70°С до -80°С;
- способ, как определено выше, отличающийся тем, что рабочая температура стадии f) находится в интервале от -100°С до -160°С.
Способ, который является предметом настоящего изобретения, делает возможным удалять тяжелые углеводороды и ароматические производные, в частности, бензол, из сжижаемого природного газа и основан на одной или более стадий промывки при различных уровнях температуры.
В процессе способа, который составляет предмет настоящего изобретения, охлаждение природного газа до первого температурного уровня является первым из всего выполненного, обеспечивая, что тяжелые составляющие, в частности, бензол, присутствующие в образованной жидкости, не затвердевают. Температура составляет обычно от -20°С до -40°С.
Частично сжиженный природный газ затем направляется в промывочную колонну, что делает возможным получать в верхней части колонны газообразный поток природного газа, очищенного от наиболее тяжелых соединений, отмеченных, в частности, в описании, желательных, с точки зрения, бензола, и получать в нижней части колонны поток жидкости, обогащенный тяжелыми соединениями, например, продуктами, определенно имеющими более четырех углеродных атомов, и различными ароматическими производными, в частности, бензолом.
Верхний газ, таким образом, очищенный, затем направляется в главную обменную линию, где он снова конденсируется.
Последующий отвод при более низком температурном уровне, чем предыдущий, выбран для того, чтобы сделать возможным иметь поток, который является достаточно двухфазным, чтобы образовать количество жидкости, совпадающее с требованиями промывки верхней части колонны.
Обычно указанная температура находится в интервале от -60°С до -80°С, предпочтительно, в интервале от -70°С до -75°С.
Жидкость отделяется от газа с помощью сепаратора и направляется как флегма верхней части промывочной колонны. Этот момент, вскипание (т.е. мгновенное выпаривание) является ограниченным, т.к. температурные уровни между колонной и жидкостью флегмы являются близкими. В зависимости от размещения котла по отношению к колонне может быть предусмотрена пара нагнетающих насосов.
Кроме того, особенно низкая температура указанного сепаратора делает возможным обеспечить хорошее отделение бензола от газа в случае неисправности промывочной колонны и, таким образом, обладает дополнительной защитой.
Способ, который представляет собой предмет настоящего изобретения, показан на фигуре 1.
На фигуре 1 газовый поток 1, обогащенный углеводородами, такой как поток природного газа, вводится в теплообменник 2.
Давление указанного газового потока составляет, например, от 25 до 60 бар абс. (от 2500 до 6000 кПа). Обычно газовый поток 1 содержит от 30 ч./млн по объему до 500 ч./млн по объему бензола, обычно менее 100 ч./млн по объему. Газовый поток 1 охлаждается при теплообмене в теплообменнике 2 при контакте с хладагентом. Теплообменник питается, по меньшей мере, одним потоком хладагента. Например, указанный поток может состоять из потока смешанного хладагента. Состав и рабочие условия смешанного хладагента регулируются с сжижением углеводорода.
Поток природного газа, охлажденный до температуры в интервале от -20°С до -70°С, обычно в интервале от -35°С до -40°С, на выпуске 4 теплообменника 2, вводится в промывочную колонну, в которой тяжелые продукты отделяются от природного газа. Подразумевается, что термин «тяжелые продукты» означает углеводороды, имеющие более четырех углеродных атомов, и ароматические соединения, включающие, в частности, бензол.
Поток 6 жидкости, содержащий весь (до примерно 1 ч./млн по объему) бензол из исходного потока 1 газа, выгружается в сосуд 7 колонны 5.
В верхней части 8 колонны 5 газовый поток 9, содержащий менее 1 ч./млн по объему бензола, извлекается для того, чтобы быть введенным во второй теплообменник 10, который может быть, предпочтительно, второй секцией теплообменника 2.
Поток 11 смешанного хладагента, извлеченный на выпуске теплообменника 2, вводится в сепаратор 12, с получением газового потока 13, содержащего легкие компоненты хладагента в верхней части котла 12, и поток 14 жидкости, содержащий тяжелые компоненты хладагента в сосуде котла 12. Указанные два потока 13 и 14 питают второй теплообменник 10 (или вторую стадию теплообменника 2).
Газовый поток 9, содержащий менее 1 ч./млн по объему бензола, введенный во второй теплообменник 10 (или вторую стадию теплообменника 2), по меньшей мере, частично конденсируется. Двухфазный поток 15 на выпуске второго теплообменника 10 (или второй секции теплообменника 2) вводится в сепаратор 16 для того, чтобы получать газовый поток 17 в верхней части котла 16 и поток 18 жидкости в сосуде котла 16. Температура тогда составляет обычно от -70°С до -75°С.
Поток 18 жидкости питает верхнюю часть 8 промывочной колонны 5. В зависимости от размещения котла 16 по отношению к колонне 5 пара 19 нагнетающих насосов может присутствовать для того, чтобы всасывать поток 18 жидкости для того, чтобы выполнять роль флегмы верхней части 8 колонны 5.
Должно быть отмечено, что жидкой флегмы (поток 18) может быть недостаточно, и что в данном случае можно охлаждать котел 16 введением жидкого природного газа на впуск двухфазного котла (линия 22). Указанная линия 22 является важной, т.к. она делает возможным регулировать поток жидкой флегмы в колонну 5 и, таким образом, содержание бензола сжижаемого продукта. Так как состав и рабочие условия природного газа могут изменяться во время срока службы установки, необходимый поток флегмы может быть, таким образом, оптимизирован, а также энергия сжижения.
Существуют, по меньшей мере, две альтернативные формы указанного решения, которое представляет собой предмет настоящего изобретения.
Альтернативная форма № 1: Для того, чтобы упростить главный теплообменник, можно прямо «поливать» верхнюю часть колонны 5 жидким природным газом (поток 22), но поток 22 жидкого природного газа является тогда больше, и этот вариант может быть затратным относительно энергии сжижения.
Альтернативная форма № 2: Для того, чтобы снизить поток необходимого жидкого природного газа, можно «поливать» верхнюю часть разделительного котла 16, и, таким образом, очищать природный газ двумя последовательными флегмами.
Газовый поток 17 вводится в третий теплообменник 20, которым может быть, предпочтительно, третья секция теплообменника 2, для того, чтобы охладиться до температуры ниже -110°С, например, в интервале от -110°С до -115°С. Охлажденный таким образом поток 21 может быть частично отведен и может образовать поток 22, который может быть рециклирован при введении с потоком 15 в сепаратор 16.
Это обусловлено тем, что согласно отдельной форме способа сжижения природного газа 1, что является предметом настоящего изобретения, жидкие хладагенты 14 выводятся, и затем снижается давление, например, с использованием клапанов 23, перед повторным введением и повторным выпариванием в линии 24 теплообмена в противоположность природному газу 17, который газ сжижает. Таким образом, поток жидкого природного газа может быть отведен 22 на указанном уровне (холодней, чем сепаратор 16, образующий флегму колонны 5) и рециклирован в котел 16 для того, чтобы увеличить жидкость 18 флегмы в случае отсутствия последнего, при ограничении потери эффективности мгновенного выпаривания.
Наконец, газовый поток 21 вводится в теплообменник 26 для того, чтобы получить поток 27 сжиженного природного газа, продукт, очищенный от тяжелых соединений и ароматических соединений, включающих обычно бензол, получая в результате способ сжижения и очистки, который представляет собой предмет настоящего изобретения.