ОЧИСТКА СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА
PURIFICATION OF LIQUEFIED NATURAL GAS

Настоящее изобретение относится к очистке сжиженного природного газа, и в частности к очистке сжиженного природного газа, который содержит компоненты, имеющие точки кипения ниже, чем у метана. Примером такого компонента является азот. В данном описании и в формуле изобретения выражения "низкокипящие компоненты" и "компоненты, имеющие низкие точки кипения" будут использоваться для обозначения компонентов, имеющих точки кипения ниже, чем точка кипения метана. Очистка направлена на извлечение из сжиженного природного газа низкокипящих компонентов с целью получения сжиженного природного газа, характеризующегося пониженным содержанием компонентов с низкими точками кипения. Усовершенствованный способ может быть применен в двух случаях: (1) для очистки такого же количества сжиженного природного газа, что и в известном способе, или (2) для очистки большего количества сжиженного природного газа по сравнению с известным способом. При применении способа в первом случае содержание низкокипящих компонентов в сжиженном природном газе, очищенном в соответствии со способом согласно настоящему изобретению, ниже их содержания в сжиженном газе, очищенном по известному способу. При применении данного способа во втором случае содержание низкокипящих компонентов сохраняется, а количество сжиженного газа увеличивается.
В патентном документе US 6199403 A раскрыт способ удаления компонента с высокой летучестью, такого как азот, из исходного потока, богатого содержанием метана. В соответствии с US 6199403 A расширенный поток сжиженного природного газа поступает в сепарационную колонну на промежуточном уровне, т.е. не ниже участка секции контактирования газа и жидкости.
Патентный документ US 5421165 A относится к технологическому процессу удаления азота из исходной сжиженной смеси углеводородов. Для решения поставленной задачи в патентном документе US 5421165 A предложен относительно сложный процесс, в котором используют колонну для извлечения азота, содержащую большое количество теоретических ступеней идеального фракционирования.
Другой относительно сложный процесс описан в международной заявке WO 02/50483. В указанной международной заявке описано несколько способов извлечения компонентов, имеющих низкие точки кипения, из сжиженного природного газа. В соответствии с WO 02/50483 получают поток жидкого продукта с пониженным содержанием компонентов с низкими точками кипения.
Недостаток вышеуказанного процесса, описанного в WO 02/50483, состоит в том, что поток жидкого продукта содержит нежелательно высокое содержание компонентов, имеющих низкие точки кипения.
Задача настоящего изобретения заключается в минимизации вышеуказанного недостатка.
Кроме того, задачей настоящего изобретения является создание альтернативного технологического процесса.
Еще одна задача изобретения состоит в создании упрощенного технологического процесса для снижения количества компонентов, имеющих низкие точки кипения, в потоке сжиженного природного газа.
Одна или более из указанных задач или другие задачи решаются в настоящем изобретении посредством создания способа очистки сжиженного природного газа, содержащего низкокипящие компоненты и подводимого под давлением, при котором газ находится в жидком состоянии, для получения потока жидкого продукта с пониженным содержанием низкокипящих компонентов, при этом предложенный способ включает:
(a) расширение сжиженного газа до давления разделения на фазы с получением расширенной двухфазной текучей среды;
(b) ввод расширенной двухфазной текучей среды в колонну ниже секции контактирования газа и жидкости, размещенной в этой колонне;
(c) накопление в нижней части колонны жидкости из двухфазной текучей среды и отвод из нижней части колонны жидкости, имеющей пониженное содержание компонентов с низкими точками кипения; ввод потока жидкости в испарительную камеру при низком давлении; удаление второго газового потока через верх испарительной камеры; удаление из нижней части испарительной камеры потока жидкости с получением потока жидкого продукта;
(d) обеспечение протекания пара двухфазной текучей среды через секцию контактирования;
(e) отвод из верхней части колонны потока газообразной фазы, который обогащен компонентами с низкими точками кипения;
(f) нагревание газового потока, полученного на стадии (e), в теплообменнике с целью получения нагретого газообразного потока;
(g) сжатие нагретого газообразного потока, полученного на стадии (f), до давления топливного газа с получением топливного газа;
(h) отделение рециркулирующего потока от топливного газа, полученного на стадии (g);
(i) по меньшей мере, частичную конденсацию рециркулирующего потока, полученного на стадии (h), для получения потока флегмы; и
(j) ввод потока флегмы, полученного на стадии (i), выше секции контактирования при давлении внутри колонны, соответствующем давлению разделения на фазы.
Заявители обнаружили, что поток жидкого продукта, соответствующего настоящему изобретению, имеет меньшее содержание компонентов с низкими точками кипения, чем можно было ожидать.
Важное преимущество способа в соответствии с настоящим изобретением заключается в том, что он может быть использован для крупных установок по ожижению.
Настоящее изобретение далее будет более подробно раскрыто с помощью примера и со ссылками на сопровождающие чертежи, не ограничивающие изобретение.
Фиг.1 - схема технологического процесса, иллюстрирующая часть воплощения способа согласно настоящему изобретению (не включена испарительная камера, которая необходима в соответствии с данным изобретением).
Фиг.2 - схема альтернативы технологического процесса, иллюстрируемого на фиг.1.
Фиг.3 - схема технологического процесса полностью завершенного воплощения способа согласно настоящему изобретению, включая наличие испарительной камеры.
Фиг.4 - схема альтернативы технологического процесса, иллюстрируемого на фиг.3.
Фиг.5 - альтернативное воплощение выделенной части V схемы технологического процесса, иллюстрируемой на фиг.4, показано схематически и не в масштабе.
Фиг.6 - технологический процесс согласно фиг.4, но с использованием двух контактных зон.
В соответствии со схемой, представленной на фиг.1, сжиженный природный газ, содержащий компоненты с низкими точками кипения, подают при давлении ожижения по трубопроводу 1 в расширительное устройство, выполненное в виде детандера 3, и пропускают через дроссельный вентиль 5, в котором реализуется эффект Джоуля-Томсона и который установлен в отводящем трубопроводе 6 детандера 3. В расширительном устройстве сжиженный газ расширяется до давления разделения на фазы с получением расширенной двухфазной текучей среды. Давление сжижения предпочтительно находится в интервале от 3 до 8,5 МПа, а давление разделения фаз предпочтительно составляет от 0,1 до 0,5 МПа.
Расширенную двухфазную текучую среду по трубопроводу 9 направляют в колонну 10. При этом расширенную двухфазную текучую среду вводят в колонну 10 при давлении разделения фаз через подходящее входное устройство, например входное устройство 12 с лопатками. Входное устройство 12 с лопатками, известное также как шопентотер (schoepentoeter), обеспечивает эффективное разделение газа и жидкости.
Колонна 10 оборудована секцией 14 контактирования газа и жидкости. Секция 14 контактирования может содержать любые подходящие средства для осуществления контактирования газа и жидкости, например контактные тарелки и насадки. Предпочтительно секция 14 контактирования содержит от двух до восьми горизонтальных контактных тарелок 15. Расширенную двухфазную текучую среду вводят в колонну 10 ниже секции 14 контактирования газа и жидкости. Специалисту в данной области техники легко понять, что эта колонна может содержать две или большее количество секций 14.
В нижней части 16 колонны 10 собирается жидкость из двухфазной текучей среды, и поток жидкости, имеющий пониженное содержание компонентов с низкими точками кипения, отводится из нижней части 16 колонны через трубопровод 17 и насосом 18 нагнетается в накопительный резервуар 20. Из накопительного резервуара 20 поток жидкого продукта отводится по трубопроводу 21, а газообразный поток - по трубопроводу 22. Такой газообразный поток известен также как газ испарения сжиженного природного газа.
Пар двухфазной текучей среды проходит через секцию 14 контактирования. Из верхней части 23 колонны 10 газообразный поток, обогащенный низкокипящими компонентами, отводят по трубопроводу 25. Этот газовый поток нагревается в теплообменнике 27 с получением нагретого газообразного потока, который по трубопроводу 28 направляют в компрессор 30. В компрессоре 30 нагретый газообразный поток сжимают до давления, соответствующего топливному газу, с получением топливного газа. Полученный топливный газ отводят посредством трубопровода 31 и охлаждают в теплообменнике 32, служащем для отвода теплоты сжатия. Удаляют топливный газ из установки по трубопроводу 33. При этом давление топливного газа находится в интервале от 1 до 3,5 МПа.
Рециркулирующий поток части топливного газа направляют в теплообменник 27 по трубопроводу 34a. В теплообменнике 27 рециркулирующий поток, по меньшей мере, частично конденсируется с получением потока флегмы, который направляют в колонну 10 по трубопроводу 34b, снабженному дроссельным вентилем 37, в котором реализуется эффект Джоуля-Томсона. Поток флегмы вводят при давлении разделения фаз в колонну 10 через входное устройство, например лопаточное входное устройство 39, размещенное выше секции 14 контактирования.
В Таблице суммированы данные гипотетического примера, в котором способ, иллюстрируемый на фиг.1, сопоставлен с базовым примером. В базовом примере рециркулирующий поток и сырье вводят в колонну на одном и том же уровне, так что жидкие фазы из этих двух потоков смешиваются перед их вводом в колонну, причем колонна не имеет секции контактирования. Было установлено, что поток жидкости, отводимый по трубопроводу 17 в базовом случае, содержит большее количество азота, чем такой же поток, соответствующий настоящему изобретению.
Таблица 1
Сопоставление данных для гипотетического примера и примера осуществления, иллюстрируемого на фиг.1
Пример осуществления согласно фиг.1
Базовый пример
Количество тарелок в секции контактирования
3
-
Расход исходного материала, поступающего по трубопроводу 9
190,86 кг/с
190,86 кг/с
Температура исходного материала, вводимого через входное устройство 12
-145°C
-145°C
Содержание азота в потоке исходного материала
3,05 мол.%
3,05 мол.%
Расход рециркулирующего потока
26 кг/с
26 кг/с
Температура рециркулирующего потока, вводимого через входное устройство 39
-165,6°C
-165,2°C
Содержание азота в рециркулирующем потоке
паровая фаза содержит 33 мол.%, жидкая фаза содержит 1,7 мол.%
общий рециркулирующий поток содержит 22 мол.%
Расход продукта в трубопроводе 21
169,25 кг/с
169,19 кг/с
Содержание азота в продукте, транспортируемом в трубопроводе 21
0,65 мол.%
0,82 мол.%
Расход топливного газа в трубопроводе 33
20,51 кг/с
20,59 кг/с
Содержание азота в топливном газе
24 мол.%
22 мол.%
Необходимая электрическая мощность компрессора 30
30,8 МВт
31,2 МВт
Из Таблицы видно, что в потоке продукта, полученного с использованием способа, соответствующего настоящему изобретению, содержание азота понижено.
В альтернативном примере осуществления рециркулирующий поток, отделенный от топливного газа, перед тем, как он, по меньшей мере, частично конденсируется в теплообменнике 27, дополнительно сжимают в осевом компрессоре до повышенного уровня давления. Рециркулирующий поток высокого давления может быть использован различными путями, которые будут рассмотрены со ссылкой на фиг.2. Элементы схемы, которые уже были рассмотрены со ссылкой на фиг.1, обозначены на фиг.2 такими же номерами ссылочных позиций, что и на фиг.1.
Осевой компрессор, установленный в трубопроводе 34a, обозначен позицией 35. Осевой компрессор 35 может быть снабжен охладителем (не показан) для отвода теплоты сжатия от сжатого рециркулирующего потока. Сжатый рециркулирующий поток, по меньшей мере, частично конденсируется в теплообменнике 27. Часть холода, который необходим, обеспечивается газообразным потоком, который обогащен компонентами, имеющими низкие точки кипения, проходящим через трубопровод 25. Остальная его часть обеспечивается рециркулирующим потоком. Холод от рециркулирующего потока может быть получен за счет расширения части рециркулирующего потока до промежуточного давления в дроссельном вентиле 38 с эффектом Джоуля-Томсона, используя расширенную текучую среду для охлаждения рециркулирующего потока в трубопроводе 34a и направляя расширенную текучую среду по трубопроводу 38a в компрессор 30. Промежуточное давление, до которого расширяется часть рециркулирующего потока, находится в интервале давлений от давления всасывания до давления нагнетания компрессора 30 (включая граничные значения этого интервала). Ступень компрессора 30, в которую поступает расширенный рециркулирующий поток, выбрана таким образом, чтобы давление расширенного рециркулирующего потока было согласовано с давлением текучей среды в этой ступени компрессора 30.
Остальная часть рециркулирующего потока расширяется при прохождении дроссельного вентиля 37, в котором реализуется эффект Джоуля-Томсона, и вводится в качестве флегмы в колонну 10, как было отмечено выше со ссылкой на фиг.1.
Преимущество примера осуществления, иллюстрируемого на фиг.2, заключается в том, что рециркулирующий поток расширяется от более высокого давления и, таким образом, охлаждается до более низкой температуры. Это позволяет получить более теплый поток исходного материала, например при температуре -142°C, по сравнению с температурой исходного материала, равной -145°C, в приведенном выше примере осуществления. В результате температура сжиженного газа может быть более высокой и, следовательно, при затрате такого же количества энергии может быть сжижено большее количество газа.
Повышенное давление текучей среды, выходящей из осевого компрессора 35, выбирают таким, чтобы стоимость энергии, необходимой для привода осевого компрессора, была меньше стоимости увеличенного количества ожиженного газа.
Выше был рассмотрен пример осуществления, в котором расширение производят в дроссельных вентилях 37 и 38. Однако следует понимать, что расширение рециркулирующего потока может быть произведено в двух ступенях, сначала в расширительном устройстве, например детандере 36, а затем в дроссельных вентилях 37 и 38, в которых реализуется эффект Джоуля-Томсона.
Вместо подачи текучей среды после ее расширения через трубопровод 38a в компрессор 30, расширенную текучую среду можно направлять на вход (не показано) компрессора 35.
В примерах осуществления, рассмотренных со ссылками на фиг.1 и фиг.2, жидкость из потока двухфазной текучей среды накапливается в нижней части 16 колонны 10, и из этой нижней части 16 отводят поток 17 жидкости, имеющий пониженное содержание компонентов с низкими точками кипения, для получения потока жидкого продукта. В альтернативном примере осуществления изобретения эта стадия процесса включает накапливание в нижней части колонны жидкости из двухфазной текучей среды и вывод из нижней части колонны потока жидкости, имеющей пониженное содержание компонентов с низкими токами кипения; ввод потока жидкости в испарительную камеру при низком давлении; отвод второго газообразного потока из верхней части испарительной камеры; и отвод из нижней части испарительной камеры потока жидкости с получением потока жидкого продукта.
Данный пример осуществления в соответствии с настоящим изобретением, включающий использование испарительной камеры, далее будет раскрыт со ссылкой на фиг.3. Элементы схемы, которые уже были рассмотрены со ссылкой на фиг.1, обозначены на фиг.3 такими же номерами позиций.
Колонна 10' содержит верхнюю часть 10u и нижнюю часть 10l, при этом указанная верхняя часть выполняет функцию колонны 10, показанной на фиг.1, а нижняя часть 10l представляет собой испарительную камеру, работающую при давлении, которое ниже давления в верхней части 10u. Приемлемо, чтобы давление в верхней части 10u находилось в интервале величин давления от 0,2 до 0,5 МПа, а давление в испарительной камере 10l составляло от 0,1 до 0,2 МПа. Специалист в данной области техники легко поймет, что испарительная камера 10l может быть элементом конструкции, который физически отделен от колонны 10 (т.е. находится от нее на некотором расстоянии).
При нормальном функционировании установки жидкость двухфазной текучей среды, поступающей через трубопровод 9, накапливается в нижней зоне 16' верхней части 10u колонны 10'. Из этой нижней зоны 16' поток жидкости, характеризующийся уменьшенным содержанием компонентов с низкими точками кипения, отводится по трубопроводу 17'. Этот поток затем вводится в испарительную камеру 10l при низком давлении. Снижение давления достигается с помощью дроссельного вентиля 40 с эффектом Джоуля-Томсона, установленного в трубопроводе 17'. После снижения давления образуется двухфазная смесь, которая через входное устройство 41 вводится в испарительную камеру 10l.
Поток жидкости с пониженным содержанием низкокипящих компонентов отводится через трубопровод 17'' и направляется в накопительный резервуар 20.
Из верхней части 23'' испарительной камеры 10l отводится второй газообразный поток.
Второй газообразный поток проходит через трубопровод 42 в теплообменник 27, где второй газообразный поток нагревается за счет теплообмена с рециркулирующим потоком, подводимым по трубопроводу 34a. Нагретый поток сжимают в компрессоре 45, теплоту сжатия отводят в теплообменнике 48, после чего поток транспортируют по трубопроводу 49 с тем, чтобы присоединить сжатый второй газообразный поток к другому потоку, рециркулирующему по трубопроводу 34a.
Следует понимать, что компрессоры 45 и 30 могут быть объединены в один компрессор (не показано). В этом случае трубопровод 42 подсоединен к компрессору со стороны всасывания, трубопровод 28 - к промежуточному входу компрессора, а трубопровод 32 соединен с нагнетательной стороной компрессора.
Преимущество этого способа заключается в том, что он может быть использован для больших установок ожижения газа.
Так же, как и в примере осуществления, описанном выше со ссылкой на фиг.1, в примере, рассмотренном со ссылкой на фиг.3, может быть использован осевой компрессор, предназначенный для сжатия рециркулирующего потока, отделенного от топливного газа, до повышенного давления, прежде чем он, по меньшей мере, частично сконденсируется в теплообменнике 27. Рециркулирующий поток высокого давления можно использовать различными путями, которые могут быть раскрыты со ссылкой на фиг.4. Элементы схемы, которые уже были рассмотрены со ссылкой на фиг.3, обозначены на фиг.4 такими же номерами позиций.
Осевой компрессор, включенный в трубопровод 34a, обозначен на чертеже позицией 35. Этот осевой компрессор может быть снабжен охладителем (не показан), служащим для отвода теплоты сжатия от сжатого рециркулирующего потока. Сжатый рециркулирующий поток частично конденсируется за счет его охлаждения в теплообменнике 27. Часть необходимого холода обеспечивается газообразным потоком, богатым компонентами с низкими точками кипения, который транспортируется по трубопроводу 25. Остальная часть холода обеспечивается рециркулирующим потоком. Холод от рециркулирующего потока может быть получен за счет расширения части рециркулирующего потока до промежуточного давления в дроссельном вентиле 38, в котором реализуется эффект Джоуля-Томсона, используя затем расширенную текучую среду для охлаждения рециркулирующего потока, проходящего по трубопроводу 34a и подавая расширенную текучую среду через трубопровод 38a в компрессор 30. Промежуточное давление, до которого расширяется часть рециркулирующего потока, находится в интервале от давления всасывания до давления нагнетания компрессора 30 (включая граничные значения интервала). Точку входа расширенного рециркулирующего потока в компрессор 30 выбирают так, чтобы давление расширенного рециркулирующего потока было согласовано с давлением текучей среды в компрессоре 30, в точке входа в него потока.
Остальная часть рециркулирующего потока расширяется в дроссельном вентиле 37 с эффектом Джоуля-Томсона и вводится в качестве флегмы в колонну 10, как описано выше со ссылкой на фиг.1.
Преимущество этого примера осуществления состоит в том, что рециркулирующий поток расширяется от более высокого давления и, таким образом, охлаждается до более низкой температуры. Это обеспечивает получение более нагретого исходного потока, например потока исходного материала при температуре -142°C, по сравнению с температурой потока исходного материала при температуре -145°C в рассмотренном выше примере. В результате температура сжиженного газа, выходящего из основного криогенного теплообменника, может быть выше и, следовательно, при таком же количестве затраченной энергии может быть сжижено большее количество газа.
Повышенное давление текучей среды, выходящей из осевого компрессора 35, выбирают таким, чтобы стоимость энергии, необходимой для привода осевого компрессора 35, была меньше затрат на получение увеличенного количества сжиженного газа.
Выше был рассмотрен пример осуществления, в котором расширение осуществляют в дроссельных вентилях 37 и 38. Однако следует понимать, что расширение рециркуляционного потока может быть произведено в двух ступенях: сначала в расширительном устройстве, например в детандере 36, и затем в дроссельных вентилях 37 и 38, в которых реализуется эффект Джоуля-Томсона.
На фиг.4 также показано, что газ, полученный в результате испарения сжиженного природного газа, отводится из накопительной емкости 20 через трубопровод 22 и подводится к стороне всасывания компрессора 45.
Следует также понимать, что компрессоры 45 и 30 могут быть объединены в один компрессор (не показано). В таком случае трубопровод 42 (с которым непосредственно сообщается трубопровод 22) подсоединяют к стороне всасывания этого компрессора, трубопровод 28 - к промежуточному входу компрессора, а трубопровод 32 подсоединяют к стороне нагнетания этого компрессора.
Вместо подачи расширенной текучей среды через трубопровод 38a в компрессор 30, расширенную текучую среду можно подавать на вход компрессора 35 (не показано).
На фиг.5 представлен альтернативный пример осуществления, по отношению к иллюстрируемому на фиг.4, в котором часть рециркулирующего потока, транспортируемого по трубопроводу 34a, отделяют от общего потока и по трубопроводу 50 направляют в теплообменник 27. После этого охлажденный рециркулирующий поток расширяют до промежуточного давления в детандере 51 и используют для охлаждения рециркулирующего потока, проходящего по трубопроводу 34a. Расширенный поток затем вводят в промежуточную ступень компрессора 30.
Допустимо, чтобы рециркулирующий поток, проходящий через трубопровод 34a, содержал от 10 до 90 мас.% топливного газа, который транспортируют по трубопроводу 31.
Фиг.6 иллюстрирует технологический процесс в соответствии с фиг.4, в котором колонна 10u содержит две секции 14 контактирования. Специалисту в данной области техники будет легко понять, что в схеме технологического процесса могут быть использованы более чем две секции 14 контактирования.
Из зоны, находящейся между секциями 14 контактирования, поток отводят посредством отводящего устройства 63 и по трубопроводной линии 60 направляют в теплообменник 61, в котором этот поток обменивается теплотой с потоком, проходящим по трубопроводу 1. После этого поток, транспортируемый по трубопроводной линии 60, возвращают в колонну 10u и пропускают через входное устройство 62 с лопатками.
В примерах осуществления, описанных со ссылками на указанные чертежи, секция 14 контактирования содержит контактные тарелки, однако могут быть также использованы любые другие контактные элементы, например насадка. Длина насадочной секции в таком случае предпочтительно эквивалентна расстоянию между контактными тарелками, количество которых составляет от двух до восьми - для секции, расположенной над входным устройством 12 с лопатками, и расстоянию между тарелками, количество которых составляет от пяти до пятнадцати - для секции, расположенной ниже отводящего устройства 63.
Способ согласно настоящему изобретению обеспечивает простой путь уменьшения количества компонентов, имеющих низкие точки кипения, в потоке сжиженного природного газа.