Способ и устройство производства потока сжиженного природного газа
Изобретение относится к производству потока сжиженного природного газа (СПГ). Изобретение касается способа производства потока сжиженного природного газа, в котором перед сжижением природного газа из его потока удаляют тяжелые углеводородные компоненты с молекулярным весом, большим молекулярного веса бутана, включающего следующие этапы, на которых создают в основном парообразный поток (1) природного газа с давлением и температурой потока подаваемого газа; подают поток подаваемого газа (1) в дистилляционную колонну (10), имеющую две или больше ступени (11) сепарации; отбирают нижний поток (17) из нижней части дистилляционной колонны (10) и верхний поток (16) из верхней части дистилляционной колонны (10), причем верхний поток (16) содержит относительно меньшее количество компонентов тяжелых углеводородов, чем нижний поток (17); и сжижают по меньшей мере часть верхнего потока (16), в результате чего получают поток сжиженного природного газа; отличающегося тем, что перед подачей потока (1) газа в дистилляционную колонну (10) разделяют поток (1) подаваемого газа на первый и второй подпотоки (3a, 3b) с выбранным соотношением разделения; подают первый подпоток (3а) в дистилляционную колонну (10) через первую точку (7а) подачи в нижней части дистилляционной колонны (10) под давлением не ниже давления подаваемого потока (1) за вычетом падения давления от указанного разделения подаваемого потока (1), причем первый подпоток (3а) не подвергают нагреву, начиная от точки разделения подаваемого потока (1) до первой точки (7а) подачи первого подпотока (3а) в дистилляционную колонну (10); охлаждают второй подпоток (3b) в теплообменнике (6) до температуры, более низкой, чем температура потока подаваемого газа; и подают охлажденный второй подпоток (7) в дистилляционную колонну (10) во второй точке (7b) подачи, расположенной выше первой точки (7а) подачи, при этом ни в первом, ни во втором подпотоках (3a, 3b) давление специально не понижают в устройстве понижения давления. Изобретение также касается устройства для производства потока сжиженного природного газа. Технический результат - повышение эффективности сжижения газа. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 8 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу и устройству производства потока сжиженного природного газа (СПГ), в основном содержащего метан (предпочтительно >90% моль).
Уровень техники
Сжижение природного газа представляет собой обычную практику, поскольку позволяет транспортировать его с помощью носителя, когда другие средства транспортировки не доступны или менее привлекательны. Сжижение природного газа позволяет существенно уменьшить его объем, что делает транспортировку газа намного более эффективной. Для получения сжиженного природного газа (СПГ) используют процесс сжижения. Процесс сжижения обычно содержит криогенную зону, содержащую один или больше циклов охлаждения, в которых природный газ охлаждают на одном или больше этапах от температуры окружающей среды до температуры точки кипения в условиях окружающей среды природного газа или несколько ниже. Такая температура кипения обычно составляет около минус 160°С.
В цикле (циклах) охлаждения обычно используют охлаждающую текучую среду, которая может быть сформирована либо в виде смеси или из чистого составляющего вещества. Хладагент обычно испаряется в одном или больше криогенных теплообменниках, в которых охлаждают природный газ. Испарившийся хладагент впоследствии сжимают при более высоком уровне давления и более высокой температуре. В охладителе, работающем при условиях окружающей среды, у хладагента отбирают тепло в охлаждающую среду, такую как вода или воздух, и впоследствии охлаждают путем его расширения. Очень часто в процессе сжижения с множеством циклов последующие циклы охлаждения охлаждают первым циклом охлаждения.
В настоящее время в процессе сжижения также обычно удаляют определенные компоненты из природного газа прежде, чем он будет охлажден в криогенном теплообменнике (теплообменниках). Обычно удаляют такие компоненты, как двуокись углерода, соединения, содержащие серу, воду и углеводороды с более высоким молекулярным весом, чем вес бутана. Последние обозначаются в данном описании термином "тяжелые углеводороды". Эти компоненты должны быть удалены из природного газа, поскольку они в противном случае становятся твердыми при криогенных температурах, при которых осуществляют сжижение.
Обычно поток необработанного природного газа вначале очищают от воды и кислотных газов, для чего используется множество физических и/или химических процессов. Полученный в результате поток осветленной и осушенной смеси природного газа затем подвергают этапу удаления тяжелых углеводородов. Удаление тяжелых углеводородов обычно обеспечивают путем частичной конденсации смеси природного газа, после чего происходит некоторое разделение между паровой фазой с малым содержанием тяжелых углеводородов и жидкой фазой с высоким содержанием тяжелых углеводородов. Для обеспечения такого разделения чаще всего используют промывную колонну. Промывная колонна представляет собой определенный тип дистилляционной колонны, содержащий последовательность ступеней сепарации между нижней оконечностью и верхней оконечностью, в результате чего смесь, обогащенная тяжелыми углеводородами, удаляется из нижней оконечности в форме нижнего потока, и более легкую смесь природного газа выводят из верхней оконечности в форме верхнего потока.
В US 5685170 описаны система и способ восстановления пропана, бутана и компонентов тяжелых углеводородов из природного газа, в результате чего также образуется поток газа, состоящий, прежде всего, из метана и этана.
В US 5325673 описаны различные варианты выполнения способа и компоновки промывной колонны, предназначенные для предварительной обработки потока природного газа с использованием одной промывной колонны для удаления замерзающих компонентов С5+ и получения продукта СПГ.
В одном из вариантов выполнения поток природного газа разделяют на несколько подающих подпотоков, охлаждают и подают в промывную колонну в разных точках подачи рядом с верхней частью и в середине промывной колонны. Первую часть природного газа охлаждают в результате расширения в клапане Джоуля-Томпсона и подают в промывную колонну при пониженном давлении. Вторую и третью части вначале охлаждают в рефрижераторном охладителе, разделяют на жидкий поток конденсата и поток паров перед понижением давления. Жидкий поток конденсата подают в промывную колонну в точке подачи, которая расположена ниже, чем поток паров.
Для испарения фракции нижнего потока, обогащенного тяжелыми углеводородами, или жидкости, накопившейся в нижней оконечности промывной колонны, установлен ребойлер. Ребойлер также предназначен для управления температурой в нижней оконечности промывной колонны, чтобы исключить чрезмерное охлаждение нижней оконечности, поскольку с этим связан риск накопления в нижнем потоке нежелательных компонентов, таких как двуокись углерода.
Известный вариант выполнения имеет множество недостатков. Прежде всего, из-за снижения давления в подпотоках подачи перед подачей в промывную колонну снижается эффективность последующего этапа сжижения, поскольку сжижение природного газа при более низком давлении требует больше энергии.
Недостаток ребойлера состоит в том, что он добавляет тепло к природному газу, хотя по самой сути процесса сжижения природный газ следует охлаждать. Использование ребойлера отрицательно влияет на общую эффективность процесса сжижения.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является сведение к минимуму одного или больше указанных выше недостатков.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание альтернативного способа производства потока сжиженного природного газа, содержащего в основном сжиженный метан.
Одна или больше из указанных выше или других задач решается в соответствии с настоящим изобретением посредством способа производства потока сжиженного природного газа, в котором перед сжижением из потока природного газа, предназначенного для сжижения, удаляют компоненты тяжелых углеводородов, имеющих больший молекулярный вес, чем вес бутана, причем способ, по меньшей мере, содержит следующие этапы:
- создают, по существу, парообразный поток подаваемого природного газа с давлением и температурой потока подаваемого газа;
- подают поток подаваемого газа в дистилляционную колонну, имеющую две или больше ступени сепарации;
- отбирают нижний поток из нижней части дистилляционной колонны и верхний поток из верхней части дистилляционной колонны, причем верхний поток содержит относительно меньшее количество компонентов тяжелых углеводородов, чем нижний поток; и
- сжижают по меньшей мере часть верхнего потока, в результате чего получают поток сжиженного природного газа;
при этом этап подачи потока подаваемого газа в дистилляционную колонну содержит следующие подэтапы:
- разделяют поток подаваемого газа на первый и второй подпотоки с выбранным соотношением разделения;
- подают первый подпоток в дистилляционную колонну через первую точку подачи в нижней части дистилляционной колонны под давлением не ниже, чем давление подаваемого потока минус падение давления, вводимое указанным разделением подаваемого потока;
- охлаждают второй подпоток в теплообменнике до более низкой температуры, чем температура подачи;
- подают охлажденный второй подпоток в дистилляционную колонну во второй точке подачи, расположенной выше первой точки подачи.
В настоящем описании соотношение разделения определено как массовая скорость потока первого подпотока, разделенная на массовую скорость потока второго подпотока.
Преимущество изобретения состоит в том, что ни давление в подаваемом потоке, ни давление первого и второго подпотоков не снижаются преднамеренно в специальном устройстве понижения давления, таком как (турбо-)расширитель или клапан Джоуля-Томпсона.
Поскольку первый подпоток подают в дистилляционную колонну под давлением, по существу, не ниже, чем давление подаваемого потока минус падение давления, вызванное разделением подаваемого потока, не требуется понижения давления во второй точке подачи. Таким образом, дистилляцию выполняют без существенного снижения давления природного газа, что является энергетически предпочтительным в случае, когда требуется сжижать верхний поток.
Другое следствие отсутствия преднамеренного снижения давления в первом подпотоке подачи состоит в том, что температуру можно поддерживать близкой к температуре потока подачи; при этом предпочтительно не предусматривается нагрев первого подпотока. Преимущество этого состоит в том, что требуется подавать меньше дополнительной энергии нагрева, обычно предусмотренной, например, при использовании ребойлера, в нижнюю оконечность дистилляционной колонны для предотвращения ее переохлаждения.
Благодаря выбору достаточного высокого отношения разделения дополнительную энергию нагрева не требуется добавлять вообще, поэтому не требуется использовать ребойлер с целью управления нижней температурой.
Было установлено, что отношение разделения можно выбирать таким образом, чтобы температура в нижней части дистилляционной колонны поддерживалась на уровне -10 градусов Цельсия или выше.
Температурой в нижней оконечности дистилляционной колонны можно управлять с использованием избираемого или управляемого переменного отношения разделения и выбора или управления отношением разделения.
Изобретение также реализуется в устройстве, предназначенном для производства потока сжиженного природного газа, в котором перед сжижением компоненты тяжелых углеводородов, имеющие больший молекулярный вес, чем вес бутана, могут быть удалены из потока природного газа, предназначенного для сжижения, причем устройство, по меньшей мере, содержит:
- линию потока подачи, предназначенную для передачи, по существу, парообразного потока подаваемого природного газа под давлением подачи и с температурой подачи;
- дистилляционную колонну, имеющую две или больше ступени сепарации, предназначенную для отделения компонентов тяжелых углеводородов от природного газа, причем отверстие выпуска нижнего потока расположено в нижней части дистилляционной колонны для выпуска нижнего потока, и отверстие выпуска верхнего потока расположено в верхней части промывной колонны для выпуска верхнего потока, содержащего меньшее относительное количество компонентов тяжелых углеводородов, чем нижний поток; и
- криогенную зону, в которой, по меньшей мере, часть верхнего потока может быть сжижена, в результате чего получают поток сжиженного природного газа;
при этом линия потока подачи содержит узел разветвления подаваемого потока, который сообщает по текучей среде основную ветвь с первым и вторым ответвлениями для разделения подаваемого потока на первый и второй подпотоки с выбранным отношением разделения, причем первое ответвление соединяет узел разветвления подаваемого потока с первой точкой подачи в нижней части дистилляционной колонны под давлением, не меньшим давления потока подачи за вычетом падения давления от разделения подаваемого потока, а второе ответвление соединяет узел разветвления подаваемого потока со второй точкой подачи в дистилляционной колонне, причем вторая точка подачи расположена выше первой точки подачи, причем во втором ответвлении установлен теплообменник.
В настоящем описании подразумевается, что теплообменник включает в себя по меньшей мере теплообменники так называемого катушечного типа.
В самом широком смысле изобретение применимо для любого типа дистилляционной колонны, которая позволяет удалять из смеси углеводородного газа компоненты тяжелых углеводородов, имеющих больший молекулярный вес, чем вес бутана. Однако в одном или больше предпочтительных вариантах осуществления изобретения в колонну требуется подавать промывочный поток. В этом случае дистилляционная колонна по определению формирует так называемую промывочную колонну.
Эти и другие особенности изобретения будут описаны ниже на примере со ссылкой на прилагаемые, неограничивающие чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематично показана технологическая схема процесса в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
на фиг.2 схематично показана технологическая схема процесса в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения;
на фиг.3 схематично показана технологическая схема процесса в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения;
на фиг.4 схематично показана альтернативная технологическая схема процесса в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения;
на фиг.5 схематично показана альтернативная технологическая схема процесса в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения;
на фиг.6 схематично показана технологическая схема процесса в соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения;
на фиг.7 схематично показана технологическая схема процесса в соответствии с пятым вариантом осуществления изобретения;
на фиг.8 схематично показана технологическая схема процесса, в котором подаваемый поток не разделен.
В дальнейшем описании одним и тем же номером ссылочной позиции обозначается как линия, так и поток, протекающий в этой линии. Аналогичные компоненты обозначены одинаковыми номерами ссылочных позиций.
Осуществление изобретения
На фиг.1 схематично показана технологическая схема процесса, включающая в себя как часть устройства для производства потока СПГ, содержащего, прежде всего, метан, систему для удаления из смеси углеводородного газа компонентов тяжелых углеводородов, имеющих больший молекулярный вес, чем вес бутана. В настоящем описании предполагается, что смесь углеводородного газа формируется из смеси природного газа, предварительно обработанной для удаления воды, СО2 и серы с использованием средств и способов, хорошо известных в данной области техники. В общем, предварительно обработанная смесь природного газа содержит более легкие компоненты, включающие в себя парообразный метан и этан и включающие в себя С3 и С4 и более тяжелые компоненты С5+, которые потенциально могут замерзать в процессе сжижения метана.
Устройство по фиг.1 содержит линию подачи природного газа, выполненную так, что она принимает и переносит подаваемый поток смеси углеводородного газа, из которого требуется удалить тяжелые углеводороды. Линия подачи потока разделена на главную ветвь 1 и ответвления 3a и 3b первого и второго подпотоков соответственно. Для разделения подаваемого по основной ветви 1 потока на первый и второй подпотоки, которые соответственно протекают по ответвлениям 3a и 3b первого и второго подпотоков, предусмотрен узел 2 разветвления подаваемого потока. Узел 2 разветвления подаваемого потока выполнен с возможностью разделения потока в соответствии с определенным отношением разделения, которое определено как массовая скорость потока первого подпотока, разделенная на массовую скорость потока второго подпотока. Для специалистов в данной области техники будет понятно, что узел 2 разветвления подаваемого потока является не разделителем фазы, а скорее делителем основного потока на два или больше подпотоков.
Оба ответвления 3a, 3b первого и второго подпотоков сообщаются по текучей среде с промывной колонной 10. Промывная колонна 10 в настоящем варианте осуществления изобретения представляет собой дистилляционную колонну, в которой установлено множество лотков 11, которые обеспечивают отделение компонентов легких углеводородов от компонентов тяжелых углеводородов во множестве ступеней сепарации. Температура в промывной колонне обычно изменяется и становится все более холодной на каждой следующей верхней ступени. Промывная колонна 10 в нижней части содержит отверстие 8 для выпуска нижнего потока, обогащенного компонентами тяжелых углеводородов, например, через линию 17 выпуска. В верхней части промывной колонны 10 имеется отверстие 12 для выпуска верхнего потока, например, через линию 16 выпуска верхнего потока, обогащенного компонентами легких углеводородов. Верхний поток 16 соединен с криогенной зоной (не показана) для производства СПГ.
Первое ответвление 3а соединяет узел 2 разветвления подаваемого потока с первой точкой 7а подачи в промывной колонне 10. Первая точка 7а подачи расположена относительно близко к нижней части промывной колонны 10 для подачи первого подпотока 3а на один из нижних лотков 11. Предпочтительно подпоток 3а подают ниже самого нижнего лотка 11 разделения фазы. Первое ответвление 3a, по существу, не содержит устройства снижения давления, поэтому узел 2 разветвления подаваемого потока сообщается по текучей среде с первой точкой 7а подачи, по существу, без потери давления. Предпочтительно узел 2 имеет такие размеры, что при нормальных условиях работы падение давления не превышают 5 бар, более предпочтительно не превышает 2 бар. Кроме того, первый подпоток 3а не нагревается.
Второе ответвление 3b соединяет узел 2 разветвления подаваемого потока со второй точкой 7b подачи в промывной колонне 10. Вторая точка 7b подачи расположена выше относительно первой точки 7а подачи, и через нее подают первый подпоток на один из лотков, расположенных над нижними лотками.
Во втором ответвлении 3b предусмотрен теплообменник 6, разделяющий второе ответвление 3b на теплую часть 3b и холодную часть 7. Теплообменник 6 установлен для охлаждения второго подпотока 3b, по существу, без специального снижения давления. Теплообменник 6 может быть теплообменником любого соответствующего типа, такого как так называемый катушечный теплообменник.
При нормальных условиях работы падение давления во втором подпотоке меньше 6 бар, предпочтительно меньше 3 бар. Теплообменник 6 имеет по меньшей мере один источник 4 хладагента и одно средство 5 удаления израсходованного или испарившегося хладагента. Теплообменник 6 может представлять собой специально установленный теплообменник или может быть интегрирован с теплообменником, который также обеспечивает охлаждение для других целей. Предпочтительно в теплообменнике 6 используется внешний хладагент, который делает теплообменник 6 специально выделенным теплообменником.
Хотя это не требуется в соответствии с настоящим изобретением, которое в большей степени относится к разделению подаваемого потока на первый и второй подпотоки 3а и 3b, в показанном на фиг.1 варианте предпочтительно в промывной колонне 10 выполнить третью точку 7с подачи. Третья точка 7с подачи расположена рядом с верхней частью промывной колонны 10 выше второй точки 7b подачи. Используемая в случае необходимости линия 18 промывного потока соединяет третью точку 7с подачи с источником промывного потока. Источник промывного потока предназначен для подачи другой жидкости или потока с множеством фаз, который позволяет промывать более тяжелые углеводороды, и способствует их транспортированию вниз в промывной колонне 10. Промывной поток может содержать дополнительно охлажденный природный газ, конденсат из верхнего конденсатора, СПГ, охлажденный сжиженный попутный газ, охлажденный конденсат, их смеси или любой другой поток с соответствующими свойствами, которые обеспечивают удаление тяжелых углеводородов из природного газа.
Устройство по фиг.1 работает следующим образом. Поток подаваемой предварительно нагретой смеси углеводородного газа подают через линию 1 под давлением подаваемого потока и при температуре подаваемого потока. Давление подаваемого потока обычно находится в пределах от 20 до 80 бар и более типично от 40 до 65 бар. Температура подаваемого потока обычно находится в пределах от 0 до 50 градусов Цельсия, обычно от 15 до 25 градусов Цельсия, более типично от 15 до 20 градусов Цельсия.
Подаваемый поток в узле 2 разветвления подаваемого потока разделяют на первый и второй подпотоки 3а, 3b, предпочтительно в форме меньшего и большего подпотоков. Меньший подпоток 3а подают в промывную колонну 10 через первую точку 7а подачи под давлением, которое не ниже, чем давление потока подачи, минус падение давления от разделения потока 1 подачи в узле 2 разветвления подаваемого потока. На практике это означает, что давление меньшего подпотока 3а специально не снижают.
Второй подпоток 3b, обычно основной подпоток, охлаждают в теплообменнике 6 до более низкой температуры, чем температура подачи. Вообще говоря, основной подпоток 3b охлаждают до температуры не ниже -50 градусов Цельсия, предпочтительно не ниже чем -20 градусов Цельсия. Предпочтительно основной подпоток 3b охлаждают до температуры -10 градусов Цельсия или ниже.
Охлажденный основной подпоток через вторую точку 7b подачи и холодную часть 7 ответвления 3b вводится в промывную колонну 10 выше места, в которое вводится меньший подпоток 3а.
Используемый в случае необходимости промывной поток в промывной линии 18 имеет температуру ниже или равную температуре второго подпотока, вводимого через вторую точку 7b подачи.
Относительно холодный основной подпоток 7 совместно с относительно теплым меньшим подпотоком 3а способствует поддержанию требуемого градиента температур внутри промывной колонны 10.
Возможно управление отношением разделения на больший и меньший подпотоки. При этом можно управлять градиентом температур и/или температурой в нижней части промывной колонны 10. Было установлено, что для обеспечения достаточно низкой температуры в промывной колонне с целью достижения эффективного отделения компонентов тяжелых углеводородов из смеси отношение разделения предпочтительно выбирают меньшим 1/5. Более предпочтительно отношение разделения выбирают меньшим 1/10.
Было установлено, что отношение разделения предпочтительно выбирают большим 1/100 для достижения предпочтительного воздействия снижения потребности подачи внешнего тепла, для поддержания температуры в нижней части промывной колонны выше -10 градусов Цельсия. Предпочтительно отношение разделения выбирают большим 1/50, что позволяет полностью исключить потребность в использовании ребойлера. Таким образом, в предпочтительном варианте выполнения ребойлер отсутствует, в результате чего не используется повторное кипячение между выпускным отверстием 12 верхнего потока и третьей точкой 7с подачи.
Предпочтительно промывной поток 18 подают в промывную колонну 10 через третью точку 7с подачи, которая расположена над второй точкой 7b подачи. Температура промывного потока 18 обычно ниже, чем температура охлажденного меньшего подпотока, и обычно составляет от -70 до -10 градусов Цельсия. Это дополнительно помогает поддерживать требуемый градиент температур внутри промывной колонны 10.
Верхний продукт 16, представляющий собой природный газ, из которого были в достаточной степени удалены тяжелые углеводороды, отбирают из промывной колонны 10 через выпускное отверстие 12 верхнего потока. Поток 17, представляющий собой нижний поток, обогащенный тяжелыми углеводородами, выводят через выпускное отверстие 8. В частности, верхний продукт 16 представляет собой поток пара природного газа с малым содержанием тяжелых углеводородов, который соответствует требованиям исключения формирования твердой фракции при дальнейшем охлаждении потока пара природного газа в конечном итоге до жидкого состояния в криогенной зоне (не показана). Для специалиста в данной области техники понятно, как перевести в жидкое состояние верхний продукт 16 в криогенной зоне (например, используя теплообменники), этот момент не описан здесь более подробно. Нижний продукт 17 можно использовать для любых целей, одна из которых состоит в дополнительной обработке для получения сжиженного нефтяного попутного газа.
На фиг.2-5 схематично представлены альтернативные технологические схемы процесса, включающие в себя альтернативные устройства. На этих чертежах части, уже описанные со ссылкой на фиг.1, обозначены идентичными номерами ссылочных позиций и не будут повторно описаны. Кроме того, их функции и работа соответствуют приведенному выше описанию.
На фиг.2-5 показаны варианты осуществления изобретения, в которых промывной поток 18 по меньшей мере частично отбирают из подаваемого потока 1.
Как показано на фиг.2, основное отличие данного варианта от варианта, представленного на фиг.1, заключается в наличии второго узла 20 разветвления подаваемого потока, установленного во втором ответвлении 7 перед второй точкой 7b подачи и после теплообменника 6. Второе ответвление 7 продолжается вниз от узла 20 разветвления подаваемого потока, а третье ответвление 22 сформировано для передачи третьего подпотока подаваемого потока 1. В третьем ответвлении 22 имеется второй теплообменник 26 после ответвления, соединенный с линией 18 промывного потока.
Второй теплообменник 26 предназначен для дополнительного охлаждения третьего подпотока 22 до более низкой температуры, чем температура второго подпотока, по существу, без преднамеренного снижения давления. При нормальных условиях работы падение давления в третьем подпотоке 22 меньше 6 бар, предпочтительно меньше 3 бар. Как показано на фиг.2, имеется по меньшей мере один источник 24 хладагента для подачи его во второй теплообменник 26, при этом удаленный израсходованный или испарившийся хладагент 25 может служить источником хладагента 4, подаваемого в первый теплообменник 6.
В качестве альтернативы, в каждом из теплообменников предусмотрено независимо, по меньшей мере, по одному средству для подачи и отвода хладагента. Второй теплообменник 26 может представлять собой специализированный теплообменник или интегрированный теплообменник, который также обеспечивает охлаждение для других целей.
На фиг.3 схематично представлено решение, альтернативное схеме по фиг.2, в котором второй узел 20 разветвления подаваемого потока установлен во втором ответвлении 3b до первого теплообменника 6. Второй теплообменник 26 расположен параллельно первому теплообменнику 6 вместо показанной на фиг.2 последовательной компоновки. Второе ответвление 3b отходит от второго узла 20 разветвления подаваемого потока, и сформировано третье ответвление 22 для передачи третьего подпотока подаваемого потока 1. Как и на фиг.2, выход второго теплообменника соединен с линией 18 промывного потока.
Каждый из теплообменников 6 и 26 имеет индивидуально по меньшей мере один источник хладагента 4 и 24 и средства 5 и 25 удаления израсходованного хладагента.
Первый и второй теплообменники 6 и 26 могут быть скомбинированы в одном корпусе, в результате чего хладагент может работать с одним уровнем давления.
На фиг.4 показан пример осуществления изобретения с параллельным охлаждением второго и третьего подпотоков и с интеграцией первого и второго теплообменников в одном корпусе. На фиг.5 показан пример интегрированного теплообменника с последовательным охлаждением, соответствующим варианту, показанному на фиг.2. В этом примере второй узел 20 разветвления подаваемого потока расположен за пределами корпуса теплообменника, в результате чего второе и третье ответвления могут быть выведены из корпуса теплообменника и подведены к нему. В качестве альтернативы, хотя данное решение является менее практичным, узел 20 разветвления подаваемого потока может быть расположен внутри корпуса теплообменника.
Таким образом, в вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг.2-5, источник промывного потока, который соединен с промывной колонной 10 через третью точку 7с подачи, расположенную над второй точкой 7b подачи, содержит второй узел 20 разветвления подаваемого потока и второй теплообменник 26.
Во время работы устройство по фиг.2-5 работает аналогично показанному на фиг.1. Однако промывной поток в линии 18 получают путем отбора фракции из второго подпотока 3b для формирования третьего подпотока. Остальная часть представляет собой второй подпоток 3b. Третий подпоток охлаждается во втором теплообменнике 26 после второго узла 20 разветвления подаваемого потока до температуры ниже, чем температура второго подпотока после его охлаждения первым теплообменником 6.
Еще один вариант осуществления изобретения представлен на фиг.6. Части, уже описанные выше со ссылкой на фиг.1, обозначены идентичными номерами ссылочных позиций и не будут описаны снова. Кроме того, их функция и работа соответствуют приведенному выше описанию.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.6, в линии 16 выпуска предусмотрен верхний конденсатор в виде верхнего теплообменника 14. Теплообменник 14 имеет по меньшей мере один источник хладагента 30 и одно средство удаления израсходованного или испарившегося хладагента 31. Теплообменник 14 может быть выполнен в виде отдельного теплообменника, или он может быть интегрированным теплообменником, который также обеспечивает охлаждение для других целей. Линия 16 выпуска соединяет по текучей среде выходное отверстие теплообменника 14 с сепаратором 27. Сепаратор 27 имеет выходное отверстие 35 конденсата, которое соединено с линией 15, и выходное отверстие 33 паров, которое соединено с линией 13. Линия 15 может быть напрямую соединена с промывной колонной 10 через третью точку 7с подачи и линию 18. На фиг.6 между линией 15 и линией 18 показан необязательный насос 19 для орошения колонны.
Верхний конденсатор 14 и сепаратор 27 также могут быть объединены в одном корпусе или в одной части оборудования, в которой их функции скомбинированы.
Устройство в соответствии с фиг.6 работает следующим образом. Верхний поток верхнего продукта, который выпускают из промывной колонны 10 через линию 16, подают в верхний конденсатор 14, где он частично конденсируется с использованием хладагента. Частично конденсированный поток образует поток смешанной фазы из паров и конденсата, который подают в сепаратор 27. Пары, которые выпускают из сепаратора 27 через линию 13, представляют собой природный газ, из которого были в достаточной степени удалены тяжелые углеводороды и который требуется сжижать для получения СПГ. Конденсат в виде сконденсированной жидкости отводят от потока смешанной фазы для получения промывного потока 18 или для добавления к другому промывному потоку, который подают в промывную колонну 10. Насос 19 для орошения может использоваться для подачи жидкости с требуемым уровнем давления.
Преимущество варианта выполнения устройства в соответствии с фиг.6 состоит в том, что при этом обеспечивается свобода выбора температуры второго подпотока 3b, поскольку можно выбирать номер лотка (который соответствует высоте в дистилляционной колонне 10), на который подают второй подпоток 3b в дистилляционной колонне 10. Таким образом, для оптимизации цикла охлаждения можно без ограничений выбирать температуру второго подпотока в линии 7. Температурный профиль в нижней части промывной колонны 10 и температуру нижнего продукта, выпускаемого через выходное отверстие 8 и линию 17, можно оптимально контролировать путем выбора или путем управления отношением разделения. Преимущество вариантов выполнения по фиг.2-5 состоит в том, что они исключают необходимость использования ребойлера в виде верхнего сепаратора 27 и/или насоса 19 для орошения колонны.
Понятно, что вариант выполнения по фиг.6 можно скомбинировать с одним из вариантов, показанных на фиг.2-5.
Во всех описанных выше вариантах осуществления изобретения третий подпоток формирует основную фракцию второго подпотока или более чем половина исходного второго подпотока разделяется в узле 2 разветвления подаваемого потока. Третий подпоток обычно охлаждают до температуры ниже -10 градусов Цельсия и не ниже чем - 100 градусов Цельсия. Предпочтительно третий подпоток охлаждают до температуры ниже -30 градусов Цельсия, но не ниже -60 градусов Цельсия. Такой третий подпоток затем подают в промывную колонну 10 в третьей точке 7с подачи.
На фиг.7 схематично показан еще один вариант осуществления изобретения. По сравнению с вариантом по фиг.1 здесь требуется еще меньше элементов оборудования, поскольку функцию третьей точки 7с подачи теперь выполняет вторая точка 7b подачи. С этой целью вторая точка 7b подачи расположена в непосредственной близости к верхней части промывной колонны 10, где обычно располагается входное отверстие промывного потока. Таким образом, не требуется какое-либо определенное оборудование для орошения колонны. Теплообменник во втором ответвлении здесь представлен множеством теплообменников 6 и 6', работающих последовательно один за другим. Следует понимать, что теплообменник может быть представлен в форме одного элемента оборудования.
Прежде чем второй подпоток во втором ответвлении 3b будет подан в линию 7, его охлаждают до температуры, достаточно низкой для формирования смеси жидкости/паров. Эта температура обычно ниже -10 градусов Цельсия и не ниже -60 градусов Цельсия. Предпочтительно второй подпоток охлаждают до температуры ниже -30 градусов Цельсия и не ниже -60 градусов Цельсия.
Преимущество вариантов, показанных на фиг.2-5 и 7, по сравнению с вариантом, показанным на фиг.6, состоит в том, что скорость потока через второй теплообменник 26 или вторую часть 6' теплообменника ниже, чем скорость потока через верхний конденсатор 14, поскольку часть природного газа подают в промывную колонну без пропускания через второй теплообменник 26 или вторую часть 6'.
На фиг.8 для сравнения представлен пример, в котором подаваемый поток в линии 1 подачи не разделяют на подпотоки, но в случае необходимости охлаждают в теплообменнике 6 перед подачей в промывную колонну 10 через точку 7d подачи. Точка 7d подачи может располагаться в нижней части или рядом с нижней частью промывной колонны или несколько выше, чем точка 7а подачи.
Расчеты по балансу массы и энергии были выполнены в отношении схем, показанных на фиг.6, 7 и 8, для типичного подаваемого газа и типичных условий окружающей среды.
В процессе, показанном на фиг.8, относительная мощность (включая мощность мгновенного испарения газа после выпуска) 13,1 кВт/(тонна в сутки) рассчитана для получения в потоке в линии 13 содержания С5+ 0,03% моль.
В процессе по фиг.7 отношение разделения было установлено равным 8%, так что основную часть подаваемого потока подавали через теплообменники 6 и 6'. Температура второго подпотока в линии 7 была понижена до приблизительно -20 градусов Цельсия. Рассчитанная относительная мощность (включая мощность мгновенного испарения газа после выпуска) составила 13,1 кВт/(тонна в сутки) при содержании C5+ 0,06 моль % в потоке линии 16.
Таким образом, разделение подаваемого потока позволяет исключить компоненты генерирования потока для промывки колонны, такие как верхний сепаратор 27 и/или насос 19 для орошения колонны, за счет только несколько худшего разделения. Одновременно достигается улучшенное управление градиентом температуры в промывной колонне 10, и поток материалов в нижней части промывной колонны 10 сильно уменьшается так, что ее можно выполнить более тонкой.
В процессе, показанном на фиг.6, отношение разделения было выбрано равным 6%. Та же самая степень разделения была достигнута, как и в процессе по фиг.7 (содержание C5+ 0,06 моль % в линии 13), но с использованием относительной энергии 12,9 кВт/(тонна в сутки), что составляет снижение на 1,5%. С учетом большого количества обрабатываемого продукта снижение потребляемой мощности на 1,5% представляет собой существенное улучшение. Такое снижение потребляемой мощности компенсирует дополнительные затраты, связанные с установкой оборудования для орошения промывной колонны. По сравнению с процессом, показанным на фиг.8, достигается улучшенное управление температурным градиентом в промывной колонне 10, и поток материалов в нижней части промывной колонны 10 сильно уменьшается, в результате чего ее можно сделать более тонкой.
1. Способ производства потока сжиженного природного газа, в котором перед сжижением природного газа из его потока удаляют тяжелые углеводородные компоненты с молекулярным весом, большим молекулярного веса бутана, включающий следующие этапы, на которых создают в основном парообразный поток (1) природного газа с давлением и температурой потока подаваемого газа; подают поток подаваемого газа (1) в дистилляционную колонну (10), имеющую две или больше ступени (11) сепарации; отбирают нижний поток (17) из нижней части дистилляционной колонны (10) и верхний поток (16) из верхней части дистилляционной колонны (10), причем верхний поток (16) содержит относительно меньшее количество компонентов тяжелых углеводородов, чем нижний поток (17); и сжижают по меньшей мере часть верхнего потока (16), в результате чего получают поток сжиженного природного газа; отличающийся тем, что перед подачей потока (1) газа в дистилляционную колонну (10) разделяют поток (1) подаваемого газа на первый и второй подпотоки (3а, 3b) с выбранным соотношением разделения; подают первый подпоток (3а) в дистилляционную колонну (10) через первую точку (7а) подачи в нижней части дистилляционной колонны (10) под давлением не ниже давления подаваемого потока (1) за вычетом падения давления от указанного разделения подаваемого потока (1), причем первый подпоток (3а) не подвергают нагреву начиная от точки разделения подаваемого потока (1) до первой точки (7а) подачи первого подпотока (3а) в дистилляционную колонну (10); охлаждают второй подпоток (3b) в теплообменнике (6) до температуры, более низкой, чем температура потока подаваемого газа; и подают охлажденный второй подпоток (7) в дистилляционную колонну (10) во второй точке (7b) подачи, расположенной выше первой точки (7а) подачи, при этом ни в первом, ни во втором подпотоках (3а, 3b) давление специально не понижают в устройстве понижения давления.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в основном парообразный подаваемый поток (1) газа содержит больше 90 об.% пара, предпочтительно, больше 95 об.%.
3. Способ по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что падение давления в первом подпотоке (3а) между разделением подаваемого потока (1) и первой точкой (7а) подачи меньше 6 бар, предпочтительно, меньше 3 бар.
4. Способ по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что выбранное отношение разделения поддерживают меньше 1, предпочтительно меньше 1/5, более предпочтительно, меньше, чем 1/10, при этом отношение разделения представляет собой массовую скорость потока первого подпотока (3а), деленную на массовую скорость потока второго подпотока (3b).
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что выбранное отношение разделения поддерживают большим 1/100, предпочтительно, больше 1/50.
6. Способ по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что второй подпоток (3b) охлаждают в теплообменнике (6) с использованием внешнего хладагента.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что дистилляционная колонна (10) выполнена в виде промывной колонны, в которую промывной поток (18) подают через третью точку (7) подачи, расположенную выше второй точки (7b) подачи, при температуре ниже, чем температура охлажденного второго подпотока (7).
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что промывной поток (18) является, по существу, жидким.
9. Способ по любому из пп.7 или 8, отличающийся тем, что промывной поток (18) получают путем отбора фракции из второго подпотока (3b) для формирования третьего подпотока (22) и охлаждения третьего подпотока (22) во втором теплообменнике (26) для формирования промывного потока (18).
10. Способ по любому из пп.7 или 8, отличающийся тем, что промывной поток получают путем частичной конденсации верхнего потока (16) с формированием потока со смешанной фазой паров и конденсата и отбора конденсата из сформированного потока со смешанной фазой для получения промывного потока (18).
11. Способ по п.10, отличающийся тем, что часть верхнего потока (16), которую используют как промывной поток (18), не расширяют между промывной колонной и третьей точкой (7с) подачи.
12. Способ по любому из пп.7 или 8, отличающийся тем, что температура промывного потока (18) является достаточно низкой для формирования конденсата из тяжелых углеводородов.
13. Способ по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что дистилляцию выполняют без значительного снижения давления природного газа.
14. Устройство для производства потока сжиженного природного газа, в котором перед сжижением природного газа из его потока удаляют тяжелые углеводородные компоненты с молекулярным весом, большим молекулярного веса бутана, содержащее линию (1) потока для подачи в основном парообразного потока (1) природного газа с давлением и температурой потока подаваемого газа, дистилляционную колонну (10) с двумя или более ступенями (11) сепарации для отделения компонентов тяжелых углеводородов от природного газа, причем в дистилляционной колонне (10) имеются отверстие (8) в нижней части для выпуска нижнего потока (17) и отверстие (12) в верхней части для выпуска верхнего потока (16) с меньшим относительным содержанием компонентов тяжелых углеводородов, чем в нижнем потоке (17); и низкотемпературную зону, для сжижения по меньшей мере частьи верхнего потока (16) с получением в результате потока сжиженного природного газа, отличающееся тем, что линия (1) подаваемого потока содержит узел (2) разветвления, соединяющий по текучей среде основную ветвь с первым и вторым ответвлениями (3а, 3b) с образованием первого и второго подпотоков с выбранным отношением разделения, при этом первое ответвление (3а) соединяет узел (2) разветвления подаваемого потока с первой точкой (7а) подачи в нижней части дистилляционной колонны (10) под давлением не ниже давления подаваемого потока за вычетом падения давления от указанного разветвления подаваемого потока, а второе ответвление (3b) соединяет узел (2) разветвления подаваемого потока со второй точкой (7b) подачи в дистилляционной колонне (10), причем вторая точка (7b) подачи расположена выше первой точки (7а) подачи, и во втором ответвлении (3b) имеется теплообменник (6), установленный для охлаждения второго подпотока, при этом первая точка (7а) подачи расположена ниже самой нижней ступени (11) сепарации дистилляционной колонны (10), а в первом подпотоке (3а) не предусмотрен теплообменник для его нагрева на участке начиная от точки разделения подаваемого потока (1) до первой точки (7а) подачи первого подпотока (3а) в дистилляционную колонну (10), причем ни в первом, ни во втором подпотоках (3а, 3b) не предусмотрены отдельные средства для понижения давления.
15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что дистилляционная колонна (10) выполнена в виде промывной колонны, при этом устройство снабжено источником промывного потока, соединенным с промывной колонной через третью точку (7с) подачи в промывной колонне выше второй точки (7b) подачи.
16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что источник промывного потока включает второй узел (20) разветвления, выполненный во втором ответвлении (3b) перед второй точкой подачи для образования третьего ответвление (22), отходящего от второго ответвления (3b), при этом в третьем ответвлении (22) имеется второй теплообменник (26).
17. Устройство по любому из пп.15 или 16, отличающееся тем, что источник промывного потока содержит конденсатор (14) для получения выходящего из промывной колонны верхнего потока (16) и сепаратор (27), имеющий выходное отверстие (33) для конденсата и выходное отверстие (35) для паров, причем выходное отверстие (33) для конденсата соединено с промывной колонной через третью точку (7с) подачи.
18. Устройство по любому из пп.15 или 16, отличающееся тем, что между выходным отверстием (12) выпуска верхнего потока и третьей точкой (7с) подачи не имеется расширителя.
19. Устройство по любому из пп.14-16, отличающееся тем, что теплообменник (6) установлен во втором ответвлении (3b) для охлаждения второго подпотока без специального снижения давления.
