СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Настоящая группа изобретений относится к химической, газовой и нефтяной отраслям промышленности и может быть использована для выделения из природного газа гелиевого концентрата, азота, метана и жидких углеводородов (С₂₊).

Известен способ переработки природного газа, который предусматривает многостадийное низкотемпературное охлаждение газа с конденсацией за счет рекуперации тепла в холодильниках, сепарирования, сброса давления на потоках газа путем его расширения при дросселировании и экспанзировании, подачу всех холодных потоков в разделительную колонну. В результате тепломассообменного процесса, проходящего в разделительной колонне, получают летучую метановую газовую фракцию и фракцию, содержащую часть компонентов этана, пропана и тяжелых углеводородов (US 4889545 A, C07C 7/04, 26.12.1989).

Известен также способ переработки природного газа, предварительно частично сжиженного, сжатого и охлажденного. Способ включает многоступенчатую низкотемпературную конденсацию природного газа, путем сепарирования, деления потоков газа из сепаратора, охлаждения большего потока газа из сепаратора, смешанного с жидким потоком из сепаратора. В холодильнике за счет рекуперации тепла метановой фракции и сброса давления дросселированием, охлаждения меньшего потока из сепаратора путем пропускания газа через детандер и подачу холодных расширенных потоков на ректификацию в деметанизатор, получают метановую фракцию с дальнейшей рекуперацией ее тепла на охлаждение и этаново-бутановую фракции (GB 1532335 A, F25J 3/02, 15.11.1978).

Однако известные способы не предусматривают получения чистой фракции этана, которую можно использовать в качестве товарного и целевого продукта.

Известна установка извлечения из природного газа гелия с одновременным выделением фракции С₂₊, азота и гелия, разработанная фирмой «Линде А.Г.» (Германия), (Технология переработки природного газа и конденсата, Справочник, под ред. Мурина В.И., Москва, ООО "Недра-Бизнесцентр", 2002, Часть 1, стр.205-207, рис.3.44), работа которой осуществляется следующим образом.

После очистки от двуокиси углерода и осушки при давлении 4,4 МПа в установку поступает 2988 кмоль/ч (71830 м³/ч) газа, содержащего (в % мол.): гелий - 0,5, азот - 10,2, метан - 73,02, этан - 6,94, пропан - 5,16, С₄₊ - 4,18. Предварительно очищенный природный газ сжимают в компрессоре с приводом от турбодетандера до 5 МПа и охлаждают до 230K обратными потоками газа и пропаном. Конденсирующиеся углеводороды отделяют в сепараторе, подогревают и подают в метановую колонну, работающую под давлением 0,9 МПа. Газ, выходящий из сепаратора, после охлаждения и конденсации подают в колонну обогащения азота, работающую под давлением 3,1 МПа. Жидкий продукт с низа этой колонны подают насосом под давлением 4 МПа в теплообменник, где частично испаряют и передают в сепаратор, установленный на всасывающей линии турбодетандера. Жидкие продукты из этого сепаратора после подогрева поступают в метановую колонну для выделения из них фракции С₂₊. Пары из сепаратора расширяются в турбодетандере и поступают в метановую колонну. При этом образующаяся при расширении газа жидкость служит для орошения колонны. Продукт с низа метановой колонны (фракция С₂₊) уходит из устройства при давлении 0,9 МПа. Продукт с верха метановой колонны нагревается и отводится с устройства при давлении 0,8 МПа, как товарный газ.

Газ из колонны обогащения азота 5 охлаждают и подают в колонну высокого давления 9 (2,7 МПа). С верха этой колонны уходит газ, обогащенный гелием, и жидкий азот с растворенным в нем гелием, которые поступают в гелиевую колонну 7 (2,7 МПа). Продукт с низа колонны высокого давления поступает в колонну низкого давления 8 (0,2 МПа). В этой колонне выделяется чистый газообразный азот и жидкая смесь азота и метана. Продукт с низа колонны сжимается до 0,9 МПа и после испарения выводится с устройства в качестве топливного газа. Для орошения колонны обогащения азота используется система открытой циркуляции товарного газа.

Основным недостатком данной разработки является низкий коэффициент извлечения азота, и соответственно, из установки выходит относительно большое количество низкокалорийного азотистого топливного газа (10% от сырьевого газа, или 12,9% от суммарного выхода метановых потоков). Этот газ предназначен для использования на топливные нужды или на близкорасположенных электростанциях и котельных. Технология становится менее эффективной и экономичной при повышении содержания в сырьевом газе азота и уменьшении углеводородов С₂₊, а также при увеличении производительности установки и необходимости транспортировать почти весь метановый газ к удаленным потребителям.

Технический результат, достигаемый группой изобретений, заключается в повышении коэффициента извлечения азота (93,3% вместо 53,6% в известной установке), а также в расширении функциональных возможностей, заключающихся в дополнительном извлечении из устройства товарного метана (содержащего 2,1% азота) с низшей теплотой сгорания 32,5 мДж/м³ одним потоком. При этом предлагаемые изобретения обеспечивают снижение энергетических и капитальных затрат, связанных с транспортированием газа к удаленным потребителям, а также затрат потребителей, зависящих от качества получаемого газа и снижения количества инертных примесей. Дополнительные технические результаты заключаются в повышении коэффициента извлечения гелия (97,0% вместо 96,8%), а также в снижении затрат на получение чистого гелия.

Описание предлагаемого способа сопровождается отсылками к чертежу, на котором представлена схема устройства для осуществления переработки способа природного газа.

Согласно способу переработки природного газа:

- поток природного газа разделяют на две части;

- меньшую часть потока охлаждают в четвертом теплообменнике (4) и частично конденсируют в деметанизаторе (5);

- большую часть потока природного газа последовательно охлаждают в теплообменниках с первого по третий (1, 2, 3);

- затем охлажденные в четвертом и третьем теплообменниках (4, 3) потоки газа объединяют, сепарируют (в сепараторе 6) и отделяют сжиженные углеводороды, которые после дросселирования (через дроссель 38) подают в деметанизатор (5);

- отсепарированный газ (с выхода сепаратора 6) разделяют на два потока, один из которых охлаждают, а другой поток обогащают азотом в пятом и девятом теплообменниках (7, 13) соответственно;

- после чего упомянутые потоки объединяют и передают на сепарирование (в сепаратор 15);

- полученные после сепарации жидкость дросселируют (через дроссель 39), а газ расширяют во втором детандере (16а), и подают в колонну обогащения азота (21) для получения метан-азотного газа и потока деазотированного сжиженного метана с этаном и более тяжелыми углеводородами;

- полученный поток дросселируют (через дроссель 41) и частично испаряют в двенадцатом и девятом теплообменниках (19, 13);

- затем путем сепарации (в сепараторе 14) отделяют жидкую фракцию, которую после дросселирования (через дроссель 42) и частичного испарения в восьмом теплообменнике (12) передают в деметанизатор (5) для получения метана и жидкой фракции этана и более тяжелых углеводородов;

- отсепарированный в сепараторе (23) метан-азотный газ последовательно охлаждают в ребойлере (29) и шестнадцатом теплообменнике (31), и после сепарирования (в сепараторе 30) большую часть его и всю жидкость направляют в нижнюю секцию колонны (27б) разделения азота и метана (27);

- меньшую часть отсепарированного (в сепараторе 30) газа после охлаждения в ребойлере (36) гелиевой колонны (34) направляют в верхнюю часть нижней секции колонны (27б) разделения азота и метана, из которой осуществляют отбор азотногелиевого газа для последующей подачи в гелиевую колонну (34) и последующей выработки гелиевого концентрата и получения товарного гелия, а также отбора жидкого азота из ее нижней части;

- жидкий азот охлаждают в восемнадцатом теплообменнике (37), дросселируют (через дроссель 43) и делят на две части, меньшую из которых после испарения в дефлегматоре (35) в качестве питания подают в верхнюю секцию колонны разделения азота и метана (27а), а большую - в качестве орошения подают в верхнюю секцию колонны разделения азота и метана (27а);

- азотометановую жидкость, полученную с нижней секции колонны (27) разделения азота и метана, охлаждают в семнадцатом теплообменнике (33), дросселируют (через дроссель 44) и подают в среднюю секцию колонны разделения азота и метана (27а), из дефлегматора (28) которой отбирают жидкий метан, который сжимают (32) и после испарения и нагрева в семнадцатом, шестнадцатом и четырнадцатом теплообменниках (33, 31, 25), эжектируют (эжектором 24) в поток метана, выходящего из деметанизатора (5),

- полученный на выходе эжектора (24) объединенный поток метана смешивают с циркуляционным метаном, полученным после охлаждения в тринадцатом теплообменнике (22) метан-азотного газа, последовательно охлаждают в пятнадцатом, одиннадцатом и седьмом теплообменниках (26, 18, 11), и последовательно сжимают в компрессорах (86 и 16б) для вывода товарного газа,

- часть товарного газа отводят для получения упомянутого циркуляционного метана, путем ее дополнительного сжатия в компрессоре метанового охладительного цикла (9), охлаждения и конденсирования в шестом, седьмом, десятом, одиннадцатом, двенадцатом, восьмом, пятнадцатом и четырнадцатом теплообменниках (10, 11, 17, 18, 19, 12, 26, 25), дросселирования (40) и испарения в тринадцатом теплообменнике (22).

Устройство для переработки газа содержит восемнадцать теплообменников (первый - 1, второй - 2, третий - 3, четвертый - 4, пятый - 7, шестой - 10, седьмой - 11, восьмой - 12, девятый - 13, десятый - 17, одиннадцатый - 18, двенадцатый - 19, тринадцатый - 22, четырнадцатый - 25, пятнадцатый - 26, шестнадцатый - 31, семнадцатый - 33, восемнадцатый - 37), деметанизатор (5), пять сепараторов (первый - 6, второй - 14, третий - 15, четвертый - 23, пятый - 30), компрессор метанового охладительного цикла (9), колонну обогащения азота (21) с встроенным теплообменником (20), первый и второй детандер-компрессорные агрегаты, состоящие из компрессоров (86,166) с приводами от детандера (8а, 16а), эжектор (24), дефлегматор (28) колонны (27) разделения азота и метана, состоящей из верхней (27а) секции и нижней секции (27б), включающей встроенный теплообменник (29), гелиевую колонну (34) с дефлегматором (35) и встроенным теплообменником (36), насос (32), семь дросселей (первый - 38, второй - 39, третий - 40, четвертый - 41, пятый - 42, шестой - 43, седьмой - 44). Поток природного газа, поступающий на вход устройства, разделяют на две части. Затем большую часть этого потока последовательно охлаждают в теплообменниках с первого по третий (1, 2, 3), а меньшую часть этого потока природного газа охлаждают в четвертом теплообменнике (4) и передают в деметанизатор (5). Объединенный поток охлажденных газов с третьего (3) и четвертого (4) теплообменников передают на вход первого сепаратора (6). Выход сжиженных углеводородов сепаратора (6) через первый дроссель (38) связан с деметанизатором (5), выход нижней части которого предназначен для выдачи жидкой фракции этана и более тяжелых углеводородов. Выход газовой фракции первого сепаратора разделен на три потока. Один из которых предназначен для подачи через пятый (7), второй - через девятый (13), и третий - через встроенный в колонну (21) обогащения азота теплообменники (20). Выходы пятого (7), девятого(13) и встроенного в колонну (21) обогащения азота теплообменников объединены в один поток, и связаны с входом третьего сепаратора (15). Выход жидкой фракции третьего сепаратора (15) связан через второй дроссель (39) с нижней секцией колонны (21) обогащения азота. Выход газовой фракции третьего сепаратора связан через привод от детандера (16а) второго детандер-компрессорного агрегата с верхней секцией колонны (21) обогащения азота. Выход метан-азотного газа последней через тринадцатый теплообменник (22) и четвертый сепаратор (23) связан последовательно с встроенным теплообменником (29) нижней секции (276) колонны разделения азота и метана (27) и с шестнадцатым теплообменником (31), который по первому выходу связан через четырнадцатый (25) теплообменник с эжектором (24). Объединенный поток метана, полученного с выхода эжектора, и циркуляционного метана, полученного с выхода тринадцатого теплообменника (22), предназначен для нагрева в пятнадцатом (26) теплообменнике с последующим последовательным нагревом одной части разделенного потока газа в одиннадцатом (18) и седьмом (11) теплообменниках, а другой его части - в пятом (7), третьем (3) и первом (1) теплообменниках. Один из выходов первого (1) теплообменника предназначен для сброса азота. Объединенный поток газа, полученный с другого выхода первого (1) и с выхода седьмого (11) теплообменников предназначен для последовательного сжатия в компрессорах (86-16б) первого и второго детандер-компрессорных агрегатов (8а-8б и 16а-16б). Часть общего потока метана, выходящего из компрессора второго детандер-компрессорного агрегата, предназначена для вывода с устройства товарного газа. Другая часть этого потока связана последовательно с компрессором метанового охладительного цикла (9), шестым (10), седьмым (11), десятым (17), одиннадцатым (18), двенадцатым (19), восьмым (12), пятнадцатым (26), четырнадцатым (25) и через третий дроссель с тринадцатым (22) теплообменниками. Выход потока деазотированного сжиженного метана с этаном и более тяжелыми углеводородами нижней секции колонны (21) обогащения азота через четвертый дроссель (41) связан последовательно с двенадцатым (19) и девятым теплообменниками (13) и входом второго сепаратора (14). Последний предназначен для отделения жидкой фракции и передачи ее через пятый дроссель (42) и восьмой теплообменник (12) в верхнюю секцию деметанизатора (5). Выход газа второго сепаратора (14) связан через привод от детандера (8а) первого детандер-компрессорного агрегата (8) с входом орошения деметанизатора (5). Выход метана с верхней секции деметанизатора (5) связан с эжектором (24). Второй выход шестнадцатого теплообменника (31) связан с входом пятого сепаратора (30), большая часть паров с выхода которого предназначена для направления в нижнюю секцию колонны (27б) разделения азота и метана. Меньшая часть паров через встроенный теплообменник (36) гелиевой колонны (34) предназначена для направления в верхнюю часть нижней секции колонны разделения азота и метана (27б). Выход азотногелиевого газа верхней части нижней секции (27б) колонны (27) связан с входом дефлегматора гелиевой колонны (34), верхняя часть которой предназначена для отбора гелиевого концентрата. Другой выход азотногелиевого газа с верхней части нижней секции колонны (27б) разделения азота и метана предназначен для подачи в гелиевую колонну 34. Выход жидкого азота с нижней части гелиевой колонны последовательно связан с восемнадцатым (37) теплообменником и шестым дросселем (43), выход меньшей части разделенного потока которого предназначен для подачи через дефлегматор (35) гелиевой колонны (34) в качестве питания в верхнюю секцию колонны разделения азота и метана (27а), а большей части - для подачи в верхнюю секцию колонны разделения азота и метана (27а) в качестве орошения. Выход азотометановой жидкости с нижней части нижней секции колонны разделения азота и метана (27б) связан через семнадцатый теплообменник (33) и седьмой дроссель (44) со средней частью верхней секции колонны (27а) разделения азота и метана, выход газообразного азота с верхней секции которой (27а) последовательно связан с восемнадцатым, семнадцатым, пятнадцатым, пятым, третьим и первым теплообменниками (37, 33, 26, 7, 3, 1) для последующего сброса или утилизации. Выход жидкого метана дефлегматора колонны разделения азота и метана (27а) связан последовательно с насосом (32), семнадцатым (33) и шестнадцатым (31) теплообменниками. Выход флегмы четвертого сепаратора (23) связан с входом верхней части колонны (21) обогащения азота. Выход отсепарированной жидкости пятого сепаратора (30) связан с нижней частью нижней секции колонны (27б) разделения азота и метана.

При этом второй и десятый теплообменники выполнены в виде пропаново-холодильных установок, четвертый теплообменник выполнен в виде выносного теплообменника (4), первый, третий, пятый, с седьмого по девятый и с одиннадцатого по восемнадцатый теплообменники выполнены в виде рекуперативных теплообменников (1, 3, 7, 11, 12, 13, 18, 19, 22, 25, 26, 31, 33, 37), шестой теплообменник (10) выполнен в виде воздушного охладителя.

На чертеже представлена схема устройства для переработки газа.

В состав устройства входят:

первый - 1, второй - 2, третий - 3, четвертый - 4, пятый - 7, шестой - 10, седьмой - 11, восьмой 12, девятый - 13, десятый - 17, одиннадцатый - 18, двенадцатый - 19, тринадцатый - 22, четырнадцатый - 25, пятнадцатый - 26, шестнадцатый - 31, семнадцатый - 33, восемнадцатый - 37 теплообменники; деметанизатор 5,

первый - 6, второй - 14, третий - 15, четвертый - 23, пятый - 30 сепараторы; компрессор метанового охладительного цикла 9;

колонна обогащения азота 21;

второй и первый детандер-компрессорные агрегаты, содержащие компрессоры 8б, 16б с приводами от детандера 8а, 16а;

встроенный теплообменник 20 выполнен в виде ребойлера;

эжектор 24;

дефлегматор 28 колонны разделения азота и метана, состоящей из верхней секции 27а и нижней секции 27б, включающей встроенный теплообменник 29, выполненный в виде ребойлера;

гелиевая колонна 34 с дефлегматором 35 и встроенным теплообменником 36, выполненным в виде ребойлера; насос 32,

с первого по шестой дроссели 38, 39, 40, 41, 42, 43 соответственно.

Теплообменники 2,17 выполнены в виде пропаново-холодильных установок. Теплообменники 1, 3, 7, 11, 12, 13, 18, 19, 22, 25, 26, 31, 33, 37 выполнены в виде рекуперативных теплообменников. Теплообменник 4 выполнен в виде выносного теплообменника (ребойлера). Теплообменник 10 выполнен в виде воздушного охладителя;

Природный газ при давлении 6,1 МПа и температуре 303K поступает на устройство, где разделяется на две части.

Меньшая часть газа, поступая в ребойлер 4 деметанизатора 5, охлаждается до 227K и частично конденсируется. Большая часть газа последовательно проходит через теплообменники 1-3 и охлаждается до температур 251, 242 и 230K за счет рекуперации холода метановой фракции и сбросного азота, а также холода кипящего при давлении 0,31 МПа жидкого пропана, подаваемого из второго теплообменника (2), выполненного в виде пропановой холодильной установки (ПХУ).

Потоки охлажденных газов с теплообменника 3 и ребойлера 4 объединяются, и передаются в сепаратор 6, где отделяются сжиженные углеводороды, которые после дросселирования (38) до давления 1,02 МПа подают в нижнюю часть деметанизатора 5. Газ из сепаратора 6 охлаждается до температуры 193K в теплообменниках 7 и 13 за счет рекуперации холода метановой и азотной фракций, а также в ребойлере 20 колонны обогащения азота 21 и поступает в сепаратор 15.

Давление жидкости, выходящей из сепаратора 15, снижается после прохождения через дроссель 39 до 3,05 МПа, после чего ее подают в нижнюю секцию колонны 21 обогащения азота. Газ из сепаратора 15 расширяется в детандере 16а до 3,05 МПа и при температуре 169K подается в верхнюю секцию колонны 21.

Для создания орошения в колонне обогащения азота 21 имеется теплообменник 22, в котором используется холод кипящего при давлении 0,98-0,93 МПа сжиженного метана из метанового холодильного цикла.

После отделения флегмы из сепаратора 23 с верхней части колонны 21 выходит метан-азотный газ с содержанием 49,71% азота, 49,06% метана, а снизу - деазотированный сжиженный метан с этаном и более тяжелыми углеводородами. Этот поток дросселируют (41) до давления 2,56 МПа и частично испаряют в теплообменниках 19, 13 в диапазоне температур от 177 до 180K.

Затем в сепараторе 14 из потока отделяют жидкую фракцию, которую дросселируют (42) до 1,06 МПа, частично испаряют в теплообменнике 12 в диапазоне температур 157-165K и подают на верхнюю тарелку деметанизатора 5.

Газ, выходящий из сепаратора 14, расширяют в детандере 8а и подают в качестве орошения в колонну 5. С верха колонны 5 выходит метан при давлении 1,02 МПа и температуре 157,8K. Снизу колонны 5 при температуре 250K выходит жидкая фракция этана и более тяжелых углеводородов, которую в дальнейшем после сжатия в насосе можно разделить в газофракционирующей установке на отдельные виды товарной продукции.

Газ из сепаратора 23 охлаждают последовательно с 155K до 154,49K и 142,24K в ребойлере колонны 27б, теплообменнике 31 и подают в сепаратор 30.

Большую часть паров из сепаратора 30 и всю отсепарированную жидкость направляют в нижнюю секцию колонны 27б, где поддерживается высокое давление (2,9 МПа). Меньшая часть паров из сепаратора 30 после охлаждения до 127,7K в ребойлере 36 гелиевой колонны 34 поступает в верхнюю секцию колонны 27б.

С верхней части колонны 27б отбирают азотногелиевый газ (14,79% об. гелия, 84,85% об. азота, 0,35% об. метана) и при температуре 117,3K подают в гелиевую колонну 34, работающую при давлении 2,85 МПа.

С верхней части гелиевой колонны 34 отбирают гелиевый концентрат, содержащий 70,01% гелия и 29,99% азота, который при температуре 99K выводят в блок тонкой очистки для получения товарного гелия.

С нижней части колонны 34 отбирают жидкий азот, который после охлаждения с 123K до 84,9K в теплообменнике 37, дросселируют (43) до давления 0,18 МПа и делят на две части. Меньшую часть испаряют в дефлегматоре 35 колонны 34 и подают в качестве питания в верхнюю секцию колонны разделения азота 27а. Большую часть подают в верхнюю секцию колонны 27а в качестве орошения.

Азотометановую жидкость с нижней части колонны 27б после охлаждения с 143K до 125K в теплообменнике 33 и дросселирования (44) до 0,19 МПа подают на разделение в среднюю часть колонны 27а.

В колонне 27а при давлении 0,19 МПа происходит окончательное разделение метаноазотных потоков на азот и метан. С верха колонны 27а выходит газообразный азот (чистотой 99,86), который после рекуперации своего холода в диапазоне температур от 83K до 297K последовательно в теплообменниках 37, 33, 26, 7, 3, 1 может быть сброшен в атмосферу или утилизирован.

С нижней части колонны 27а отбирают жидкий метан (чистотой 98,1%) который сжимают насосом 32 до давления 0,8 МПа и после испарения и нагрева с 115K до 168K в теплообменниках 33, 31, 25 эжектируют (в эжекторе 24) в поток газа из колонны 5, имеющей более высокое давление (1,02 МПа).

Объединенный поток метана, выходящий с эжектора (24) при давлении 0,93 МПа, смешивают с циркуляционным метаном открытого метанового холодильного цикла, выходящим из теплообменника 22. Затем последовательно осуществляют нагрев от 152K до 300K в рекуперативных теплообменниках 26, 18, 11 и 7, 3, 1 и сжимают до 0,89 МПа и 0,98 МПа в компрессорах 86 и 16б с приводами от детандера 8а и 16а соответственно. Эти компрессоры и детандеры объединены в детандер-компрессорные агрегаты 16а-16б и 8а-8б.

От общего потока, выходящего из компрессора 16б, с устройства выводится 64% газа в качестве товарного газа (2,09% азота, 97,25% метана, 0,66% этана) для дальнейшего компремирования и подачи в магистральный газопровод к удаленным потребителям. После компрессора 16б для циркуляции в метановом холодильном цикле отводится 36% потока метана путем сжатия в компрессоре 9 до давления 3,2 МПа, который последовательно охлаждают и конденсируют в воздушном охладителе 10, теплообменниках 11, 17 (холодом жидкого пропана, кипящего при давлении 0,31 МПа, подаваемого из пропановой холодильной установки 17 в теплообменники 18, 19, 12, 26, 25) до температуры 156K, дросселируют (40) до давления 0,98 МПа, испаряют в теплообменнике 22 (в диапазоне температур 146K-149K) и смешивают с потоком метана на выходе из эжектора 24.