Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА, СОДЕРЖАЩЕГО ДИОКСИД УГЛЕРОДА

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу обработки природного газа криогенного типа с целью удаления по меньшей мере некоторого количества диоксида углерода, который он содержит, при котором углеводороды, обычно потерянные в результате криогенной обработки, в значительной степени возвращают. Изобретение также относится к установке, пригодной для осуществления данного способа.

Предшествующий уровень техники

В контексте получения природного газа или сжиженного природного газа необходимо очистить природный газ, имеющий происхождение из месторождений, от определенного ряда загрязняющих веществ, прежде всего от кислотных газов, таких как сероводород (H₂S) и диоксид углерода (СO₂).

В частности, диоксид углерода может составлять основную часть газовой смеси, имеющей происхождение из месторождений природного газа, вплоть до более чем 70% (в молярной концентрации).

В данной области техники известно несколько способов, позволяющих снизить содержание диоксида углерода в природном газе.

Наиболее традиционная очистка основана на использовании аминовых растворителей. Этот способ позволяет отделять СО₂, который обладает высокой селективностью по сравнению с углеводородами; он дает возможность снизить концентрацию СO₂ ниже пороговой концентрации 50 м.д. Но данный способ требует высоких затрат энергии для регенерации растворителя. В результате он непригоден, если природный газ имеет высокую концентрацию CO₂. Кроме того, регенерация является фактически атмосферной и требует сжатия, для которого необходимо большое количество энергии, если предусмотрено обратное нагнетание СO₂ (которое следует рассматривать как все более общепринятое в свете проблем окружающей среды).

Другой тип очистки основан на использовании полупроницаемых мембран. Применения этих мембран для газов со средним содержанием СO₂ значительно развились за последние несколько лет. Мембранная очистка обладает преимуществом для значительных концентраций СO₂ и для определенного диапазона отношений парциального давления "подачи к ретентату". Однако, когда нормативы CO₂ являются относительно низкими, соответствующие потери метана могут стать значительными. Возможно также обеспечить несколько ступеней мембран для концентрирования CO₂ в пермеате, что вызывает необходимость в обеспечении промежуточных сжатий пермеата. Обратное нагнетание CO₂, если оно подразумевается, требует дополнительного сжатия в результате низкого давления конечного пермеата, что дополнительно увеличивает затраты энергии для данного типа способа.

Криогенные процессы составляют другой тип очистки. Чем выше концентрация CO₂ в исходном газе, тем больше их преимущество в отношении энергии. Пример криогенного процесса показан в US 4152129. Однако в связи с возможной кристаллизацией CO₂ и/или с критическими условиями в верхней части колонны такой процесс не дает возможности соответствовать строгим требованиям к CO₂. Следовательно, существенна конечная обработка, например, аминового типа, если требуются строгие нормативы по CO₂.

Некоторые варианты криогенной очистки представлены в недавнее время, в частности способ, называемый "CFZ" ("controlled freeze zone - контролируемая зона замораживания"), отличительным признаком которого является то, что он делает возможной кристаллизацию CO₂ в проблематичной зоне колонны, что позволяет предусматривать очень высокие нормативы при очень низких температурах очистки (примерно -90° или даже -110°С). В связи с этим вопросом можно сослаться, например, на US 4533372.

Другой вариант криогенной очистки разработан фирмой Cool Energy Limited. Этот способ, называемый "CryoCell", позволяет посредством стадии криогенного разделения соответствовать нормативам примерно от 2 до 3% CO₂, начиная с газа, предварительно очищенного криогенной дистилляцией, или непосредственно для сырых газов со средней концентрацией CO₂ (как правило, от 25 до 35%). В данном способе используют сжижение газа под давлением, затем расширение жидкости, которое создает интенсивное охлаждение и частичную кристаллизацию СО₂. Жидкие и твердые фракции выделяют в сосуде, предназначенном для некоторых способов применения, поддерживая температуру на дне в жидкостном диапазоне. Данный способ проиллюстрирован в WO 2007/030888, WO 2008/095258 и WO 2009/144275.

Другой вариант криогенной очистки составляет семейство так называемых способов "Райана Холмса". В этих способах, которые позволяют практически полностью выделять С3+ углеводороды, используют 3 или 4 дистилляционные колонны в зависимости от природы газа, и в результате они оказываются относительно сложными и дорогостоящими в отношении вложений и потребления.

Недостаток этих криогенных способов состоит в том, что они разделяют компоненты в соответствии с их летучестью и, таким образом, вместе с жидким CO₂ улавливаются практически все С3+ углеводороды, содержащиеся в природном газе. Это иногда является весьма значительным недостатком в зависимости от состава газа. Установлено, что от 8 до 15 масс.% углеводородов обычно теряется, когда осуществляют отделение CO₂ путем дистилляции; кроме того, большинство потерянных углеводородов составляют углеводороды с промежуточной молярной массой, следовательно, наиболее ценные.

WO 99/01707 относится к варианту способа, называемого "CFZ", при котором некоторую часть потока жидкого СО₂, рециркулирующего на дне колонны дистилляции, расширяют, затем используют для охлаждения природного газа прежде, чем он поступает в колонну дистилляции, в двух последовательных теплообменниках. Между этими двумя теплообменниками поток СO₂ претерпевает разделение газа и жидкости, где только жидкая часть расширяется, затем направляется во второй теплообменник (где газовую часть сжимают прежде, чем ее окончательно удаляют). На выходе второго теплообменника обеспечивается другое разделение газа и жидкости: газовую фазу сжимают прежде, чем ее окончательно удаляют, тогда как жидкая фаза обеспечивает регенерацию конденсатов, улавливаемых в потоке СО₂.

Этот метод дает возможность ограничить потери углеводородов в потоке жидкого СO₂ и может быть применен к любому процессу криогенного отделения CO₂, который улавливает С3+ углеводороды в жидком CO₂. С другой стороны, недостаток метода, предложенного в данном документе, состоит в том, что состав потока (в основном, СO₂) в последовательных теплообменниках варьирует, причем поток становится постепенно более обогащенным тяжелыми фракциями. Это приводит к повышенному риску кристаллизации, в частности, парафиновых углеводородов, и, в частности, в последнем теплообменнике в холодном цикле, температура которого является самой низкой. Именно поэтому в этом документе предложена в качестве альтернативы ректификационная колонна для природного газа на входе установки, позволяющая избежать указанных проблем, то есть чтобы переместить некоторое количество этих тяжелых соединений наверх. Этот способ является крайне сложным и трудным для осуществления, поскольку он требует дополнительного фракционирования всего газа.

Следовательно, существует действительная необходимость в разработке способа обработки, которая позволяет эффективно снизить потери углеводородов для этих типов криогенного отделения СO₂ способом, который является простым для осуществления.

Краткое описание изобретения

В первую очередь, изобретение относится к способу обработки природного газа, содержащего диоксид углерода, при котором:

- природный газ разделяют посредством криогенного процесса с целью получения, с одной стороны, потока жидкого диоксида углерода, содержащего углеводороды, и, с другой стороны, очищенного природного газа;

- по меньшей мере одну часть природного газа охлаждают в первом теплообменнике, затем во втором теплообменнике перед указанным криогенным процессом и/или перед возвратом в указанный криогенный процесс;

- по меньшей мере одну часть потока жидкого диоксида углерода выделяют с целью получения потока рециркулированного диоксида углерода;

- поток рециркулированного диоксида углерода делят на первую порцию и вторую порцию;

- первую порцию расширяют, затем ее нагревают в первом теплообменнике с целью получения первого потока нагретого диоксида углерода;

- вторую порцию охлаждают, затем по меньшей мере одну часть второй порции расширяют, затем нагревают во втором теплообменнике с целью получения второго потока нагретого диоксида углерода;

- по меньшей мере некоторые из углеводородов, содержащиеся в первом потоке нагретого диоксида углерода и во втором потоке нагретого диоксида углерода, выделяют путем разделения газа и жидкости.

В соответствии с воплощением:

- по меньшей мере одну часть природного газа охлаждают в третьем теплообменнике перед криогенным процессом и/или перед возвратом в указанный процесс;

- вторую порцию потока рециркулирующего диоксида углерода делят на третью порцию и четвертую порцию;

- третью порцию расширяют, затем нагревают во втором теплообменнике с целью получения второго потока нагретого диоксида углерода;

- четвертую порцию охлаждают, затем расширяют, затем ее нагревают в третьем теплообменнике с целью получения третьего потока нагретого диоксида углерода;

- по меньшей мере некоторые из углеводородов, содержащиеся в третьем потоке нагретого диоксида углерода, выделяют путем разделения газа и жидкости.

В соответствии с воплощением первый теплообменник, второй теплообменник и, если применимо, третий теплообменник работают при различных температурах, и предпочтительно первый теплообменник работает при более высокой температуре, чем второй теплообменник, и, если применимо, второй теплообменник работает при более высокой температуре, чем третий теплообменник.

В соответствии с воплощением указанный криогенный процесс представляет собой дистилляцию.

В соответствии с воплощением:

- охлаждение второй порции потока рециркулирующего диоксида углерода осуществляют во втором теплообменнике;

- охлаждение четвертой порции потока рециркулирующего диоксида углерода, если применимо, осуществляют в третьем теплообменнике; и

- предпочтительно поток рециркулирующего диоксида углерода охлаждают в первом теплообменнике перед делением на первую порцию и вторую порцию.

В соответствии с воплощением очищенный природный газ нагревают, если применимо, сначала в третьем теплообменнике, затем во втором теплообменнике, затем в первом теплообменнике.

В соответствии с воплощением:

- первый поток нагретого диоксида углерода претерпевает разделение газа и жидкости в первом разделительном сосуде с целью получения первой газовой фазы и первой жидкой фазы;

- первую жидкую фазу расширяют;

- второй поток нагретого диоксида углерода и первая расширенная жидкая фаза претерпевают разделение газа и жидкости во втором разделительном сосуде с целью получения второй газовой фазы и второй жидкой фазы; и предпочтительно:

- вторую жидкую фазу расширяют;

- третий поток нагретого диоксида углерода и вторая расширенная жидкая фаза претерпевают разделение газа и жидкости в третьем разделительном сосуде с целью получения третьей газовой фазы и третьей жидкой фазы.

В соответствии с воплощением вторая жидкая фаза и, если применимо, третья жидкая фаза претерпевает стадию стабилизации конденсатов с целью получения жидкой фазы, обогащенной углеводородами, и газовой фазы, обогащенной диоксидом углерода, где указанная газовая фаза, обогащенная диоксидом углерода, предпочтительно претерпевает разделение газа и жидкости во втором разделительном сосуде или, если применимо, в третьем разделительном сосуде.

В соответствии с воплощением первую газовую фазу, вторую газовую фазу и, если применимо, третью газовую фазу сжимают и охлаждают с целью получения выходящего потока диоксида углерода, который возможно смешивают по меньшей мере с одной частью потока жидкого диоксида углерода.

В соответствии с воплощением:

- одну часть второй жидкой фазы смешивают со второй порцией потока рециркулированного диоксида углерода и, если применимо, одну часть третьей жидкой фазы смешивают с четвертой порцией потока рециркулирующего диоксида углерода; и/или

- одну часть выходящего потока диоксида углерода смешивают с потоком рециркулированного диоксида углерода.

Другой объект изобретения составляет установка для обработки природного газа, содержащего диоксид углерода, включающая:

- устройство для криогенного разделения;

- по меньшей мере одну линию трубопровода для природного газа, присоединенную на входе устройства для криогенного разделения;

- линию трубопровода для жидкого диоксида углерода и линию трубопровода для очищенного природного газа, выходящую из устройства для криогенного разделения;

- первый теплообменник, через который проходит по меньшей мере одна из линий трубопровода для природного газа, присоединенная на входе устройства для криогенного разделения;

- второй теплообменник, через который проходит по меньшей мере одна из линии трубопровода для природного газа, присоединенной на входе устройства для криогенного разделения, или линии трубопровода для природного газа, присоединенной на выходе устройства для криогенного разделения и питающей систему орошения;

- линию трубопровода для рециркулированного диоксида углерода, выходящую из линии трубопровода для жидкого диоксида углерода;

- линию трубопровода для первой порции и линию трубопровода для второй порции, выходящие из линии трубопровода для рециркулирующего диоксида углерода, где

- линия трубопровода для первой порции оборудована средствами расширения, а затем проходит через первый теплообменник;

- линия трубопровода для второй порции оборудована средствами охлаждения;

- линию трубопровода для третьей порции, выходящую из линии трубопровода для второй порции, где линия трубопровода для третьей порции оборудована средствами расширения, а затем проходит через второй теплообменник;

- средства разделения газа и жидкости, к которым подведена линия трубопровода для первой порции и линия трубопровода для третьей порции.

В соответствии с воплощением:

- установка включает третий теплообменник, через который проходит по меньшей мере одна из линии трубопровода для природного газа, присоединенной на входе устройства для криогенного разделения, или линии трубопровода для природного газа, присоединенной на выходе устройства для криогенного разделения и питающей систему орошения;

- линия трубопровода для второй порции делится на линию трубопровода для третьей порции и линию трубопровода для четвертой порции;

- линия трубопровода для четвертой порции оборудована средствами охлаждения, средствами расширения, а затем проходит через третий теплообменник; и

- установка включает средства для разделения газа и жидкости, которые питает линия трубопровода для четвертой порции.

В соответствии с воплощением:

- средства охлаждения на линии трубопровода для второй порции представляют собой второй теплообменник;

- если применимо, средства охлаждения на линии трубопровода для четвертой порции составляет третий теплообменник; и

- предпочтительно линия трубопровода для рециркулированного диоксида углерода оборудована средствами охлаждения, представляющими собой первый теплообменник, перед разделением на линию трубопровода для первой порции и линию трубопровода для второй порции.

В соответствии с воплощением устройство для криогенного разделения представляет собой устройство дистилляции.

В соответствии с воплощением линия трубопровода для очищенного природного газа проходит, если применимо, через третий теплообменник, затем через второй теплообменник, затем через первый теплообменник.

В соответствии с воплощением:

- средства разделения газа и жидкости включают первый разделительный сосуд и второй разделительный сосуд;

- первый разделительный сосуд питает линия для первой порции;

- линия трубопровода для первой газовой фазы и линия трубопровода для первой жидкой фазы присоединены на выходе первого разделительного сосуда;

- линия трубопровода для первой жидкой фазы оборудована средствами расширения;

- второй разделительный сосуд питает линия трубопровода для третьей порции и линия трубопровода для первой жидкой фазы;

- линия трубопровода для второй газовой фазы и линия трубопровода для второй жидкой фазы присоединены на выходе второго разделительного сосуда; и предпочтительно:

- линия трубопровода для второй жидкой фазы оборудована средствами расширения;

- линия трубопровода для четвертой порции и линия трубопровода для второй жидкой фазы питают третий разделительный сосуд;

- линия трубопровода для третьей газовой фазы и линия трубопровода для третьей жидкой фазы присоединены на выходе третьего разделительного сосуда.

В соответствии с воплощением линия трубопровода для второй жидкой фазы или, если применимо, линия трубопровода для третьей жидкой фазы питает устройство стабилизации конденсата, на выходе которого присоединена линия трубопровода для жидкой фазы, обогащенной углеводородами, и линия трубопровода для газовой фазы, обогащенной диоксидом углерода, где указанная линия трубопровода для газовой фазы, обогащенной диоксидом углерода, предпочтительно питает второй разделительный сосуд или, если применимо, третий разделительный сосуд.

В соответствии с воплощением линия трубопровода для первой газовой фазы, линия трубопровода для второй газовой фазы и, если применимо, линия трубопровода для третьей газовой фазы питает средства компрессии и присоединена на отводящей линии трубопровода для диоксида углерода, где указанная отводящая линия трубопровода для диоксида углерода предпочтительно оборудована средствами охлаждения и предпочтительно соединена с линией трубопровода для не рециркулированного диоксида углерода, выходящей из линии трубопровода для жидкого диоксида углерода, с целью образования линии для конечного диоксида углерода.

В соответствии с воплощением установка включает:

- дополнительную линию трубопровода для углеводородов, оборудованную насосными устройствами, присоединенную на выходе второго разделительного сосуда и возвращающуюся в линию трубопровода для второй порции выше второго теплообменника или, если применимо, присоединенную на выходе третьего разделительного сосуда и возвращающуюся в линию трубопровода для четвертой порции выше третьего теплообменника; и/или

- дополнительную линию трубопровода для диоксида углерода, оборудованную вентилем, проходящую от отводящей линии трубопровода для диоксида углерода до линии трубопровода для рециркулированного диоксида углерода.

В соответствии с воплощением способ, как описано выше, осуществляют в вышеупомянутой установке.

Настоящее изобретение позволяет преодолеть недостатки уровня техники. В частности, оно обеспечивает обработку природного газа, посредством которой содержание диоксида углерода может быть значительно снижено. Данную очистку осуществляют, ограничивая при этом потери углеводородов, в частности С3+ соединений, улавливаемых потоком жидкого диоксида углерода.

Это достигается, с одной стороны, путем рециркуляции по меньшей мере некоторого количества диоксида углерода, выходящего из дистилляции (или в более общем смысле из криогенного процесса), и путем использования этого диоксида углерода, обогащенного С3+, в качестве холодильного агента в открытом холодильном цикле с целью получения фригорий, необходимых для криогенного процесса, то есть путем создания необходимости в теплообмене (на нескольких стадиях) между диоксидом углерода, используемым в открытом холодильном цикле, и природным газом; с другой стороны, путем выделения углеводородов, улавливаемых в диоксиде углерода, из открытого холодильного цикла, простым разделением газа и жидкости после теплообмена с природным газом, где состав потока диоксида углерода из открытого холодильного цикла остается постоянным во время различных стадий теплообмена.

В соответствии с некоторыми конкретными воплощениями изобретение также обладает одной или предпочтительно несколькими из преимущественных характеристик, перечисленных ниже.

- Изобретение не требует основного нового оборудования по сравнению с установкой, оборудованной стандартным охлаждающим устройством замкнутого типа, возможно за исключением оборудования для стабилизации конденсатов.

- Изобретение позволяет выделять CO₂ в жидкой форме в конце цикла охлаждения; затем можно создавать его давление путем простого нагнетания для ввода в геологические структуры (в отличие от способов, основанных на аминовом растворителе или полупроницаемой мембране).

- Способ по изобретению, в частности, полезен и пригоден для природного газа, имеющего среднее или высокое содержание CO₂ и содержащего значительную долю С3+ углеводородов.

- Изобретение, в частности, пригодно для применений в открытом море, где использование С2/С3 холодильного агента, который является высоко воспламеняемым, нежелательно по причинам безопасности.

- Возобновляемая природа холодильного агента, используемого в соответствии с изобретением, позволяет работать с минимальным резервным запасом, не опасаясь последствий многочисленных декомпрессий цикла. Таким образом, изобретение дает возможность устранить логистические проблемы в отношении холодильного агента.

- Изобретение может позволить выделить значительную долю тяжелых углеводородов (С3+). Таким образом, в примере, приведенном ниже, изобретение дает возможность увеличить продукцию углеводородов в форме высокоценных стабилизированных конденсатов примерно на 3 масс.%.

- По сравнению со способом, описанным в WO 99/01707, изобретение обладает преимуществом ограничения рисков кристаллизации в холодильном цикле, связанных с конденсацией тяжелых парафиновых углеводородов, и, следовательно, избегания в подавляющем большинстве случаев необходимости во фракционировании природного газа выше криогенного процесса.

Краткое описание фигур

На фиг.1 схематично показано воплощение установки в соответствии с изобретением.

Описание воплощений изобретения

Теперь изобретение будет описано более подробно и не ограничивающим способом в нижеследующем описании.

Все давления приведены в абсолютных значениях. Все проценты приведены в виде молярных значений, если не указано иное. Термины "выше" и "ниже" относятся к направлению потока жидкостей в установке.

Установка

Со ссылкой на фиг.1 установка в соответствии с изобретением включает линию трубопровода 1 для подачи природного газа. Эта линия трубопровода 1 для подачи природного газа предпочтительно проходит через устройство предварительной обработки 57, которое может включать средства предварительного охлаждения, и/или средства дегидратации, и/или средства разделения газа и жидкости, и/или средства фракционирования. Из соображений упрощения предпочтительно, чтобы установка не содержала средства фракционирования и средства устранения кислотности в устройстве предварительной очистки 57.

Линия трубопровода 1 для подачи природного газа питает (косвенно) устройство для криогенного разделения 35. Под "устройством для криогенного разделения" подразумевают набор средств, способных к отделению диоксида углерода от метана с подачей холода при рабочей температуре, более низкой или равной -40°С.

Предпочтительно устройство для криогенного разделения 35 представляет собой устройство дистилляции, и более точно в представленном воплощении оно представляет собой стандартную колонну дистилляции, оборудованную дистилляционным кубом 32 у основания колонны. Средства теплообмена расположены между линией трубопровода 1 для подачи природного газа и дистилляционным кубом 32; линия трубопровода 1 для подачи природного газа открывается в сепаратор 31 газа и жидкости. Две линии трубопровода 33, 34 для природного газа, а именно линия трубопровода 33 для газовой фракции и линия трубопровода 34 для жидкой фракции, присоединены на выходе сепаратора 31 газа и жидкости.

Линия трубопровода 33 для газовой фракции и линия трубопровода 34 для жидкой фракции соответственно открываются в устройство 35 для криогенного разделения на различных стадиях. Каждая из этих двух линий трубопровода оборудована средствами расширения; кроме того, линия трубопровода 33 для газовой фракции последовательно проходит через первый теплообменник 36 и второй теплообменник 37, после чего проходит через вышеупомянутые средства расширения и открывается в устройство 35 для криогенного разделения.

Линия трубопровода 10 для жидкого диоксида углерода присоединена у основания устройства для криогенного разделения 35, а линия трубопровода 39 для природного газа, питающая систему орошения, присоединена у верха устройства 35 для криогенного разделения. Более точно, линия трубопровода 39 для природного газа проходит через третий теплообменник 38, который питает сепаратор 40 газа и жидкости. На выходе сепаратора 40 газа и жидкости, у основания с одной стороны, присоединена линия трубопровода 41 орошения, оборудованная насосными устройствами и возвращающаяся в устройство 35 для криогенного разделения, и, у верха с другой стороны, присоединена линия трубопровода 99 для очищенного природного газа.

Линия трубопровода 99 для очищенного природного газа последовательно проходит через третий теплообменник 38, второй теплообменник 37 и первый теплообменник 36.

На схеме потоки, проходящие через теплообменники слева направо, отдают тепло, а потоки, проходящие через теплообменники справа налево, поглощают тепло. Таким образом, охлаждение теплообменников 36, 37, 38 обеспечивается линией трубопровода 99 для очищенного природного газа и открытым холодильным циклом, описанным ниже и содержащим поток, обогащенный диоксидом углерода.

За линией трубопровода 99 для очищенного природного газа могут следовать средства рекомпрессии.

При необходимости дополнительные средства обработки (и, в частности, дополнительные средства устранения кислотности) могут быть обеспечены от линии трубопровода 99 для очищенного природного газа, если необходима конечная очистка газа. Такие дополнительные средства обработки (как правило, расположенные ниже средств фракционирования) могут включать средства для обработки диоксида углерода в соответствии с любым из способов, известных из уровня техники (например, промывание аминовым растворителем, разделение мембраной и т.д.). Это может оказаться полезным в случае газа, имеющего очень высокое содержание CO₂.

Ниже эта линия трубопровода 99 для очищенного природного газа может быть соединена с сетью транспортировки и/или распределения газа либо питать устройство для сжижения газа.

Кроме того, линия трубопровода 10 для жидкого диоксида углерода разделяется на две ветви, а именно на линию трубопровода 11 для нерециркулированного диоксида углерода и линию трубопровода 12 для рециркулированного диоксида углерода.

Линия трубопровода 12 для рециркулированного диоксида углерода проходит через первый теплообменник 36. Затем она делится на две ветви, а именно на линию трубопровода 13 для первой порции и линию трубопровода 42 для второй порции.

Линия трубопровода 42 для второй порции проходит через второй теплообменник 37, затем она сама делится на две ветви, а именно на линию трубопровода 16 для третьей порции и линию трубопровода 19 для четвертой порции. Линия 19 для четвертой порции проходит через третий теплообменник 38 в первый раз.

Средства 43 расширения расположены на линии трубопровода 13 для первой порции, которая затем проходит через первый теплообменник 36, после чего питает первый разделительный сосуд 47.

Подобным образом, средства 45 расширения расположены на линии трубопровода 16 для третьей порции, которая затем проходит через второй теплообменник 37, после чего питает второй разделительный сосуд 48.

Наконец, линия трубопровода 19 для четвертой порции проходит через третий теплообменник 38 второй раз, где средства 46 расширения расположены на линии трубопровода 19 для четвертой порции между двумя ее проходами через теплообменник 38; наконец, линия трубопровода 19 для четвертой порции питает третий разделительный сосуд 49.

Три разделительных сосуда 47, 48, 49 пригодны для осуществления разделения газа и жидкости, и они соединены в каскад. Иными словами, на выходе первого разделительного сосуда 47 присоединена линия трубопровода 15 для первой газовой фазы (сверху) и линия трубопровода 14 для первой жидкой фазы (у основания), где указанная линия трубопровода 14 для первой жидкой фазы питает второй разделительный сосуд 48 после прохождения через средства расширения 58; сходным образом, на выходе второго разделительного сосуда 48 присоединена линия трубопровода 18 для второй газовой фазы (сверху) и линия трубопровода 17 для второй жидкой фазы (у основания), где указанная линия трубопровода 17 для второй жидкой фазы питает третий разделительный сосуд 49 после прохождения через средства расширения 59.

На выходе третьего разделительного сосуда 49 присоединена линия трубопровода 23 для третьей газовой фазы (сверху) и линия трубопровода 20 для третьей жидкой фазы (у основания).

Линия трубопровода 20 для третьей жидкой фазы оборудована насосными устройствами и питает устройство стабилизации конденсата 55. Это устройство стабилизации конденсата 55 может представлять собой дистилляционную колонну или предпочтительно дистилляционную полуколонну, то есть колонну, оборудованную дистилляционным кубом 56 у основания, но без системы охлаждения и орошения сверху.

На выходе устройства стабилизации конденсата 55 присоединена, с одной стороны, линия трубопровода 21 для жидкой фазы, обогащенной углеводородами, у основания и линия трубопровода 22 для газовой фазы, обогащенной диоксидом углерода, сверху. Линия трубопровода 22 для газовой фазы, обогащенной диоксидом углерода, возвращается в третий разделительный сосуд 49. Линия трубопровода 21 для жидкой фазы, обогащенной углеводородами, может приходить в средства очистки (например, средства фракционирования) и/или средства для хранения конденсатов.

Линия трубопровода 23 для третьей газовой фазы питает первый компрессор 50, на выходе которого присоединена первая промежуточная линия трубопровода 24. Эта первая промежуточная линия трубопровода 24 соединена с линией трубопровода 18 для второй газовой фазы на входе второго компрессора 51. Вторая промежуточная линия трубопровода 25 присоединена на выходе второго компрессора 51. Эта вторая промежуточная линия трубопровода 25 соединена с линией трубопровода 15 для первой газовой фазы на входе третьего компрессора 52. На выходе линия трубопровода 26 для диоксида углерода присоединена на выходе третьего компрессора 52.

Отводящая линия трубопровода 26 для диоксида углерода оборудована средствами охлаждения 53 и соединяется с линией трубопровода 11 для не рециркулирующего диоксида углерода с целью образования линии трубопровода 27 для конечного диоксида углерода. На ней могут находиться насосные устройства. Линия трубопровода 27 для конечного диоксида углерода может открываться в расположенные ниже средства очистки, например средства для выведения в подземную структуру.

Способ

Природный газ, который очищен способом в соответствии с изобретением, представляет собой газовую смесь (которая может содержать минорную жидкую фракцию), содержащую по меньшей мере метан и CO₂. Предпочтительно эта газовая смесь содержит по меньшей мере 5% метана, как правило, по меньшей мере 10% или по меньшей мере 15% или по меньшей мере 20% метана или по меньшей мере 25% метана (молярные доли относительно природного газа). Предпочтительно эта газовая смесь содержит по меньшей мере 10% CO₂ и, как правило, по меньшей мере 20% СО₂, или по меньшей мере 30% CO₂, или по меньшей мере 40% СО₂, или по меньшей мере 50% СO₂, или по меньшей мере 60% CO₂, или по меньшей мере 70% CO₂ (молярные доли относительно природного газа). Природный газ также содержит С3+ углеводороды (содержащие по меньшей мере 3 атома углерода), предпочтительно в доле по массе, более высокой или равной 1%, или 2%, или 3%, или 4%, или 5% относительно метана.

Природный газ возможно претерпевает одну или более чем одну предварительную очистку (в устройстве для предварительной очистки 57) в целях удаления его твердых загрязняющих веществ или его жидкой фракции, его обезвоживания и/или его предварительного охлаждения и/или снижения его содержания сероводорода. В соответствии с предпочтительным воплощением природный газ не претерпевает какой-либо очистки с конкретной целью снижения его содержания СO₂ перед криогенным разделением.

В представленном воплощении природный газ сначала охлаждают путем теплообмена в дистилляционном кубе 32 устройства для криогенного разделения 35, затем он претерпевает разделение на газовую фазу и жидкую фазу в сепараторе 31 газа и жидкости. Эти две фазы вводят на разных стадиях в устройство 35 для криогенного разделения после расширения.

Поток жидкого диоксида углерода выделяют у основания устройства 35 для криогенного разделения в линии трубопровода 10 для жидкого диоксида углерода. Под "потоком диоксида углерода" в контексте настоящего изобретения подразумевают смесь, содержащую, в основном, СO₂, и содержащую минорную долю других соединений, в частности С3+ углеводородов.

Охлаждение, необходимое для осуществления криогенного разделения, обеспечивается многостадийным открытым холодильным циклом (по меньшей мере двумя теплообменниками), который питает по меньшей мере одна часть жидкого диоксида углерода (поток рециркулирующего диоксида углерода). В представленном воплощении охлаждение осуществляют в трех теплообменниках 36, 37, 38, работающих при понижающихся температурах, где теплообменники 36 и 37, как правило, действуют при температуре от -40°С до 0°С, а теплообменник 38, как правило, действует при температуре от -60°С до -45°С (температура охлаждающей жидкости после расширения).

Более точно, газовая фаза природного газа охлаждается в первом теплообменнике 36 и во втором теплообменнике 37.

Третий теплообменник 38 служит для охлаждения орошения криогенного разделения, то есть для охлаждения потока природного газа, выходящего из верхней части устройства 35 для криогенного разделения. После этого охлаждения поток природного газа претерпевает разделение в сепараторе 40 газа и жидкости, создающем поток жидкой фазы, который нагнетают и возвращают в криогенное разделение (линия трубопровода 41 орошения), и поток очищенного природного газа, который выделяется в линии 99 для очищенного природного газа.

В представленном воплощении поток очищенного природного газа нагревается последовательно в трех теплообменниках 38, 37, 36, что дает возможность выделить фригории, доступные посредством этого.

Что касается функционирования холодильного цикла, поток рециркулирующего диоксида углерода претерпевает первое охлаждение в первом теплообменнике 36, затем он делится на два жидких потока, а именно на первую порцию и вторую порцию.

Первая порция охлаждается за счет расширения, а затем возвращается в первый теплообменник 36, в котором она поглощает тепло, выделяемое из потока природного газа криогенного разделения (а также тепло, выделяемое из потока рециркулирующего диоксида углерода перед расширением).

Вторая порция претерпевает второе охлаждение во втором теплообменнике 37, затем она делится на два жидких потока, а именно на третью порцию и четвертую порцию.

Третья порция охлаждается за счет расширения, а затем возвращается во второй теплообменник 37, в котором она поглощает тепло, выделяемое из потока природного газа криогенного разделения (а также тепло, выделяемое из потока рециркулированного диоксида углерода перед расширением).

Четвертая порция претерпевает третье охлаждение в третьем теплообменнике 38, затем она охлаждается за счет расширения, а затем возвращается в третий теплообменник 38, в котором она поглощает тепло, выделяемое из потока природного газа криогенного разделения (а также тепло, выделяемое из потока рециркулированного диоксида углерода перед расширением).

Первый, второй и третий поток нагретого диоксида углерода, таким образом, выделяются на выходе первого, второго и третьего теплообменника 36, 37, 38 соответственно. Значительная часть С3+ углеводородов, содержащихся в этих потоках, возвращается за счет разделения газа и жидкости, осуществляемого на этих потоках. Разделение газа и жидкости осуществляется посредством первого, второго и третьего разделительного сосудов 47, 48, 49, работающих при понижающихся давлениях. Типичные рабочие давления составляют от 10 бар до 40 бар для разделительных сосудов 47 и 48, и от 5 бар до 10 бар для разделительного сосуда 49.

Каждый разделительный сосуд (соответственно первый, второй или третий) образует жидкую фазу (соответственно первую, вторую или третью) и газовую фазу (соответственно первую, вторую или третью). Тяжелые углеводороды (по существу С4+) большей частью находятся в жидкой фазе. Первую жидкую фазу расширяют и посылают во второй разделительный сосуд 48, работающий при более низком давлении, чем первый, и, подобным образом, вторую жидкую фазу расширяют и посылают в третий разделительный сосуд 49, работающий при более низком давлении, чем второй. Таким образом, тяжелые углеводороды, улавливаемые потоком CO₂, имеют тенденцию концентрироваться на дне третьего разделительного сосуда 49, работающего при самом низком давлении, где их можно легко выделить в третьей жидкой фазе.

Дополнительную стадию очистки (стабилизацию конденсатов) можно осуществлять, как показано, посредством колонны 55 для стабилизации конденсатов. Жидкая фаза, обогащенная углеводородами, выделяется на ее дне, а газовая фаза, обогащенная диоксидом углерода, которая возвращается в разделительный сосуд при самом низком давлении, выделяется сверху.

Каждую газовую фазу, выходящую из различных разделительных сосудов, обедненную тяжелыми углеводородами, сжимают; затем различные газовые фазы смешивают, затем смесь охлаждают и предпочтительно объединяют с частью жидкого СO₂, который не рециркулирует для охлаждения. Поток конечного жидкого СO₂ можно нагнетать и выводить в подземную структуру, либо где-либо использовать, либо иначе обращать в свою пользу.

Варианты

Установка в соответствии с изобретением и способ в соответствии с изобретением могут быть изменены по сравнению с вышеописанным воплощением несколькими путями.

Например, возможно обеспечить дополнительную линию трубопровода 54 для диоксида углерода, оборудованную вентилем, проходящую от выхода линии трубопровода 26 для диоксида углерода (как правило, ниже средств 53 охлаждения) до линии трубопровода 12 для рециркулирующего диоксида углерода. Данная характеристика дает возможность компенсировать какое-либо отсутствие холодильника в многостадийной холодильной системе, что дает возможность рециркулировать часть потока CO₂, используемого для охлаждения.

Возможно также обеспечить дополнительную линию трубопровода 44 для углеводородов (возможно оборудованную вентилем), присоединенную на выходе третьего разделительного сосуда 49 на дне, оборудованную насосными устройствами и возвращающуюся в линию трубопровода 19 для четвертой порции, выше первого прохода в третий теплообменник 38. Таким образом, часть третьей жидкой фазы может рециркулировать в поток CO₂, используемый для охлаждения. Данная характеристика дает возможность избежать какого-либо риска кристаллизации в самой холодной части, при этом обогащая расширенный поток, проходящий через третий теплообменник 38, углеводородами.

Кроме того, приведенное выше описание относится к открытому холодильному циклу с тремя стадиями. Он представляет собой вариант, который дает возможность оптимального функционирования системы. Однако также возможно обеспечить цикл с двумя стадиями или альтернативно с четырьмя или большим числом стадий.

В случае системы с двумя стадиями по сравнению с приведенным выше описанием: третий теплообменник 38 и третий разделительный сосуд 49 отсутствуют, как и связанные с ними компоненты, а именно линия трубопровода 19 для четвертой порции, линия трубопровода 23 для третьей газовой фазы, первый компрессор 50 и первая промежуточная линия трубопровода 24. Линия трубопровода 17 для второй жидкой фазы, таким образом, объединена с линией трубопровода 20 для третьей жидкой фазы и, следовательно, непосредственно питает устройство 55 для стабилизации конденсатов.

В случае системы с четырьмя или большим числом стадий по сравнению с приведенным выше описанием добавлен по меньшей мере один дополнительный теплообменник (пригодный для охлаждения потока природного газа устройства для криогенного разделения или при его орошении) и по меньшей мере один дополнительный разделительный сосуд; также добавлено по меньшей мере одно дополнительное ответвление линии трубопровода, исходящее из линии трубопровода 12 для рециркулированного диоксида углерода, оборудованное средствами расширения и питающее дополнительный разделительный сосуд; и на выходе дополнительного разделительного сосуда (или каждого из них) обеспечена дополнительная линия трубопровода для газовой фазы, связанная с дополнительным компрессором, и дополнительная линия трубопровода для жидкой фазы, оборудованная средствами расширения и питающая следующий разделительный сосуд (то есть работающий при более низком давлении).

Кроме того, в представленном воплощении линия трубопровода 33 для природного газа, проходящая в первый теплообменник 36 и второй теплообменник 37, выходит из сепаратора газа и жидкости 31 и питает устройство 35 для криогенного разделения; и линия трубопровода 39 для природного газа, проходящая в третий теплообменник 38, образует часть системы орошения устройства 35 для криогенного разделения, поскольку она выходит из верхней части устройства 35 для криогенного разделения и питает сепаратор газа и жидкости 40, на дне которого присоединена линия трубопровода 41 для орошения. Однако данное распределение может быть модифицировано в соответствии, с одной стороны, с числом теплообменников и, с другой стороны, с рабочими параметрами установки.

Например, линия трубопровода 33 для природного газа, выходящая из сепаратора 31 газа и жидкости и питающая устройство 35 для криогенного разделения, может проходить через единственный теплообменник (в частности, если холодильный цикл включает только два теплообменника, и в этом случае второй теплообменник может быть связан с системой орошения устройства 35 для криогенного разделения). Наоборот, данная линия трубопровода 33 для природного газа может проходить более чем через два теплообменника. Другой вариант состоит в том, что все теплообменники связаны с линией трубопровода 33 для природного газа, выходящей из сепаратора газа и жидкости 31 и питающей устройство 35 для криогенного разделения, и в этом случае система орошения устройства 35 для криогенного разделения оборудована дополнительными средствами охлаждения (заменяющими вышеописанный третий теплообменник).

Устройство 35 для криогенного разделения может представлять собой стандартную дистилляционную колонну, пригодную для криогенного разделения CO₂, как описано выше. Но оно может также представлять собой колонну дистилляции, пригодную для функционирования в условиях образования твердой фазы (колонну "CFZ''-типа, которая описана, например, в US 4533372 или WO 99/01707).

Устройство для криогенного разделения 35 может также включать средства сжижения, пригодные для сжижения газа под давлением, средства для расширения жидкости, пригодные для создания интенсивного холода и частичной кристаллизации CO₂, и средства для выделения жидкой фракции и твердой фракции, включающие сосуд, пригодный для поддержания температуры на дне в жидкостном диапазоне (устройство дистилляции типа "криоячейки", которое описано, например, в WO 2007/030888, WO 2008/095258 и WO 2009/144275). В этом случае предпочтительно обеспечить колонну стабилизации на линии трубопровода 10 для жидкого диоксида углерода, пригодную для выделения легких углеводородов (в частности, метана), присутствующих в жидком СO₂.

Пример

Приведенный ниже пример иллюстрирует изобретение, не ограничивая его.

Было проведено количественное моделирование с целью характеристики функционирования установки, соответствующей фиг.1. В приведенных ниже таблицах 1а, 1b, 1c, 1d, 2a, 2b, 2с и 2d приведен состав исходного природного газа, а также полученные скорости потока и состав потока, полученного в различных линиях трубопровода установки. Условия в линиях трубопровода 13, 16, 19 регистрировали на выходе соответствующих теплообменников 36, 37, 38. Условия в линиях трубопровода 14, 17, 20 регистрировали на выходе соответствующих разделительных сосудов 47, 48, 49 и перед расширением или нагнетанием. Условия в линии трубопровода 10 регистрировали перед нагнетанием.

Таблица 1а - общие данные и молярные данные

Таблица 1b - общие данные и молярные данные (продолжение)

Таблица 1с - общие данные и молярные данные (продолжение)

Таблица 1d - общие данные и молярные данные (продолжение)

Таблица 2а - данные по массе

Таблица 2b - данные по массе (продолжение)

Таблица 2с - данные по массе (продолжение)

Таблица 2d - данные по массе (продолжение)

В данном примере отмечено, что только 10% С7 углеводородов (представляющих собой тяжелые парафины) присутствует в жидком СO₂, проходящем через самый холодный теплообменник. Это иллюстрирует результат способа по сравнению с уровнем техники, где каскадный холодильный цикл собирал бы все тяжелые парафины в самом холодном теплообменнике.