Способ производства сжиженного природного газа

Изобретение относится к способам производства сжиженного природного газа с высокой степенью очистки и может быть использовано в газоперерабатывающей отрасли промышленности.

Производство сжиженного природного газа (СПГ) является ключевым звеном в построении инфраструктуры производства, хранения, распределения и потребления сжиженного природного газа.

В настоящее время наиболее актуальным является малотоннажное производство СПГ. Последнее диктуется тем, что источниками газа для малотоннажного СПГ могут служить как традиционные магистральные и распределительные газопроводы, так и низконапорные месторождения природного газа. Специфика и особенности процессов малотоннажного производства СПГ обусловливают необходимость разработки новых технических решений, обеспечивающих гарантированные параметры качества продукции указанного производства.

К природному газу, направляемому на сжижение предъявляют достаточно жесткие требования по содержанию, в частности, углекислого газа, воды и других примесей. Как правило, необработанный природный газ перед сжижением очищают от воды и кислых газов. Полученный в результате поток природного газа затем подвергают этапу удаления от тяжелых углеводородов. Последние должны быть удалены из природного газа, поскольку, в противном случае, они становятся твердыми при температурах ожижения. Затем газ подают на ожижение. Для проведения указанных процессов используют множество физических и/или химических способов (RU 2212598, 2003, RU 2402592, 2010, RU 2541360, 2015, RU 2596764, 2016).

Недостатки указанных способов заключаются в наличии сложных технологических схем.

Более близким к изобретению является способ производства сжиженного природного газа, который включает предварительное охлаждение и осушку прямого потока газа высокого давления, охлаждение и дросселирование прямого потока, разделение парожидкостной смеси на паровую и жидкостную фазы и направление паровой фазы в качестве обратного потока для охлаждения прямого потока. Прямой поток после предварительного теплообменника очищают адсорбированием, охлаждают до процесса конденсации, фильтруют от твердых примесей, дросселируют, переохлаждают. Сконденсированный поток разделяют на два потока, один поток направляют в качестве обратного потока для охлаждения прямого потока, а второй поток дросселируют и разделяют на паровую (отбросной поток) и жидкую фазы. Жидкую фазу отводят в качестве продукта. Отбросной поток после нагрева используют в качестве регенерирующего потока при десорбции (RU 2280826, 2006).

Недостатки способа заключаются в недостаточно высоком качестве получаемого сжиженного природного газа вследствие наличия адсорбционного блока, в котором проводят осушку сырья и очистку от диоксида углерода, не затрагивая при этом других примесей, в частности азота, и углеводородов выше этана. Последнее приводит как к неполной очистке исходного газа, так и необходимости использования в дальнейшем фильтра-сепаратора для очистки от образовавшихся в жидкости твердых примесей. Кроме того, способу свойственно неполное использование емкости задействованных адсорбентов, что приводит к повышенным энергозатратам на процесс в целом. Таким образом, известный способ недостаточно эффективен.

Технической проблемой является повышение эффективности способа производства сжиженного природного газа.

Поставленная техническая проблема решается описываемым способом производства сжиженного природного газа, включающим адсорбционную очистку и осушку, очистку посредством фильтра и сжижение газа с образованием сжиженного и неожиженного потоков природного газа с подачей последнего на регенерацию адсорбентов, в котором согласно изобретению первоначально посредством фильтра проводят очистку исходного природного газа от механических примесей и капельной жидкости, затем с использованием мембранного блока осуществляют осушку полученного газа до точки росы не более 0°C в летнее время и не более минус 10°C в зимнее время с одновременной его частичной очисткой от углекислого газа до остаточного содержания углекислого газа не более 1 об.% с получением пермеата, направляемого в трубопровод низкого давления, и газа, подвергаемого адсорбционной очистке и осушке, причем адсорбционную очистку и осушку проводят с использованием установленных последовательно трех адсорберов, каждый из которых заполнен по ходу потока сырья последовательно адсорбентом для осушки и очистки от углекислого газа и затем адсорбентом для очистки от углеводородов С₃ и выше и от азота, причем в первом адсорбере осуществляют режим частичных осушки газа, очистки от углекислого газа, очистки от углеводородов С₃ и выше и очистки от азота, во втором адсорбере проводят режим окончательной осушки и очистки газа до достижения нормативных показателей, а третий адсорбер находится в режиме регенерации, затем при превышении в газе после второго адсорбера вышеуказанных нормативных показателей первый адсорбер переводят на режим третьего адсорбера - режим регенерации, второй адсорбер переводят на режим первого адсорбера - режим частичных осушки газа, очистки от углекислого газа, очистки от углеводородов С₃ и выше и очистки от азота, а третий адсорбер переводят на режим второго адсорбера - режим окончательной осушки и очистки газа до достижения нормативных показателей, сжижение производят по окончании процесса адсорбции, при этом поток неожиженного газа после регенерации адсорбентов дополнительно используют в качестве газа продувки мембран мембранного блока.

Достигаемый технический результат заключается в разделении теплового фронта адсорбции, в оптимизации подбора адсорбционных свойств используемых адсорбентов и последовательности их загрузки, что приводит к повышению качества целевого СПГ, повышению использования объема используемых адсорбентов и, как следствие, к снижению энергозатрат на процесс в целом.

Описываемый способ проводят следующим образом.

Исходный природный газ с давлением 30-70 атм направляют на очистку от механических примесей и капельной жидкости в одном из параллельно установленных фильтров (параллельную установку применяют для возможности непрерывной работы при техническом обслуживании или ремонте одного из фильтров) для фильтрации от частиц диаметром более 5 мкм и капельной жидкости.

Фильтрацию проводят при вышеуказанном давлении, температуре 0-30°C.

После фильтрации газ подают в мембранный блок для частичной осушки и очистки от диоксида углерода. Мембранный блок состоит из одного или нескольких мембранных модулей.

Мембранный блок применяют для предварительной осушки природного газа до точки росы не более 0°C в летнее время и не более минус 10°C в зимнее время, а также очистки газа не менее чем от 50% углекислого газа, при этом остаточное содержание углекислого газа не должно превышать 1% об. В качестве мембран используют, в частности, мембраны с активным слоем из изоцианатного гидрофильного предполимера, являющегося продуктом взаимодействия полиэфира на основе окиси этилена, окиси пропилена и диизоцианата, пористый полимерный пленочный материал на основе фторопласта на подложке из нетканых материалов (полипропилен, лавсан) с тонким разделительным слоем на основе кремнийорганических полимеров.

Пермеат с мембранного блока направляют в качестве газа низкого давления в газопровод низкого давления.

После прохождения мембранного блока полученный газ (ретант) подвергают адсорбционной очистке и осушке в последовательно установленных первом, втором и третьем адсорберах (A1, А2, A3).

Каждый из адсорберов заполнен по ходу потока сырья последовательно адсорбентом для глубокой осушки и очистки от углекислого газа, в качестве которого используют цеолит марки X, в частности, NaX без связующего, и адсорбентом для очистки от углеводородов С₃ и выше и от азота, в качестве которого используют молекулярные сита, в частности, например, синтетические цеолиты RS-PSA1, MCM-65.

При этом в первом адсорбере (А1) осуществляют режим частичной осушки, частичной очистки газа от углекислого газа, частичной очистки от азота, частичной очистки от углеводородов С₃ и выше.

Во втором адсорбере проводят режим окончательной осушки и очистки газа до достижения нормативных показателей осушки и очистки, а именно содержание CO₂ в очищенном газе не более 0,005 мол.%; точка росы воды в очищенном газе не более минус 70°C; содержание метана и этана не менее 99,0%.

Давление на блоке адсорбционной очистки составляет на входе 30-70 атм, на выходе 1-10 атм, предпочтительно перепад давлений составляет не менее 30 атм, температура 0-30°C. Длительность адсорбции составляет от 1 до 10 минут.

Третий адсорбер находится в режиме регенерации (проводят регенерацию адсорбентов). Регенерацию проводят при температуре 10-40°C, давлении 1-10 атм.

При превышении в газе после второго адсорбера вышеуказанных нормативных показателей осушки и очистки (превышение концентрации примесей в газе выше нормативных требований) первый адсорбер переводят на режим третьего адсорбера - режим регенерации, второй адсорбер переводят на режим первого адсорбера - режим частичной осушки, частичной очистки газа от углекислого газа, частичной очистки от азота и от углеводородов С₃ и выше, а третий адсорбер переводят на режим второго адсорбера - режим окончательной осушки и очистки газа до достижения нормативных показателей. Таким образом, первый адсорбер А1 выполняет функцию адсорбера A3, второй адсорбер А2 - адсорбера А1, а третий адсорбер A3 - адсорбера А2.

Направление движения очищаемого газа - снизу вверх, газа при регенерации адсорбентов - сверху вниз.

После проведения адсорбции подготовленный газ направляют на ожижение с образованием сжиженного газа и неожиженного газа. Газ, поступающий на ожижение, имеет точку росы не более минус 70°C, содержание двуокиси углерода не более 50 ppm, содержание метана и этана не менее 99,0%.

Неожиженный газ используют в качестве газа регенерации адсорбентов и после регенерации адсорбентов в качестве газа продувки мембран мембранного модуля.

В результате проведения описываемого способа получают СПГ высокого качества, который содержит метан и этан (суммарно) в количестве не менее 99 об.%, диоксид углерода в количестве не более 0,005 об%., содержание азота не более 1,0 об.%. Точка росы воды для данного газа составляет не более минус 70°C.

Изобретение иллюстрируют примером, не ограничивающим его использование.

Пример.

Исходный природный газ (Шатлыкское месторождение) имеет следующий состав, об.%: метан 95,58; этан - 1,99; пропан 0,35; бутан 0,10; выше пентана 0,05; азот 0,78; диоксид углерода 1,15, Точка росы воды для данного газа составляет 10°C.

Природный газ направляют на очистку от механических примесей и капельной жидкости в одном из параллельно установленных фильтров. При этом исходный газ очищают от частиц диаметром более 5 мкм.

Фильтрацию проводят при следующих условиях: давление 36 атм. температура 15°C.

Полученный природный газ направляют затем в мембранный блок, где проводят осушку до точки росы воды минус 15°C и очистку от диоксида углерода до 0,5 об.%. В мембранном модуле используют мембраны из пористого полимерного пленочного материала на основе фторопласта на подложке из нетканых материалов (полипропилен, лавсан) с тонким разделительным слоем на основе кремнийорганических полимеров (мембрана марки Изогель).

Пермеат с мембранного блока направляют в качестве газа низкого давления в газопровод низкого давления.

Полученный газ (ретант) направляют на блок адсорбции, содержащий 3 адсорбера (A1, А2, A3).

Каждый из адсорберов заполнен по ходу потока сырья последовательно адсорбентом для глубокой осушки и очистки от углекислого газа - цеолитом NaX без связующего (ТУ 2163-004-21742510-2004) и адсорбентом для очистки от углеводородов С₃ и выше и от азота, в качестве которого используют молекулярное сито RS-PSA1 (ТУ 2163-045-21742510-2004).

Адсорбцию проводят последовательно в первом (по ходу движения газа) и во втором (по ходу движения газа) адсорберах.

Очищаемый газ направляют в первый, по ходу движения газа, адсорбер (А1), где осуществляют режим частичной осушки, частичной очистки газа от углекислого газа, частичной очистки от азота, частичной очистки от углеводородов С₃ и выше. Так, осушку проводят до точки росы воды минус 40°C и очистку от диоксида углерода до 0,1 об.%, содержание азота после предварительной очистки не превышает 0,4 об.%, углеводородов С₃ и выше 0,3 об.%.

Полученный газ после первого адсорбера направляют во второй, по ходу движения газа, адсорбер, где проводят режим окончательной осушки, и очистки газа. Так, осушку проводят до точки росы воды минус 70°C, очистку от диоксида углерода до 0,005 об.%, содержание азота не превышает 0,1 об.%, углеводородов С₃ и выше - 0,2 об.%.

При превышении в газе после второго адсорбера нормативных требований (при превышении концентрации примесей в газе выше нормативных требований) первый адсорбер переводят на режим регенерации, второй - на режим предварительной осушки и очистки газа, а третий переводят на режим окончательной осушки и очистки газа, таким образом, адсорбер А1 выполняет функцию адсорбера A3, адсорбер А2 - адсорбера А1, а адсорбер A3 - адсорбера А2.

Адсорбцию проводят при температуре 20°C, давлении 35 атм, в течение 8 минут.

Регенерацию проводят при температуре 20°C, давлении 6 атм.

Направление движения очищаемого газа - снизу вверх, газа при регенерации адсорбентов - сверху вниз.

После проведения адсорбции подготовленный газ направляют на ожижение с получением сжиженного газа и неожиженного газа.

Полученный СПГ содержит, об.%: метан и этан 99,7; пропан и выше 0,2; азот 0,1. Таким образом, полученный газ отвечает требованиям ГОСТ 56021-2014.

Неожиженный газ используют в качестве газа регенерации адсорбентов и затем после регенерации адсорбентов в качестве газа продувки мембран мембранного блока.

Таким образом, описываемый способ позволяет получить сжиженный природный газ высокой степени очистки, снизить расход используемых адсорбентов. Так, загрузка цеолита снижается на 60 отн.%, снижаются размеры используемых адсорберов и, как следствие, металлоемкость и энергозатраты на процесс в целом. Наиболее оптимально размещение блоков подготовки природного газа малотоннажных установок производства СПГ высокой степени очистки на газораспределительных станциях вследствие наличия на последних свободного перепада давления.