Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА

Изобретение относится к способам разделения компонентов газовых смесей путем низкотемпературной конденсации и ректификации с целью получения гелиевого концентрата, этана и широкой фракции легких углеводородов и может быть использовано на газоперерабатывающих предприятиях.

Известен способ одновременного получения гелия, этана и более тяжелых углеводородов [А.с. СССР №1645796, 5 МПК F 25 J 3/02, опубл. 30.04.91, БИ №16]. Перерабатываемый газ разделяют на потоки, которые раздельно охлаждают и частично конденсируют за счет холода обратных потоков. Затем потоки смешивают и сепарируют, при этом жидкость дросселируют и направляют на сепарацию, откуда испаренные гелий и легкие углеводороды подают в нижнюю часть гелиевой ректификационной колонны. Пар из сепаратора разделяют на потоки, конденсируют, переохлаждают, смешивают и подают на отпарку растворенного гелия в гелиевую ректификационную колонну. Жидкую фазу колонны делят на два потока, один из которых дросселируют, частично испаряют и разделяют в сепараторе. Выделившуюся жидкость дросселируют, смешивают с жидкостью, выделившейся при охлаждении и сепарации подаваемого на переработку газа, и подают в качестве питания в колонну-деметанизатор. Пар, выделившийся при охлаждении и сепарации первой части жидкой фазы гелиевой колонны, расширяют, объединяют с остальной частью жидкой фазы гелиевой колонны, сепарируют с выделением жидкости и газа. Жидкость направляют в качестве холодного орошения в колонну-деметанизатор, а газ объединяют с газами деметанизации, выходящими из нее. Кубовую жидкость колонны-деметанизатора разделяют на этановую и широкую фракции легких углеводородов в колонне-деэтанизаторе.

Недостатком известной установки является относительно невысокая степень извлечения целевых продуктов из природного газа.

Наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является применяемый на гелиевом заводе ООО «Оренбурггазпром» способ низкотемпературного разделения углеводородного газа с целью получения гелиевого концентрата, этана и широкой фракции легких углеводородов [В.В.Николаев и др. Основные процессы физической и физико-химической переработки газа. Москва, «Недра», 1998, с.164-167]. Способ представляет собой сочетание низкотемпературной конденсации с последующей деметанизацией или деэтанизацией образовавшейся жидкой фазы в ректификационных колоннах для удаления растворенных в ней легких компонентов.

Поток углеводородного газа охлаждается, проходя последовательно теплообменник, пропановый холодильник, где происходят его предварительное охлаждение и частичная конденсация за счет холода обратного потока метановой фракции и пропана, затем попадает в сепаратор для отделения жидкой фазы. Отделившиеся в сепараторе жидкие углеводороды подаются на питание в деметанизатор. Газовый поток из сепаратора после охлаждения и частичной конденсации в теплообменниках обратными потоками метановых фракций поступает в первый сепаратор второй ступени, в котором поток газа обогащается гелием, а жидкость этаном. Паровая фаза из этого сепаратора направляется на полную конденсацию в теплообменники, после чего поток переохлажденной жидкости поступает в отпарную колонну для дальнейшего обогащения гелием во второй отпарной колонне с последующей ректификацией в гелиевой колонне с выделением гелиевого концентрата. Обогащенная этаном жидкость из первого сепаратора второй ступени попадает во второй сепаратор второй ступени. Паровая фаза из него подается в отпарную колонну в качестве стриппинг-газа, а жидкость - на орошение деметанизатора.

С куба первой отпарной колонны выводится метановая фракция высокого давления, часть которой через теплообменник поступает на разделение в сепаратор третьей ступени. Газовая фаза из сепаратора объединяется с верхним продуктом деметанизатора, направляется на расширение в турбодетандерный агрегат для получения холода и выводится с установки в виде товарного продукта. Жидкость из сепаратора третьей ступени подается на орошение деметанизатора.

Этановая фракция и ШФЛУ получаются путем низкотемпературной ректификации жидкости, выделенной в сепараторах первой, второй и третьей ступени. Сначала осуществляется ректификация полученной жидкости в деметанизаторе с получением метановой фракции в качестве дистиллята и фракции углеводородов С_{2 и выше} в качестве кубового остатка деметанизатора, которая поступает на разделение в деэтанизатор путем ректификации с получением в качестве дистиллята этановой фракции, а в качестве кубового остатка - ШФЛУ.

Недостатком известного способа являются потери этана, происходящие в процессе деметанизации жидкой фазы, а также на третьей ступени сепарации, в процессе которых вместе с метановой фракцией уносится значительное количество этановой фракции.

Задачей заявляемого изобретения является увеличение выхода товарного этана.

Поставленная задача решается заявляемым способом низкотемпературного разделения углеводородного газа, включающем предварительное его охлаждение и частичную конденсацию, сепарацию первой ступени с отделением жидкой фазы от газовой, последующее доохлаждение и конденсацию газовой фазы, сепарацию второй ступени на жидкую и паровую фазы, конденсацию и ректификацию паровой фазы в отпарной колонне, сепарацию третьей ступени части кубового продукта отпарной колонны на жидкую и паровую фазы, деметанизацию и деэтанизацию всей отсепарированной жидкой фазы, в котором углеводородный газ предварительно обогащают пентан-гексановой фракцией, а сепарацию третьей ступени осуществляют в сепараторе, дополнительно оснащенном массообменной насадкой, на которую подают поток жидкой фазы сепаратора первой ступени.

Получаемый при этом технический результат состоит в обеспечении возможности дополнительного извлечения этана из паров, выделившихся в процессе деметанизации и сепарации третьей ступени.

Предварительное обогащение сырьевого газа пентан-гексановой фракцией способствует увеличению выхода жидкой фазы в процессе сепарации первой ступени. При этом происходит увеличение доли тяжелых углеводородов в жидкой смеси, подаваемой в качестве абсорбента на массообменную насадку в сепаратор третьей ступени. В сепараторе третьей ступени помимо простой сепарации происходит абсорбция из паровой фазы этановой фракции утяжеленной жидкостью.

Благодаря наличию в сепараторе массообменной насадки не только обеспечивается необходимый контакт между жидкостями, стекающими вниз, и парами, поднимающимися вверх, для абсорбции этана и более тяжелых компонентов из паровой фазы, но и улавливается та часть жидкой фазы из пара, которая обычно уносится с выводимым газом в виде тумана или капель, улучшая тем самым процесс сепарации.

Одновременно и в деметанизаторе продолжается процесс снижения содержания этановой фракции в парогазовой смеси в результате создания оптимальных условий для поглощения легкой этановой фракции утяжеленной жидкостью орошения методом абсорбции.

Таким образом, новая совокупность взаимообусловленных признаков, новый технический результат позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень».

На чертеже представлена схема установки низкотемпературного разделения углеводородного газа, иллюстрирующая предлагаемый способ.

Установка содержит трубопровод подвода сырьевого газа 1, трубопровод подачи пентан-гексановой фракции в поток сырьевого газа 2, теплообменник 3, пропановый холодильник 4, сепаратор первой ступени 5, теплообменники доохлаждения и конденсации газа 6-9, последовательно установленные сепараторы второй ступени 10-11, сепаратор третьей ступени 12, в котором установлена массообменная насадка 13, отпарная колонна 14, деметанизатор 15-16, состоящий из двух секций - укрепляющей и отгонной, деэтанизатор 17 и турбодетандерный агрегат 18.

Пример осуществления способа

Способ низкотемпературного разделения углеводородных газов осуществляют следующим образом.

На установку поступает сырьевой газ, предварительно осушенный и очищенный от сернистых соединений и углекислоты на предыдущих установках. На входе в установку в поток сырьевого газа 1 закачивается (впрыскивается) по трубопроводу 2 пентан-гексановая фракция (C₅-С₆) в количестве до 4 т/час. Поток газа проходит последовательно теплообменник 3, пропановый холодильник 4, в которых происходят его предварительное охлаждение (до температуры минус 30°С) и частичная конденсация за счет холода обратного потока метановой фракции и пропана, затем попадает в сепаратор 5 для отделения жидкой фазы, содержащей преимущественно наиболее тяжелые углеводороды С_{5 и выше}. Газовая фаза из сепаратора 5 поступает на дальнейшее доохлаждение и конденсацию в теплообменник 6, а жидкая фаза, утяжеленная пентан-гексановой фракцией, направляется в сепаратор последней ступени 12 в качестве абсорбента, подаваемого на массообменную насадку 13.

Вторая ступень сепарации охлажденного (до температуры минус 60°С) и частично сконденсированного в теплообменнике 6 газового потока ведется в последовательно работающих сепараторах 10 и 11 с тем, чтобы основной поток обогатился гелием, а жидкость - этаном. Выделившаяся жидкая фаза из сепаратора 11 разделяется на два потока и направляется в деметанизатор 15, при этом основной поток после нагрева в теплообменнике 7 (до температуры минус 32°С) подается на питание колонны, а другой - на орошение. Паровые фазы из сепараторов направляются в отпарную колонну 14, при этом из сепаратора 10 после полной конденсации и охлаждения в теплообменнике 8 поток переохлажденной жидкости дросселируется в верхнюю часть отпарной колонны 14, а из сепаратора 11 подается в среднюю часть той же колонны в качестве стриппинг-газа. Из отпарной колонны 14 отпаренный газ направляется на дальнейшее обогащение гелием с целью получения гелиевого концентрата в соответствующих гелиевых колоннах (на чертеже не показаны).

Основной поток кубовой жидкости отпарной колонны 14 после рекуперации холода и частичного испарения в теплообменнике 9 поступает на разделение в сепаратор третьей ступени 12. Утяжеленная жидкая фаза, выделившаяся на первой ступени сепарации, подается в этот же сепаратор 12, но путем впрыска на массообменную насадку 13, смонтированную таким образом, чтобы обеспечить эффективный массообмен между восходящим потоком пара и нисходящим потоком жидкости. В результате абсорбции из паровой фазы в жидкую переходит значительное количество углеводородов C_{2 и выше}, что приводит к увеличению объема жидкости, подаваемой в качестве жидкости орошения в укрепляющую секцию деметанизатора 15. Таким образом, отсепарированная жидкость дополнительно обогащается углеводородами С_{2 и выше}, абсорбированными из паровой фазы.

В укрепляющей секции деметанизатора 15 осуществляется ректификация выделившейся жидкости с получением метановой фракции в качестве дистиллята и фракции углеводородов C_{2 и выше} в качестве кубового остатка. Поток пара, поднимаясь вверх по колонне, подвергается воздействию утяжеленной жидкости орошения, стекающей в отгонную секцию деметанизатора 16 для конденсации и абсорбции из паров этана и более тяжелых компонентов.

Паровая фаза деметанизатора 15, объединившись с метановой фракцией сепаратора третьей ступени 12, направляется на расширение в детандер турбодетандерного агрегата 18 с целью получения холода и выводится с установки в качестве товарного газа.

Кубовый продукт из отгонной секции деметанизатора 16 направляется на ректификацию в деэтанизатор 17 с получением в качестве дистиллята этановой фракции, а в качестве кубового остатка - широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ).

В таблице 1 представлен сравнительный материальный баланс разделения углеводородного газа на целевые продукты для прототипа и заявляемого способа, а в таблице 2 - материальный баланс по этану.

Из таблицы 1 видно, что выход этановой фракции как товарного продукта по заявляемому способу увеличивается на 2399 кг/ч, т.е. прирост выхода этановой фракции составляет 16,5%.

Данные таблицы 2 показывают, что происходят увеличение содержания этана в жидкой смеси, отводимой с низа сепаратора 12, и одновременно снижение ее в составе метановой фракции, выводимой с верха сепаратора. Это оказывает влияние на распределение компонентов по фазам в деметанизаторе 15, в котором также происходит увеличение доли этановой фракции в жидкой смеси, отводимой с низа деметанизатора, с одновременным снижением его доли в составе метановой фракции по сравнению с прототипом.

Таким образом, использование заявляемого способа позволяет снизить суммарные потери этана с паром из сепаратора третьей ступени и с верхним продуктом деметанизатора за счет создания в них оптимальных условий для процесса низкотемпературной абсорбции.