NO173894B - Fremgangsmaate for etanutvinning fra naturgass - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for separering av hydrokarbongassbestanddeler og særlig en fremgangsmåte for øket utvinning av etan fra naturgass.

Prosessen med separering av hydrokarbongassbestanddeler er velkjent innenfor fagområdet. Hvis prosessen utnytter en avmetaniseringsinnretning, vil metan og andre mer flyktige bestanddeler bli separert fra etan og mindre flyktige bestanddeler i gasstrømmen. Skulle derimot prosessen utnytte en avetaniseringsinnretning, vil etan og flere flyktige bestanddeler (inkludert metan) bli separert fra propan og mindre flyktige bestanddeler i strømmen. I hvert tilfelle vil "utvunnede" bestanddeler befinne seg i kolonnebunnproduktet-, mens "fjernede" bestanddeler er i den øvre delen av damp-strømmen.

Mange patenter vedrører denne teknologi og hver beskriver en entydig fremgangsmåte eller forbedring. De legger derimot generell vekt på behandlingen av hydrokarbongassene før de kommer inn i en avmetaniseringsretning, avetaniseringsinnretning med annen tilsvarende struktur. Det er sjelden lagt vekt på behandlingen av dampstrømmen fra den øvre delen etter at den forlater avmetaniseringsinnretningen, etc.

(f.eks. US 4.453.958 og US 4.464.190 til Gulsby). Noen av de som virkelig behandler dampstrømmen fra den øvre delen, slik som US 4.171.964 og US 4.278.457 til Campbell et al., ganske enkelt varmer denne fra avmetaniseringsinnretningen i en varmeveksler før den transporteres et annet sted.

Andre patenter, slik som US 4.318.723 og US 4.350.511 til Holmes et al. , ikke bare varmer denne dampstrømmen fra øvre del, men også kondenserer en del av den og returnerer denne kondenserte delen til destillasjonskolonnen som tilbake-strømming. Kanskje det mest relevante patentet er US 4.687.499 til Åghili som først varmer og deretter presser sammen dampstrømmen fra overdelen før den returnerer en del av den tilbake til avmetaniseringsinnretningen som tilbake-strømming, men bare etter at denne tilbakestrømmingsdelen først har blitt avkjølt og ekspandert.

Selv om alle disse prosessene er funksjonelle, resirkulerer bare Holmes et al. og Aghili en del av den fjernede damp-strømmen tilbake til kolonnen som væske. Holmes et al. kondenserer en del av dampstrømmen, mens Aghili's ekspansjon av avkjølt dampprodukt fra overdelen forårsaker at en del av denne gassen kondenserer til væske. Returnering av flytende tilbakestrømming er ønskelig fordi det er den kondenserte væsken som øker utvinningsprosentdelen fra de ønskede kolonnebunnprodukter. Analyser har vist at tilbakestrømmings-effekten blir optimalisert når dampresirkuleringsstrømmen blir totalt kondensert før ekspansjon til avmetaniserings-operasjonstrykket. Underkjøling av kondensert tilbakestrøm-mingsdamp er vanligvis mindre effektivt enn økningen i hastigheten av ikke-underkjølt kondensert væske. Det er derimot uheldig at en stor del av tilbakestrømmingsdampen til Holmes et al. og Aghili fremdeles er damp som ikke øker produktutvinningen. Isteden blander denne ukondenserte dampen seg med restgass i avmetaniseringsinnretningen og begge blir etterhvert tømt ut som dampstrøm fra øvre del.

Det er således et mål med denne oppfinnelsen å tilveiebringe en fremgangsmåte hvorved en resirkuleringsstrøm inneholdende væske blir returnert til toppen av avmetaniseringsinnretningen for øket etanutvinning i kolonnebunnproduktet. Et ytterligere mål med denne oppfinnelsen er å tilveiebringe en resirkuleringsstrøm som er fullstendig kondensert og dermed maksimalisere utvinningen av etan. Et ytterligere mål er å redusere størrelsen på resirkuleringsstrømutstyr og maskin-vare og ennå tilveiebringe den samme mengden av væsketilbake-strømming til toppen av avmetaniseringsinnretningen som nå blir gjennomført av Aghili elelr Holmes et al. Et annet mål er hvis utstyret med samme størrelse skal bli anvendt i denne prosessen som det som blir anvendt i konvensjonelle proses-ser, vil det levere mere flytende tilbakestrøm til toppen av avmetaniseringsinnretningskolonnen. Ennå et annet mål med denne oppfinnelsen er å redusere antallet ekspansjons-kompressorer og annet utstyr som er nødvendig siden resirku-leringsstrømmen blir fullstendig kondensert. Disse og andre mål med denne oppfinnelsen vil bli tydelig etter videre lesning av denne søknad.

Fremgangsmåte for forbedring av etanutvinning fra naturgass der kondensert væske blir returnert til en avmetaniseringsinnretning som tilbakestrøm, og denne fremgangsmåten er kjennetegnet ved at den omfatter trinnene:

a) fjerning av toppdamp fra avmetaniseringsinnretningen,

b) komprimering av en del av toppdampen, nå tilbakestrøm, til et trykk som er større enn trykket i avmetaniseringsinnretningen , c) redusering av temperaturen i den komprimerte tilbake-strømmen slik at en del av den kondenserer, idet temperaturen reduseres ved kryss-utveksling med den gjenværende

av nevnte toppdamp i en varmeveksler,

d) utligning av trykket i tilbakestrømmen til trykket i avmetaniseringsinnretningen; og e) tilføring av tilbakestrømmen tilbake til avmetaniserings innretningen . Fig. 1 er en skjematisk illustrasjon av forskjellige bestanddeler i denne oppfinnelsen og viser særlig hvordan en del av dampstrømmen fra overdelen fra avmetaniseringsinnretningen blir resirkulert tilbake til toppen av avmetaniseringsinnretningen. Fig. 2 er en skjematisk illustrasjon tilsvarende fig. 1 som viser prosessparametre som resulterer fra en tilnærmet 10$ økning i samlet krav til hestekrefter sammen med en svak økning i operasjonstrykket til avmetaniseringsinnretninge.

Ved å referere til figurene er det vist en skjematisk illustrasjon av etanutvinningsprosess 10. Forskjellige temperatur- og trykkverdier er oppført rundt på denne illustrasjonen, men det bør vektlegges at disse bare er tilnærmede verdier og er oppført utelukkende som en hjelp i å beskrive prosess 10. De bør ikke feiltolkes slik at disse tilnærmede verdiene er de eneste anvendbare verdier. For å illustrere dette, er fig. 2 den samme prosess som vist i fig.. 1, med unntagelse av at kryogenekompressoren og innløps-kompressoren opererer ved forskjellige hestekreftstyrker. Denne endring alene forårsaker at mange forskjellige verdier av trykk og temperatur kan forekomme. Med denne forståelse av at de følgende trykk- og temperaturverdier bare er beskriv-ende og en av mange variasjoner av prosess 10, kan kompleksi-teten i prosessen bli mer fullstendig beskrevet og forstått.

En renset, filtrert og etter all sannsynlighet, dehydratisert naturgasstrøm 12 kommer inn i etanutvinningsprosessen 10 gjennom innløp 14. I denne utførelsesform og på dette trinn, vil naturgasstrøm 12 bli tilført innløp 14 ved en temperatur på tilnærmet 15,5"C og ved et trykk på ca. 2344,3 kPa. I dette eksemplet er den molare strømningshastigheten til damp 12 16470 mol/t (pound-mole/hour). Strømmen 12 flyter inn i kompressorende 16 av ekspansjons-kompressor 18 når dens trykk blir øket til ca. 2971,7 kPa og dens temperatur blir hevet til ca. 35°C. Den forventede hestekraftstyrke i kompressorende 16 er tilnærmet 1850 hk. Gasstrøm 12 blir deretter videre presset sammen i innløpsgasskompressor 20 drevet av en gassturbin eller annen hovedbeveger. Ifølge fig. 1, blir innløpsgasskompressor 20 operert ved en hestekraftstyrke på tilnærmet 5640 hk.

Denne høytrykksgasstrømmen blir deretter avkjølt ved kryssveksling med luft, vann, eller en annen prosess ved innløpsgasskompressorutløpsavkjøler 22. Styrken til kom-pressorutløpsavkjøler 22 er i dette eksempel 4,155 IO<6 >kcal/t (16,488 MMBTU/HR). Deretter blir høytrykksgasstrøm 12 sendt til separator 24 der en hvilken som helst væske som er blitt dannet i tidligere kompresjons, eller avkjølingstrinn fjernet. Gasstrømmen fra separator 22 blir deretter dehydratisert i eksikkatortørkere eller i en annen hensiktsmessig gassdehydrator 26. Ved dette punkt er temperaturen i den dehydratiserte naturgassen ca. 40,55°C, som blir etterfølg-ende avkjølt i innløpsvarmevekslingstog 28.

Avkjøling av gasstrøm 12 blir gjennomført i innløpsvarme-vekslingstog 28 ved å splitte strømmen og sende hoveddelen (tilnærmet 11220 mol/t) til gass-gassutveksler 30 der den blir avkjølt i kryssutveksling med avmetaniseringsinn-retningsdampstrøm fra overdelen 32. Hastigheten på avkjøling av gass-gassutveksler 30 er ca. 6,595*10^ kcal/t. Etter slik avkjøling blir denne delen av strøm 12 gjort kald til en temperatur på ca. -53,9°C. Resten av gasstrøm 12 (ca. 5250 mol/t) blir avlevert i serier til avmetaniseringsinnretningsbunnoppvarmer 34, avmetaniseringsinnretningskoker 36 og avmetaniseringsinnretningssidekoker 38 varmeutvekslere. Hver av disse varmeutvekslere opererer med forskjellige avkjølingsnivå med avmetaniseringsinnretningsbunnoppvarmer 34 som opererer ved tilnærmet 307188 kcal/t, avmetaniserings-innretningkoker 36 opererer ved tilnærmet 820764 kcal/t, og avmetaniseringssidekoker 38 opererer ved tilnærmet 1,764"10^ kcal/t. Etter den første kryssveksling i bunnoppvarmer 34, er temperaturen i denne delen av gasstrøm 12 ca. 28,9°C, etter koker 36 er temperaturen tilnærmet -1,1°C og etter sidekoker 38, er temperaturen ca. -50,5°C. Ved kombinering av tidligere separerte strømmer, havner temperaturen i blandingen rundt ca. -53,3°C. Det må bemerkes at ytterligere avkjøling av gasstrømmen kan foregå enten mens den er separert eller etter at den blir kombinert, etter behov. ;Den kombinerte avkjølte innløpsstrømmen flyter deretter til kjøleseparator 40 som generelt har et trykk på ca. 5584,95 kPa. Her blir en hver kondensert væske separert fra ukonden-sert gasstrøm. Linje 42 overfører denne kondenserte væsken (som har en strømningshastighet på ca. 1024 mol/t) gjennom kaldseparatorvæskeventil 44 og til et lavere tilføringsbrett av avmetaniseringsinnretning 46. Ved dette lavere tilførings-innløpet har væskestrøm 42 en temperatur på ca. -75,6°C og dens trykk som har blitt redusert via ventil 44, er tilnærmet den i avmetaniseringsinnretningen, og opererer her ved tilnærmet 2413,25 kPa. ;Damp fra kaldseparator 40 (som har en strømningshastighet på tilnærmet 15446 mol/t) strømmer gjennom ekspandererende 48 av ekspanderer-kompressor 18 der dens trykk blir redusert fra 5584,95 kPa som finnes i kaldseparator 40 til det i avmetaniseringsinnretning 46 (tilnærmet 2413,25 kPa). Hestekraft-styrken i ekspandererende 48 er tilnærmet 1926 hk og ekspanderer-kompressor 18 senker temperaturen av denne dampstrømmen til ca. -88,9°C før den blir tilført en midlere tilføringslokalisering i avmetaniseringsinnretning 46. ;Med avmetaniseringinnretning 46 fordamper metan og lettere, mer flyktige bestanddeler av naturgasstrøm 12 og separeres fra slike tyngre bestanddeler som etan, propan, butan, etc. Etan og disse tyngre bestanddelene blir utvunnet som bunnprodukt fra avmetaniseringsinnretningkolonnen og blir fjernet fra avmetaniseringsinnretning 48 via linje 50. Før den blir utvunnet blir etanen varmet til en temperatur på ca. 8,9°C etter at den er kryssutvekslet med innløpsnatur-gasstrømmen i koker 36 og sidekoker 38 varmeutvekslere. Som vist i fig. 1 overfører linje 51 en del av strømmen (tilnærmet 2848 mol/t) i avmetaniseringsinnretning 46 til og fra sidekokervarmeutveksler 38. Denne strøm er til å begynne med ved en temperatur på -67,8°C før den blir kryssvekslet med gasstrøm 12 ved en temperatur på ca. -1,1°C. Etter slik utveksling blir gasstrøm 12 avkjølt til ca. -50,6°C, mens linje 51 blir oppvarmet til ca. -32,7°C. ;På samme måte overfører linje 53 ca. 1769 mol/t fra avmetaniseringsinnretning 46 for kryssutveksling i kokeoppvarmerut-veksler 36. Før slik varmeutveksling, er linje 53 ved en temperatur på ca. -4,4°C, mens etter slik varmeutveksling i koker 36, øker dens temperatur til tilnærmet 8,9°C. På samme tid har kryssutvekslingsfluidstrøm 12 fått sin temperatur redusert fra tilnærmet 28,9°C til ca. -1,1°C. ;Som angitt tidligere, går bunnprodukter fra avmetaniseringsinnretningen fra avmetaniseringsinnretning 46 via linje 50 ved en temperatur på ca. 8,9°C. Ved avgang pålegger avmetani-seringsinnretningspumpe 52 et trykk på etan og andre tyngre bestanddeler på ca. 6895 kPa og forårsaker at dens temperatur øker til ca. 13,9°C. Etter slik trykkpåleggeIse, strømmer denne væske som har en strømningshastighet på 1186 mol/t, gjennom bunnoppvarmer 34 der den kryssutveksler med gasstrøm 12. I bunnoppvarmer 34 har bunnproduktet fra avmetaniseringsinnretningen fått sin temperatur hevet fra tilnærmet 13,8°C til tilnærmet 35°C, mens gasstrøm 12 blir avkjølt fra tilnærmet 40,5°C til ca. 28,8°C. Deretter blir etan og andre tyngre bestanddeler av naturgasstrømmen transportert et annet sted for ytterligere bearbeiding. ;Den lettere metangasstrømmen fra øvre del går ut av toppen i avmetaniseringsinnretning 46 via linje 55 ved en temperatur på ca. -100°C. Denne dampstrømmen fra øvre del blir splittet i to strømmer, hoveddelen (tilnærmet 15284 mol/t) strømmer først gjennom resirkuleringsveksler 54 og deretter gjennom gass-gassutveksler 30 før den blir transportert et annet sted. Resirkuleringsutveksler 54 hever temperaturen av denne hoveddelen fra linje 55 fra tilnærmet -100°C til ca. -67,2°C, mens gass-gassutveksler 30, som er i kryssveksling ved innkomne gasstrøm 12, hever dens temperatur til tilnærmet 35°C. Ved denne tempertur og ved et trykk på ca. 2344,3 kPa, blir hoveddelen av dampstrømmen fra øvre del (dvs. lettere metan og andre flyktige bestanddeler) transportert et annet sted for ytterligere bearbeiding. ;En mindre del av denne metangasstrømmen eller tilbakestrømmen fra øvre del (tilnærmet 4100 mol/t) er rettet mot kryogen kompressor 56. Denne kompressor 56 som har styrke på ca. 660 hk, øker trykket i denne mindre del fra linje 55 fra tilnærmet 2413,24 kPa (trykket i avmetaniseringsinnretning 46) til ca. 4925,93 kPa. Ved å gjøre slik, blir temperaturen av denne tilbakestrømmen hevet fra tilnærmet -100°C til ca. —56,1°C. Denne komprimerte metangasstilbakestrømmen blir deretter kondensert ved kryss-utveksling med hoveddelen av metangasstrømmen fra øvre del i resirkuleringsutveksler 54. Kapasiteten til resirkuleringsveksler 54 er ca. 2,54*10^ kcal/t og slik kryss-utveksling senker temperaturen i tilbakestrømmen til ca. -95,6°C. Den sammenpressede tilbake-strømmen som forlater resirkuleringsveksler 54, kan være delvis kondensert, totalkondensert eller totalkondensert og underkjølt i veksler 54 avhengig av parametrene som blir valgt av operatøren. Parametrene beskrevet her vil tilveiebringe en totalt kondensert strøm. Uavhengig av dens tilstand passerer denne tilbakestrømmen gjennom resirkuleringsventil 58 som reduserer dens trykk til det i avmetaniseringsinnretning 46 (dvs. tilnærmet 2413,25 kPa) og senker også dens temperatur til ca. -102,2°C. Denne sammenpressede, avkjølte og kondenserte tilbakestrøm, som til å begynne med dannet en del av overdelmetangasstrøm 55, blir deretter resirkulert tilbake til toppen av avmetaniseringsinnretning 46 der kondensert væske øker effektiviteten og evnen til avmetaniseringsinnretning 46 å separere metan fra andre naturgass-bestanddeler og dermed produsere mer etan som et kolonnebunnprodukt.

Ved nå å referere mer spesifikt til fig. 2, blir den samme prosessen fulgt med den forskjell at det er blitt tilnærmet en 10% økning i samlet hestekraftkrav til etanutvinningsprosess 10 og en endring i operasjonstrykk i avmetaniseringsinnretning 46. Hestekreftene som blir tilført kryogen kompressor 56 i fig. 2 er virkelig, redusert ca. 10% fra prosessen vist i fig. 1 (fra tilnærmet 660 hk i fig. 1 til ca. 622 hk i fig. 2). Videre blir hestekreftene som blir tilført innløpsgasskompressor 20 øket ca. 10% i forhold til det som er beskrevet i fig. 1 (fra tilnærmet 5640 hk til ca.

6300 hk). Med disse endringene blir trykket i kaldseparator 40 øket fra tilnærmet 5584,9 kPa til ca. 588,3 kPa. Trykket i avmetaniseringsinnretning 46 blir også øket fra tilnærmet 2413,25 til ca. 2482,2 kPa. Disse endringer har den spesi-fikke effekt med å endre visse trykk og temperaturverdier i prosess 10 med samlet effekt som medfører økning av effekti-vitet med etanutvinning fra ca. 90,7% (fig. 1) til ca. 93%

(fig. 2).

I naturgasstrøm som inneholder karbondioksid, oppnår den foreslåtte prosess høyere nivå av etanutvinning enn en konvensjonell prosess. Dette er fordi for en gitt etanut-vinningsprosentdel, tillater den foreslåtte prosessen a.t avmetaniseringsinnretningen opererer ved en temperatur og et trykk som er høyere i forhold til en konvensjonell prosess. Slik høyere operasjonstemperatur og -trykk, fører systemets operasjonsbetingelser ytterligere vekk fra betingelsene der fast karbondioksid dannes. Hvis operasjonsbetingelsene i den foreslåtte prosess blir nærmere faststoffkarbondioksid-dannelsebetingelser, vil etanutvinning øke mer og opera-sjonshestekrefter vil øke. Avhengig av karbondioksidinnhold i en spesiell tilførende gasstrøm, krav til hestekrefter, hvis ønskelig kan bli øket opp til nivået i den konvensjonelle prosessen, eller så kan operasjonsbetingelsene opprettholdes ved en kritisk avstand fra faststoffkarbondioksiddannede betingelser. Alt i alt vil likevel etanutvinning være høyere og hestekreftene i operasjonen vil være lavere i forhold til en konvensjonell prosess.

Et annet trekk med etanutvinningsprosess 10 er at en resirkuleringsstrøm som er totalkondensert kan bli tilført avmetaniseringsinnretning 46 for å maksimalisere etanutvinning. Denne kan bli gjennomført ved hensiktsmessig regulering av forholdene mellom kryogen kompresjon 56, resirkuleringsutveksler 54, resirkuleringsventil 58 og operasjonstrykket til avmetaniseringsinnretning 46. Som en konsekvens kan en bruker som ønsker en hvis mengde av flytende tilbakestrøm, installere det ovenfor nevnte utstyr for akkurat den mengden slik at overdimensjonert eller underdimensjonert utstyr kan unngås. I tillegg, på grunn av det faktum at tilbakestrømmen er bare væske, er det ikke nødvendig med en tilbakestrømsekspansjonskompressor. Kraftutvinning og avkjøling oppnådd fra en flytende ekspanderer er ikke betydelig til å være økonomisk. Ved ganske enkelt å redusere den kondenserte tilbakestrømmens trykk gjennom en ventil, tilfredsstilles kravene i prosessen.

Til slutt kan avkobling eller separasjon av det ovenfor nevnte resirkulering/tilbakestrømmingsskjema fra innløpstil-førselsprosessen gjøre at hver prosess kan bli kontrollert separat. Det er en ulempe å ha disse skjemaene overlappende fordi at når man gjør det slik blir det meget vanskelig, hvis ikke umulig, å operere prosess 10 dersom det skulle bli noe feil med tilbakestrømmingssystemet. Ved å adskille dem, kan tilbakestrømmingssystemet bli forbipassert, hvis det behøves, uten å påvirke innløpsgasstrøm 12 i operasjon av prosess 10 på konvensjonell måte.

I lys av den ovenfor nevnte utførelsesformen må det bemerkes at mer kompresjonsaktivitet foregår på innløpssiden i avmetaniseringsinnretning 46 som kontrast til utløps- eller restgassiden i avmetaniseringsinnretning 46. En grunnvaria-sjon som ikke er vist i tegningene, er å reversere dette og skifte hovedkompresjon fra innløpsgasstrømmen til rest-gasstrømmen. Denne variasjonen er det behov for når inn-løpsnaturgasstrøm 12 er tilgjengelig i et høyt trykk og dampstrøm 32 fra overdel (restgasstrøm) må også bli levert ved et høyt trykk. For å gjennomføre dette kan kompressor 16 i ekspanderings-kompressor 18 bli omplassert i den ovenfor nevnte prosess 10 slik at den presser sammen restgasstrøm 32 etter at den er oppvarmet i gass-gassutveksler 30. Den oppvarmede gass som forlater ekspanderings-kompressor 18 vil normalt deretter bli videre komprimert sammen med en restgasskompressor som er drevet av en elektrisk motor, gassmotor, turbin eller annen hoveddriver. Slik høytrykksgass kan deretter bli avkjølt ved kryssutveksling med luft, vann eller en hvilken som helst annen tilgjengelig prosess eller utnyttingsstrøm. Denne avkjølte, høytrykksgass blir deretter levert som restgassproduktstrømmen.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte for forbedring av etanutvinning fra naturgass der kondensert væske blir returnert til en avmetaniseringsinnretning som tilbakestrøm, karakterisert ved at den omfatter trinnene: a) fjerning av toppdamp fra avmetaniseringsinnretningen, b) komprimering av en del av toppdampen, nå tilbakestrøm, til et trykk som er større enn trykket i avmetaniseringsinnretningen, c) redusering av temperaturen i den komprimerte tilbake-strømmen slik at en del av den kondenserer, idet temperaturen reduseres ved kryss-utveksling med den gjenværende av nevnte toppdamp i en varmeveksler, d) utligning av trykket i tilbakestrømmen til trykket i avmetaniseringsinnretningen; og e) tilføring av tilbakestrømmen tilbake til avmetaniseringsinnretningen .

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at tilbakestrømmen er totalt kondensert før den blir tilført avmetaniseringsinnretningen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at trykket i tilbakestrømmen blir utlignet til trykket i avmetaniseringsinnretningen gjennom en resirkuleringsventil.