Способ разделения сырой газовой смеси

 

Использование: разделение и очистка газов. Сущность способа: сырую газовую смесь разделяют. Вначале адсорбцией с дифференциалом температуры отделяют легко адсорбируемый компонент, затем адсорбцией с дифференциалом давления удаляют умеренно адсорбируемый компонент. Криогенной перегонкой в ректификационной колонне удаляют трудно адсорбируемый компонент, сжижая при этом кубовый остаток. Легко адсорбируемый компонент это - вода, углеводороды C₄, серосодержащие соединения. Умеренно адсорбируемый компонент это - двуокись углерода, углеводороды C₃. Трудно адсорбируемый компонент - азот. В кубовом остатке - метан и углеводороды C₂. Если легко адсорбируемый компонент это серосодержащие соединения, тогда умеренно адсорбируемый компонент это - вода, двуокись углерода, углеводороды C₄, C₃ и C₂, трудно адсорбируемый компонент - азот, а в кубовом остатке - метан. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Настоящее изобретение относится к способу разделения сырой газовой смеси в отношении ее менее прочно адсорбируемого компонента пониженной летучести, в котором объединены адсорбция на основе дифференциала температуры, адсорбция на основе дифференциала давления и криогенная перегонка, что позволяет оптимизировать общую эффективность.

Настоящее изобретение может быть использовано для очистки и сжижения потока сырого природного газа в отношении его метан/C₂-углеводородного компонента.

Из предшествующего уровня техники известен способ очистки сырой газовой смеси в отношении ее менее прочно адсорбируемого компонента, объединяющий в себе адсорбцию на основе дифференциала температуры (АДТ) и адсорбцию на основе дифференциала давления (АДД), что позволяет повысить общую эффективность.

Например, из патента США 4770676 известен способ очистки поступающей с залежей сырой газовой смеси в отношении ее метанового компонента. Известный способ включает следующие операции: (a) пропускание сырой газовой смеси через слой с адсорбцией на основе дифференциала температуры, содержащий адсорбент, который селективно удерживает легко адсорбируемый компонент, в результате чего образуются адсорбционный слой, насыщенный легко адсорбируемым компонентом, и отходящий из процесса с температурным дифференциалом поток, обогащенный умеренно адсорбируемым компонентом и трудно адсорбируемым компонентом (легко адсорбируемый компонент в общем случае будет включать воду, углеводороды C₄₊ и серосодержащие соединения; умеренно адсорбируемый компонент будет содержать двуокись углерода и C₃-углеводороды; а трудно адсорбируемый компонент будет содержать метан и C₂-углеводороды); (b) регенерация адсорбционного на основе температурного дифференциала слоя путем: (1) нагревая АДТ-слоя нагреванием вначале регенерационного газа с последующим пропусканием этого нагретого регенерационного газа через АДТ-слой с целью испарения и десорбции, по меньшей мере, части легко адсорбируемого компонента из такого АДТ-слоя, и (2) охлаждения АДТ-слоя до температуры АДТ-слоя на стадии (a) пропусканием второго регенерационного газа через АДТ-слой; (c) пропускание отходящего из процесса с температурным дифференциалом потока через адсорбционный на основе дифференциала давления слой, включающий в себя адсорбент, который селективно удерживает умеренно адсорбируемый компонент, в результате чего получают адсорбционный слой, насыщенный умеренно адсорбируемым компонентом, и в качестве продукта отходящий из процесса на основе дифференциала давления поток, обогащенный трудно адсорбируемым компонентом; (d) регенерация адсорбционного на основе дифференциала давления слоя путем: (1) сброса давления над АДД-слоем с получением отходящего после сброса давления потока, обогащенного умеренно прочно адсорбированным компонентом, где первую порцию указанного отходящего после сброса давления потока используют в качестве, по меньшей мере, части первого регенерационного газа на стадии (b) (1) и где вторую порцию упомянутого отходящего после сброса давления потока используют в качестве, по меньшей мере, части второго регенерационного газа на стадии (b) (2); и (2) восстановление над АДД-слоем давления с его доведением до уровня давления АДД-слоя на стадии (c) с помощью третьего регенерационного газа.

Однако, в том случае, когда трудно адсорбируемый компонент сырой газовой смеси включает в себя значительные количества материалов, например, азота, содержание которых в потоке продукта нежелательно, осуществление известного способа становится затруднительным. Проблема состоит в том, что такие материалы не могут быть удалены по указанному известному способу и, таким образом, загрязняют продукт, получаемый на стадии (c).

Более того, при осуществлении этого способа продукт получают не в жидком состоянии, что является необходимым, когда такой продукт предназначен для транспортировки и/или применения в качестве жидкого топлива.

Настоящее изобретение позволяет устранить эти проблемы за счет криогенной перегонки.

Настоящее изобретение может быть использовано для очистки и сжижения потока сырого природного газа в отношении его метан/C₂-углеводородного компонента. Эта область применения важна ввиду того, что в связи с мероприятиями по охране окружающей среды наметилась тенденция замены нефтепродуктов в качестве топлива жидким метаном.

Вместе с тем, природный газ включает в себя такие примеси, как вода, серосодержащие соединения, легкие углеводороды (то есть C₃-углеводороды; следует отметить, что C₂-углеводороды обычно не рассматривают как примесь), тяжелые углеводороды (то есть углеводороды C₄₊) и двуокись углерода, которую удаляют перед сжижением с получением жидкого метан/C₂-углеводородного продукта.

Задачей настоящего изобретения является создание способа очистки и сжижения сырой газовой смеси в отношении ее трудно адсорбируемого компонента пониженной летучести, который объединяет в себе адсорбцию на основе дифференциала температуры (АДТ) и адсорбцию на основе дифференцала давления (АДД), а также криогенную перегонку, что позволяет оптимизировать общую эффективность.

Указанный результат достигается тем, что в способе разделения сырой газовой смеси, состоящей из легко адсорбируемых компонентов и трудно адсорбируемых компонентов, включающем адсорбцию на основе дифференциала температуры первого легко адсорбируемого компонента с образованием слоя адсорбента, насыщенного этим компонентом, и потока газа, обогащенного трудно адсорбируемыми компонентами; регенерацию слоя адсорбента, насыщенного первым легко адсорбируемым компонентом, обработкой предварительно нагретым первым регенерационным газом для испарения и десорбции, по меньшей мере, части первого легко адсорбированного компонента, с последующей обработкой вторым регенерационным газом для охлаждения слоя адсорбента до температуры, равной температуре слоя адсорбента до начала адсорбции, подачи потока газа, обогащенного вторым легко адсорбируемым компонентом и трудно адсорбируемыми компонентами, на адсорбцию на основе дифференциала давления, с образованием слоя адсорбента, насыщенного оставшимся в газе вторым легко адсорбируемым компонентом, и очищенного потока газа, обогащенного трудно адсорбируемыми компонентами, регенерацию слоя адсорбента, насыщенного оставшимся в газе вторым легко адсорбируемым компонентом, сбросом давления с получением потока газа, обогащенного вторым легко адсорбируемым компонентом, который разделяют на две части и используют в качестве первого и второго регенерационного газа, с последующим восстановлением давления до величины давления над слоем адсорбента до начала адсорбции, подачей третьего регенерационного газа, в соответствии с изобретением очищенный поток газа, обогащенный трудно адсорбируемыми компонентами, направляют в ректификационную колонну на ректификацию с получением потока возгонов, обогащенного первым трудно адсорбируемым компонентом, и сжиженного кубового остатка, обогащенного вторым трудно адсорбируемым компонентом низкой летучести, причем, часть потока возгонов используют в качестве первого, и/или второго, и/или третьего регенерационных газов.

При этом первый легко адсорбируемый компонент предпочтительно представляет собой воду, углеводороды C₄, и серосодержащие соединения, второй легко адсорбируемый компонент представляет собой двуокись углерода и углеводороды C₃, первый трудно адсорбируемый компонент представляет собой азот, и второй трудно адсорбируемый компонент низкой летучести метан и углеводороды C₂.

Предпочтительно также, что сырую газовую смесь подают по трубопроводу и потоки газов, полученных на стадии регенерации слоя адсорбента после адсорбции на основе дифференциала температур, возвращают в трубопровод.

Кроме того предпочтительно, что перед восстановлением давления над слоем адсорбента дополнительно осуществляют продувку или промывку слоя адсорбента частью потока возгонов при давлении приблизительно равном давлению над слоем после сброса давления.

При этом первый легко адсорбируемый компонент предпочтительно представляет собой серосодержащие соединения, второй легко адсорбируемый компонент представляет собой воду, углеводороды C₄, двуокись углерода, углеводороды C₃ и углеводороды C₂, первый трудно адсорбируемый компонент представляет собой азот и второй трудно адсорбируемый компонент низкой летучести метан.

Таким образом, в заявленном способе АДТ используют для удаления из сырья легко адсорбируемого компонента; АДД используют для удаления из сырья умеренно адсорбируемого компонента; а криогенную перегонку используют для удаления из сырья трудно адсорбируемого компонента повышенной летучести, а также для сжижения продукта.

Настоящее изобретение основано на использовании АДД и перегонки протоков направляемых в отход материалов при регенерации АДТ- и АДД-адсорбентов. Важной областью применения настоящего изобретения являются очистка и сжижение потока сырого природного газа в отношении его метан/C₂-углеводородного компонента.

На чертеже представлена технологическая схема, иллюстрирующая один из вариантов воплощения настоящего изобретения, в котором поток сырого природного газа очищают в отношении его метан/C₂-углеводородного компонента и сжижают.

Способ, соответствующий настоящему изобретению, наилучшим образом может быть проиллюстрирован со ссылкой на конкретный вариант его воплощения, представленный на чертеже. В соответствии с ним предусмотрены установка для адсорбции с температурным дифференциалом, обозначенная как АДТ, установка для адсорбции с дифференциалом давления, обозначенная как АДД, и криогенная перегонная установка, которая обозначена как КРИО.

Представленная на чертеже схема осуществления способа включает в себя также компрессор C1, теплообменники 101 и 102, нагреватель 103 и холодильник 104.

Как показано на чертеже, поток сырого природного газа 1 (в частности такого, как поступающий из трубопровода для природного газа), включающий в себя воду, углеводороды C₄₊, серосодержащие соединения, двуокись углерода, C₃-углеводороды, метан, C₂-углеводороды и азот, пропускают через теплообменник 101, в котором он охлаждается до низкой температуры.

Поток 2, отходящий из теплообменника 101, дополнительно охлаждают в холодильнике 104 до температуры, которая превышает точку росы любого из ингредиентов этого сырого природного газа. Поток холодного газа 3 направляют в адсорбционную установку АДТ с температурным дифференциалом.

В этой установке удаляют относительно прочно адсорбированные воду, соединения серы и углеводороды C₄₊. Обычно она представляет собой многослойную систему. При этом может быть также предусмотрено использование концепции высоко-низкотемпературной предварительной обработки, как это изложено в работе "Thermal Swing Adsorption Process for Removing Trace Impurities from a Multicomponent Gas Mixture: (Zandfill Gas)" Р.Кумара и Т.К.Голдена; Gas Separation and Purification, 1991, 5, р. 21-24.

В соответствии с возможной схемой осуществления способа, в установку АДТ материал подают при комнатной температуре, что позволяет избежать необходимости в теплообменнике 101 и холодильнике 104.

Как минимум, предлагаемый способ, который осуществляют в установке АДТ, включает в себя нижеследующие стадии: (1) стадию адсорбции, при осуществлении которой поток сырья 3 пропускают через адсорбционный слой, который включает в себя адсорбент, селективно удерживающий воду, углеводороды C₄₊ и серосодержащие соединения, в результате чего образуются адсорбционный слой, насыщенный водой, углеводородами C₄₊ и серосодержащими соединениями, и отходящий поток, обогащенный двуокисью углерода, C₃-углеводородами, метаном, C₂-углеводородами и азотом;
(2) регенерации, которая включает в себя последовательность ступеней:
(a) нагревания адсорбционного слоя путем нагревания вначале регенерационного газа с последующим пропусканием нагретого вначале регенерационного газа через адсорбционный с температурным дифференциалом слой с целью испарения и десорбции, по меньшей мере, части воды, углеводородов C₄₊ и серосодержащих соединений из этого адсорбционного с температурным дифференциалом слоя и
(b) охлаждения этого адсорбционного слоя до температуры адсорбционной ступени путем пропускания через этот слой второго регенерационного газа.

Поток II, отходящий после указанной последовательности операция регенерации, сжимают в компрессоре C1 и возвращают в трубопровод для подачи природного газа.

Поток 4, продукт, отводимый из установки АДТ, находится под высоким давлением, является холодным и содержит двуокись углерода, C₃ - углеводороды, метан, C₂ углеводороды и азот. Этот поток охлаждает вводимый поток сырья 1 и нагревается при этом до температуры, близкой к комнатной, в теплообменнике 101.

Отходящий поток 5 направляют в адсорбционную с дифференциалом давления установку. В этой установке удаляются умеренно прочно адсорбированные двуокись углерода и C₃ углеводороды. Подобно установке АДТ, установка АДД представляет собой многослойную систему. В минимальном варианте стадии процесса, который протекает в установке АДД, включает в себя:
(1) стадию адсорбции, на которой поток сырья 5 пропускают через адсорбционный слой, содержащий адсорбент, который селективно задерживает двуокись углерода и C₃ углеводороды, в результате чего образуются адсорбционный слой, насыщенный двуокисью углерода и C₃- углеводородами, и отходящий поток, обогащенный метаном, C₂-углеводородами и азотом;
(2) последовательность операций регенерации, состоящую из ступеней;
(а) сброса давления над адсорбционным слоем, в результате чего образуется отходящий после сброса давления поток/поток отходов 9, обогащенный двуокисью углерода и C₃-углеводородами, где первую порцию указанного потока, отходящего после сброса давления, используют в качестве, по меньшей мере, части первого регенерационного газа в АДТ-установке и где вторую порцию указанного потока, отходящего после сброса давления, используют в качестве, по меньшей мере, части второго регенерационного газа в АДТ-установке; и
(b) восстановления давления над адсорбционным слоем до уровня давления на стадии адсорбции с использованием третьего регенерационного газа.

Как показано на чертеже, поток отходов 9 из установки АДД, вначале нагревают за счет его теплообмена с регенерационным потоком из АДТ (поток II) в теплообменнике 102, а затем в нагревателе 103 с последующим использованием в качестве горячего регенерационного газа для АДТ-адсорбционных слоев в потоке 10.

В возможном варианте АДТ-слои можно охлаждать потоком 9 после стадии горячей регенерации с выгодой от предварительного нагрева потока 9 для дополнительного применения в качестве горячего регенерационного газа после дополнительного нагрева в нагревателе 103 и/или теплообменнике 102.

Другие стадии процесса, которые можно осуществлять в установке АДД, охватывают нижеследующие стадии, известные в технике АДД:
(1) продувки/промывки адсорбционного слоя менее адсорбируемым компонентом либо непосредственно перед, либо непосредственно после завершения стадии сброса давления;
(2) одного или нескольких переходов уравнивания давлений между параллельными слоями многослойных установок; и
(3) сброса давления до уровня ниже атмосферного (то есть адсорбции с дифференциалом вакуума или АДВ).

Поток продуктов 6 из установки АДД направляют в ректификационную колонну установки криогенной перегонки (КРИО) с получением потока головного погона 8, который состоит, главным образом, из азота и потока кубовых остатков 7, представляющего собой поток жидких метан/C₂-углеводородных продуктов.

Как показано на чертеже, поток 8 направляют в установку АДД, где он служит в качестве, по меньшей мере, части третьего регенерационного газа для последовательности операций регенерации в АДД. Поток 8 может быть также использован в качестве, по меньшей мере, части первого и/или второго регенерационного газа в последовательности операций регенерации в АДТ.

В той мере, в которой в установке АДД осуществляют стадию продувки/промывки, часть потока 8 можно также применять в качестве газа для продувки/промывки.

Что касается адсорбентов, которые применяют в АДТ- и АДД-адсорбционных слоях, то ими может служить любой адсорбент (любые адсорбенты), способный селективно адсорбировать содержащиеся в природном газе примеси. Можно также применять многослойные адсорбенты.

Примерами таких адсорбентов являются цеолиты, глиноземы, активированные угли и силикагели.

В отношении вышеописанного варианта следует отметить, что, в зависимости от используемого адсорбента (адсорбентов) и точного состава исходного газа, воду и тяжелые углеводороды можно было бы рассматривать как часть умеренно адсорбируемого компонента, который должен быть удален прежде всего в установке АДД, в отличие от части легко адсорбируемого компонента, который необходимо удалять прежде всего в установке АДТ.

Подобным же образом C₂-углеводороды можно было бы рассматривать как часть умеренно адсорбируемого компонента, который должен быть удален в установке АДД, если в жидком продукте нежелательно содержание C₂-углеводородов.

Формула изобретения

1. Способ разделения сырой газовой смеси, состоящей из легкоадсорбируемых компонентов и трудноадсорбируемых компонентов, включающий адсорбцию на основе дифференциала температуры первого легкоадсорбируемого компонента с образованием слоя адсорбента, насыщенного этим компонентом, и потока газа, обогащенного трудноадсорбируемыми компонентами, регенерацию слоя адсорбента, насыщенного первым легкоадсорбируемым компонентом, обработкой предварительно нагретым первым регенерационным газом для испарения и десорбции по меньшей мере части первого легкоадсорбированного компонента с последующей обработкой вторым регенерационным газом для охлаждения слоя адсорбента до температуры, равной температуре слоя адсорбента до начала адсорбции, подачи потока газа, обогащенного вторым легкоадсорбируемым компонентом и трудноадсорбируемыми компонентами, на адсорбцию на основе дифференциала давления с образованием слоя адсорбента, насыщенного оставшимся в газе вторым легкоадсорбируемым компонентом, и очищенного потока газа, обогащенного трудноадсорбируемыми компонентами, регенерацию слоя адсорбента, насыщенного оставшимися в газе вторым легкоадсорбируемым компонентом, сбросом давления с получением потока газа, обогащенного вторым легкоадсорбируемым компонентом, который разделяют на две части и используют в качестве первого и второго регенерационных газов, с последующим восстановлением давления до величины давления над слоем адсорбента до начала адсорбции подачей третьего регенерационного газа, отличающийся тем, что очищенный поток газа, обогащенный трудноадсорбируемыми компонентами, направляют в ректификационную колонну на ректификацию с получением потока возгонов, обогащенного первым трудноадсорбируемым компонентом, и сжиженного кубового остатка, обогащенного вторым трудноадсорбируемым компонентом низкой летучести, причем часть потока возгонов используют в качестве первого, и/или второго, и/или третьего регенерационных газов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первый легкоадсорбируемый компонент предстваляет собой воду, углеводороды C₄ и серусодержащие соединения, второй легкоадсорбируемый компонент представляет собой двуокись углерода и углеводороды C₃, первый трудноадсорбируемый компонент представляет собой азот и второй трудноадсорбируемый компонент низкой летучести метан и углеводороды C₂.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что сырую газовую смесь подают по трубопроводу и потоки газов, полученных на стадии регенерации слоя адсорбента после адсорбции на основе дифференциала температур, возвращают в трубопровод.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед восстановлением давления над слоем адсорбента дополнительно осуществляют продувку или промывку слоя адсорбента частью потока возгонов при давлении, приблизительно равном давлению над слоем после сброса давления.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первый легкоадсорбируемый компонент представляет собой серусодержащие соединения, второй легкоадсорбируемый компонент представляет собой воду, углеводороды C₄, двуокись углерода, углеводороды C₃ и углеводороды C₂, первый трудноадсорбируемый компонент представляет собой азот и второй трудноадсорбируемый компонент низкой летучести метан.

РИСУНКИ

Рисунок 1