Извлечение гелия из природного газа
Настоящее изобретение относится к способу извлечения гелия из сырьевого природного газа, содержащего метан, азот и гелий. Способ включает охлаждение природного газа для получения частично сконденсированного охлажденного природного газа, разделение охлажденного природного газа в системе дистилляционной колонны с получением обогащенного гелием пара, отводимого сверху колонны, и обедненной гелием кубовой жидкости, охлаждение обогащенного гелием пара, посредством непрямого теплообмена для получения частично сконденсированного головного потока, отделение частично сконденсированного головного потока в сепараторе верхнего погона для получения неочищенного гелиевого пара и рециркулирующей жидкости и расширение части обедненного гелием кубового остатка с получением первой фракции обедненного гелием кубового остатка. При этом охлаждающую нагрузку для обогащенного гелием пара частично обеспечивают за счет непрямого теплообмена с первой фракцией обедненного гелием кубового остатка. Изобретение обеспечивает максимальный общий выход гелия энергосберегающим способом. 12 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл., 2 пр.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к способам и устройствам для извлечения гелия. В частности, изобретение относится к отделению гелия от потока природного газа, содержащего метан, азот и гелий, с применением криогенной дистилляции.
[0002] Гелий присутствует во многих месторождениях природного газа по всему миру, но растет интерес к эффективному извлечению гелия из месторождений природного газа с низкими концентрациями гелия, например, ниже чем 2000 млн 1 об. Извлечение гелия из природного газа при таких низких уровнях долгое время считалось неэкономичным. Обычно происходит извлечение гелия из природного газа в качестве побочного продукта производства сжиженного природного газа (LNG) или выброса азота. В обоих случаях метан конденсируется, и более легкий гелий легко выделяется в виде газа. Настоящее изобретение относится к случаю, когда поток природного газа не требует сжижения или удаления азота. В этом случае газ все еще может содержать значительное количество азота, но этого недостаточно, чтобы помешать использованию природного газа в трубопроводе или газовой турбине.
[0003] Известно извлечение гелия из природного газа. Gottier (US5011521) описывает извлечение гелия с использованием отпарной колонны для обогащения концентрации гелия по сравнению с составом исходного газа. В приведенном примере, обогащение гелием ограничивается действием отпарной колонны примерно на один порядок, с 0,44% до 5,16% гелия. Целью обогащения гелия в головном потоке является уменьшение потока к гелиевому очистителю путем увеличения молярной доли гелия. Никаких дополнительных средств для обогащения гелия в потоке, покидающем верхнюю часть отпарной колонны, перед входом в очиститель не раскрыто.
[0004] Дополнительно, Gottier раскрывает использование детандера плотной текучей среды (DFE) для извлечения энергии из расширения потока более высокого давления до более низкого давления для подачи в дистилляционную колонну. Эксплуатация дистилляционной колонны при более высоком давлении сопряжена с более высокими капитальными затратами из-за сложности осуществления разделения при высоком давлении и сложности подачи нагрузки ребойлера на дистилляционную колонну. Сложное разделение приводит к более высокой нагрузке ребойлера при заданном выходе гелия, что дает более высокий расход пара. Более высокий расход пара в сочетании с неблагоприятным поверхностным натяжением и соотношением плотности пара-жидкости приводит к увеличению диаметров колонны. Чтобы избежать этих недостатков, давление сырья понижают до входа в дистилляционную колонну.
[0005] Oeflke (US2014/0137599) описывает дополнительное разделение для дополнительного обогащения содержания гелия в головном потоке из отпарной колонны. Головной поток охлаждают и давление понижают, чтобы получить поток обогащенного гелием пара и поток обедненной гелием жидкости. Поток обедненной гелием жидкости, который все еще содержит некоторое количество гелия, перекачивают и объединяют с обедненным гелием природным газом из нижней части отпарной колонны. Гелий, не извлеченный из потока обедненной гелием жидкости, снижает общий выход на 0,4% в соответствии с приведенным примером. Кроме того, в этом примере давление потока пара, обогащенного гелием, снижается с 550 фунт а. д./кв. дюйм до 100 фунт а. д./кв. дюйм, что может потребовать повторного сжатия для входа в даунстрим стадию очистки гелия.
[0006] Mitchell и др. (US4758258) описывают многоступенчатое разделение для извлечения гелия из природного газа наряду с отделением этана, пропана и более тяжелых углеводородов от основного вещества, метана. Имеется сходство с Oeflke в двух отношениях. Во-первых, охлаждение для окончательного отделения гелия и азота от метана достигается путем понижения давления подачи в сепаратор с образованием потока неочищенного гелия. Во-вторых, гелий, содержащийся в потоке жидкости из сепаратора, не извлекается, что снижает общий выход гелия.
[0007] Agrawal (US5167125) описывает способ, в котором легкие газы, такие как гелий, удаляются путем частичной конденсации паров верхнего погона из дистилляционной колонны. Образующийся поток жидкости обеспечивает дефлегмацию в дистилляционной колонне, и поток пара, обогащенного гелием, может быть дополнительно очищен.
[0008] Чтобы минимизировать мощность, требуемую для способов извлечения гелия, описанных в предшествующем уровне техники, промежуточные потоки, которые содержат небольшие, но значительные количества гелия, отводятся в обедненный гелием готовый природный газ, снижая общий выход гелия. Существует необходимость в достижении максимально возможного общего выхода гелия путем извлечения гелия из промежуточных потоков энергосберегающим способом.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] Настоящее изобретение относится к многостадийному способу извлечения гелия из потока природного газа, оптимизированному для высокого выхода гелия и низкого энергопотребления. Сначала загрязняющие вещества удаляются по мере необходимости, например, CO2 путем аминной абсорбции, вода и тяжелые углеводороды путем адсорбции при переменной температуре, и/или ртуть путем адсорбции на активированном угле. Затем гелий извлекают с использованием системы криогенной дистилляционной колонны. Содержание гелия в головном потоке колонны увеличивается при помощи конденсатора для извлечения азота и метана, что повышает выход метана и снижает скорость потока для очистки гелия ниже по потоку. Поток неочищенного гелия проходит криогенный процесс частичной конденсации для дальнейшего увеличения концентрации гелия перед удалением водорода путем каталитического сжигания. Окончательная очистка производится методом адсорбции при переменном давлении (PSA), после которой остаточный газ повторно сжимают, высушивают и рециркулируют. Чистый гелиевый продукт из PSA может быть в дальнейшем сжижен для транспортировки и продажи.
[0010] Обедненная гелием жидкость из нижней части системы дистилляционной колонны используется для обеспечения охлаждения способа. Для хладагента выбрано несколько значений давления, чтобы оптимизировать кривые охлаждения и, следовательно, эффективность теплопередачи. Часть обедненной гелием жидкости перекачивают, чтобы минимизировать общую мощность повторного сжатия. Все возвращающиеся потоки природного газа повторно сжимают, чтобы обеспечить соответствие давлению подачи при возврате в трубопровод, или сжимают до того давления, которое требуется для утилизации природного газа, например, путем сжигания в газовой турбине.
[0011] Давление в системе дистилляционной колонны выбирают таким образом, чтобы снизить риск плохого разделения в результате работы при слишком высоком давлении. Чтобы уменьшить повышенную потребность в мощности, можно использовать детандер плотной текучей среды (DFE) для выработки мощности, которая может быть использована в процессе путем расширения потока подачи до давления в колонне. Изоэнтропическое расширение текучей среды через DFE также приводит к более низкой температуре в выходном потоке, чем это было бы при изоэнтальпическом расширении через клапан. Использование DFE экономит мощность для увеличения капитальных затрат и должно быть соответственно оптимизировано. Кроме того, в способе можно использовать детандер в одном или большем количестве возвратных потоков, чтобы снизить общее потребление мощности и обеспечить охлаждение для способа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0012] Настоящее изобретение далее будет описано со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых подобными ссылочными позициями обозначены подобные элементы:
[0013] ФИГ. 1 представляет собой схему технологического процесса, иллюстрирующую способ предварительной обработки, извлечения, очистки и сжижения гелия из потока природного газа.
[0014] ФИГ. 2 представляет собой схему технологического процесса, иллюстрирующую способ извлечения гелия в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0015] Последующее подробное описание иллюстрирует только предпочтительные типичные варианты реализации изобретения и не предназначено для ограничения объема, области применения или конфигурации изобретения. Скорее, последующее подробное описание предпочтительных типичных вариантов реализации изобретения предоставит специалистам в данной области техники описание, позволяющее реализовать предпочтительные типичные варианты реализации изобретения. Различные модификации могут быть внесены в функцию и расположение элементов без отклонения от сущности и объема изобретения, которые определяются прилагаемой формулой изобретения.
[0016] Как используется в данном документе, формы единственного числа существительных означают один или большее количество применительно к любому признаку в вариантах реализации настоящего изобретения, описанных в описании и формуле изобретения. Использование форм единственного числа не ограничивает значение одним признаком, если в тексте прямо не указано такое ограничение. Определенный артикль, предшествующий существительным или выражениям с существительными в единственном или множественном числе, обозначает конкретный указанный признак или конкретные указанные признаки и может обозначать единственное или множественное число в зависимости от контекста, в котором он используется.
[0017] Как используется в данном документе, выражение «и/или», помещенное между первым объектом и вторым объектом, включает в себя любое из значений (1) только первого объекта, (2) только второго объекта и (3) первого объекта и второго объекта. Термин «и/или», помещенный между двумя последними объектами списка из 3 или большего количества объектов, обозначает по меньшей мере один из объектов в указанном списке, включая любую конкретную комбинацию объектов в этом списке. Например, «A, B и/или C» имеет то же значение, что и «A и/или B и/или C», и включает в себя следующие комбинации A, B и C: (1) только A, (2) только B, (3) только C, (4) A и B, но не C, (5) A и C, но не B, (6) B и C, но не A и (7) A и B и C.
[0018] Термин «несколько (множество)» означает «два или более двух».
[0019] Прилагательное «любой» означает один, несколько или все, независимо от количества.
[0020] Фраза «по меньшей мере часть» означает «часть или полностью». «По меньшей мере часть потока» имеет тот же состав, с той же концентрацией каждого из видов молекул, что и поток, из которого она получена
[0021] Как используется в данном документе, «первый», «второй», «третий», и т. д. используются для различения из множества стадий и/или признаков и не являются показателем общего количества или относительного положения во времени и/или пространстве, если это прямо не указано в тексте как таковое.
[0022] Все значения состава будут указаны в мольных процентах.
[0023] Термины «обедненный» или «бедный» означают, что концентрация указанного компонента в молярном процентном соотношении меньше, чем в исходном потоке, из которого он был получен. «Обедненный» и «бедный» не означает, что в потоке полностью отсутствует указанный компонент.
[0024] Термины «обогащенный» или «богатый» означают, что концентрация указанного компонента в мольных процентах выше, чем в исходном потоке, из которого он был получен.
[0025] Термины «ниже по потоку» и «выше по потоку» относятся к предполагаемому направлению потока перемещаемой технологической жидкости. Если предполагается направление потока технологической жидкости от первого устройства ко второму устройству, то второе устройство находится ниже по потоку относительно первого устройства. В случае рециркуляционного потока, ниже по потоку и выше по потоку относятся к первому проходу технологической жидкости.
[0026] Термин «детандер плотной текучей среды», сокращенно DFE, также известный как детандер жидкости, относится к оборудованию, которое извлекает механическую работу из понижения давления плотной текучей среды, такой как жидкость или сверхкритическая текучая среда, по своей функции аналогичному детандеру газов. Такое расширение лучше всего аппроксимируется как изоэнтропийный процесс, в отличие от клапана, который лучше всего аппроксимируется как изоэнтальпический процесс.
[0027] Термин «непрямой теплообмен» относится к процессу передачи физической теплоты и/или потенциальной теплоты между двумя или более текучими средами без физического контакта между указанными жидкостями. Тепло может передаваться через стенку теплообменника или с применением промежуточной теплообменной текучей среды. Термин «горячий поток» относится к любому потоку, который выходит из теплообменника при температуре меньшей, чем при входе в теплообменник. И наоборот, термин «холодный поток» представляет собой поток, который выходит из теплообменника при температуре выше, чем при входе в теплообменник.
[0028] Термин «дистилляционная колонна» включает в себя фракционирующие колонны, ректифицирующие колонны и отпарные колонны. Дистилляционная колонна может относится к одиночной колонне или множеству колонн, соединениях последовательно или параллельно, где множество колонн может представлять собой любую комбинацию указанных выше видов. Каждая колонна может содержать одну или более секций тарелок и/или укладок.
[0029] Термин «повторное кипячение» относится к частичному испарению жидкости, присутствующей в дистилляционной колонне, посредством непрямого теплообмена с более горячим технологическим потоком. Это производит пар, который способствует переносу массы в дистилляционной колонне. Жидкость может происходить из жидкости кубового остатка или из промежуточной стадии в колонне. Тепловая нагрузка для повторного кипячения может быть направлена в дистилляционную колонну посредством применения in situ ребойлера или внешнего теплообменником, предназначенным для этой цели, или части более большой теплообменной системы. Парожидкостное разделение может также иметь место в дистилляционной колонне или во внешнем испарительном резервуаре.
[0030] Настоящее устройство и способ описаны со ссылкой на чертежи. В данном документе единая ссылочная позиция может применяться для идентификации потока технологического газа и линии передачи технологического газа, которая несет указанный поток технологического газа. К какому признаку относится ссылочная позиция, будет понятно из контекста.
[0031] В целях простоты и ясности подробные описания известных устройств, схем и способов опущены, чтобы не затуманивать описание настоящего изобретения ненужными подробностями.
[0032] Подача природного газа, описанная в настоящем изобретении, относится к газу, содержащему углеводороды, обычно происходящие из-под земли в геологической формации. Природный газ обычно добывают при давлении в диапазоне от около 1 до около 200 бар. Все указанные значения давления представляют собой абсолютное, а не манометрическое давление. Давление природного газа предпочтительно составляет от около 10 до около 100 бар.
[0033] Содержание метана в природном газе обычно составляет от около 50% до около 99%. Все указанные процентные доли состава приведены в объемном или молярном соотношении, а не в пересчете на массу.
[0034] Содержание азота в природном газе обычно составляет от около 1% до около 50% или от около 10% до около 35%.
[0035] Содержание гелия в природном газе обычно составляет от около 0,01 до около 10%. Некоторые варианты реализации настоящего изобретения направлены на извлечение гелия из природного газа, содержащего от около 0,05% до около 1,0% или от около 0,05% до около 0,2% гелия.
[0036] Фигура 1 иллюстрирует общий способ производства гелия из источника природного газа. Необработанный природный газ 1 поступает в блок удаления кислых газов A, необходимый для удаления газов, таких как CO2, H2S и COS, которые замерзали бы в криогенных установках ниже по потоку. Кислые газы в потоке 2 могут быть выброшены в атмосферу или, при необходимости, направлены на удаление серы. Существует несколько вариантов удаления кислых газов, включая адсорбцию при переменном давлении, короткоцикловую безнагревную вакуумную адсорбцию или абсорбцию метанола, которая в следующих примерах, представленных в настоящем документе, предполагается как поглотитель амина, регенерируемый паром.
[0037] Природный газ, обедненный загрязнителями, который выходит из потока А в потоке 3, теперь содержит приемлемо низкий уровень кислотных газов, обычно со спецификацией менее чем около 100 млн-1 об. Если используется аминный поглотитель, то поток 3 будет насыщен водяным паром, который затвердевал бы в криогенном процессе ниже по потоку. Поток 3, следовательно, будет подаваться в модуль дегидратации сырья D, который предпочтительно содержит поглотитель при переменной температуре (TSA) и защитный слой против ртути, содержащий активированный уголь, оба хорошо известные в данной области техники для удаления воды и ртути, соответственно. TSA удаляет воду, CO2 и ароматические соединения, такие как бензол, толуол и ксилол (все вместе известные как BTX). Спецификации устанавливаются для предотвращения образования твердой фазы в криогенном способе; например, спецификация воды часто составляет около 1 млн-1 об.
[0038] Примеси адсорбируются и затем удаляются при регенерации TSA. Регенерация требует как тепла, которое может быть обеспечено электрическими нагревателями или технологическим паром, так и технологического потока для переноса примесей из TSA, таких как азот или часть обедненного гелием потока, из модуля извлечения гелия X. В зависимости от давления, необходимого для регенерации TSA, этот поток может быть по меньшей мере частью возвратного потока низкого давления 27 или потока обедненного гелием природного газа 29. На Фигуре 1 представлен случай, когда может использоваться поток низкого давления, в этом случае поток 27' используется в качестве регенерационного газа. Насыщенный примесями поток природного газа 27'' затем может быть повторно объединен с остатком потока 27 перед повторным сжатием. Если азот используется для регенерации TSA, то газообразный азот с примесями может быть выброшен в атмосферу или направлен на дальнейшую обработку для удаления углеводородов, в соответствии с правилами, регулирующими загрязнение воздуха. Если в сырьевом потоке присутствует парофазная ртуть, то для TSA требуется защитный слой против ртути, чтобы предотвратить агрессивное воздействие парофазной ртути на алюминий в теплообменниках ниже по потоку.
[0039] Сырьевой поток природного газа 5 поступает в модуль извлечения гелия X, который является предметом настоящего изобретения. Установка для извлечения гелия представляет собой криогенный способ, в ходе которого отделяется по меньшей мере 99% гелия или по меньшей мере 99,5% гелия от сырьевого потока природного газа, который может содержать от 0,05% до 1,0% гелия по объему или от 0,05%. до 0,2% гелия по объему, с получением потока неочищенного гелия, который может содержать от 4 до 20% гелия по объему. Криогенный способ спроектирован для максимальной эффективности при высоком выходе гелия, что требует тщательной интеграции тепла, чтобы снизить общий расход мощности в способе.
[0040] Обратный поток низкого давления 27 повторно сжимают в компрессоре R, если необходимо его вернуть в трубопровод, сжигать в газовой турбине или иным образом утилизировать в качестве обедненного гелием природного газа 29. Возвратный поток низкого давления может выходить из модуля извлечения в виде одного или большего количества потоков при разных значениях давления. Например, см. потоки 27 и 28 на Фигуре 2. Потоки более высокого давления могут входить на более позднюю стадию сжатия или полностью обходить сжатие и объединяться с обедненным гелием природным газом.
[0041] Поток неочищенного гелия 16 направляют в модуль очистки гелия Р для получения потока чистого гелия 30 с типичной спецификацией 99,99% или 99,999%. Внутри модуля очистки гелия (и, следовательно, не показано на Фигуре 1) поток 16 охлаждают до криогенных температур, частично конденсируя поток сырья, таким образом, что большая часть азота и практически весь метан конденсируется, оставляя поток пара, содержащий от около 50 до 90% гелия или от около 70 до 85% гелия, и обычно около 80% гелия. Этот поток пара нагревают, а затем водород удаляют в процессе каталитического сжигания, прежде чем он поступает в PSA гелия. Давление потока жидкости, выходящего из процесса частичной конденсации, понижают, чтобы извлечь гелий путем продувки и удаления потока пара. Поток пара подогревают, повторно сжимают и объединяют с потоком неочищенного гелия, поступающим в очиститель. При понижении давления жидкого потока, полученный жидкий поток с более низкой температурой обеспечивает охлаждение для процесса частичной конденсации. Этот небольшой поток 31 выходит из процесса очистки гелия и может быть повторно сжат в поток товарного газа в качестве потока 31' или выброшен в атмосферу в виде потока 31 после прохождения процесса каталитического сжигания для удаления метана, если это необходимо. Остаточный газ из PSA гелия высушивают при помощи TSA для удаления воды, образующейся при каталитическом сжигании водорода с воздухом или потоком, обогащенным кислородом, затем повторно сжимают и смешивают с потоком 16 по мере его поступления в очиститель. Кроме того, для рециркуляции в очиститель повторно используют гелий, собранный в «газовом мешке», чтобы минимизировать общие потери гелия в способе.
[0042] Альтернативные варианты выполнения модуля очистки гелия хорошо известны в данной области техники. Blackwell и Kalman (US 3599438) описывают очистку гелия более подробно, включая стадии удаления водорода каталитическим окислением, дегидратацию адсорбцией и обогащение гелия частичной конденсацией. Кроме того, Blackwell и Kalman демонстрируют рециркуляцию потока гелия промежуточного давления (16). Дополнительно, Kirk-Othmer в Encyclopedia of Chemical Technology, «Cryogenic technology» (2012), описывает альтернативные технологические схемы для очистки гелия. Например, на Фигуре 13 в этой главе проиллюстрирован способ с одной вспышкой давления на холодном конце гелия, которая вызывает более высокую потерю гелия из-за растворения гелия в потоке жидкости, покидающей систему. На Фигуре 14 в той же главе проиллюстрирован другой порядок операций: сначала частичная конденсация, за которой следует каталитическое окисление и окончательная очистка при помощи PSA, причем остаточный газ PSA повторно сжимают, дегидратируют и рециркулируют на стадию частичной конденсации. Gottier и Herron (US 5017204) описывают цикл очистки гелия с использованием дефлегматора, который объединяет стадии теплопередачи и массопереноса в одном теплообменнике. Любой из этих способов или аналогичные способы очистки могут быть применены для получения продукта в форме чистого гелия из потока неочищенного гелия.
[0043] Поток чистого гелия 30 можно продавать в виде газообразного продукта, но чаще его сжижают в ожижителе гелия L, чтобы получить поток жидкого гелия 32, который можно более эффективно транспортировать на большие расстояния. Дополнительно, ожижитель удаляет следы неона, если он присутствует. В ожижителе может использоваться жидкий азот для охлаждения на теплом конце способа, поставляемый небольшим генератором азота или импортируемый грузовиком в жидком виде, или в нем может применяться любой другой вариант охлаждения, известный в данной области техники. На холодном конце способа обычно используется рециркулируемый гелий в технологической схеме с тепловым насосом для охлаждения.
[0044] При желании, по меньшей мере часть потока кислого газа 2' и/или остаточного газа 31' может быть смешана с обедненным гелием природным газом 29 перед повторным сжатием или на промежуточной стадии повторного сжатия. Это может быть предпочтительным, если обедненный гелием природный газ был предназначен для заданного массового расхода, например, для газовой турбины. Если в потоке кислого газа присутствует небольшое количество H2S, то повторное сжатие и разбавление помогут избежать осложнений, связанных с вентиляцией H2S-содержащего CO2, или затрат на окисление H2S или затрат на высокую вентиляционную трубу. Точно так же, повторное сжатие потока 31' помогает избежать дополнительных затрат на окисление оставшегося метана в потоке остаточного газа, если это необходимо, перед выбросом.
[0045] На Фигуре 2 подробно проиллюстрирован модуль извлечения гелия X. Сырьевой поток природного газа 5 подается в теплообменник 101 после выхода из модулей предварительной обработки А и D на Фигуре 1. Теплообменник обычно представляет собой паяный алюминиевый ребристый пластинчатый теплообменник, обычный для криогенной промышленности, и он может быть выполнен в форме одного или большего количества теплообменников, последовательных или параллельных. Поток охлаждается в теплообменнике путем непрямого теплообмена с потоками, возвращающимися из секции криогенной дистилляции, по меньшей мере частично конденсируется и выходит из теплообменника в виде подачи охлажденного природного газа 6. При необходимости, давление потока 6 может быть понижено для обеспечения эффективного разделения в дистилляционной колонне. Параметром для обеспечения эффективного разделения может быть соотношение плотности жидкой фазы к плотности паровой фазы, причем желаемое соотношение составляет выше 4 или выше 6 или выше 8. Кроме того, параметр может быть поверхностным натяжением жидкой фазы, причем желаемое значение составляет более чем 0,5 дин/см или более чем 1 дин/см или более чем 2 дин/см. Если требуется понижение давления, оно представлено на Фигуре 2 как происходящее в клапане 102, но также может быть достигнуто при помощи детандера плотной текучей среды. Затем сырьевой поток, подаваемый в колонну 7 поступает в дистилляционную колонну 103, предпочтительно на верхней ступени.
[0046] Дистилляционная колонна 103 отделяет гелий от потока сырья 7, подаваемого в колонну, который покидает верхнюю часть колонны в виде обогащенного гелием пара 8, отводимого сверху колонны. Верхняя часть дистилляционной колонны требует ребойлера, который представлен на Фигуре 2 как внешний ребойлер. В этой конфигурации поток жидкости 9 покидает дно колонны, и затем нагревается путем непрямого теплообмена с сырьевым природным газом 5 в теплообменник 101. Далее частично испаренный поток 10 отделяют в сепараторе ребойлера 104. Дистилляционная колонна 103, сепаратор ребойлера 104 и часть теплообменника 101, используемая для передачи тепла потоку 9, составляют систему дистилляционной колонны. Поток пара 11 возвращается в дистилляционную колонну 103, а кубовая жидкость, обедненная гелием, выходит из системы дистилляционной колонны в виде потока 12.
[0047] Система дистилляционной колонны представлена на Фигуре 2 в виде технологической схемы с внешним ребойлером, где 104 представляет собой сепаратор ребойлера. Кроме того, ребойлер может быть внутренним по отношению к колонне, или внешний ребойлер скорее может представлять собой отдельный теплообменник, чем быть интегрированным в многопоточный теплообменник с другими горячими и холодными потоками, что продемонстрировано как 101 на Фигуре 2. Ребойлер обеспечивает подачу пара в нижнюю часть колонны путем кипячения части жидкости, выходящей из нижней части колонны в виде потока 9. Как известно в данной области техники, это можно сделать несколькими способами. Ребойлер, такой как термосифонный ребойлер, может находиться в отстойном резервуаре для жидкости, чтобы вскипятить жидкость внутри отстойного резервуара. В этом случае поток с температурой, промежуточной между потоками 5 и 6, будет подаваться в ребойлер для обеспечения необходимого нагрева, а параметры потока жидкости, выходящего из отстойного резервуара колонны, будут такими же, что и для потока 12 на Фигуре 2. В системе дистилляционной колонны может использоваться одна из конфигураций ребойлера, описанных выше, или любой другой известный ребойлер.
[0048] Обогащенный гелием пар 8, отводимый сверху колонны, затем частично конденсируется в теплообменнике 105. Частично сконденсированный головной погон 13 поступает в верхний сепаратор 106. Указанный сепаратор верхнего погона 106 может представлять собой простой испарительный резервуар или дистилляционную колонну с несколькими ступенями. Верхний погон из 106 представляет собой поток неочищенного гелиевого пара 14. Поток неочищенного гелиевого пара 14 обеспечивает охлаждение, проходя сквозь оба теплообменника 105 и 101, прежде чем покинуть модуль извлечения гелия в виде потока 16. Указанный неочищенный гелиевый пар 14 теперь находится на достаточно высоком уровне концентрации, обычно от 4% до 20% по объему, для ввода в гелиевый очиститель, представленный как модуль P на Фигуре 1.
[0049] Поток рециркулирующей жидкости 17 выходит из нижней части сепаратора верхнего погона 106 и возвращается в дистилляционную колонну 103. Хотя поток 17 появляется в том же месте в технологической схеме, в котором появился бы поток флегмы в обычном способе дистилляции, рециркулирующая жидкость в настоящем изобретении не подходит для обеспечения обратного стока, по двум причинам. Во-первых, расход потока 17 невелик по сравнению с подаваемым в колонну потоком 7, в отличие от потока флегмы, который должен иметь достаточно высокий расход для вымывания пара, протекающего вверх по колонне. Поскольку поток рециркулирующей жидкости 17 имеет относительно небольшой расход потока, он не влияет на разделение и возвращается в дистилляционную колонну только для извлечения гелия, содержащегося в потоке 17. Во-вторых, дистилляционная колонна 103 работает как отпарная колонна с подачей сырья в колонну на верхней ступени. Рециркулирующая жидкость 17 может поступать на верхнюю ступень или на любую из нижних ступеней, поэтому она не может использоваться для вымывания пара, выходящего с верхней ступени.
[0050] Давление в верхнем сепараторе 106 должно поддерживаться настолько близким, насколько это возможно, к давлению системы дистилляционной колонны, таким образом, чтобы давление в верхней части жидкости в потоке 17 было достаточным для преодоления падения давления и протекания в дистилляционную колонну 103. Это снижает общую потребляемую в способе мощность, поскольку поток неочищенного гелиевого пара из сепаратора верхнего погона 106, таким образом, не требует повторного сжатия. Необходимо отметить, что более высокое давление в сепараторе верхнего погона приводит к тому, что больше гелия улавливается в потоке 17, но этот жидкофазный гелий извлекается путем рециркуляции потока 17 обратно в дистилляционную колонну 103.
[0051] Обедненная гелием кубовая жидкость 12 может быть разделена по меньшей мере на два потока, каждый из которых обеспечивает охлаждение при различном давлении и, таким образом, различной температуре. Поток 12 может быть разделен на столько потоков, чтобы их было на один больше, чем количество ступеней сжатия, доступных в рекомпрессоре R. Это происходит потому, что каждая ступень сжатия может принимать один поток при своем давлении всасывания, и один дополнительный поток может обходить R, если он находится под тем же давлением, что и выходное отверстие R. В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на Фигуре 2, поток 12 разделен на три потока: 18, 21 и 23. Использование потоков продукта для охлаждения способа называется автоохлаждением. и повышает эффективность по сравнению с внешним охлаждением. Использование нескольких уровней давления возвратных технологических потоков сводит к минимуму перепады температур во всей системе теплообменника, повышая эффективность и приводя к снижению общих требований к мощности повторного сжатия. Давление первой обедненной гелием фракции 18 кубового остатка понижают с получением потока 19. Понижение давления представлено как клапан 105, но также может быть достигнуто при помощи DFE. Поток 19 обеспечивает охлаждение для частичной конденсации потока 8 в теплообменнике 105, после чего поток 20 обеспечивает дополнительное охлаждение для теплообменника 101. Давление второй фракции 21 обедненного гелием кубового остатка может быть понижено с образованием потока 22, если это необходимо для дополнительного охлаждения. При необходимости, понижение давления может быть осуществлено в клапане 107 или при помощи DFE. Поток 22 обеспечивает охлаждение в теплообменнике 101. Поскольку его давление понижают до промежуточного давления, которое превышает давление потока 19, температура потока 22 не такая низкая, как температура потока 19. Давление третьей фракции 23 обедненного гелием кубового остатка может быть повышено в насосе 108 для получения потока 24. Далее поток 24 обеспечивает охлаждение путем испарения в теплообменнике 101. Накачка потока жидкости перед его испарением, как показано здесь, более эффективна, чем испарение потока жидкости, а затем сжатие пара, поскольку жидкости невозможно эффективно сжать.
[0052] После того как поток 22 нагревается в теплообменнике 101, полученная в результате подогретая вторая фракция 25 обедненного гелием кубового остатка, при желании, может быть расширена в детандере 109, что одновременно охлаждает поток и генерирует мощность. Полученную в результате расширенную вторую фракцию 26 обедненного гелием кубового остатка можно вернуть в теплообменник 101, чтобы обеспечить дополнительное охлаждение, затем объединить с потоком 20 и, наконец, вывести из теплообменника в качестве возвратного потока низкого давления 27. Затем поток 27 повторно сжимают в возвратном компрессоре R. Поток 24 выходит из теплообменника 101 в качестве возвратного потока среднего давления 28, который может быть повторно сжат путем подачи в межступенчатый возвратный компрессор R. В зависимости от давления, требуемого для конечного, обедненного гелием готового природного газа, насос 108 мог бы повышать давление потока 23 до достаточно высокого значения, чтобы не требовалось дальнейшего сжатия.
[0053] Теплообменники 101 и 105 представляют собой систему теплообменника, которая в различных вариантах реализации изобретения может быть представлена одним или большим количеством теплообменников или может быть разделена на два или большее количество теплообменников, расположенных последовательно или параллельно. Например, теплообменник 101 может быть разделен на два отдельных теплообменника в точке, где расширенная вторая фракция 26 обедненного гелием кубового остатка возвращается в обменник и смешивается с потоком 20 по мере того, как он возвращается из 105. Кроме того, нагрузка, требуемая для ребойлера, может обеспечиваться отдельным теплообменником либо параллельно со 101, либо на холодном конце 101, с обменом теплом исключительно между потоком 6 и потоком 9, чтобы упростить работу системы дистилляционной колонны. В общем, чем более интегрирована система теплообменника, тем более эффективен теплообмен между всеми желаемыми потоками. Тем не менее, теплообменник часто разделяется, что снижает эффективность, поскольку небольшое увеличение общего энергопотребления обеспечивает такое преимущество, как упрощенная эксплуатация, меньшие размеры системы теплообменника, более простая конструкция системы теплообменника или снижение риска для способа.
[0054] Возвратный компрессор R может представлять собой один компрессор с одной или большим количеством ступеней, с промежуточными охладителями между ступенями или без них, или множество компрессоров, подключенных последовательно или параллельно. При последовательном расположении поток 27 мог бы поступать в первый из компрессоров, а поток 28 мог бы поступать в компрессор, расположенный дальше в ряду. При параллельном расположении отдельные компрессоры могли бы сжимать потоки 27 и 28 до желаемого конечного давления нагнетания. Повторно сжатый газ выходит из модуля извлечения гелия в виде потока обедненного гелием природного газа 29, который затем может подаваться в трубопровод, сжигаться или утилизироваться иным образом. Если потоки отходов 2' и/или 31' необходимо повторно сжать и объединить с потоком обедненного гелием природного газа, то они также поступают в R.
[0055] Существуют ситуации, в которых повторное сжатие возвратного потока среднего давления может не потребоваться. Все значения давления возвратных потоков 20, 22 и 24 должны быть ниже, чем давление сырьевого потока 5, поскольку для обеспечения эффективной работы теплообменника 101 возвратные потоки должны кипеть при более низком давлении, чем давление, при котором конденсируется сырьевой поток. Если требуемое давление потока 29 меньше, чем давление потока 5, тогда поток 24 может нагнетаться до давления, равного давлению потока 29, и не нуждается в дополнительном сжатии. В этом случае возвратный поток среднего давления 28′ может вместо этого обходить возвратный компрессор и смешиваться непосредственно с потоком 29.
[0056] Некоторые варианты реализации и признаки изобретения были описаны с использованием набора числовых верхних пределов и набора числовых нижних пределов. Для целей краткости, в данном документе явно раскрыты только определенные диапазоны. Однако необходимо понимать, что предусмотрены диапазоны от любого нижнего предела до любого верхнего предела, если в тексте явно не указано противоположное. Точно так же, диапазоны от любого нижнего предела могут быть объединены с любым другим нижним пределом, чтобы обозначить диапазон, не указанный в тексте явно, и диапазоны от любого верхнего предела могут быть объединены с любым другим верхним пределом, чтобы обозначить диапазон, не указанный в тексте явно. Кроме того, диапазон включает в себя каждую точку или отдельное значение между его конечными точками, даже если это явно не указано в тексте. Таким образом, каждая точка или отдельное значение может служить в качестве своего собственного нижнего или верхнего предела в сочетании с любой другой точкой или отдельным значением или любым другим нижним или верхним пределом, чтобы обозначить диапазон, не указанный в тексте явно. Все числовые значения представляют собой значения, указанные «приблизительно» или «около» указанного значения и учитывают экспериментальную ошибку и отклонения, которых может ожидать обычный специалист в данной области техники.
[0057] Аспекты настоящего изобретения включают в себя:
№ 1: Способ извлечения гелия из сырьевого природного газа, содержащего метан, азот и гелий, причем указанный способ включает в себя:
охлаждение указанного сырьевого природного газа для получения охлажденного сырьевого природного газа, который по меньшей мере частично сконденсирован;
разделение охлажденного сырьевого природного газа в системе дистилляционной колонны с получением обогащенного гелием пара, отводимого сверху колонны, и обедненной гелием кубовой жидкости;
охлаждение указанного обогащенного гелием пара, отводимого сверху колонны, для получения частично конденсированного головного потока;
отделение указанного частично сконденсированного головного потока в сепараторе верхнего погона для получения неочищенного гелиевого пара и рециркулирующей жидкости;
расширение по меньшей мере части обедненной гелием кубовой жидкости, с получением первой фракции обедненного гелием кубового остатка;
причем охлаждающая нагрузка для указанного обогащенного гелием пара, отводимого сверху колонны, по меньшей мере частично обеспечивается за счет непрямого теплообмена с указанной первой фракцией обедненного гелием кубового остатка.
№ 2. Способ по № 1, отличающийся тем, что давление указанного охлажденного сырьевого природного газа понижают, чтобы достичь соотношения плотности жидкости и пара в дистилляционной колонне выше 4.
№ 3. Способ по любому из №№ 1-2, отличающийся тем, что давление указанного охлажденного сырьевого природного газа понижают для достижения поверхностного натяжения жидкой фазы в дистилляционной колонне выше 0,5 дин/см.
№ 4. Способ по любому из №№ 1-3, отличающийся тем, что разница между давлением в верхней части системы дистилляционной колонны и давлением в сепараторе верхнего погона составляет не более чем 1 бар.
№ 5. Способ по любому из №№ 1-4, отличающийся тем, что нагрузка повторного кипячения для указанной системы дистилляционной колонны по меньшей мере частично обеспечивается посредством непрямого теплообмена с подачей природного газа.
№ 6. Способ по любому из №№ 1-5, отличающийся тем, что указанную рециркулирующую жидкость вводят в дистилляционную колонну.
№ 7. Способ по № 6, отличающийся тем, что рециркулирующую жидкость вводят в дистилляционную колонну на той же или более низкой ступени, что и место, где охлажденный природный газ подается в дистилляционную колонну.
№ 8. Способ по любому из №№ 1-7, дополнительно включающий в себя стадию расширения по меньшей мере части обедненного гелием кубового остатка, с получением второй фракции, обедненной гелием.
№ 9. Способ по № 8, отличающийся тем, что давление указанной второй фракции обедненного гелием кубового остатка выше, чем давление указанной первой фракции обедненного гелием кубового остатка.
№ 10. Способ по любому из №№ 8-9, дополнительно включающий в себя стадии нагревания указанной второй фракции обедненного гелием кубового остатка, чтобы обеспечить по меньшей мере часть охлаждающей нагрузки для охлаждения и конденсации указанного сырьевого природного газа и получения нагретой второй фракции обедненного гелием кубового остатка;
и расширение указанной подогретой второй фракции обедненного гелием кубового остатка для обеспечения мощности и получения расширенной второй фракции обедненного гелием кубового остатка.
№ 11. Способ по любому из №№ 8-10, дополнительно включающий в себя объединение и сжатие указанных первой и второй фракций обедненного гелием кубового остатка или полученных из них потоков для получения потока обедненного гелием природного газа.
№ 12. Способ по любому из №№ 8-11, дополнительно включающий в себя стадии повышения давления по меньшей мере части указанной обедненной гелием кубовой жидкости для получения третьей фракции обедненного гелием кубового остатка;
и нагревание указанной третьей фракции обедненного гелием кубового остатка, чтобы обеспечить по меньшей мере часть охлаждающей нагрузки для процессов охлаждения и конденсации указанного сырьевого природного газа.
№ 13. Способ по № 12, дополнительно включающий в себя объединение и сжатие указанной первой, второй и третьей фракций обедненного гелием кубового остатка или полученных из них потоков для получения обедненного гелием потока природного газа.
№ 14. Установка по переработке природного газа для извлечения гелия из сырьевого природного газа, содержащего метан, азот и гелий, причем указанная установка содержит:
систему теплообменника;
систему дистилляционной колонны, содержащую выходное отверстие для пара и выходное отверстие для жидкости;
первый трубопровод для перемещения охлажденного сырьевого газа из указанной системы теплообменника в указанную дистилляционную колонну;
второй трубопровод для перемещения обогащенного гелием пара, отводимого сверху колонны, из указанного выходного отверстия для пара указанной дистилляционной колонны в указанную систему теплообменника;
сепаратор верхнего погона, содержащий выходное отверстие для пара и выходное отверстие для жидкости;
третий трубопровод для перемещения частично конденсированного верхнего погона из указанной системы теплообменника в указанный сепаратор верхнего погона;
четвертый трубопровод для перемещения первой фракции обедненного гелием кубового остатка из указанного выходного отверстия для жидкости указанной дистилляционной системы в указанную систему теплообменника;
и, при этом, четвертый трубопровод содержит устройство для понижения давления.
№ 15. Установка по переработке природного газа по № 14, отличающаяся тем, что указанный первый трубопровод содержит устройство для понижения давления.
№ 16. Установка по переработке природного газа по любому из №№ 14-15, дополнительно содержащая пятый трубопровод, предназначенный для перемещения рециркулирующей жидкости из указанного выходного отверстия для жидкости указанного сепаратора верхнего погона в указанную дистилляционную колонну.
№ 17. Установка по переработке природного газа по № 16, отличающаяся тем, что указанный пятый трубопровод соединяется с указанной дистилляционной колонной на той же ступени или на более низкой ступени, чем место, где указанный первый трубопровод соединяется с указанной дистилляционной колонной.
№ 18. Установка по переработке природного газа по любому из № 14-17, дополнительно содержащая шестой трубопровод для перемещения второй фракции обедненного гелием кубового остатка из указанного выходного отверстия для жидкости указанной дистилляционной системы в указанную систему теплообменника, причем указанный шестой трубопровод дополнительно содержит понижающее давление устройство.
№ 19. Установка по переработке природного газа по № 18, дополнительно содержащая:
детандер;
седьмой трубопровод для перемещения нагретой второй фракции обедненного гелием кубового остатка из указанного теплообменника в указанный детандер;
и восьмой трубопровод для перемещения расширенной второй фракции обедненного гелием кубового остатка из указанного детандера в указанную систему теплообменника.
№ 20. Установка по переработке природного газа №№ 18-19, дополнительно содержащая:
насос;
девятый трубопровод для перемещения третьей фракции обедненного гелием кубового остатка из указанного выходного отверстия для жидкости указанной дистилляционной системы в указанный насос;
и десятый трубопровод для перемещения находящейся под давлением третьей фракции обедненного гелием кубового остатка из указанного насоса в указанную систему теплообменника.
№ 21. Установка по переработке природного газа по любому из №№ 18-20, дополнительно содержащая:
возвратный компрессор;
и одиннадцатый трубопровод для перемещения возвратного потока низкого давления из указанной системы теплообменника в указанный возвратный компрессор.
№ 22. Установка по переработке природного газа по № 21, дополнительно содержащая двенадцатый трубопровод для перемещения возвратного потока среднего давления из указанной системы теплообменника в указанный возвратный компрессор.
№ 23. Установка по переработке природного газа по № 21, дополнительно содержащая:
смесительное устройство;
тринадцатый трубопровод для перемещения потока сжатого, обедненного гелием природного газа из указанного возвратного компрессора в указанное смесительное устройство;
и четырнадцатый трубопровод для перемещения возвратного потока среднего давления из указанной системы теплообменника в указанное смесительное устройство.
ПРИМЕР 1
[0058] Компьютерное моделирование способа, проиллюстрированного на Фигурах 1 и 2, было выполнено в Aspen Plus, коммерчески доступном пакете программного обеспечения для моделирования способов. Сырьевой поток природного газа содержит 35% азота и 0,14% гелия. Основные параметры потока, такие как состав, давление, температура и расход, приведены в Табл. 1, вместе с общим потреблением мощности.
[0059] Для целей Примера 1, в способ, представленный на Фигурах 1 и 2, были внесены два изменения. В этом примере предполагается, что пар 31' на Фигуре 1 повторно сжимают с потоком обедненного гелием природного газа, но поток 2 отводится в атмосферу. Дополнительно, в этом примере предполагается, что поток 5 на Фигуре 2 охлаждается, конденсируется и расширяется через DFE вместо клапана 102.
[0060] Как показано в Табл. 1, модель извлечения гелия X производит поток неочищенного гелия 16, содержащий более чем 12% гелия, с достаточно высокой концентрацией, чтобы подавать его на установку для очистки гелия P, при этом поддерживая в модуле извлечения гелия выход 99,9%. Выход в модуле X определяется как содержание гелия в потоке 16, выходящем из модуля, деленное на содержание гелия в потоке 5, поступающем в модуль. Такой высокий выход возможен благодаря тому, что рециркулирующий жидкий поток 17, в котором содержится 6,8% гелия, содержащегося в конденсированном, обогащенном гелием головном потоке 12, возвращается в дистилляционную колонну. В известных способах, в которых верхний погон дистилляционной колонны дополнительно концентрируется, этот жидкофазный гелий не был бы потерян, поскольку эквивалент потока 17 был бы направлен в эквивалент обедненного гелием потока природного газа 29. Выход гелия 99,9% в модуле извлечения гелия X обеспечивает общий выход гелия 99,6% вследствие небольшой потери гелия в потоке 31', где общий выход гелия определяется как содержание гелия в потоке чистого гелия 30, деленное на содержание гелия в потоке неочищенного природного газа 1.
[0061] Этот способ обеспечивает гибкость по сравнению с составом потока неочищенного гелия 16. Мольная доля гелия в потоке 16 может быть увеличена либо путем увеличения скорости потока, либо путем понижения давления возвратного потока низкого давления 19. Любой из двух вариантов приводит к более высокой концентрации гелия в потоке 16 за счет увеличения расхода мощности при сжатии потока 27.
[0062] Если поток отходов способа очистки гелия должен быть выброшен в виде потока 31, то оптимизация, которая минимизирует мощность, увеличивала бы расход метана в потоке 16, чтобы избежать повторного сжатия в компрессоре R. Оптимизация должна была бы включать значение метана в вентиляционном отверстии 31, чтобы уравновесить увеличение потока 16.
Таблица 1
| Поток | |||||||||
| 1 | 2 | 5 | 8 | 12 | 14 | 17 | 19 | ||
| Компонент | Состав | ||||||||
| He | моль % | 0,14 | 0,00 | 0,15 | 2,81 | 0,00 | 12,80 | 0,24 | 0,00 |
| N2 | моль % | 35,09 | 0,00 | 36,74 | 75,26 | 36,22 | 81,45 | 73,67 | 36,22 |
| CO2 | моль % | 4,01 | 88,79 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 |
| CH4 | моль % | 60,16 | 0,00 | 62,99 | 21,78 | 63,65 | 5,17 | 26,05 | 63,65 |
| C2H6 | моль % | 0,10 | 0,00 | 0,10 | 0,00 | 0,11 | 0,00 | 0,00 | 0,11 |
| C3H8 | моль % | 0,01 | 0,00 | 0,01 | 0,00 | 0,01 | 0,00 | 0,00 | 0,01 |
| H2O | моль % | 0,47 | 11,14 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 |
| H2 | моль % | 0,01 | 0,00 | 0,01 | 0,15 | 0,00 | 0,58 | 0,04 | 0,00 |
| Температура | °C | 67,2 | 58,9 | 26,7 | -140,6 | -139,3 | -155,9 | -155,9 | -160,1 |
| Давление | бар (а. д.) | 39,3 | 1,7 | 37,6 | 19,7 | 19,8 | 19,7 | 19,7 | 5,5 |
| Скорость потока (общая) | кмоль/час | 22679,6 | 1024,4 | 21662,9 | 1212,6 | 21415,0 | 247,8 | 964,7 | 1054,3 |
| Поток | |||||||||
| 22 | 24 | 25 | 26 | 31' | 29 | 16 | 30 | ||
| Компонент | Состав | ||||||||
| He | моль % | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,01 | 0,00 | 12,80 | 100,00 |
| N2 | моль % | 36,22 | 36,22 | 36,22 | 36,22 | 94,06 | 36,81 | 81,45 | 0,00 |
| CO2 | моль % | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 |
| CH4 | моль % | 63,65 | 63,65 | 63,65 | 63,65 | 5,90 | 63,07 | 5,17 | 0,00 |
| C2H6 | моль % | 0,11 | 0,11 | 0,11 | 0,11 | 0,00 | 0,11 | 0,00 | 0,00 |
| C3H8 | моль % | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,00 | 0,01 | 0,00 | 0,00 |
| H2O | моль % | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 |
| H2 | моль % | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,02 | 0,00 | 0,58 | 0,00 |
| Температура | °C | -139,3 | -137,3 | -36,1 | -92,3 | 26,4 | 67,2 | 25,0 | 51,1 |
| Давление | бар (а. д.) | 19,8 | 34,9 | 19,3 | 5,0 | 1,8 | 38,3 | 19,2 | 17,4 |
| Скорость потока (общая) | кмоль/час | 1216,5 | 19144,3 | 1216,5 | 1216,5 | 217,4 | 21632,4 | 247,8 | 31,7 |
| Мощность повторного сжатия | 8,95 | МВт | |||||||
| Мощность насоса | 0,71 | МВт | |||||||
| Мощность детандера | -0,47 | МВт | |||||||
| Мощность DFE | -0,20 | МВт | |||||||
| Общая полезная мощность | 9,01 | МВт |
ПРИМЕР 2
[0063] Компьютерное моделирование способа, проиллюстрированного на Фигурах 1 и 2, было выполнено в Aspen Plus, коммерчески доступном пакете программного обеспечения для моделирования способов. Сырьевой поток природного газа содержит 10% азота и 0,065% гелия. В Табл. 2 приведены условия для потоков на Фигурах 1 и 2, а также общий расход мощности.
[0064] Для целей Примера 2, в способ, представленный на Фигурах 1 и 2, были внесены два изменения. В этом примере предполагается, что пар 31' на Фигуре 1 повторно сжимают с возвратом природного газа, но поток 2 выбрасывается в атмосферу. Кроме того, в этих примерах предполагается, что поток 5 на Фигуре 2 охлаждают, конденсируют и расширяют при помощи DFE вместо клапана 102.
[0065] Пример 2 имеет много таких же характеристик, что и Пример 1, такой же высокий общий выход гелия, но отличается содержанием азота в сырье. Более низкое содержание азота в Примере 2 приводит к более высоким температурам в дистилляционной колонне 103, как представлено потоком 8, который на 20 °С теплее, чем его аналог в Примере 1. Поскольку для дистилляционной колонны не требуется такая низкая температура, нет необходимости понижать давление потока 19 до такого низкого давления: 7,7 бар, в противоположность 5,5 бар. Поток 19, работающий при более высоком давлении, уменьшает нагрузку повторного сжатия, что приводит к уменьшению полезной мощности до 7,75 МВт по сравнению с 9,01 МВт в Примере 1.
Таблица 2
| Поток | |||||||||
| 1 | 2 | 5 | 8 | 12 | 14 | 17 | 19 | ||
| Компонент | Состав | ||||||||
| He | моль % | 0,065 | 0,000 | 0,068 | 1,404 | 0,000 | 4,721 | 0,055 | 0,000 |
| N2 | моль % | 10,03 | 0,00 | 10,51 | 36,45 | 9,72 | 64,04 | 25,24 | 9,72 |
| CO2 | моль % | 4,01 | 88,79 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 |
| CH4 | моль % | 85,29 | 0,00 | 89,30 | 61,97 | 90,16 | 30,71 | 74,67 | 90,16 |
| C2H6 | моль % | 0,10 | 0,00 | 0,11 | 0,00 | 0,11 | 0,00 | 0,00 | 0,11 |
| C3H8 | моль % | 0,01 | 0,00 | 0,01 | 0,00 | 0,01 | 0,00 | 0,00 | 0,01 |
| H2O | моль % | 0,47 | 11,14 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 |
| H2 | моль % | 0,01 | 0,00 | 0,01 | 0,17 | 0,00 | 0,53 | 0,02 | 0,00 |
| Температура | °C | 67,2 | 58,9 | 26,7 | -120,7 | -119,2 | -135,2 | -135,2 | -136,9 |
| Давление | бар (а. д.) | 39,3 | 1,7 | 37,6 | 19,7 | 19,8 | 19,7 | 19,7 | 7,7 |
| Скорость потока (общая) | кмоль/час | 22679,6 | 1025,2 | 21662,1 | 1079,5 | 21350,2 | 311,9 | 767,6 | 741,4 |
| Поток | |||||||||
| 22 | 24 | 25 | 26 | 31' | 29 | 16 | 30 | ||
| Компонент | Состав | ||||||||
| He | моль % | 0,000 | 0,000 | 0,000 | 0,000 | 0,002 | 0,000 | 4,721 | 99,995 |
| N2 | моль % | 9,72 | 9,72 | 9,72 | 9,72 | 67,89 | 10,53 | 64,04 | 0,00 |
| CO2 | моль % | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 |
| CH4 | моль % | 90,16 | 90,16 | 90,16 | 90,16 | 32,07 | 89,35 | 30,71 | 0,00 |
| C2H6 | моль % | 0,11 | 0,11 | 0,11 | 0,11 | 0,00 | 0,11 | 0,00 | 0,00 |
| C3H8 | моль % | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,00 | 0,01 | 0,00 | 0,00 |
| H2O | моль % | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 |
| H2 | моль % | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,02 | 0,00 | 0,53 | 0,00 |
| Температура | °C | -119,2 | -117,1 | -32,0 | -78,2 | 23,3 | 67,2 | 25,0 | 51,1 |
| Давление | бар (а. д.) | 19,8 | 35,0 | 19,3 | 7,2 | 1,8 | 38,3 | 19,2 | 17,4 |
| Скорость потока (общая) | кмоль/ час |
1319,6 | 19289,1 | 1319,6 | 1319,6 | 298,6 | 21648,8 | 311,9 | 14,7 |
| Мощность повторного сжатия | 7,65 | МВт | |||||||
| Мощность насоса | 0,77 | МВт | |||||||
| Мощность детандера | -0,43 | МВт | |||||||
| Мощность DFE | -0,24 | МВт | |||||||
| Общая полезная мощность | 7,75 | МВт |
[0066] Хотя принципы изобретения были описаны выше в связи с предпочтительными вариантами реализации изобретения, необходимо четко понимать, что такое описание сделано только в качестве примера и не предназначено для ограничения объема изобретения.
1. Способ извлечения гелия из сырьевого природного газа, содержащего метан, азот и гелий, причем способ включает в себя:
охлаждение сырьевого природного газа для получения охлажденного сырьевого природного газа, который по меньшей мере частично сконденсирован;
разделение охлажденного сырьевого природного газа в системе дистилляционной колонны с получением обогащенного гелием пара, отводимого сверху колонны, и обедненной гелием кубовой жидкости;
охлаждение обогащенного гелием пара, отводимого сверху колонны, посредством непрямого теплообмена для получения частично сконденсированного головного потока;
отделение частично сконденсированного головного потока в сепараторе верхнего погона для получения неочищенного гелиевого пара и рециркулирующей жидкости;
расширение по меньшей мере части обедненного гелием кубового остатка с получением первой фракции обедненного гелием кубового остатка;
причем охлаждающую нагрузку для обогащенного гелием пара, отводимого сверху колонны, по меньшей мере частично обеспечивают за счет непрямого теплообмена с первой фракцией обедненного гелием кубового остатка.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что давление охлажденного сырьевого природного газа понижают с обеспечением соотношения плотности жидкости и пара в дистилляционной колонне выше 4.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что давление охлажденного сырьевого природного газа понижают с обеспечением поверхностного натяжения жидкой фазы в дистилляционной колонне выше 0,5 дин/см.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что разница между давлением в верхней части системы дистилляционной колонны и давлением в сепараторе верхнего погона составляет не более 1 бар.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрузку повторного кипячения для системы дистилляционной колонны по меньшей мере частично обеспечивают посредством непрямого теплообмена с сырьевым природным газом.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рециркулирующую жидкость вводят в дистилляционную колонну.
7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что рециркулирующую жидкость вводят в дистилляционную колонну на той же или более низкой ступени, что и место, где охлажденный природный газ подается в дистилляционную колонну.
8. Способ по п. 1, дополнительно включающий в себя стадию расширения по меньшей мере части обедненного гелием кубового остатка с получением второй фракции обедненного гелием кубового остатка.
9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что давление второй фракции обедненного гелием кубового остатка выше, чем давление первой фракции обедненного гелием кубового остатка.
10. Способ по п. 8, дополнительно включающий в себя стадии нагревания второй фракции обедненного гелием кубового остатка с обеспечением по меньшей мере части охлаждающей нагрузки для процессов охлаждения и конденсации сырьевого природного газа и получением нагретой второй фракции обедненного гелием кубового остатка;
и расширения подогретой второй фракции обедненного гелием кубового остатка с обеспечением мощности и получением расширенной второй фракции обедненного гелием кубового остатка.
11. Способ по п. 8, дополнительно включающий в себя объединение и сжатие первой и второй фракций обедненного гелием кубового остатка или полученных из них потоков с образованием потока обедненного гелием природного газа.
12. Способ по п. 8, дополнительно включающий в себя стадии повышения давления по меньшей мере части обедненной гелием кубовой жидкости для получения третьей фракции обедненного гелием кубового остатка;
и нагревания третьей фракции обедненного гелием кубового остатка с обеспечением по меньшей мере части охлаждающей нагрузки для процессов охлаждения и конденсации сырьевого природного газа.
13. Способ по п. 12, дополнительно включающий в себя объединение и сжатие первой, второй и третьей фракций обедненного гелием кубового остатка или полученных из них потоков для получения потока обедненного гелием природного газа.
