Способ и установка выделения из природного газа целевых фракций

Авторы патента:

F25J3/02 - ректификацией, т.е. путем непрерывного обмена тепла и материала между потоком пара и потоком жидкости (F25J 3/08 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2749628:

Общество с ограниченной ответственностью "АЭРОГАЗ" (ООО "АЭРОГАЗ") (RU)

Изобретение относится к газовой и нефтяной отраслям промышленности, а именно к процессам получения целевых фракций углеводородов из смеси углеводородных газов. Способ выделения из природного газа пропан-бутановой и этановой фракций состоит из последовательно следующих друг за другом процессов сжатия газа в основном компрессоре, охлаждения газа в аппарате воздушного охлаждения, выделения из газа пропан-бутановой и этановой фракций в блоке низкотемпературной конденсации, включающем в себя процессы охлаждения газа в теплообменниках, сепарации из газа сконденсировавшегося конденсата, расширения газа в турбине основного турбодетандера или в дросселе, обработки охлажденного газа и/или выделенного из газа конденсата в ректификационной колонне, нагрева газа в теплообменниках, при этом после сжатия газа в основном компрессоре сжатый газ с температурой не менее 100°С направляется в турбину дополнительного турбодетандера. Газ после сжатия газа в основном компрессоре дополнительно нагревают. Нагрев газа осуществляют за счет рекуперации тепла выхлопных газов газотурбинного привода основного компрессора. Изобретение позволяет повысить степень извлечения из природного газа пропан-бутановой и этановой фракций. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

Область техники

Изобретение относится к газовой и нефтяной отраслям промышленности, а именно к процессам получения целевых фракций углеводородов из смеси углеводородных газов, в частности, к технологии, обеспечивающей максимально полное извлечение ценных компонентов из природного и попутного газа, и может быть использовано для получения пропан – бутановой и этановой фракций, стабильного газового бензина, а также для извлечения кислых компонентов СО2 и Н2S в случаях их высокой концентрации в газе

Уровень техники

Из уровня техники известен способ переработки природного газа (см. [1] US4889545, МПК C07C7/04; F25J3/02; F25J3/08, опубл. 26.12.1989), который предусматривает многостадийное низкотемпературное охлаждение газа с конденсацией за счет рекуперации тепла в теплообменниках, одноступенчатого сепарирования выделившейся жидкости, сброса давления на потоках газа путем его дросселирования и расширения в турбине турбодетандера, подачу всех холодных потоков в ректификационную колонну с получением метановой газовой фракции и фракции, содержащей в основном этан, пропан и тяжелые углеводороды. Недостатком данного способа является невозможность проведения эффективной сепарации целевых фракций при высоких давлениях газа на выходе из установки (более 60 атм.) и небольших перепадах давления газа на установке (Pвх/Pвых<2, где Pвх, Pвых – давление газа на входе и выходе из установки соответственно), что обусловлено, в первую очередь, тем, что при таких условиях невозможно обеспечить уровень давлений в ректификационной колонне на уровне 10-30 атм., необходимый для эффективного проведения процесса ректификации. Аналогичный процесс с такими же недостатками описан в патенте [2] US 8794030, МПК F25J3/06, опубл. 31.10.2013.

Из уровня техники известен способ компримирования отбензиненного газа (см. [3] патент РФ №2626270, МПК F25J3/00, опубл. 25.07.2017), включающий нагрев отбензиненного газа, полученного путем выделения углеводородов С_2+выше из осушенного газа при его низкотемпературной конденсации и ректификации, сжатие отбензиненного газа в компрессорной части турбодетандера и охлаждение отбензиненного газа. При этом перед сжатием отбензиненного газа в компрессорной части турбодетандера отбирают часть нагретого потока отбензиненного газа и осуществляют его параллельное сжатие в компрессоре, количество отбираемой части потока определяют расчетным путем в зависимости от мощности турбодетандера, определяемой требуемой степенью извлечения углеводородов С_2+выше, и степени сжатия компрессора, определяемой требуемым давлением товарного отбензиненного газа. Кроме того, после параллельного сжатия в компрессоре поток отбензиненного газа соединяют с потоком отбензиненного газа, выходящим из компрессорной части турбодетандера, обеспечивая равенство давления соединяемых потоков. Недостатком указанного аналога является необходимость использования компрессоров на выходе из установки, что приводит к существенному удорожанию установок переработки природных газов.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению по совокупности признаков, принятым за прототип, является способ разделения смеси газов (см [4] патент РФ №2514859, МПК B01D53/00, опубл. 10.05.2014), включающий охлаждение смеси, прокачивание части получаемых из смеси продуктов через ректификационную колонну, расширение, по крайней мере, части продуктов в закрученном потоке в сопле с разделением потока на поток, обогащенный компонентами тяжелее метана и поток, обедненный этими компонентами, нагрев обедненного потока за счет охлаждения продуктов, получаемых из смеси, при этом нагретый обедненный поток сжимают в компрессоре, охлаждают в аппарате воздушного охлаждения, часть полученного газа используют в качестве выходного продукта, другую часть дополнительно охлаждают, расширяют, продукты расширения направляют в колонну и/или смешивают с газофазными продуктами, поступающими из колонны в сопло. Расширение дополнительно охлажденной части газа проводят в турбодетандере или в дроссельном клапане, и/или сопле.

Недостатком прототипа является то, что на выходе из установки необходим компрессорный агрегат, существенно увеличивающий стоимость установки.

Сущность изобретения

Технической задачей, стоящей перед изобретением, является обеспечение высокой степени извлечения целевых фракций (на уровне 90% и выше) из природного газа при высоком уровне давлений газа на выходе из установки без использования компрессорных станций на выходе из установки. Под высоким уровнем давлений газа подразумеваются давления свыше 60 атм., характерные для магистральных газопроводов, осуществляющих транспорт природного газа от установок комплексной подготовки газа (УКПГ). Данное изобретение позволяет уже на УКПГ достигать степени извлечения пропан-бутановой фракции из природного газа (свыше 90%), характерной обычно только для газоперерабатывающих заводов (ГПЗ).

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение степени извлечения из природного газа пропан-бутановой и этановой фракций.

Согласно изобретению техническая задача решается, а технический результат достигается за счет того, что в способе выделения из природного газа пропан-бутановой и этановой фракции, состоящем из последовательно следующих друг за другом процессов сжатия газа в основном компрессоре, охлаждения газа в аппарате воздушного охлаждения, выделения из газа пропан-бутановой и этановой фракции в блоке низкотемпературной конденсации, включающем в себя процесс охлаждения газа в теплообменниках, сепарации из газа сконденсировавшегося конденсата, расширения газа в турбине основного турбодетандера или в дросселе, обработки охлажденного газа и/или выделенного из газа конденсата в ректификационной колонне, нагреве газа в теплообменниках, при этом после сжатия газа в основном компрессоре сжатый газ с температурой не менее 100°С направляется в турбину дополнительного турбодетандера.

Также технический результат достигается за счет того, что газ после сжатия газа в основном компрессоре дополнительно нагревают. Дополнительный нагрев необходим в тех случаях, когда температура газа недостаточо высокая для обеспечения эффективной работы дополнительного турбодетандера.

Технический результат улучшается за счет того, что газ дополнительно нагревают за счет рекуперации тепла выхлопных газов газотурбинного или газопоршневого привода основного компрессора. Использование тепла выхлопных газов газотурбинного или газопоршневого привода позволяет использовать тепловую энергию, рассеиваемую обычно в атмосферу для увеличения эффективности процесса.

Также технический результат достигается за счет установки выделения из природного газа пропан-бутановой и этановой фракции, содержащей последовательно установленные и соединенные между собой основной компрессор, аппарат воздушного охлаждения, блок низкотемпературной конденсации, состоящий из по меньшей мере двух теплообменников, установленных последовательно или параллельно, сепаратора, турбины основного турбодетандера, ректификационной колонны, при этом между основным компрессором и аппаратом воздушного охлаждения установлена турбина дополнительного турбодетандера, а компрессорные части основного и дополнительного турбодетандера установлены в потоке очищенного газа на выходе из теплообменников.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 представлена схема установки выделения из природного газа пропан-бутановой и этановой фракций.

На фигурах обозначены следующие позиции:

1 — основной компрессор;

2 – турбина дополнительного турбодетандера;

3 – аппарат воздушного охлаждения;

4, 5 – теплообменники;

6 – сепаратор;

7 – турбина основного турбодетандера;

8 – ректификационная колонна;

9 – компрессорная часть основного турбодетандера;

10 - дополнительный аппарат воздушного охлаждения;

11 - компрессорная часть дополнительного турбодетандера.

Осуществление изобретения

Работа предлагаемого изобретения иллюстрируется на примере устройства, схема которого приведена на Фиг.1.

Способ разделения природного газа на пропан-бутановую и этановую фракции содержит последовательные, следующие друг за другом процессы. Природный газ (входной газ) поступает в основной компрессор 1 для сжатия газа. Сжатие газа позволяет увеличить давление и температуру газа и направить горячий газ 12 в турбину дополнительного турбодетандера 2, на выходе из которого газ 13 поступает в аппарат воздушного охлаждения 3 (АВО) для охлаждения газа. После АВО 3 газ 14 поступает в блок низкотемпературной конденсации, включающий в себя процесс охлаждения газа в теплообменниках 4 и 5, предназначенных для охлаждения и конденсации пропан-бутановой и этановой фракций (количество теплообменников может быть больше двух). Сконденсировавшийся в теплообменниках конденсат 15 направляют на сепарацию в сепаратор 6. Жидкая фаза 17 из сепаратора 6 нагревается в теплообменнике 5, а газовая фаза 16 направляется в турбину основного турбодетандера 7 (или в дроссель) для расширения газа. Далее газ 18 из турбины 7 поступает в ректификационную колонну 8, при этом в ректификационную колонну также поступает жидкая фаза, выделенная в сепараторе 6 и нагретая в теплообменнике 5. В ректификационной колонне 8 получают готовую пропан-бутановую фракцию для направления потребителю, а газофазный продукт 20 нагревают в теплообменнике 4.

Сжатие газа 21 из теплообменника 4 выполняют в компрессорной части основного турбодетандера 9, после чего сжатый газ 22 направляется в аппарат воздушного охлаждения 10. Охлажденный газ 23 после АВО сжимают в компрессорной части дополнительного турбодетандера 11. Газ с выхода компрессорной части дополнительного турбодетандера 11 является товарным газом.

Газ после сжатия газа в основном компрессоре 1 можно дополнительно нагреть, причем нагрев осуществлять за счет рекуперации тепла выхлопных газов газотурбинного привода основного компрессора.

Предлагаемый способ выделения из природного газа пропан-бутановой и этановой фракций отличается от всех известных способов тем, что горячий газ с температурой не менее 100°С после основного компрессора направляется в турбину дополнительного турбодетандера. Высокая температура газа обеспечивает отбор максимальной механической энергии от газа, это позволяет передать в компрессорную часть дополнительного турбодетандера больше энергии, и, значит, обеспечить более низкие давления и температуры газа в зоне наиболее низких температур в блоке низкотемпературной конденсации. Более низкие температуры обеспечивают максимальную степень извлечения из природного газа пропан-бутановой и этановой фракций.

В Таблицах 1 и 2 в качестве иллюстрации приведены параметры всех потоков в предлагаемом процессе на одном из возможных вариантов работы установки. Для приведенного примера степень извлечения компонентов тяжелее пропана (С3+) из природного газа составляет 92.3 %. Данное извлечения является уникальным, учитывая, что давление газа на выходе из установки составляет 75 атм., а в установке используется только один компрессор на входе в установку.

Предлагаемый процесс позволяет использовать тепловую энергию, содержащуюся в газе после основного компрессора, для получения механической энергии в турбине дополнительного турбодетандера. Обычно в процессах переработки газов данная энергия рассеивается в атмосферу в аппаратах воздушного охлаждения. Перевод этой тепловой энергии в механическую работу позволяет снизить температуру перерабатываемого газа в блоке НТК и в конечном счете увеличить степень извлечения целевых компонентов из газа.

Таблица 1

Параметр	Единица измерения	Входной газ	Товарный газ	Пропан-бутановая фракция	12	13	14	15	16	17	18
Температура	C	5,0	105,0	46,5	200,0	124,4	5,0	-40,0	-40,0	-40,0	-90,1
Давление	MPa	2,0	7,5	1,5	15,0	5,6	5,6	5,6	5,6	5,6	1,5
Расход	kg/h	83242,0	68367,5	14874,6	83242,0	83242,0	83242,0	83242,0	61496,2	21745,9	61496,2

N2	Массовая доля	0,0242	0,0295	0,0000	0,0242	0,0242	0,0242	0,0242	0,0312	0,0044	0,0312
CO2	Массовая доля	0,0104	0,0126	0,0000	0,0104	0,0104	0,0104	0,0104	0,0108	0,0093	0,0108
CH4	Массовая доля	0,6520	0,7938	0,0000	0,6520	0,6520	0,6520	0,6520	0,7779	0,2959	0,7779
C2H6	Массовая доля	0,1283	0,1497	0,0300	0,1283	0,1283	0,1283	0,1283	0,1064	0,1902	0,1064
C3H8	Массовая доля	0,1394	0,0140	0,7158	0,1394	0,1394	0,1394	0,1394	0,0640	0,3525	0,0640
I-C4H10	Массовая доля	0,0195	0,0002	0,1082	0,0195	0,0195	0,0195	0,0195	0,0050	0,0606	0,0050
N-C4H10	Массовая доля	0,0217	0,0001	0,1207	0,0217	0,0217	0,0217	0,0217	0,0043	0,0709	0,0043
I-C5H12	Массовая доля	0,0024	0,0000	0,0135	0,0024	0,0024	0,0024	0,0024	0,0002	0,0085	0,0002
N-C5H12	Массовая доля	0,0017	0,0000	0,0092	0,0017	0,0017	0,0017	0,0017	0,0001	0,0060	0,0001
C6+	Массовая доля	0,0004	0,0000	0,0025	0,0004	0,0004	0,0004	0,0004	0,0000	0,0017	0,0000

Таблица 2

Параметр	*Единица измерения*	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28
Температура	C	-69,1	-74,9	0,1	38,4	5,0	5,0	5,0	-49,9	-26,0	-24,4
Давление	MPa	1,6	1,5	1,4	2,3	2,3	5,6	5,6	5,6	5,6	1,5
Расход	kg/h	21745,9	68367,5	68367,5	68367,5	68367,5	46032,9	37209,2	46032,9	37209,2	21745,9

N2	Массовая доля	0,0044	0,0295	0,0295	0,0295	0,0295	0,0242	0,0242	0,0242	0,0242	0,0044
CO2	Массовая доля	0,0093	0,0126	0,0126	0,0126	0,0126	0,0104	0,0104	0,0104	0,0104	0,0093
CH4	Массовая доля	0,2959	0,7938	0,7938	0,7938	0,7938	0,6520	0,6520	0,6520	0,6520	0,2959
C2H6	Массовая доля	0,1902	0,1497	0,1497	0,1497	0,1497	0,1283	0,1283	0,1283	0,1283	0,1902
C3H8	Массовая доля	0,3525	0,0140	0,0140	0,0140	0,0140	0,1394	0,1394	0,1394	0,1394	0,3525
I-C4H10	Массовая доля	0,0606	0,0002	0,0002	0,0002	0,0002	0,0195	0,0195	0,0195	0,0195	0,0606
N-C4H10	Массовая доля	0,0709	0,0001	0,0001	0,0001	0,0001	0,0217	0,0217	0,0217	0,0217	0,0709
I-C5H12	Массовая доля	0,0085	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000	0,0024	0,0024	0,0024	0,0024	0,0085
N-C5H12	Массовая доля	0,0060	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000	0,0017	0,0017	0,0017	0,0017	0,0060
C6+	Массовая доля	0,0017	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000	0,0004	0,0004	0,0004	0,0004	0,0017

1. Способ выделения из природного газа пропан-бутановой и этановой фракций, состоящий из последовательно следующих друг за другом процессов сжатия газа в основном компрессоре, охлаждения газа в аппарате воздушного охлаждения, выделения из газа пропан-бутановой и этановой фракций в блоке низкотемпературной конденсации, включающем в себя процессы охлаждения газа в теплообменниках, сепарации из газа сконденсировавшегося конденсата, расширения газа в турбине основного турбодетандера или в дросселе, обработки охлажденного газа и/или выделенного из газа конденсата в ректификационной колонне, нагрева газа в теплообменниках, отличающийся тем, что после сжатия газа в основном компрессоре сжатый газ с температурой не менее 100°С направляется в турбину дополнительного турбодетандера.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газ после сжатия газа в основном компрессоре дополнительно нагревают.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что газ дополнительно нагревают за счет рекуперации тепла выхлопных газов газотурбинного привода основного компрессора.

4. Установка выделения из природного газа пропан-бутановой и этановой фракций, содержащая последовательно установленные и соединенные между собой основной компрессор, аппарат воздушного охлаждения, блок низкотемпературной конденсации, состоящий из по меньшей мере двух теплообменников, установленных последовательно или параллельно, сепаратора, турбины основного турбодетандера, ректификационной колонны, отличающаяся тем, что между основным компрессором и аппаратом воздушного охлаждения установлена турбина дополнительного турбодетандера, а компрессорные части основного и дополнительного турбодетандеров установлены в потоке газофазного продукта из ректификационной колонны на выходе из теплообменников.

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.

Установка для получения углеводородов из газовой смеси // 2739754

Изобретение относится к оборудованию для разделения газообразных смесей углеводородов с неконденсируемыми газами и может быть использовано в газовой промышленности для подготовки низкокалорийного природного газа, а также для разделения промышленных газовых смесей.

Способ и система для получения потока тощего метансодержащего газа // 2731351

Изобретение относится к способу и системе получения потока тощего метансодержащего газа (22). Поток углеводородного сырья (10) подают в сепаратор (100).

Способ и система для получения потока тощего метансодержащего газа // 2731351

Установка низкотемпературной дефлегмации с ректификацией нтдр для комплексной подготовки газа и выработки спг // 2730289

Предложена установка низкотемпературной дефлегмации с ректификацией НТДР для комплексной подготовки газа и выработки СПГ, включающая входной сепаратор, блок низкотемпературной конденсации с редуцирующими устройствами, содержащий первый и второй рекуперационные теплообменники, дефлегматор с теплообменной секцией, соединенный линией подачи газа дефлегмации, оснащенной редуцирующим устройством, с низкотемпературным сепаратором, оснащенным линией вывода подготовленного природного газа, а также блок стабилизации конденсата, где в качестве низкотемпературного сепаратора установлен деметанизатор с линией подачи деметанизированного конденсата и линией вывода подготовленного природного газа, оснащенной первым рекуперационным теплообменником, по меньшей мере одно из редуцирующих устройств выполнено в виде детандера, на линии подачи газа дефлегмации после редуцирующего устройства расположен сепаратор, соединенный с деметанизатором линией подачи остатка сепарации, на которой расположена теплообменная секция дефлегматора, а с блоком получения СПГ - линией подачи газа сепарации, к которой примыкает линия подачи его части в линию подачи остатка сепарации, при этом линии вывода конденсатов из входного сепаратора и дефлегматора с редуцирующими устройствами, а также линия подачи первой части деметанизированного конденсата, нагретого во втором рекуперационном теплообменнике, соединены с деметанизатором, а на линии подачи второй его части в качестве блока стабилизации установлен узел дебутанизации, оснащенный линиями вывода продуктов, кроме того, блок получения СПГ включает последовательно расположенные на линии подачи газа сепарации узел очистки от углекислоты, первый рекуперационный теплообменник, первый компрессор, холодильник с линиями ввода/вывода внешнего хладоагента, узел осушки, первый и второй рекуперационные теплообменники, детандер и сепаратор с линией вывода СПГ и линией подачи обратного газа в линию вывода подготовленного природного газа, на которой расположены второй рекуперационный теплообменник и второй компрессор, а первый и второй компрессоры соединены с детандером блока получения СПГ и по меньшей мере с одним из детандеров блока низкотемпературной конденсации посредством кинематической или электрической связи.

Установка деэтанизации магистрального газа по технологии нтдр (варианты) // 2727505

Изобретение относится к двум вариантам установки низкотемпературной дефлегмации с ректификацией. По одному из вариантов объектом является установка деэтанизации магистрального газа по технологии низкотемпературной дефлегмации с ректификацией НТДР с линиями газа высокого и низкого давления, включающая блок осушки, рекуперационный теплообменник, детандеры, соединенные с компрессором посредством кинематической или электрической связи, дефлегматор, оснащенный линиями вывода флегмы и газа дефлегмации с детандером, сепаратор с линиями подачи газа низкого давления, широкой фракции легких углеводородов, а также метансодержащего газа из блока фракционирования, отличающаяся тем, что в качестве сепаратора установлен деметанизатор, соединенный с дефлегматором линией подачи флегмы, оснащенной редуцирующим устройством, линия вывода газа дефлегмации соединена с линией подачи газа низкого давления, линия подачи широкой фракции легких углеводородов соединена со вторым рекуперационным теплообменником, размещенным на байпасной линии рекуперационного теплообменника после компрессионной холодильной машины, при этом линия подачи широкой фракции легких углеводородов после второго рекуперационного теплообменника соединена с деметанизатором.

Установка комплексной безотходной подготовки газа нтдр // 2727503

Предложена установка комплексной безотходной подготовки газа по технологии низкотемпературной дефлегмации с ректификацией НТДР, включающая входной сепаратор, первый и второй рекуперационные теплообменники, дефлегматор с теплообменной секцией, оснащенный линией подачи газа дефлегмации с редуцирующим устройством, сепаратор, оснащенный линией вывода подготовленного природного газа, а также блок фракционирования.

Установка нтдр для выделения углеводородов с2+ из магистрального газа (варианты) // 2727501

Предложена установка НТДР для выделения углеводородов С2+ из магистрального газа (варианты), где один из вариантов включает блок осушки, рекуперационный теплообменник, детандер, соединенный с компрессором кинематической или электрической связью, дефлегматор с линией подачи флегмы и линией подачи газа дефлегмации, оборудованной редуцирующим устройством, сепаратор, оснащенный линиями вывода деэтанизированного газа и конденсата, а также линией подачи метансодержащего газа из блока фракционирования, где на линии магистрального газа после рекуперационного теплообменника установлены первый и второй промежуточные сепараторы с редуцирующим устройством между ними и дефлегматор, в качестве сепаратора установлен деметанизатор, оснащенный линией подачи деметанизированного конденсата в блок фракционирования и линией вывода деэтанизированного газа с теплообменной секцией дефлегматора и первым рекуперационным теплообменником, на байпасе которого установлен узел охлаждения, включающий второй рекуперационный теплообменник и компрессор, кроме того, деметанизатор соединен с первым и вторым промежуточными сепараторами и дефлегматором линиями подачи конденсатов с редуцирующими устройствами, а со вторым рекуперационным теплообменником - линиями ввода/вывода циркуляционного орошения, при этом по меньшей мере одно редуцирующее устройство выполнено в виде детандера, а линия подачи газа дефлегмации соединена с линией вывода деэтанизированного газа.

Система подвода тепла в ректификационную колонну (варианты) // 2725305

Изобретение относится к системе подвода тепла в ректификационную колонну и может найти применение в нефтегазоперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности.

Система подвода тепла в ректификационную колонну (варианты) // 2725305