Спосіб розділення газу та пристрій для його здійснення

УКРАЇНА (19) (11) (13) (51) 6 F 25 J 3/02 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ 1 НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ .: . ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (54) СПОСІБ РОЗДІЛЕННЯ ГАЗУ ТА ПРИСТРІЙ ДЛЯ ЙОГО ЗДІЙСНЕННЯ (21)93002621 . •« (22)08 10 1993 (24)15 112000 -і '* (31) 194878 - ' (32) 17 05 1988 (33) US ' *ї > (46) 15 11 2000, Бюл № 6 2000 р (72) Кемпбелл Рой Є (US) ВІЛКІНСОН Джон Д (GB), Хадсон Хенк М (US) (73) ЕЛКОР КОРПОРЕЙШН (US) (56) 1 Патент США №94251249, М кл F 25 J 3/02,1981 2 Патент США №4278457, М кл F 25 J 3/02, 1981 3 Патент США №4617039. М кл F 25 J 3/02, 1986 (57) 1 Способ разделения газа путем ступенча того охлаждения исходного компримированного газа, включающего первичное охлаждение оста точным газом, охлаждение внешним теплоноси телем и вторичное охлаждение остаточным га зом, сепарации на паровую и жидкую фазы, рас ширения пара и жидкости, ректификации в дистилляционной колонне с образованием дистилляционного потока потока флегмы, остаточного газа и получением жидкого продукта, отличаю щийся тем, что поток пара после сепарации де лят на два потока, первый из которых охлаждают остаточным газом с образованием жидкости, рас ширяют с понижением температуры, нагревают в процессе теплообмена с дистилляционным пото ком и подают на ректификацию в верхнюю часть середины колонны, второй поток пара расши ряют с понижением температуры и отдачей внешней работы на сжатие остаточного газа и направляют в середину колонны, а жидкость пос ле ее расширения подают на ректификацию в нижнюю часть середины колонны 2 Способ по п 1. отличающийся тем, что охлаж денный дистилляционный поток сепарируют с образованием остаточного газа и флегмы, при чем поток флегмы подают в верхнюю часть ко лонны 3 Способ по п 2, отличающийся тем, что поток флегмы подают в верхнюю часть колонны с по мощью насоса 4 Способ по п 1, отличающийся тем, что дис тилляционный поток охлаждают и конденсируют в процессе теплообмена в дефлегматоре с обра зованием остаточного газа и потока флегмы, причем поток флегмы подают в верхнюю часть дистилляционной колонны 5 Способ по пп 1-4, отличающийся тем, что оп ределяют температуру потоков, подаваемых в колонну, и поддерживают заданной температуру верхнего отгона дистилляционного потока 6 Способ разделения газа путем ступенчатого охлаждения исходного компримированного газа, включающего первичное охлаждение остаточ ным газом охлаждение внешним теплоносите лем и вторичное охлаждение остаточным газом, расширения с понижением температуры и отда чей внешней работы, ректификации в дистилляционной колонне с образованием дистилляцион ного потока потока флегмы, остаточного газа и получением жидкого продукта отличающийся тем, что часть исходного газа отводят и направ ляют на охлаждение остаточным газом с образо ванием жидкости, расширяют с понижением тем пературы, нагревают в процессе теплообмена с дистилляционным потоком и подают в верхнюю часть середины колонны, а остальную часть пос ле расширения с понижением температуры и от дачей внешней работы на сжатие остаточного га за направляют в середину колонны 7 Способ по п 6, отличающийся тем, что часть исходного газа отводят до первичного охлажде ния и направляют на предварительное охлажде ние остаточным газом 8 Способ по пб, отличающийся тем, что часть ис ходного газа отводят до вторичного охлаждения 9 Способ по п 6, отличающийся тем, что часть исходного газа отводят после вторичного охлаж дения 10 Способ по п 6, отличающийся тем, что ос тальную часть исходного газа после вторичного охлаждения остаточным газом сепарируют на па ровую и жидкую фазу, пар расширяют с пониже нием температуры и отдачей внешней работы на сжатие остаточного газа, а жидкость расширяют с понижением температуры и подают в нижнюю часть середины колонны 11 Способ по п 10, отличающийся тем, что часть жидкости после сепарации подают на сме шение с отведенной частью исходного газа пе ред его охлаждением 12 Способ по ппб-11, отличающийся тем, что охлажденный дистилляционный поток сепари 29391 руют с образованием остаточного газа и флегмы, примем поток флегмы подают в верхнюю часть колонны 13 Способ по п 12, отличающийся тем, что по ток флегмы подают в верхнюю часть колонны с помощью насоса 14 Способ по ппб-11, отличающийся тем, что дистилпяционный поток охлаждают и конденси руют в процессе теплообмена в дефлегматоре с образованием остаточного газа и потока флегмы, причем поток флегмы подают в верхнюю часть колонны. 15 Способ разделения газа путем ступенчатого охлаждения исходного компримированного газа, включающего первичное охлаждение остаточ ным газом, охлаждение внешним теплоносите лем и вторичное охлаждение остаточным газом, сепарации на паровую и жидкую фазы, расшире ния пара и жидкости, ректификации в дистилляционной колонне с образованием дистилляционного потока, потока флегмы, остаточного газа и получением жидкого продукта, отличающийся тем, что поток пара после сепарации делят на два потока, первый из которых охлаждают оста точным газом с образованием жидкости, расши ряют с понижением температуры, нагревают в процессе теплообмена с дистилляционным пото ком и подают в верхнюю часть середины колонны, второй поток пара расширяют с пони жением температуры и отдачей внешней работы на сжатие остаточного газа и направляют в сере дину колонны, жидкость после сепарации охлаж дают, часть жидкости после охлаждения отводят на смешение с первым потоком, остальную часть жидкости расширяют с понижением температу ры, нагревают в процессе теплообмена с жид костью, поступающей после сепарации, и подают на ректификацию в нижнюю часть середины копонны. 16. Способ по п.15, отличающийся тем, что часть жидкости после охлаждения отводят на смешение с первым потоком перед его охлаждением. 17. Способ по п.15, отличающийся тем, что часть жидкости после охлаждения отводят на смешение с первым потоком перед его расшире нием, 18. Способ по п.15, отличающийся тем, что часть жидкости после охлаждения отводят на расширение и смешение с первым потоком после его расширения. 19 Способ по п 15, отличающийся тем, что часть жидкости после охлаждения отводят на расширение и подают на ректификацию в верхнюю часть средней секции колонны. 20. Способ по пп. 15-19, отличающийся тем, что охлажденный дистилляционный поток сепарируют с образованием остаточного газа и флегмы, причем поток флегмы подают в верхнюю часть колонны. 21. Способ по п.20, отличающийся тем, что по ток флегмы подают на ректификацию в верхнюю часть колонны с помощью насоса. 22. Способ по пп.15-19, отличающийся тем, что дистилпяционный поток охлаждают и конденси руют в процессе теплообмена в дефлегматоре с образованием остаточного газа и потока флегмы, причем поток флегмы подают на ректификацию в верхнюю часть колонны. 23 Устройство длп разделения газа, содержа щее линию прямого потока исходного газа с пос ледовательно включенными первичным регене ративным теплообменником, теплообменникомохладителем, вторичным регенеративным теп лообменником и сепаратором, турбодетандер, подключенный входом к верхней части сепарато ра, дистилляционную колонну, жидкостную ли нию с расширительным клапаном, соединяющую нижнюю часть сепаратора с дистилляционной ко лонной, дожимающий компрессор с приводом от детандера и линию обратного потока остаточного газа с последовательно включенным первичным и вторичным регенеративными теплообменника ми и дожимающим компрессором, отличающее ся тем, что устройство снабжено магистралью, соединяющей вход в турбодетандер с верхней частью середины колонны, с последовательно включенными в нее дополнительными регенера тивным теплообменником, дополнительным рао ширительным клапаном и теплообменным уст ройством, причем верхняя часть колонны через теплообменное устройство подключена к линии обратного потока остаточного газа, выход из турбодетандера подключен к центру колонны , а жидкостная линия подключена к нижней части се редины колонны. 24 Устройство по п 23, отличающееся тем, что теплообменное устройство выполнено в виде ре генеративного теплообменника с полостями пря мого потока, включенного в магистраль, и обрат-" ного потока, снабжено сепаратором, подключен ным входом к выходу из полости обратного пото ка регенеративного теплообменника, верхней частью - к линии обратного потока остаточного газа, и насосом, подключенным входом к нижней части сепаратора, а выходом - к верхней части колонны. 25. Устройство по п.23, отличающееся тем, что колонна выполнена двухсекционной, а теплооб менное устройство - в виде теплообменной по верхности, размещенной в верхней секции ко лонны 26. Устройство по п 23, отличающееся тем, что теплообменное устройство выполнено в виде дефлегматора. 27. Устройство по п.23, отличающееся тем, что оно снабжено системой автоматического управ ления с датчиками температуры, установленны ми на линиях , подключенных к колонне. 28. Устройство для разделения газа, содержа щее линию прямого потока исходного газа с пос ледовательно включенными первичным регене ративным теплообменником, теплообменникомохладителем, вторичным регенеративным теп лообменником и сепаратором, турбодетандер, подключенный входом к верхней части сепарато ра, дистилляционную колонну, жидкостную ли нию с расширительным клапаном, соединяющую нижнюю часть сепаратора с дистилляционной ко лонной, дожимающий компрессор с приводом от детандера и линию обратного потока остаточного газа с последовательно включенными первич ным и вторичным регенеративными теплообмен никами и дожимающим компрессором, отличаю щееся тем, что устройство снабжено магистрапью, подключенной входом к линии прямого пото 29391 ка исходного газа, а выходом - к верхней части середины колонны, с последовательно включенными в нее дополнительным регенеративным теплообменником, дополнительным расширительным клапаном и теплообменным устройством, причем верхняя часть колонны через теплообменное устройство подключена к линии обратного потока остаточного газа, выход из турбодетандера подключен к центру колонны, а жидкостная линия подключена к нижней части середины колонны 29 Устройство no n 28, отличающееся тем, что магистраль снабжена предварительным регене ративным теплообменником, включенным перед дополнительным регенеративным теплообменни ком, при этом вход магистрали подключен перед первичным регенеративным теплообменником 30 Устройство по п 28, отличающееся тем, что вход магистрали подключен перед вторичным регенеративным теплообменником 31 Устройство по п 28, отличающееся тем, что вход магистрали подключен за вторым регенера тивным теплообменником 32 Устройство по пп 28-31, отличающееся тем, что оно снабжено байпасной линией, подключен ной входом к жидкостной линии перед расшири тельным клапаном, а выход которой соединен с магистралью перед дополнительным регенера тивным теплообменником 33. Устройство по пп 28-32, отличающееся тем, что теплообменное устройство выполнено в виде регенеративного теплообменника с полостями прямого потока, включенного в магистраль, и обратного потока, снабжено сепаратором, подключенным входом к выходу из полости обратного потока регенеративного теплообменника, а верхней частью - к линии обратного потока остаточного газа и насосом, подключенным входом к нижней части сепаратора, а выходом-к верхней части колонны 34 Устройство по пп 28-32, отличающееся тем, что колонна выполнена двухсекционной, а теп лообменное устройство - в виде теплообменной поверхности, размещенной в верхней секции ко лонны. 35 Устройство по пп 28-32, отличающееся тем, что теплообменное устройство выполнено в виде дефлегматора 36 Устройство по пп 28-32, отличающееся тем, что снабжено системой автоматического управ ления с датчиками температуры, установленны ми на линиях, подключенных к колонне 37 Устройство для разделения газа, содержа щее линию прямого потока исходного газа с пос ледовательно включенными первичными регене ративным теплообменником, теплообменником охладителем, вторичным регенеративным теп лообменником и сепаратором, турбодетандер, подключенный входом к верхней части сепарато ра, дистилляционную колонну жидкостную линию с расширительным клапаном, соединяющую нижнюю часть сепаратора с дистилляционной колонной, дожимающий компрессор с приводом от детандера и линию обратного потока остаточного газа с последовательно включенными первичным и вторичным регенеративными теплообменниками и дожимающим компрессором, отличающееся тем, что устройство снабжено двухполостным регенеративным теплообменником- переохладителем, включенным в жидкостную линию за сепаратором, байпасной линией подключенной входом к жидкостной линии перед расширительным клапаном, магистралью, соединяющей вход в турбодетандер с верхней частью середины колонны, с последовательно включенными в нее дополнительным регенеративным теплообменником, дополнительным расширительным клапаном и теплообменным устройством, причем верхняя часть колонны через теплообменное устройство подключена к линии обратного потока остаточного газа, выход из турбодетандера подключен к центру колонны а жидкостная линия подключена к нижней части середины колонны 38 Устройство по п 37, отличающееся тем, что выход байпасной линии подключен к магистрали перед дополнительным регенеративным теп лообменником 39 Устройство по п 37, отличающееся тем, что выход байпасной линии подключен к магистрали перед дополнительным расширительным клапа ном 40 Устройство по п 37, отличающееся тем, что выход байпасной линии через дроссельный кла пан подключен к магистрали между расшири тельным клапаном и теплообменным устройст вом 41 Устройство по п 37, отличающееся тем, что выход байпасной линии подключен через дрос сельный клапан к верхней части колонны 42 Устройство по пп 37-41, отличающееся тем, что теплообменное устройство выполнено в виде регенеративного теплообменника с полостью прямого потока, включенного в магистраль, и по лостью обратного потока, снабжено сепарато ром, подключенным входом к выходу из полости обратного потока, верхней частью - к линии об ратного потока остаточного газа, и насосом, подключенным входом к нижней части сепарато ра, а выходом - к верхней части колонны 43 Устройство по пп 37-41, отличающееся тем, что колонна выполнена двухсекционной, а теп лообменное устройство - в виде теплообменной поверхности, размещенной в верхней секции ко лонны 44 Устройство по пп 37-41, отличающееся тем, что снабжено системой автоматического управ ления с датчиками температуры, установленны ми на линиях, подключенных к колонне Изобретение относится к способу разделения содержащего углеводороды газа Пропан и более тяжелые компоненты можно улавливать и извлекать из разнообразных газов, например из природного газа, газа нефтеперерабатывающих предприятий и синтетических газов, получаемых 29391 из других углеводородных материалов, например из угля, сырой нефти, нафта, битумною сланца, содержащих деготь песков и лигнита Как правило, природный газ состоит в основном из метана и этана (50 моль % газа) Газ также содержит к меньшем количестве более тяжелые углеводороды, например пропан, бутаны пентаны и другие подобные вещества, а также водород, азот, двуоксид углерода и некоторые другие газообразные вещества Настоящее изобретение конкретно относится к способу улавливания и извлечения пропана и более тяжелых углеводородов из потоков упомянутых газов В соответствии с изобретением предназначенный для обработки газ обычно содержит (мол %) 86 9 метана, 7,24 этана и других компонентов Сг, 3,2 пропана и других компонентов Сз, 0,34, изобутана, 1,12 нормального бутана, 0,19 изопентана, 0,24 нормального лентана. 0,12 гексана, а остальная часть газа приходится на азот и двуоксид углерода Иногда в газовом потоке присутствует также содержащая различные газы сера В настоящее время выделение этана и более тяжелых углеводородов из потоков природного газа осуществляют в криогенном процессе расширения газа, так как он отличается максимальной простотой легкостью реализации, операционной гибкостью, высокой эффективностью и надежностью Криогенный процесс расширения также успешно используется и для выделения пропана и более тяжелых углеводородов из потоков природного газа при одновременном отводе этана в поток остаточного газа вместе с метаном Является общераспространенной практикой использование одной и той же технологической схемы для улавливания и извлечения как этана, так и пропана Для осуществления того или иного процесса улавливания необходимо лишь изменять местоположение теплообменника в зависимости от используемых в процессе рабочих температур Соответствующие процессы обработки газовых потоков описаны в патентах США № 4278457, МПК F 25 J 3/04. 1981, №4251249, МПК F 25 J 3/02, 1981, и № 4617Q39, F 25 J 3/02, 1986 В соответствии с указанными решениями известен способ разделения газа путем ступенчатого охлаждения исходного компримированного газа, включающего первичное охлаждение остаточным газом, охлаждение внешним теплоносителем и вторичное охлаждение остаточным газом, сепарации на паровую и жидкую фазы расширения пара и жидкости, ректификации в дистилляционной колонне с образованием дистиппяционного потока, потока флегмы, остаточного газа и получением жидкого продукта В последние годы колебания как в спросе на этан в качестве жидкого продукта, так и в ценах на природный газ привели к тому, что в течение определенных периодов этан рассматривали в качестве наиболее ценного компонента остаточного газа, образующегося при обработке природного газа на промышленных установках Поэтому в настоящее время проявляется повышенный интерес к промышленному оборудованию по обработке природного газа, которое может гарантировать максимально возможное улавливание и извлечение пропана и более тяжелых углеводородов при одновременном максимальном отводе этана в поток остаточного газа Хотя в прошлом для улавливания и извлечения пропана широко использовали многочисленные варианты обработки газа с помощью турборасширителя. однако эффективность процесса не превышала 85-90%, при этом не предполагались затраты мощности на сжатие остатков и/или внешнее охлаждение С целью повышения эффективности улавливания и извлечения пропана за счет допущения существования в жидком продукте некоторого количества этана, которое должно быть извлечено Именно поэтому является желательным создание способа обработки газа, который позволил бы улавливать и извлекать пропан и более тяжелые углеводороды из потока газа, а в остаточном газе терялось бы минимальное количество пропана при одновременном отводе по существу всего этана В процессе криогенного расширения входящий под давлением в установку газ охлаждается в одном или нескольких теплообменниках с помощью холодных потоков от других участков технологического процесса обработки и/ипи за счет использования внешних источников охлаждения, например с помощью системы сжатия-охлаждения пропана Затем охлажденный газ расширяется до более низкого давления и подается в дистилляционную колонну, в которой и происходит выделение желаемого продукта (в виде остаточного жидкого продукта) из остаточного газа, который выгружается в виде пара верхнего погона колонны Это и является расширением охлажденной подачи, которое обеспечивает образование криогенных температур, необходимых для улавливания и извлечения желаемого продукта По мере охлаждения подаваемого или исходного газа может происходить конденсирование жидкостей, причем интенсивность конденсирования зависит от степени насыщенности газа полезными и нужными компонентами, а конденсат жидкости обычно собирают в одном или нескольких сепараторах Затем эти жидкости мгновенно испаряются с образованием более низкого давления, что приводит к дальнейшему охлаждению и частичному испарению После этого поток (потоки) расширенной жидкости можно непосредственно подавать в дистилляционную колонну (установку по отгону этана) или использовать для охлаждения подаваемого газа перед поступлением его в дистилляционную колонну Если исходный газ не будет полностью конденсирован (обычно так и бывает), тогда остающийся после охлаждения пар можно разделить на две или больше частей Одна часть пара проходит через устройство рабочего расширения или расширительный клапан и расширяется до более низкого давления Это приводит к еще большему охлаждению газа и образованию дополнительных жидкостей Затем этот поток попадает в дистилляционную колонну в позиции подачи по центру колонны Другая часть пара охлаждается до практически полной ее конденсации за счет теплообмена с другими потоками технологического процесса, например с помощью холодного верхнего по 29391 тока дистилпяционной колонны Затем этот, но существу, полностью конденсированный поток расширяется с помощью расширительного устройства (обычно расширительный клапан) Это, в свою очередь, приводит к охлаждению и частичному испарению потоков Этот поток, температура которого обычно ниже 120° F