專利名稱：生產(chǎn)燃料及高純甲烷的深冷精餾系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及深冷精餾，更具體地說，涉及提純天然氣的深冷精餾。
在天然氣的生產(chǎn)中，有時(shí)必須對粗天然氣流進(jìn)行提純處理，以生產(chǎn)含足量可燃成分的天然氣，從而可使其在天然氣分配網(wǎng)如管線系統(tǒng)內(nèi)得以有效利用。已知有一些這樣的天然氣提純系統(tǒng)，并獲得工業(yè)應(yīng)用。
甲烷，天然氣的主要成分，廣泛用于化學(xué)合成的原料。為此，甲烷必須是高純的，以保證下游有效的合成。最希望生產(chǎn)高純甲烷，將它與天然氣提純過程結(jié)合一起，以適用于后續(xù)的化學(xué)合成反應(yīng)。
因此，本發(fā)明目的在于提供一種能處理粗天然氣進(jìn)料物流并生產(chǎn)燃料及高純度甲烷的系統(tǒng)。
處理含氮粗天然氣流的傳統(tǒng)天然氣提純系統(tǒng)，一般生產(chǎn)管道品級的天然氣，其含氮量很高，達(dá)5％(摩爾)甚至更多。盡管對于大多數(shù)的天然氣應(yīng)用場合，這都是可接受的，但在某些場合，這樣的氮含量也是不能容許，如某些冶金過程，其中氮有損于金屬。因此，本發(fā)明的另一目的在于，提供一種能處理粗天然氣進(jìn)料并生產(chǎn)燃料及高純天然氣的系統(tǒng)。
以上和其它目的，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本發(fā)明之后會是明顯的，是可通過本發(fā)明達(dá)到的，其一方面為一種生產(chǎn)燃料及高純度烴產(chǎn)品的方法包括(A)、提供一種包括氮、甲烷及二氧化碳進(jìn)料，其中進(jìn)料包含1-40％(體積)的二氧化碳；(B)、去除進(jìn)料中的二氧化碳，產(chǎn)生一種貧二氧化碳的進(jìn)料；(C)、冷卻該貧二氧化碳的進(jìn)料，并將冷卻后的貧二氧化碳進(jìn)料送入深冷蒸餾塔；(D)、通過在深冷蒸餾塔內(nèi)的深冷精餾，將貧二氧化碳進(jìn)料分離為燃料及高純烴產(chǎn)品；以及(E)、從深冷精餾塔的上部回收燃料，并從深冷精餾塔的下部回收高純烴產(chǎn)品。
本發(fā)明的另一方面是生產(chǎn)燃料及高純烴產(chǎn)品的裝置包括(A)、去除二氧化碳的系統(tǒng)及對該系統(tǒng)提供包含氮、甲烷及二氧化碳的進(jìn)料的設(shè)備；(B)、熱交換器及用于將來自二氧化碳去除系統(tǒng)的貧二氧化碳進(jìn)料輸送至熱交換器設(shè)備；(C)、深冷精餾塔及用于將來自熱交換器的貧二氧化碳進(jìn)料輸送至深冷精餾塔設(shè)備；(D)、從該深冷精餾塔上部回收燃料的設(shè)備；(E)、從深冷精餾塔下部回收高純烴產(chǎn)品的設(shè)備。
這里所用術(shù)語“塔”指的是一種蒸餾或分餾塔或蒸餾或分餾區(qū)，即接觸塔或接觸區(qū)，其中為實(shí)現(xiàn)流體混合物的分離，液相及汽相按逆流方式接觸，例如可通過裝在塔內(nèi)一系列垂直間隔的塔盤或塔板及／或諸如結(jié)構(gòu)式或無規(guī)則的填料單元來進(jìn)行汽、液相間的接觸。對蒸餾塔進(jìn)一步的討論，可參考R．H．佩里及C．H．希爾頓合編的“化學(xué)工程師手冊”，第五版，第13節(jié)“連續(xù)蒸餾方法”(邁克格偌-席爾圖書公司(McGraw-Hill Book Company)，紐約)。汽液接觸的分離過程取決于組分間的蒸汽壓差。高蒸汽壓(或高揮發(fā)性或低沸點(diǎn))的組分傾向于在汽相中濃縮，而低蒸汽壓(或低揮發(fā)性或高沸點(diǎn))的組分傾向于在液相中濃縮。部分冷凝是一種利用對蒸汽混合物進(jìn)行冷卻，使汽相中高揮發(fā)性組分濃縮及液相中低揮發(fā)性組分濃縮的分離的方法。精餾，或連續(xù)蒸餾是一種將連續(xù)部分汽化及冷凝組合一起，尤如汽液相間逆流處理所達(dá)到那樣的分離方法。汽、液相間的逆流接觸是絕熱的，可包括積分或微分的相間接觸。利用精餾原理分離混合物的分離裝置通?？苫ネǚQ為精餾塔、蒸餾塔、或分餾塔。深冷精餾是一種在至少部分溫度處于或低于150°K(絕對)下進(jìn)行的精餾方法。
這里所用術(shù)語“間接熱交換”指的是，兩流體在無任何實(shí)體接觸或彼此互不混合的情況下進(jìn)行的熱交換關(guān)系。
這里所用術(shù)語“上部”及“下部”分別指在蒸餾塔中點(diǎn)之上或之下的塔段。
這里所用術(shù)語“燃料”指含有15-40％(體積)甲烷的流體。
這里所用術(shù)語“高純甲烷”指含至少99％(體積)的甲烷、0．5％(摩爾)以下的氮及0．5％(摩爾)以下的重質(zhì)烴的流體。
這里所用術(shù)語“高純天然氣”指基本由烴，如甲烷及重質(zhì)烴組成的流體，并且含有不超過200ppm的氮，優(yōu)選不超過50ppm的氮。
這里所用術(shù)語“高純烴產(chǎn)品”指的是高純甲烷或高純天然氣。
這里所用術(shù)語“塔頂冷凝器”指的是通過塔內(nèi)蒸汽產(chǎn)生塔內(nèi)下流液體的熱交換裝置。
這里所用術(shù)語“塔底再沸器”指的是通過塔內(nèi)液體產(chǎn)生塔內(nèi)上流蒸汽的熱交換裝置。


圖1為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的流程示意圖，其中二氧化碳去除系統(tǒng)為化學(xué)吸收系統(tǒng)，尤其適于二氧化碳濃度較高的進(jìn)料，并生產(chǎn)高純度甲烷和燃料。
圖2為本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施方案的流程示意圖，其中二氧化碳去除系統(tǒng)為膜分離系統(tǒng)，尤其適于二氧化碳濃度較低的進(jìn)料，并生產(chǎn)高純度甲烷和燃料。
圖3是本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施方案的流程示意圖，其中生產(chǎn)高純度天然氣和燃料。
現(xiàn)參照附圖對本發(fā)明作更詳細(xì)的說明。參照圖1，將壓力一般在150-600磅／平方英寸絕對壓力(psia)范圍的進(jìn)料102引至分離器204中，在此分離器內(nèi)物流102中的液體以物流103去除。將包含氮、甲烷及二氧化碳的氣體進(jìn)料104送至二氧化碳去除系統(tǒng)208。一般這種進(jìn)料按照干氣計(jì)含2-85％(體積)的氮、15-95％(體積)的甲烷和1-40％(體積)的二氧化碳。在進(jìn)料流104中可含的其它物質(zhì)包括重質(zhì)烴如乙烷及丙烷。
二氧化碳去除系統(tǒng)208是以示意形式表示的。它屬于熱碳酸鉀系統(tǒng)，尤其適宜于進(jìn)料104中二氧化碳濃度在3-40％(體積)范圍。該熱碳酸鉀系統(tǒng)包括吸收塔，其中熱碳酸鉀溶液與進(jìn)料接觸以吸收二氧化碳。通過加熱并另用部分燃料產(chǎn)物作為汽提氣進(jìn)行汽提可使吸收了二氧化碳的吸收劑再生，此后將有描述。再生后的吸收劑可再循環(huán)至吸收塔中。
從二氧化碳去除系統(tǒng)208中以物流108抽出貧二氧化碳進(jìn)料，其二氧化碳的濃度一般為0．05-1．0％(體積)，并將其送至干燥器212，通過在吸附劑顆粒上的吸附過程，去除貧二氧化碳進(jìn)料中的所有水分。將所得干燥貧二氧化碳進(jìn)料110送至熱交換器214，使之通過與返回物流的間接熱交換被冷卻。將部分流經(jīng)熱交換器214后的物流110的一部分112從中抽出，并送至上游塔220的塔底再沸器222，通過與塔220的塔底液的間接熱交換，使之進(jìn)一步冷卻和部分冷凝。將所得物流114流經(jīng)閥216以物流115送至塔220。物流110其余部分116完全穿過熱交換器214進(jìn)一步進(jìn)行冷卻。將所得進(jìn)一步冷卻的尚可部分冷凝的物流通過閥218并以物流117送至塔220。
塔220操作一般在145-595psia的壓力范圍。在該塔220內(nèi)貧二氧化碳進(jìn)料經(jīng)精餾被分離為塔底液和塔頂蒸汽。塔底液內(nèi)包含重質(zhì)烴及二氧化碳以及一些甲烷，將其從塔220下部以物流118抽出，再經(jīng)閥226以物流119與其它物流合并，以進(jìn)行下述的進(jìn)一步處理。頂部蒸汽從塔220上部抽出，作為貧二氧化碳進(jìn)料130，再將其進(jìn)一步冷卻至所需深冷溫度。物流130包含大部分氮及甲烷，并可含少量二氧化碳及乙烷。
將貧二氧化碳進(jìn)料130送至熱交換器234，通過與返回物流的間接熱交換加以冷卻。將部分流經(jīng)熱交換器234的物流130的一部分132從熱交換器234抽出，送至深冷精餾塔240的塔底再沸器242中，通過與塔240的塔底液的間接熱交換，進(jìn)行冷卻及部分冷凝。再將所得流體134經(jīng)閥236以物流135送至深冷精餾塔240中。將130物流的其余部分136完全穿過熱交換器234，進(jìn)行進(jìn)一步的冷卻及部分冷凝。將所得進(jìn)一步冷卻后的物流經(jīng)閥238以物流137送進(jìn)塔240。
深冷精餾塔240操作一般在20-400psia的壓力范圍。在該深冷精餾塔240內(nèi)將冷卻后的貧二氧化碳進(jìn)料進(jìn)行深冷精餾，使之分離為燃料及高純甲烷。高純甲烷從塔240下部以液流150抽出。用泵250將物流150的一部分162還可泵至更高的壓力，然后作為物流164送至熱交換器234，在234中加以汽化。所得物流166經(jīng)熱交換器214進(jìn)一步加溫，并以物流168加以回收。物流150的其余部分152經(jīng)閥246減壓，將低壓液體物流153送至塔頂冷凝器244，進(jìn)行汽化，從而通過間接熱交換起到對塔240提供回流液的作用。經(jīng)熱交換器234使所得蒸汽154加溫，所得物流156經(jīng)熱交換器214進(jìn)一步加溫。將所得加溫物流158通過壓縮機(jī)260增壓，所得增壓后的物流159與物流168合并，形成物流170作為高純甲烷產(chǎn)品回收。
燃料以物流140自深冷精餾塔240上部抽出。物流140的第一部分141在熱交換器234中通過間接熱交換進(jìn)行加溫，并以物流144抽出。物流140的第二部分142旁路熱交換器234。將物流144及142與已經(jīng)過閥226閃蒸的物流119合并，形成混合相流145，送入塔頂冷凝器224。物流145在塔頂冷凝器224經(jīng)與塔220的上升蒸汽間接熱交換而被加溫及汽化，并產(chǎn)生220塔回流液體。將來自冷凝器224的所得加溫燃料流146穿過熱交換器214，進(jìn)一步加溫，再以物流178將其抽出。將燃料流178的一部分179用于再生干燥器212，再以含水蒸氣及甲烷和氮的物流181排出。按虛線所示回收178物流余下部分180，或可將其送至熱碳酸鉀系統(tǒng)的汽提塔，使碳酸鉀溶液進(jìn)行再生，再作為含二氧化碳的燃料流182加以排出。物流181及182或180合并一起，形成產(chǎn)物燃料流186。
附圖2說明本發(fā)明另一實(shí)施方案，尤其適用于進(jìn)料中二氧化碳的濃度在1-4％(體積)范圍。在圖2說明的實(shí)施方案中，所用二氧化碳去除系統(tǒng)是一種膜分離單元。對共同部件，圖2中的數(shù)字與圖1中的一樣，這些共同部件將不再詳盡描述。
現(xiàn)參照圖2，將進(jìn)料104送至膜分離器206，206分離器包括一種其對二氧化碳的選擇性超過對甲烷及氮二者的薄膜。二氧化碳及水蒸氣滲透通過該薄膜，并以滲透物流107從分離器206中分出，其一般操作壓力在15-25psia范圍。物流107一般也含一些甲烷，因此也可將其送入燃料流186，如圖2所示。將滯留的物流109作為貧二氧化碳的進(jìn)料送入干燥器212，用于如前所述的進(jìn)一步處理。
對于不含大量重質(zhì)烴的進(jìn)料，或在除燃料外還需要高純天然氣而非高純甲烷的場合，不必采用上游精餾塔220，可在冷卻步驟之后將貧二氧化碳進(jìn)料直接從二氧化碳去除系統(tǒng)送至深冷精餾塔。
圖3說明除生產(chǎn)燃料外還生產(chǎn)高純天然氣的一個(gè)實(shí)施方案。對共同部件，圖3中的數(shù)字與圖2中的相同，這些共同部件將不再詳盡描述?，F(xiàn)參照圖3，將干燥后的貧二氧化碳進(jìn)料110送至熱交換器314，通過與回流的間接熱交換加以冷卻。將部分流經(jīng)熱交換器314的物流110的一部分332抽出，送至深冷精餾塔340的塔底再沸器342，通過與塔340的塔底液的間接熱交換，進(jìn)一步加以冷卻及部分冷凝。將所得流體334經(jīng)閥386以物流335送至深冷精餾塔340。將物流110其余部分336以完全穿過熱交換器314，進(jìn)一步加以冷卻及部分冷凝。將所得進(jìn)一步冷卻后的物流經(jīng)閥338以物流337送至塔340中。
深冷精餾塔340操作于一般20-400psia的壓力范圍。在深冷精餾塔340內(nèi)，該冷卻后的貧二氧化碳進(jìn)料通過深冷精餾分離為燃料及高純天然氣，一般含有多至約95％(摩爾)的甲烷和其余基本上是有2或2以上碳原子的諸如乙烷及丙烷的烴，即重質(zhì)烴。
高純天然氣從塔340的下部以液流350排出，通過閥352作為物流364再送至熱交換器314，進(jìn)行加熱并優(yōu)選汽化。所得物流368從熱交換器314抽出并加以回收。以物流380從深冷精餾塔340上部排出燃料，物流380在熱交換器314中經(jīng)間接熱交換加溫，并以物流378排出。燃料流378的一部分379用于再生干燥器212，并以含水蒸汽、甲烷及氮的物流381排出。將物流378的其余部分390與物流381合并，形成物流386，直接加以回收，如圖3所示。如果需要，物流107還可與物流386合并以回收。
盡管現(xiàn)已參照某些實(shí)施方案對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員都會承認(rèn)在本發(fā)明所述權(quán)利要求的構(gòu)思及范圍內(nèi)還有一些其它實(shí)施方案。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)燃料及高純烴產(chǎn)品的方法包括(A)、提供一種包括氮、甲烷及二氧化碳的進(jìn)料，其中進(jìn)料包含1-40％(體積)的二氧化碳；(B)、去除進(jìn)料中的二氧化碳，產(chǎn)生一種貧二氧化碳的進(jìn)料；(C)、冷卻該貧二氧化碳的進(jìn)料，并將冷卻后的貧二氧化碳進(jìn)料送入深冷蒸餾塔中；(D)、通過在深冷精餾塔內(nèi)的深冷精餾，將貧二氧化碳進(jìn)料分離為燃料及高純烴產(chǎn)品；及(E)、從深冷精餾塔的上部回收燃料，并從深冷精餾塔的下部回收高純烴產(chǎn)品。
2.按照權(quán)利要求1所述方法，其中通過將進(jìn)料與熱碳酸鉀接觸并使進(jìn)料中的二氧化碳吸收至熱碳酸鉀中以去除進(jìn)料中的二氧化碳。
3.按照權(quán)利要求1所述方法，其中采用使進(jìn)料通過薄膜分離器并使進(jìn)料中二氧化碳選擇性地滲透穿過薄膜分離器的薄膜以去除進(jìn)料中二氧化碳。
4.按照權(quán)利要求1所述方法，其中進(jìn)料含一種或數(shù)種另外的具有2個(gè)或2個(gè)以上碳原子的烴物質(zhì)，和其中使貧二氧化碳進(jìn)料在進(jìn)入深冷精餾塔之前進(jìn)行精餾，以去除具有2個(gè)或2個(gè)以上碳原子的烴類。
5.按照權(quán)利要求1所述方法，其中高純烴產(chǎn)品是高純甲烷。
6.用于生產(chǎn)燃料及高純烴產(chǎn)品的裝置包括(A)、去除二氧化碳的系統(tǒng)及對該系統(tǒng)提供包含氮、甲烷及二氧化碳的進(jìn)料的設(shè)備；(B)、熱交換器及用于將來自二氧化碳去除系統(tǒng)的貧二氧化碳進(jìn)料輸送至熱交換器設(shè)備；(C)、深冷精餾塔及用于將來自熱交換器的貧二氧化碳進(jìn)料輸送至深冷精餾塔設(shè)備；(D)、從深冷精餾塔上部回收燃料的設(shè)備；(E)、從深冷精餾塔下部回收高純烴產(chǎn)品的設(shè)備。
7.按照權(quán)利要求6的裝置，還包括上游精餾塔，和其中用于將來自二氧化碳去除系統(tǒng)的貧二氧化碳進(jìn)料輸送至熱交換器的設(shè)備包括該上游精餾塔。
8.按照權(quán)利要求6的裝置，還包括干燥器，和其中用于從深冷精餾塔的上部回收燃料的設(shè)備包括輸送部分燃料通過干燥器的設(shè)備。
9.按照權(quán)利要求6的裝置，其中深冷精餾塔具有塔底再沸器和其中熱交換器設(shè)備包括塔底再沸器。
10.按照權(quán)利要求6的裝置，其中深冷精餾塔具有塔頂冷凝器，和其中從深冷精餾塔下部回收高純烴產(chǎn)品的設(shè)備包括塔頂冷凝器。
全文摘要
一種能夠生產(chǎn)燃料及如高純甲烷或高純天然氣的高純烴產(chǎn)品二者的天然氣純化系統(tǒng),其中高溫二氧化碳去除之后再進(jìn)行深冷精餾,以生產(chǎn)燃料及高純烴產(chǎn)品。
文檔編號F25J3/02GK1292486SQ0011995
公開日2001年4月25日 申請日期2000年6月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月1日
發(fā)明者M·M·沙, J·J·馬洛尼, R·F·德爾尼維奇 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司