富甲烷气精馏脱氢氮并生产液化天然气的工艺和装置制造方法及图纸

一种富甲烷气精馏脱氢氮并生产液化天然气的工艺和装置，包含低温液化和精馏分离两部分；低温液化包括含氢气、氮气的富甲烷气首先进入冷箱，由混合冷剂提供冷量在冷箱中将甲烷组分液化；精馏分离包括：液化后的含氢气、氮气的富甲烷气直接进入单塔精馏塔精馏，脱除氢气、氮气及少量一氧化碳；精馏塔顶部得到氢气、氮气及少量一氧化碳的混合气，该氢气、氮气、一氧化碳混合气经冷箱回收冷量后出冷箱系统；精馏塔底部的液相返回冷箱中过冷后出系统，得到氢气含量≤500ppm，氮气含量≤2%，一氧化碳≤2%的液化天然气产品。本发明专利技术提供了一种将富甲烷气液化生产液化天然气的同时脱除氢气、氮气、一氧化碳的工艺，流程较为简单且设备投资费用较低。

【技术实现步骤摘要】
富甲烷气精馏脱氢氮并生产液化天然气的工艺和装置
本专利技术提供了一种富甲烷气精馏脱氢氮并生产液化天然气的工艺和装置。煤基合成气、焦炉气以及焦炉气甲烷化后的气体等除含有甲烷外，还含有氮气、氢气及少量的一氧化碳，为得到液化天然气，需将其脱除到一定程度，才能作为液化天然气（LNG）产品产出。
技术介绍
迫于环保及能源成本压力，天然气作为一次能源在社会各个领域所占比例正逐渐提升，其应用领域已逐渐扩大到发电、汽车用气、工业用气、城市居民用气、化工用气等方面，市场需求量迅速增加。传统的天然气管输供应方式仍为主流，但受原料条件及用户分布限制，有相当一部分资源无法进行管道长距离输送，需选择液化的方式，将甲烷转变为液体再采用灵活的运输方式将其送往用户终端。并且，液化天然气（LNG）体积只有同量气体体积的1/625，液化后可以降低贮存和运输成本，且可以提高单位体积的燃值。液化天然气工业的不断发展，对天然气液化方法和装置在能耗、投资和效率等方面提出了更高的要求。对于某些富含甲烷气体，例如煤基合成气和焦炉气甲烷化后得到的合成天然气等，其组成除甲烷外，还含有氮气、氢气等，为得到高纯度的液化天然气，需将其中的氮气、氢气脱除到一定程度，才能作为液化天然气（LNG）产品产出。目前常用的气体分离方法一般有低温液化分离、变压吸附及膜分离等，目前低温液化分离技术正逐渐应用于富甲烷气体提纯及液化天然气的生产。如附图1所示为富甲烷气提纯及液化工艺，该工艺包括低温液化和精馏分离两部分；低温液化部分由制冷剂提供冷量在冷箱中实现天然气的液化；精馏分离部分采用双塔精馏（高压塔及低压塔）流程脱除氢气、氮气，低压精馏塔顶部得到富氮气，高压精馏塔顶部得到富氢气；采用这一工艺可以得到杂质气体脱除合格的液化天然气产品，但这一工艺流程较为复杂，采用两台精馏塔，设备投资费用较高，并且不易于装置开车操作。中国专利201210065876.5公开了一种从富甲烷的气体中脱氢气、氮气、一氧化碳并生产液化天然气的工艺，如附图2所示，该工艺包括低温液化工序和前带闪蒸的精馏分离工序两部分；其中，含氢气、氮气、一氧化碳的富甲烷的混合气首先经冷箱预冷，之后进入精馏塔的塔底再沸器为精馏塔提供热量，出塔底再沸器的混合流股返回冷箱的后序换热器中冷却后出冷箱进入闪蒸罐中闪蒸，闪蒸罐顶部得到部分的富氢气，返回冷箱复热，闪蒸罐底部液相经节流阀节流后进入精馏塔中精馏；精馏塔顶部得到氢气、氮气、一氧化碳的混合气，该氢气、氮气、一氧化碳混合气经冷箱回收冷量后出冷箱系统；精馏塔底部的液相返回冷箱中过冷后出系统，作为氢气含量≤4000ppm，氮气含量≤8%，一氧化碳≤9%的液化天然气产品获得。该专利的工艺流程虽较为简单，但作为液化天然气产品的氢气含量、氮气含量、一氧化碳含量仍然较高。采用闪蒸这一过程会不可避免的造成闪蒸气中携带大量的甲烷，且其量无法精确控制，会造成甲烷组分较大的损失。因此，这一闪蒸加精馏分离工艺尽管可将氢、氮等杂质组分脱除至合格，也使得甲烷组分损失较大，适用于对甲烷收率要求不高的场合。本专利技术的目的之一在于研发一种新的流程以提高LNG产品中甲烷含量，提高甲烷收率。
技术实现思路
本专利技术人令人惊奇地发现，通过由混合冷剂提供冷量将冷箱中含氢气、氮气的富甲烷气中甲烷组分液化；然后直接进入单塔精馏塔精馏，脱除氢气、氮气及少量一氧化碳能将氢气、氮气及可能含有的一氧化碳脱除的同时得到氢气含量≤500ppm，氮气含量≤2%，一氧化碳≤2%的液化天然气，流程较为简单且设备投资费用较低。采用精馏分离工艺可以精确控制LNG产品及精馏尾气中甲烷组分含量，与闪蒸加精馏分离工艺相比，LNG产品中甲烷含量至少提高3%，杂质组分含量更低。因此，本专利技术提供一种富甲烷气精馏脱氢氮并生产液化天然气的工艺，该工艺包括低温液化和精馏分离两部分；低温液化包括含氢气、氮气的富甲烷气首先进入冷箱，由混合冷剂提供冷量在冷箱中将甲烷组分液化；精馏分离包括：液化后的含氢气、氮气的富甲烷气直接进入单塔精馏塔精馏，脱除氢气、氮气及少量一氧化碳；精馏塔顶部得到氢气、氮气及少量一氧化碳的混合气，该氢气、氮气、一氧化碳混合气经冷箱回收冷量后出冷箱系统；精馏塔底部的液相返回冷箱中过冷后出系统，得到氢气含量≤500ppm，优选≤300ppm，氮气含量≤2%，优选≤1%，一氧化碳≤2%，优选≤1%的液化天然气产品。一般情况下，在低温液化中，冷箱的冷量和精馏塔底再沸器的热量由混合工质压缩系统提供或主要由混合工质压缩系统提供；由C1～C5和N2组成的混合工质经过合理配比后（N2:5mol%～25mol%，优选10mol～15mol%，C1:10mol%～25mol%，优选15mol%～20mol，C2:30mol%～55mol%，优选35mol%～45mol%，C3:10mol%～25mol%，优选15mol%～20mol%，C5:10mol%～25mol%，优选15mol%～20mol%，基于全部气体的总摩尔数）进入压缩机的入口，经第一段压缩至0.6～1.8MPaA，进入第一级冷却器冷却至30℃～40℃，再进入第一级气液分离器进行气液分离，第一级气液分离器顶部分离出的气体继续进入压缩机的第二段入口，经二段压缩至1.2～5.4MPaA，第一级气液分离器底部液相端分离出的液体经液体泵加压后与第二段压缩出口管道的热气体汇合后，再进入第二级冷却器中被冷却至30℃～40℃，冷却后的混合工质随后进入第二级气液分离器进行气液分离，第二级气液分离器底部分离出的液体进入冷箱的第一换热通道参与换热，第二级气液分离器的顶部气体随后进入冷箱的第二换热通道参与换热；从混合工质压缩系统的第二级气液分离器底部引出的液体首先进入冷箱的第一换热通道，在其中被预冷至约-10℃～-80℃，优选-20℃～-60℃，优选-30℃～-50℃，经第一节流阀节流至0.2～0.8MPaA，优选0.4～0.6MPaA后与经过第二节流阀返回的混合工质流股汇合并反向进入第三级换热通道为冷箱提供冷量和然后返回到第一压缩段；由第二级气液分离器顶部分离出的混合工质的气相流股通过冷箱的第二换热通道冷却至一定温度（一般至-75℃～-130℃范围，优选-90℃～-110℃范围）后出冷箱，进入精馏塔的塔底再沸器为精馏塔提供热量，出塔底再沸器的流股（自身温度降低至-80℃～-133℃）返回冷箱（例如第八换热通道）继续冷却至-140℃～-165℃，优选-150℃～-160℃，再经第二节流阀节流至0.2～0.8MPaA，优选0.4～0.6MPaA，后反向进入冷箱的第三换热通道为冷箱提供冷量。优选地，所述精馏流程采用一台精馏塔，精馏塔包括塔底的再沸器、塔顶的冷凝器和分液罐。在优选的情况下，在所述精馏分离流程中，富甲烷气首先经冷箱冷却至一定温度（一般至-140℃～-165℃范围）后，出冷箱的流股经一节流装置（优选节流阀）节流减压（一般减压至0.6～3.5MPaA范围，优选0.8～3.0MPaA范围，更优选1.5～2.5MPaA范围）之后进入精馏塔中精馏（操作压力在0.6～3.5MPaA范围，优选0.8～3.0MPaA范围，更优选1.5～2.5MPaA范围），塔顶气体为氢、氮、一氧化碳混合气，经冷箱回收冷量后出冷箱系统；精馏塔的底部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种富甲烷气精馏脱氢氮并生产液化天然气的工艺，该工艺包括低温液化和精馏分离两部分；低温液化包括含氢气、氮气的富甲烷气首先进入冷箱，由混合冷剂提供冷量在冷箱中将甲烷组分液化；精馏分离包括：液化后的含氢气、氮气的富甲烷气直接进入单塔精馏塔精馏，脱除氢气、氮气及少量一氧化碳；精馏塔顶部得到氢气、氮气及少量一氧化碳的混合气，该氢气、氮气、一氧化碳混合气经冷箱回收冷量后出冷箱系统；精馏塔底部的液相返回冷箱中过冷后出系统，得到氢气含量≤500ppm，氮气含量≤2%，一氧化碳≤2%的液化天然气产品。

【技术特征摘要】
1.一种富甲烷气精馏脱氢氮并生产液化天然气的工艺，该工艺包括低温液化和精馏分离两部分；低温液化包括含氢气、氮气的富甲烷气首先进入冷箱，由混合冷剂提供冷量在冷箱中将甲烷组分液化；精馏分离包括：液化后的含氢气、氮气的富甲烷气直接进入单塔精馏塔精馏，脱除氢气、氮气及少量一氧化碳；精馏塔顶部得到氢气、氮气及少量一氧化碳的混合气，该氢气、氮气、一氧化碳混合气经冷箱回收冷量后出冷箱系统；精馏塔底部的液相返回冷箱中过冷后出系统，得到氢气含量≤500ppm，氮气含量≤2%，一氧化碳≤2%的液化天然气产品，其中单塔精馏流程采用混合制冷剂提供热源；其中，在低温液化部分中，冷箱的冷量和精馏塔底再沸器的热量由混合工质压缩系统提供或主要由混合工质压缩系统提供；由C1～C5和N2组成的混合工质经过合理配比后，进入压缩机的入口，经第一段压缩至0.6～1.8MPaA，进入第一级冷却器冷却至30℃～40℃，再进入第一级气液分离器进行气液分离，第一级气液分离器顶部分离出的气体继续进入压缩机的第二段入口，经二段压缩至1.2～5.4MPaA，第一级气液分离器底部液相端分离出的液体经液体泵加压后与第二段压缩出口管道的热气体汇合后，再进入第二级冷却器中被冷却至30℃～40℃，冷却后的混合工质随后进入第二级气液分离器进行气液分离，第二级气液分离器底部分离出的液体进入冷箱的第一换热通道参与换热，第二级气液分离器的顶部气体随后进入冷箱的第二换热通道参与换热；从混合工质压缩系统的第二级气液分离器底部引出的液体首先进入冷箱的第一换热通道，在其中被预冷至-10℃～-80℃，经第一节流阀节流至0.2～0.8MPaA后与经过第二节流阀返回的混合工质流股汇合并反向进入第三级换热通道为冷箱提供冷量和然后返回到第一压缩段；由第二级气液分离器顶部分离出的混合工质的气相流股通过冷箱的第二换热通道冷却至-75℃～-130℃范围后出冷箱，进入精馏塔的塔底再沸器为精馏塔提供热量，出塔底再沸器的流股自身温度降低至-80℃～-133℃，返回冷箱继续冷却至-140℃～-165℃，再经第二节流阀节流至0.2～0.8MPaA后反向进入冷箱的第三换热通道为冷箱提供冷量。2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：其中在精馏塔的精馏过程中，精馏塔顶部气相在塔顶冷凝器中经液氮冷凝后进入分液罐中分液，分液罐顶部得到氢气、氮气、一氧化碳的混合气，分液罐底部液相回流入塔，精馏塔底液相返回冷箱中进行过冷操作后出冷箱系统，得到液化天然气产品。3.根据权利要求1或2所述的工艺，其中精馏塔底部的液相返回冷箱中过冷至-140℃至-165℃后出系统，作为液化天然气产品获得。4.根据权利要求1或2所述的工艺，其中精馏塔的塔顶冷凝器采用液氮提供冷量，来自系统外的氮气通过冷箱液化产生液氮，经节流阀节流后进入精馏塔的塔顶冷凝器来冷却塔顶气相物流，液氮气化后离开塔顶冷凝器并经冷箱回收冷量后出冷箱系统。5.根据权利要求3所述的工艺，其中精馏塔的塔顶冷凝器采用液氮提供冷量，来自系统外的氮...

【专利技术属性】
技术研发人员：何振勇，
申请(专利权)人：新地能源工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13