用于分离较宽变化的甲烷和氮的系统和方法技术方案

公开了用于从具有较宽变化的氮气和甲烷含量的天然气进料流股中除去氮和生产高压甲烷产物流股的系统和方法。可选的附加系统可以引入所述氮气和甲烷分离中从而生成NGL销售流股，以降低所述氮气排放流股中过量的烃或回收氦气。本发明专利技术的所述系统和方法特别适合用于过量50MMSCFD和最高达300MMSCFD和含有最高达100ppm的二氧化碳的进料流股。根据本发明专利技术的所述系统和方法，降低了对于压缩所述甲烷产物流股以产生适合销售的合适的高压流股的典型功率需求。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于分离较宽变化的甲烷和氮的系统和方法
本专利技术涉及从天然气流股中的甲烷和其他组分中分离氮的系统和方法。本专利技术还涉及用于将天然气液体(naturalgasliquid)(NGL)提取与除氮结合的系统和方法。本专利技术还涉及用于从氮气排放流股(nitrogenventstream)中除去过量的烃并可选地回收氦气的系统和方法。本专利技术的所述系统和方法特别适用于取决于所述进料流股中氮的浓度，回收和处理通常超过50MMSCFD至最高达300MMSCFD的进料流股。
技术介绍
氮污染是从地下储层生产天然气中经常遇到的问题。所述氮气可能是天然存在的，或可能注入储层作为增强回收操作的一部分。运输管道通常不接受含有超过4摩尔百分比的惰性气体如氮气的天然气。因此，所述天然气进料流股通常要进行加工处理以除去这种惰性气体，才能进行所述经过处理的天然气的销售和运输。从天然气中去除氮气的一种方法是通过脱氮装置(NitrogenRejectionunit)或NRU加工处理含有氮气和甲烷的流股。所述NRU可以如美国专利号4,451,275和4,609,390中的描述由两个低温分馏塔(cryogenicfractionatingcolumn)组成。这些双塔系统具有在氮气排放流股(nitrogenventstream)中获得高氮气纯度的优点，但需要更高的资本支出用于包括所述第二塔在内的附加工厂设备，并且可能需要用于所述获得的甲烷流股的制冷马力和压缩马力的更高运行支出。所述NRU也可以由单一的分馏塔组成，如美国专利No.5,141,544、5,257,505和5,375,422中所述。这些单塔系统具有减少设备资本支出的优点，包括消除了所述第二塔，并减少了操作支出，因为不需要外部制冷设备。除了资本和运营支出之外，许多以前的NRU系统具有与加工处理含有高浓度二氧化碳的NRU进料流股相关的限制。脱氮过程(Nitrogenrejectionprocess)涉及低温，这可能导致二氧化碳在所述过程的某些节点中冷冻，导致过程流动(processflow)阻塞和过程中断。通常通过常规方法将二氧化碳从所述NRU进料流股中去除至最大约35份每百万份(ppm)的二氧化碳，才能避免这些问题。另一个实例可以查阅英国专利申请GB2,208,699。所述'699申请通过与所述第二塔中的底部液体交叉热交换(cross-exchange)而冷却所述进料流股，以在进料所述第一塔的所述塔顶之前为部分所述第二塔提供再沸器工作负荷(duty)，从而有效地向所述第一塔提供回流。所述'699申请也通过与所述第二塔中的底部液体交叉热交换冷却来自所述第一塔的所述塔顶馏出物流股而为所述第二塔提供部分再沸器工作负荷，以连接所述第一塔和所述第二塔。这个概念通常被称为“热泵(heatpump)”构造设计(configuration)。由于根据定义，两种不同应用的热需求或工作负荷是匹配的，则每种工作负荷要求的变化是受限的。这种限制转化为(translate)设计点(designpoint)任一侧上的可容许进入这种形式的NRU约6％～12％范围的入口氮气的受限范围。如果所述进入的氮含量超出所述设计范围，则其中一个所述连接的热交换器具有的热的数量不足，而另一个连接的热交换器缺少所需的工作负荷要求。所述结果则是，所述销售气体流股中剩余的氮气的量太高而不能满足规格要求或连同所述脱除的氮气(rejectednitrogen)排放到大气中的甲烷的量高于所期望的量，导致过量的温室气体排放。此外，正如所述′699专利所述，所述第一塔的进料温度太低会降低所述系统的所述二氧化碳耐受性，以至于在加工处理之前必须除去二氧化碳。所述第二塔进料太热会增加所述第二塔中回流所需的工作负荷。此外，通过将所述第一塔流股连接到所述第二塔的再沸器工作负荷，并由于所述'699专利的所述系统不能耐受所述进料流股中氮含量的较宽变化，则所述'699专利对于升高的氮水平将具有更高的功率要求。与许多现有技术系统一样，所述'699专利也通过使用开放式热泵循环将所述第二塔冷凝器和再沸器的工作负荷连接起来，其中一部分所述底部液体流股用于向多个中间冷凝器和所述第二塔内的塔顶馏出物(overhead)冷凝器提供所述回流负荷。连接这些工作负荷降低了所述塔的成本，但在处理比原始系统设计更高氮浓度中也大大降低了灵活性。
技术实现思路
本文公开的所述系统和方法有利于经济有效地从甲烷中除去氮。所述系统和方法特别适用于超过50MMSCFD的进料气体流速，并且能够处理进料气体流速最高达约300MMSCFD，这取决于所述进料流股中氮的浓度。所述系统和方法对于典型氮水平5％～50％还能够处理含有最高达约100ppm的二氧化碳浓度的进料气体。根据本专利技术的一个优选实施方式，公开了一种用于通过两个分馏塔处理主要包含氮气和甲烷的进料气体流股而生产适合输送管道销售的处理的天然气流股的系统和方法。所述第一个塔节点设计成从氮气中去除甲烷和较重的烃组分，而同时所述第二个塔节点设计成从剩余的甲烷中去除氮气。来自第一塔节点的所述塔顶馏出物流股进料至所述第二塔节点。作为所述第一塔节点塔顶馏出物流股的所述NRU进料气体未被冷却至-200～-245℉的传统目标温度。来自所述第一和第二分馏塔的塔底流股在进一步处理之后处于变化的压力下并分别进料于一系列压缩机以获得具有足够压力进行销售的处理的气体产物流股，通常至少为615psia(磅/平方英寸(绝对压强))。所述分馏塔的所述进料中的较高温度使得大部分所述甲烷从所述NRU进料流股中分离出来，而同时与传统的NRU方法相比，所述工艺方法所需的整体压缩降低最高达40％。另外，所述第一塔流股不与所述第二塔的再沸器工作负荷连接(tie)，这允许更好地控制进入所述第一塔的进料流股和进入所述第二塔(第一塔顶馏出物流股)的进料流股的温度。这允许本专利技术的所述系统和方法在比现有技术系统更高的温度下进料所述第一塔，这提高了所述进料流股中的CO2耐受性。通过与较冷的过程流股交叉热交换，而不是受限于其中所述第一塔塔顶馏出物流股提供部分第二塔再沸器工作负荷的现有技术系统中所述第二塔底部的所述液体的温度，这就容许所述第二塔的进料更冷。具有较冷的第二塔进料会降低所述第二塔中的回流工作负荷。根据本专利技术的另一实施方式，公开了一种用于整合到所述第一塔节点下游的双塔NRU过程中的NGL提取的系统和方法。在传统的氮气分离系统中，在含氮量超过5％的流股中由于氮气具有汽提效应(strippingeffect)，会吸收乙烷和较重的组分，则更难以分离NGL组分。根据本专利技术的这个实施方式，从所述第一塔中的氮中除去大部分甲烷和较重组分，使含有少于4％氮的塔底流股经过进一步处理而提取NGL。另外，已知为“重”烃的输入烃在该本体去除(bulkremoval)步骤中被浓缩，而使该流股理想地适合于如同可能需要满足下游天然气管道规格的这些组分的有效去除。根据另一个优选的实施方式，用于第一塔氮浓缩器的再沸器处于所述第一塔的外部，并且一部分所述系统进料流股通过与所述再沸器中的所述第一塔底流股进行热交换而被冷却。外部再沸器容许灵活进入所述第一塔中的进料平台位置(feedstagelocation)(更高的塔板或更低的塔板)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于从包含氮气、甲烷和其它组分的第一进料流股中除去氮气并用于产生高压甲烷产物流股的系统，所述系统包括：第一分流器，其中所述第一进料流股被分成第二进料流股和第三进料流股；第一分馏塔，其中所述第二进料流股和所述第三进料流股被分成第一塔顶馏出物流股和第一塔底流股；第二分馏塔，包含冷凝器和再沸器，其中第一塔顶馏出物流股被分离成第二塔顶馏出物流股和第二塔底流股；第一热交换器，通过与所述第一塔底流股和所述第一塔顶馏出物流股的热交换用于冷却所述第一分流器上游的第一进料流股，以及用于冷却所述第一分馏塔上游的第二进料流股；外部再沸器，通过与所述第一塔底流股的热交换用于冷却所述第一分馏塔上游的所述第三进料流股；其中所述甲烷产物流股包含所述第一塔底流股和第二塔底流股；其中所述第二塔顶馏出物流股是氮气排放流股；以及其中所述第二分馏塔的冷凝器的负荷和再沸器的负荷是彼此独立的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.22 US 14/806,1841.一种用于从包含氮气、甲烷和其它组分的第一进料流股中除去氮气并用于产生高压甲烷产物流股的系统，所述系统包括：第一分流器，其中所述第一进料流股被分成第二进料流股和第三进料流股；第一分馏塔，其中所述第二进料流股和所述第三进料流股被分成第一塔顶馏出物流股和第一塔底流股；第二分馏塔，包含冷凝器和再沸器，其中第一塔顶馏出物流股被分离成第二塔顶馏出物流股和第二塔底流股；第一热交换器，通过与所述第一塔底流股和所述第一塔顶馏出物流股的热交换用于冷却所述第一分流器上游的第一进料流股，以及用于冷却所述第一分馏塔上游的第二进料流股；外部再沸器，通过与所述第一塔底流股的热交换用于冷却所述第一分馏塔上游的所述第三进料流股；其中所述甲烷产物流股包含所述第一塔底流股和第二塔底流股；其中所述第二塔顶馏出物流股是氮气排放流股；以及其中所述第二分馏塔的冷凝器的负荷和再沸器的负荷是彼此独立的。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第三进料流股在用于将所述第二进料流股进料到所述第一分馏塔中的塔板位置下方的塔板位置处选择性地进料到所述第一分馏塔中。3.根据权利要求2所述的系统，进一步包括用于将所述第一塔顶馏出物流股分成第二分馏塔上游的第四进料流股和第五进料流股的第二分流器，并且其中所述第五进料流股在用于将所述第四进料流股进料到所述第二分馏塔中的塔板位置下方的塔板处进料到所述第二分馏塔中。4.根据权利要求3所述的系统，进一步包括通过与所述第二塔顶馏出物流股和第二塔底流股的热交换用于冷却所述第二分流器上游的第一塔顶馏出物流股和用于冷却所述第二分馏塔上游的第四进料流股的第二热交换器。5.根据权利要求4所述的系统，进一步包括用于在所述第一热交换器之前将所述第一塔底流股分成第一部分和第二部分的第三分流器；用于泵送所述第二部分以增加所述第二部分的压力的泵；以及其中所述第一部分和第二部分通过所述第一热交换器。6.根据权利要求5所述的系统，进一步包括用于将所述第二塔底流股分成至少两部分的第四分流器，其中这些部分中的一种是在通过所述第二热交换器之前用于所述第二分馏塔中的冷凝器的制冷剂流股。7.根据权利要求6所述的系统，进一步包括过冷却器，其中在所述冷凝器中热交换之前和之后所述制冷剂流股循环通过所述过冷却器。8.根据权利要求1所述的系统，进一步包括将所述第一进料流股分成所述第一热交换器上游的第一部分和第二部分的第二分流器；包含再沸器的第三分馏塔，其中将NGL进料流股分离成第三塔顶馏出物流股和第三塔底流股；其中所述第一分流器包括相分离器，其中所述第一进料流股的第一部分和第二部分被分成所述第二进料流股、所述第三进料流股和所述NGL进料流股；其中所述第一进料流股的第一部分在所述分离器之前向所述第三分馏塔的再沸器提供热量；其中所述第一热交换器冷却所述第一分流器上游的第一进料流股的第二部分；其中所述第三塔底流股是NGL销售流股；以及其中所述甲烷产物流股进一步包含所述第三塔顶馏出物流股。9.根据权利要求6所述的系统，进一步包括第三分馏塔，其中所述第二塔顶馏出物流股被分离成第三塔顶馏出物流股和第三塔底流股；在通过所述冷凝器之前用于将所述第三塔底流股与所述制冷剂流股结合的混合器；以及其中在作为所述氮气排放流股排放之前，所述第三塔顶馏出物流股在所述第二热交换器中被温热。10.一种用于去除氮...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷伯恩·C·巴茨，
申请(专利权)人：布特斯财产有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US