降低马力要求的甲烷和氮气分离系统和方法技术方案

一种用于从天然气中脱氮的系统和方法，使用两个可以堆叠的分馏塔和多个分离器和热交换器，其马力要求是现有技术系统要求的50％至80％。分馏塔在不同的压力下操作。进料流与进料到第一塔的蒸汽部分分离，以产生在不同压力下被分离成多个部分的第一塔底部流和被分开成或分离成两个部分的第一塔顶部流，其中至少一个部分在进料到第二塔顶部之前过冷。第一塔流和第二塔流之间的可选热交换为第二塔上升蒸汽流提供第一塔回流和再沸热。产生三个销售气体流，每个气体流压力不同。每个气体流压力不同。每个气体流压力不同。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】降低马力要求的甲烷和氮气分离系统和方法


[0001]本专利技术涉及用于从甲烷中分离氮气和从约20MMSCFD以上的天然气流中分离其它组分的系统和方法，与现有技术的系统和方法相比，其能量/马力要求被降低。

技术介绍

[0002]氮气污染是从地下储层开采天然气过程中经常遇到的问题。氮气可能是自然产生的，或者可能是作为强化采收率操作的一部分注入储层的。输送管道通常不接受含有4mol％以上惰性气体的天然气，如氮气。因此，天然气进料流通常被处理以去除这些惰性气体，以便销售和运输经处理的天然气。
[0003]从天然气中脱氮的一种方法是通过脱氮单元或NRU处理含氮气和甲烷的流。NRU可以由两个低温分馏塔组成，如美国专利第4,451,275号和第4,609,390号中所描述的。这两种塔系统具有在氮气排放流中实现高氮气纯度的优点，但是需要更高的资本支出用于附加的工厂设备，包括第二塔，并且可能需要更高的操作支出用于制冷马力和用于所得到的甲烷流的压缩马力。
[0004]NRU还可以包括单个分馏塔，如美国专利第5,141,544号、第5,257,505号和第5,375,422号中描述的分馏塔。许多单塔系统有单一的离开NRU分馏塔的销售气体流，通常在较低的压力下需要压缩以满足管道要求。例如，在美国专利第5,141,544号中，NRU进料流首先被处理以除去水和二氧化碳(以避免与二氧化碳有关的冻结问题)，然后在进料单塔NRU之前被分开成三部分。第一部分通过与来自NRU塔的顶部流进行热交换而被冷却，第二部分通过与NRU塔底部流进行热交换而被冷却，第三部分通过与从NRU塔中抽出并返回到NRU塔的再沸器中的侧流进行热交换而被冷却。进料流的第一部分、第二部分和第三部分被重新组合，重新组合的流通过与NRU塔底部流的热交换进一步冷却，然后传递通过JT阀，然后作为约
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215℉和约170psia的液汽混合相流进入NRU塔。来自单塔NRU的顶部流是氮气排放流。在'544专利中的示例中，单NRU底部流是压力约为60psia的销售气体流，需要进一步压缩。
[0005]一些单塔系统还将NRU塔底部流分开成两股，以允许与其他工艺流进行额外的热交换，从而产生两股压力不同的销售气体流。例如，在美国专利第5,375,422号中，首先处理NRU进料流以去除水和二氧化碳，然后在进料单塔NRU之前将其分开成四部分。第一部分通过与来自NRU塔的顶部流的热交换而冷却；第二部分在传递通过NRU塔再沸器然后通过在NRU塔内的内回流冷凝器，并然后通过再沸器返回之后，通过与NRU塔底部流的第一部分的热交换而冷却；并且第三部分通过与来自NRU塔的底部流的第二部分的热交换而冷却。进料流的第一部分、第二部分和第三部分被重新组合，并且重新组合的流在作为液体和蒸汽混合相流在
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60℉和
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150℉之间和约315psia进料到NRU塔之前传递通过JT阀。进料流的第四部分通过两个独立的热交换器而冷却，每个热交换器都有一个侧流从NRU塔中抽出并返回，然后传递通过JT阀并作为
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200℉至
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250℉和约315psia之间的液体和蒸汽混合流进料到NRU塔。进料流的第四部分在重新组合的第一部分、第二部分和第三部分上方若干盘的位置进料到NRU塔中。来自单塔NRU的顶部流是氮气排放流。NRU底部流被分开成第一部分和第二
部分，每个部分被不同地处理以实现与其他处理流的期望热交换。NRU底部流的两个部分的不同处理导致两个销售气体流，一个在约20psia的压力下，另一在约300psia的压力下。这种单塔系统只产生两个销售气体流，每个入口的马力MMSCF通常在100到110HP/MMSCF。
[0006]与两个塔系统相比，这些单塔系统的优点是降低了设备的资本支出，包括取消了第二塔，并由于不需要外部制冷设备而降低了操作支出。然而，它们也可以有更高的与能量/马力要求相关的运营支出。许多单塔系统对入口进料的马力要求约为110HP/MMSCF，特别是对于NRU塔的单一销售气体流的系统。HP/MMSCF通过现有技术的单塔系统进行改进，该单塔系统在不同压力下产生三种销售气体流，通常需要80至90HP/MMSCF。类似地，现有技术常规的两塔系统生产单一销售气体流(如'544专利)，马力要求通常运行在入口进料的约80至90HP/MMSCF。除了资本和运营支出之外，许多现有的NRU系统在处理含有高浓度二氧化碳的NRU进料流方面存在局限性。脱氮过程涉及低温，这可能导致二氧化碳在过程的特定阶段冻结，导致工艺流程堵塞和过程中断。二氧化碳通常通过常规方法从NRU进料流中去除，最大约为百万分之35(ppm)二氧化碳，以避免这些问题。需要一种系统和方法，以降低能量/马力要求，并优选具有处理具有较高浓度二氧化碳的进料流的能力，有效地从天然气流中的甲烷和其他组分中分离氮气。

技术实现思路

[0007]本文所公开的系统和方法有助于经济有效地从甲烷中去除氮气，且大大降低了能量/马力要求。所述系统和方法具体适用于进料气体流速约为20MMSCFD以上且氮气含量范围为5mol％至50mol％。系统和方法还能够处理含二氧化碳浓度高达约100ppm的进料气体，其典型氮气水平在5至50％之间。系统和方法的马力要求为具有单一销售气体流的大多数现有技术单塔NRU系统的马力要求的约50至60％。
[0008]根据本专利技术的一个优选实施方式，公开了一种系统和方法，用于通过两个分馏塔处理主要含有氮气和甲烷的NRU进料气体流，以产生三个经处理的销售气体流，每个在不同的压力下，根据需要可进一步压缩以满足输送管道的要求(通常约615psia)。最优选的是，一种销售气体流是压力在315至465psia之间(更优选在365至415psia之间)的高压流，第二种销售气体流是压力在75至215psia之间(更优选在115至215psia之间)的中压流，第三种销售气体流是压力在45至115psia之间(更优选在50至115psia之间)的低压流。入口进料流优选地在第一分离器中被分离成进料到第一阶段塔的顶部流和可以被送往进一步处理以回收剩余甲烷和NGL组分的底部液体流。第一阶段塔设计为高压NRU塔，用于从甲烷和重烃组分中去除大量进入的氮气，而第二阶段塔在较低的压力下操作。进入第一阶段NRU塔的进料流和第一阶段顶部流不被冷却到常规的目标温度
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200至
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245
°
F。这允许本专利技术的优选系统和方法在比现有技术系统更暖的温度下进料第一塔，这增加了进料流中的CO2容限。与现有技术系统相比，第一塔还在更高的压力下(优选约315至415psia)操作。第二塔在较低的压力下操作(优选在约65至115psia)。
[0009]根据另一优选实施方式，来自第一塔的底部流被分开成至少三个部分。第一部分是高压销售气体流，第二部分是中压销售气体流，第三部分是低压销售气体流的至少一部分。最优选的是，第一部分、第二部分和第三部分中的每个部分被膨胀和冷却到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于从包含氮气、甲烷和其它组分的进料流中去除氮气并生产甲烷产物流的系统，所述系统包括：第一分离器，其中，所述进料流被分离成第一分离器顶部流和第一分离器底部流；第一分开器，用于将所述第一分离器顶部流分开成第一部分和第二部分；第一分馏塔，其中，所述第一分离器顶部流的第一部分和第二部分被分离成第一塔顶部流和第一塔底部流；第二分开器，用于将所述第一塔底部流分开成三个部分和可选的第四部分；第二分馏塔，其中，所述第一塔顶部流被分离成第二塔顶部流和第二塔底部流；第二分离器，其中，所述第二塔底部流和所述第一塔底部流的可选的所述第四部分被分离成第二分离器顶部流和第二分离器底部流；第一混合器，用于混合所述第二分离器底部流和所述第一塔底部流的第三部分，以形成第一混合流；第一热交换器，其中，所述进料流在所述第一分离器上游被冷却，并且所述第一分离器顶部流的第一部分通过与所述第一分离器底部流、所述第一塔底部流的第一部分、所述第一塔底部流的第二部分、所述第一混合流和所述第二塔顶部流的热交换，在所述第一分馏塔上游被冷却；其中，所述第一塔底部流的第一部分是具有压力在315至465psia之间的高压销售气体流；其中，所述第一塔底部流的第二部分是具有压力在75至215psia之间的中压销售气体流；以及其中，所述第一混合流是具有压力在45至115psia之间的低压销售气体流。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一分馏塔在315至415psia之间的压力下操作，并且所述第二分馏塔在65至115psia之间的压力下操作。3.根据权利要求2所述的系统，所述系统还包括第二热交换器和第三热交换器，其中：(1)所述第一塔顶部流通过与所述第二塔顶部流和所述第二分离器底部流的热交换在所述第二分馏塔上游在所述第二热交换器中被冷却，并且所述第一塔顶部流的至少一部分通过与所述第二塔顶部流的热交换在所述第二热交换器的下游和所述第二分馏塔的上游在所述第三热交换器中被冷却；或者(2)所述第一塔顶部流的第一部分通过与所述第二塔底部流和所述第二分离器底部流的热交换在所述第二分馏塔上游在所述第二热交换器中被冷却，并且所述第一塔顶部流的第二部分通过与所述第二塔顶部流的热交换在所述第二分馏塔上游在所述第三热交换器中被冷却。4.根据权利要求3所述的系统，所述系统还包括第三分离器，用于将所述第一塔顶部流分离成所述第二热交换器下游和所述第三热交换器上游的蒸汽部分和液体部分；并且其中，所述蒸汽部分在进料到所述第二分馏塔的顶部之前在所述第三热交换器中被冷却。5.根据权利要求5所述的系统，所述系统还包括：第二分开器，用于将所述第一塔顶部流的所述蒸汽部分分开成第一蒸汽部分和第二蒸汽部分，其中，所述第一蒸汽部分在进料到所述第二分馏塔的顶部之前在所述第三热交换
器中被冷却；以及第二混合器，用于在进料到所述第二分馏塔的中部之前将所述第二蒸汽部分与所述液体部分混合。6.根据权利要求3所述的系统，所述系统还包括第四热交换器，用于通过与(1)所述第一混合器上游的所述第一塔底部流的第三部分的热交换，或(2)与所述第二塔底部流的至少一部分的热交换来部分冷凝来自所述第一分馏塔的顶部的流，所述第二塔底部流由重力进料可选地传递穿过所述第四热交换器；其中，来自所述第一分馏塔的顶部的部分冷凝流的液体部分作为回流流返回到所述第一分馏塔，并且来自所述第一分馏塔的顶部的所述部分冷凝流的蒸汽部分是所述第一塔顶部流。7.根据权利要求6所述的系统，所述系统还包括第二分开器，用于将所述第二塔底部流分开成第一部分和第二部分，其中，所述第一部分穿过所述第四热交换器；第二混合器，用于在所述第四热交换器下游将所述第二塔底部流的第一部分与第二塔底部流的第二部分混合以形成第二混合流；以及其中，所述第二混合流进料到所述第二分离器中。8.根据权利要求6或7所述的系统，所述系统还包括第一阀，所述第一塔底部流的第一部分传递通过所述第一阀，以在所述第一热交换器上游部分汽化所述第一部分；第二阀，所述第一塔底部流的第二部分传递通过所述第二阀，以在所述第一热交换器上游部分汽化所述第二部分；以及第三阀，所述第一塔底部流的第三部分传递通过所述第三阀，以在(1)所述第四热交换器或(2)所述第一混合器的上游部分汽化所述第三部分。9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述第二分离器顶部流作为上升蒸汽流进料到所述第二分馏塔的底部。10.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括焦耳汤普森(JT)阀，所述第一分离器顶部流的所述第一部分通过所述JT阀在所述第一热交换器下游和所述第一分馏塔上游传递；并且其中，所述第一分离器顶部流的第一部分以比所述第一分离器顶部的第二部分更低的温度和更低的压力进料到所述第一分馏塔中。11.根据权利要求10所述的系统，所述系统还包括用于所述第一分馏塔的再沸器，其中，在进料到所述第一分馏塔之前，从所述第一分离器顶部流的第二部分向所述再沸器提供热量。12.根据权利要求3所述的系统，其中，离开所述第三热交换器的所述第二塔顶部流的温度比进入所述第三热交换器之前的所述第一塔顶部流的第二部分的温度低60至95℉。13.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括：第三分开器，用于将所述第二塔底部流分开成第一部分和第二部分；设置在相对于所述第一分馏塔至少部分升高的位置上的升高的热交换器，所述升高的热交换器被配置成通过与所述第二塔底部流的第一部分的热交换部分冷凝来自所述第一分馏塔的顶部的流；所述第二分离器上游的第二混合器，用于将所述第二塔底部流的第二部分与所述升高
的热交换器下游的所述第二塔底部流的第一部分混合；在所述第二混合器上游的第一阀，用于控制所述第二底部的第二部分相对于所述第二底部流的第一部分的流速；并且其中，来自所述第一分馏塔的顶部的部...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷伯恩，
申请(专利权)人：BCCK控股公司，
类型：发明
国别省市：