способ низкотемпературного разделения углеводородного газа

Формула изобретения

Способ низкотемпературного разделения углеводородного газа, включающий предварительное его охлаждение и частичную конденсацию, сепарацию первой ступени с отделением жидкой фазы от газовой, последующее доохлаждение и конденсацию газовой фазы, сепарацию второй ступени на жидкую и паровую фазы, конденсацию и ректификацию паровой фазы в отпарной колонне, сепарацию третьей ступени части кубового продукта отпарной колонны на жидкую и паровую фазы, деметанизацию и деэтанизацию всей отсепарированной жидкой фазы, отличающийся тем, что углеводородный газ предварительно обогащают пентан-гексановой фракцией, а сепарацию третьей ступени осуществляют в сепараторе, оснащенном массообменной насадкой, на которую подают поток жидкой фазы сепаратора первой ступени.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам разделения компонентов газовых смесей путем низкотемпературной конденсации и ректификации с целью получения гелиевого концентрата, этана и широкой фракции легких углеводородов и может быть использовано на газоперерабатывающих предприятиях.

Известен способ одновременного получения гелия, этана и более тяжелых углеводородов [А.с. СССР №1645796, 5 МПК F 25 J 3/02, опубл. 30.04.91, БИ №16]. Перерабатываемый газ разделяют на потоки, которые раздельно охлаждают и частично конденсируют за счет холода обратных потоков. Затем потоки смешивают и сепарируют, при этом жидкость дросселируют и направляют на сепарацию, откуда испаренные гелий и легкие углеводороды подают в нижнюю часть гелиевой ректификационной колонны. Пар из сепаратора разделяют на потоки, конденсируют, переохлаждают, смешивают и подают на отпарку растворенного гелия в гелиевую ректификационную колонну. Жидкую фазу колонны делят на два потока, один из которых дросселируют, частично испаряют и разделяют в сепараторе. Выделившуюся жидкость дросселируют, смешивают с жидкостью, выделившейся при охлаждении и сепарации подаваемого на переработку газа, и подают в качестве питания в колонну-деметанизатор. Пар, выделившийся при охлаждении и сепарации первой части жидкой фазы гелиевой колонны, расширяют, объединяют с остальной частью жидкой фазы гелиевой колонны, сепарируют с выделением жидкости и газа. Жидкость направляют в качестве холодного орошения в колонну-деметанизатор, а газ объединяют с газами деметанизации, выходящими из нее. Кубовую жидкость колонны-деметанизатора разделяют на этановую и широкую фракции легких углеводородов в колонне-деэтанизаторе.

Недостатком известной установки является относительно невысокая степень извлечения целевых продуктов из природного газа.

Наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является применяемый на гелиевом заводе ООО «Оренбурггазпром» способ низкотемпературного разделения углеводородного газа с целью получения гелиевого концентрата, этана и широкой фракции легких углеводородов [В.В.Николаев и др. Основные процессы физической и физико-химической переработки газа. Москва, «Недра», 1998, с.164-167]. Способ представляет собой сочетание низкотемпературной конденсации с последующей деметанизацией или деэтанизацией образовавшейся жидкой фазы в ректификационных колоннах для удаления растворенных в ней легких компонентов.

Поток углеводородного газа охлаждается, проходя последовательно теплообменник, пропановый холодильник, где происходят его предварительное охлаждение и частичная конденсация за счет холода обратного потока метановой фракции и пропана, затем попадает в сепаратор для отделения жидкой фазы. Отделившиеся в сепараторе жидкие углеводороды подаются на питание в деметанизатор. Газовый поток из сепаратора после охлаждения и частичной конденсации в теплообменниках обратными потоками метановых фракций поступает в первый сепаратор второй ступени, в котором поток газа обогащается гелием, а жидкость этаном. Паровая фаза из этого сепаратора направляется на полную конденсацию в теплообменники, после чего поток переохлажденной жидкости поступает в отпарную колонну для дальнейшего обогащения гелием во второй отпарной колонне с последующей ректификацией в гелиевой колонне с выделением гелиевого концентрата. Обогащенная этаном жидкость из первого сепаратора второй ступени попадает во второй сепаратор второй ступени. Паровая фаза из него подается в отпарную колонну в качестве стриппинг-газа, а жидкость - на орошение деметанизатора.

С куба первой отпарной колонны выводится метановая фракция высокого давления, часть которой через теплообменник поступает на разделение в сепаратор третьей ступени. Газовая фаза из сепаратора объединяется с верхним продуктом деметанизатора, направляется на расширение в турбодетандерный агрегат для получения холода и выводится с установки в виде товарного продукта. Жидкость из сепаратора третьей ступени подается на орошение деметанизатора.

Этановая фракция и ШФЛУ получаются путем низкотемпературной ректификации жидкости, выделенной в сепараторах первой, второй и третьей ступени. Сначала осуществляется ректификация полученной жидкости в деметанизаторе с получением метановой фракции в качестве дистиллята и фракции углеводородов С_{2 и выше} в качестве кубового остатка деметанизатора, которая поступает на разделение в деэтанизатор путем ректификации с получением в качестве дистиллята этановой фракции, а в качестве кубового остатка - ШФЛУ.

Недостатком известного способа являются потери этана, происходящие в процессе деметанизации жидкой фазы, а также на третьей ступени сепарации, в процессе которых вместе с метановой фракцией уносится значительное количество этановой фракции.

Задачей заявляемого изобретения является увеличение выхода товарного этана.

Поставленная задача решается заявляемым способом низкотемпературного разделения углеводородного газа, включающем предварительное его охлаждение и частичную конденсацию, сепарацию первой ступени с отделением жидкой фазы от газовой, последующее доохлаждение и конденсацию газовой фазы, сепарацию второй ступени на жидкую и паровую фазы, конденсацию и ректификацию паровой фазы в отпарной колонне, сепарацию третьей ступени части кубового продукта отпарной колонны на жидкую и паровую фазы, деметанизацию и деэтанизацию всей отсепарированной жидкой фазы, в котором углеводородный газ предварительно обогащают пентан-гексановой фракцией, а сепарацию третьей ступени осуществляют в сепараторе, дополнительно оснащенном массообменной насадкой, на которую подают поток жидкой фазы сепаратора первой ступени.

Получаемый при этом технический результат состоит в обеспечении возможности дополнительного извлечения этана из паров, выделившихся в процессе деметанизации и сепарации третьей ступени.

Предварительное обогащение сырьевого газа пентан-гексановой фракцией способствует увеличению выхода жидкой фазы в процессе сепарации первой ступени. При этом происходит увеличение доли тяжелых углеводородов в жидкой смеси, подаваемой в качестве абсорбента на массообменную насадку в сепаратор третьей ступени. В сепараторе третьей ступени помимо простой сепарации происходит абсорбция из паровой фазы этановой фракции утяжеленной жидкостью.

Благодаря наличию в сепараторе массообменной насадки не только обеспечивается необходимый контакт между жидкостями, стекающими вниз, и парами, поднимающимися вверх, для абсорбции этана и более тяжелых компонентов из паровой фазы, но и улавливается та часть жидкой фазы из пара, которая обычно уносится с выводимым газом в виде тумана или капель, улучшая тем самым процесс сепарации.

Одновременно и в деметанизаторе продолжается процесс снижения содержания этановой фракции в парогазовой смеси в результате создания оптимальных условий для поглощения легкой этановой фракции утяжеленной жидкостью орошения методом абсорбции.

Таким образом, новая совокупность взаимообусловленных признаков, новый технический результат позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень».

На чертеже представлена схема установки низкотемпературного разделения углеводородного газа, иллюстрирующая предлагаемый способ.

Установка содержит трубопровод подвода сырьевого газа 1, трубопровод подачи пентан-гексановой фракции в поток сырьевого газа 2, теплообменник 3, пропановый холодильник 4, сепаратор первой ступени 5, теплообменники доохлаждения и конденсации газа 6-9, последовательно установленные сепараторы второй ступени 10-11, сепаратор третьей ступени 12, в котором установлена массообменная насадка 13, отпарная колонна 14, деметанизатор 15-16, состоящий из двух секций - укрепляющей и отгонной, деэтанизатор 17 и турбодетандерный агрегат 18.

Пример осуществления способа

Способ низкотемпературного разделения углеводородных газов осуществляют следующим образом.

На установку поступает сырьевой газ, предварительно осушенный и очищенный от сернистых соединений и углекислоты на предыдущих установках. На входе в установку в поток сырьевого газа 1 закачивается (впрыскивается) по трубопроводу 2 пентан-гексановая фракция (C ₅-С₆) в количестве до 4 т/час. Поток газа проходит последовательно теплообменник 3, пропановый холодильник 4, в которых происходят его предварительное охлаждение (до температуры минус 30°С) и частичная конденсация за счет холода обратного потока метановой фракции и пропана, затем попадает в сепаратор 5 для отделения жидкой фазы, содержащей преимущественно наиболее тяжелые углеводороды С_{5 и выше}. Газовая фаза из сепаратора 5 поступает на дальнейшее доохлаждение и конденсацию в теплообменник 6, а жидкая фаза, утяжеленная пентан-гексановой фракцией, направляется в сепаратор последней ступени 12 в качестве абсорбента, подаваемого на массообменную насадку 13.

Вторая ступень сепарации охлажденного (до температуры минус 60°С) и частично сконденсированного в теплообменнике 6 газового потока ведется в последовательно работающих сепараторах 10 и 11 с тем, чтобы основной поток обогатился гелием, а жидкость - этаном. Выделившаяся жидкая фаза из сепаратора 11 разделяется на два потока и направляется в деметанизатор 15, при этом основной поток после нагрева в теплообменнике 7 (до температуры минус 32°С) подается на питание колонны, а другой - на орошение. Паровые фазы из сепараторов направляются в отпарную колонну 14, при этом из сепаратора 10 после полной конденсации и охлаждения в теплообменнике 8 поток переохлажденной жидкости дросселируется в верхнюю часть отпарной колонны 14, а из сепаратора 11 подается в среднюю часть той же колонны в качестве стриппинг-газа. Из отпарной колонны 14 отпаренный газ направляется на дальнейшее обогащение гелием с целью получения гелиевого концентрата в соответствующих гелиевых колоннах (на чертеже не показаны).

Основной поток кубовой жидкости отпарной колонны 14 после рекуперации холода и частичного испарения в теплообменнике 9 поступает на разделение в сепаратор третьей ступени 12. Утяжеленная жидкая фаза, выделившаяся на первой ступени сепарации, подается в этот же сепаратор 12, но путем впрыска на массообменную насадку 13, смонтированную таким образом, чтобы обеспечить эффективный массообмен между восходящим потоком пара и нисходящим потоком жидкости. В результате абсорбции из паровой фазы в жидкую переходит значительное количество углеводородов C_{2 и выше}, что приводит к увеличению объема жидкости, подаваемой в качестве жидкости орошения в укрепляющую секцию деметанизатора 15. Таким образом, отсепарированная жидкость дополнительно обогащается углеводородами С_{2 и выше} , абсорбированными из паровой фазы.

В укрепляющей секции деметанизатора 15 осуществляется ректификация выделившейся жидкости с получением метановой фракции в качестве дистиллята и фракции углеводородов C_{2 и выше} в качестве кубового остатка. Поток пара, поднимаясь вверх по колонне, подвергается воздействию утяжеленной жидкости орошения, стекающей в отгонную секцию деметанизатора 16 для конденсации и абсорбции из паров этана и более тяжелых компонентов.

Паровая фаза деметанизатора 15, объединившись с метановой фракцией сепаратора третьей ступени 12, направляется на расширение в детандер турбодетандерного агрегата 18 с целью получения холода и выводится с установки в качестве товарного газа.

Кубовый продукт из отгонной секции деметанизатора 16 направляется на ректификацию в деэтанизатор 17 с получением в качестве дистиллята этановой фракции, а в качестве кубового остатка - широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ).

В таблице 1 представлен сравнительный материальный баланс разделения углеводородного газа на целевые продукты для прототипа и заявляемого способа, а в таблице 2 - материальный баланс по этану.

Из таблицы 1 видно, что выход этановой фракции как товарного продукта по заявляемому способу увеличивается на 2399 кг/ч, т.е. прирост выхода этановой фракции составляет 16,5%.

Данные таблицы 2 показывают, что происходят увеличение содержания этана в жидкой смеси, отводимой с низа сепаратора 12, и одновременно снижение ее в составе метановой фракции, выводимой с верха сепаратора. Это оказывает влияние на распределение компонентов по фазам в деметанизаторе 15, в котором также происходит увеличение доли этановой фракции в жидкой смеси, отводимой с низа деметанизатора, с одновременным снижением его доли в составе метановой фракции по сравнению с прототипом.

Таким образом, использование заявляемого способа позволяет снизить суммарные потери этана с паром из сепаратора третьей ступени и с верхним продуктом деметанизатора за счет создания в них оптимальных условий для процесса низкотемпературной абсорбции.

Таблица 2
№№	Наименование потока	Прототип			Предлагаемое техническое решение
		Расход потока, нм 3/ч	Мол. доля этана, %	Расход этана, нм3/ч	Расход потока, нм3/ч	Мол. доля этана, %	Расход этана, нм 3/ч
Входящие потоки
1.	Питание деметанизатора 15 из сепаратора 11	69619	12,2481	8527	61579	12,8555	7916
2.	Жидкость на орошение деметанизатора 15 (часть жидкой фазы из сепаратора 11)	19590	12,2434	2398	13512	12,8557	1737
3.	Кубовый остаток отпарной колонны 14 в сепаратор 12	167286	2,6897	4500	176179	2,8051	4942
4.	В сепаратор 12 третьей ступени на массообменную насадку из сепаратора 5	-	-	-	6031	12,2338	738
5.	Кубовый остаток отпарной колонны 14 на орошение деметанизатора 15	27233	2,6897	732	28680	2,8051	804
				16157			16137
Промежуточные потоки
6.	Жидкость из сепаратора 12	13598	11,1518	1516	24240	13,4207	3253
7.	Жидкость на орошение деметанизатора 15 (п.п.5+6)	40831	5,5079	2248	52920	7,6674	4057
8.	Паровая фаза из сепаратора 12	153688	1,9410	2983	157970	1,5361	2427
9.	Паровая фаза из деметанизатора 15	108974	2,2944	2500	104431	1,3656	1426
Выходящие потоки
10.	Метановая фракция из деметанизатора 15 и сепаратора 12 (объединенный поток по п.п.8+9)	262661	2,0876	5483	262401	1,4683	3853
11.	Кубовый остаток деметанизатора 15	21067	50,669	10674	23579	52,096	12284
				16157			16137