NO166672B - Fremgangsmaate for separering av nitrogen fra et raastoff under trykk inneholdende naturgass og nitrogen. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for separering ay. nitrogen fra et råstoff under trykk inneholdende naturgass og nitrogen over et bredt konsentrasjonsområde fra 5 til 85 volum-5é nitrogen i en enkelt destlllasjonskolonne slik at det dannes produktstrømmer under trykk av nitrogen og naturgass.

Fremgangsmåter for produksjon av olje anvender i dag høy-trykksnitrogeninjeksjon for å opprettholde brønntrykket for assistert olje- og gassutvinning. Når nitrogen injiseres, inneholder naturgassen fra brønnen inneholdende metan og andre hydrokarbonvæsker også nitrogen som øker i mengde i løpet av levetiden av nitrogeninjeksjonsprosjektet. Av denne grunnen må naturgass inneholdende nitrogen separeres slik at nitrogen fjernes og det dannes renset naturgassråstoff egnet for anvendelse som brennstoff eller kjemisk råstoff.

US patent nr. 3.797.261 beskriver separasjon av naturgass inneholdende nitrogen i en fraksjon med lavt nitrogeninnhold og en fraksjon med høyt nitrogeninnhold ved destillasjon i en enkelt destlllasjonskolonne ved at fraksjonen med høyt nitrogeninnhold ekspanderes under utvidelsesarbeid og den resulterende nedkjølingen benyttes til å kondensere damp i den øvre delen av kolonnen, men ytterligere tilbakestrømning tilveiebringes ved fordampning av et resirkuleringsmedium i varmevekslerrelasjon med damp i kolonnen. Blandingen med høyt nitrogeninnhold som er ekspandert slippes ut ved atmosfære-trykk.

US patent nr. 4.411.677 beskriver en fremgangsmåte for fjernelse av nitrogen fra naturgassråstoff inneholdende nitrogen over et vidt område av sammensetninger, under forhøyet trykk ved anvendelse av en enkelt destlllasjonskolonne og en metan-varmepumpe . med lukket krets som gir fornyet fordampning og tilbakestrøm til kolonnen. En mellomstående tilbakestrømningskondensator avkjøles av både varmepumpen og toppfraksjon nitrogenstrøm fra kolonnen. Et blandet kryogent kjølemiddfel kan benyttes i varmepumpen som et alternativ til metan-varmepumpemediet. Fremgangsmåten gir høy metanutvinning over hele råstoffområdet og nitrogen-produktstrøm under trykk som kan benyttes for resirkulering og reinjeksjon i en olje- eller gassbrønn for å forbedre trykket.

US patent nr. 4.504.295 beskriver en fremgangsmåte for utvinning av metan, nitrogen og naturgassvæsker fra en naturgasstrøm hvori utvinningen kan foretas ved høyt trykk ved integrering av et nitrogen-avvisningstrinn innbefattende en varmepumpe-drevet destlllasjonskolonne og et naturgass-væsketrinn. Nitrogen kan fjernes over et vidt område av nitrogenkonsentrasjoner fra råstoffstrømmen.

Ved foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en fremgangsmåte for separering av nitrogen fra et råstoff under trykk inneholdende naturgass og nitrogen over et bredt konsentrasjonsområde fra 5 til 85 volum-St nitrogen i en enkelt destlllasjonskolonne slik at det dannes produktstrømmer under trykk av nitrogen og naturgass, som innbefatter: (a) avkjøling og separasjjon av råstoffet under .trykk til flere separate tilførsler til kolonnen og destillasjon av de avkjølte råstoffene i destillasjonskolonnen, slik at det dannes en øvre damp under trykk som er rik på nitrogen og en bunnfraksjonsvæske under trykk som er rik på naturgass-hydrokarboner; (b) kondensasjon av en øvre damp fra en øvre del av kolonnen ved varmeveksling med et første kjølemiddel i lukket krets, slik at det tilveiebringes tilbakestrømning til kolonnen; (c) kondensasjon i en sidekondensator av en mellomliggende damp ved varmeveksling med et andre kjølemiddel i lukket krets og ved varmeveksling med toppdampen uten ekspansjon av toppdampen for å tilveiebringe tilbakeløp til kolonnen, hvor dampen fra den mellomliggende delen som

kondenserer med den øvre produktstrømmen i sidekondensatoren øker med økende nitrogenkonsentrasjon i råstoffet.

Fremgangsmåten er kjennetegnet ved at det i tillegg anordnes en andre, øvre sidekondensator, hvor det i den øvre av de to sidekondensatorene skjer en kondensasjon av en mellomliggende damp fra den mellomliggende delen av kolonnen mellom kondensatoren for øvre damp og den nedre av de to sidekondensatorene ved hjelp av varmeveksling med øvre damp uten ekspansjon av den øvre dampen, slik at det tilveiebringes et mellomliggende tilbakeløp til kolonnen, hvor strømmen av damp fra den mellomliggende delen til den øvre sidekondensatoren øker med økende nitrogenkonsentrasjon i råstoffet, og hvor dampen som kondenserer i den nedre av de to sidekondensatorene fjernes fra kolonnen ved en posisjon mellom den andre, øvre sidekondensatoren og det høyeste tilførsels-punktet.

Ved utførelse av fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse anvendes et varmepumpefluid av metan, imidlertid kan et blandet kryogent kjølemiddel benyttes for på effektiv måte å tilpasse syklusen til forskjellige råstoff og produkt-spesifikasjoner . Figur 1 er et skjematisk flytdiagram av en foretrukket utførelse av oppfinnelsen for en fremgangsmåte for separasjon av nitrogen fra naturgass inneholdende nitrogen. Figur 2 er et skjematisk flytdiagram for en alternativ utførelse av fremgangsmåten for separasjon av nitrogen fra naturgass inneholdende nitrogen.

Prosjekter med assistert oljeutvinning anvender nitrogen av høyt trykk, dette resulterer i at det produseres naturgass med økende mengder nitrogen. Nitrogen må separeres fra den rene naturgassen for å oppgradere oppvarmingsverdien for gassen og gjøre den akseptabel for rørsalg. Fremgangsmåten Ifølge foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et system for separasjon eller fjernelse: av nitrogen fra naturgassen med variabel sammensetning og det tilveiebringes produktstrøm av nitrogen ved forhøyet trykk, derved reduseres behovet for rekompresjon før resirkulering for assistert utvinning.

Under henvisning til tegningen, trer en naturgasstrøm fra et oljereservoar eller gassfelt som holdes ved høyt trykk ved hjelp av stor nitrogeninjeksjon inn i et utvinningsanlegg for flytende naturgass, som Ikke er vist, hvor etan og tyngre hydrokarboner separeres som væsker. Naturgassen inneholdende nitrogen, ved et trykk på ca. 2760 kPa, tilføres til prosessen ifølge foreliggende oppfinnelse som vist i tegningen. Det finnes to strømmer som kommer fra væske-utvinningsanlegget for naturgass, den første, rør 1, er hovedtilførselsgassen, nitrogenholdig naturgass, og den andre, rør 10, er det sekundære gassråstoffet, avmetanlsert naturgass fra toppdampen fra utvinningsanlegget. Den primære råstof fgassen trer inn i foreliggende prosess i rør 1 og avkjøles i hovedvarmeveksleren 2. Den avkjølte primære råstof fgassen føres i rør 3 til separatoren 4 hvor væske fjernes. Damp fra separator 4 føres i rør 6 for ytterligere avkjøling i hovedveksleren 2 og føres i rør 7 til separatoren 8. Damp fra separatoren 8 føres gjennom rør 9 til varme-veksleren 11 for kaldt råstoff. Den avkjølte dampen fra varmeveksler 11 føres via rør 12 og innføres sammen med væskefraksjoner fra separatorene 4 og 8 via rør 14 og 16 til destl1lasjonskolonnen 19 ved stadig høyere, og følgelig kaldere, brett 1 destillasjonskolonnen. Den sekundære råstoffgasstrømmen trer inn i prosessen i rør 10 og tilføres til bunndelen av destillasjonskolonnen 19.

En fraksjonering utføres i destillasjonskolonnen 19, topp-dampprodukt innbefattende en damp som er rik på nitrogen fjernes via rør 20, og en bunnfraksjonvæskestrøm innbefattende flytendegjort naturgass og tyngre hydrokarboner fjernes i rør 24. Gjenfordampningeffekten for kolonnen 19 tilveiebringes i gjenfordamper 25 ved hjelp av varmepumpe-fluld i rør 31.

Et varmepumpesystem med ytre varmepumpesyklus anvendes, dette inneholder kompressorene 26, 27 og 28 for trinnvis kompresjon av tilnærmet rent metan som benyttes som sirkulerende varmepumpefluid. Komprimert varmepumpefluid som forlater kompressoren 28 føres til gassvarmeveksleren 29 hvori det avkjøles. Det kalde komprimerte varmepumpefluidet føres via rør 31 til gjenfordamperen 25 for å tilveiebringe for-dampnlngsvarme hvori varmepumpefluidet kondenseres full-stendig. Det flytende varmepumpefluidet som forlater for-damperen i strøm 32 underkjøles i varm underkjøler 33. Underkjølt flytende varmevekslingsfluid via rør 42 oppspaltes i to strømmer i rør 34 og 43. Det underkjølte varmepumpefluidet i rør 34 trykkavlastes ved 35 til et mellomliggende trykk og føres i rør 36 til fordampning i nedstrømskonden-satoren 37 slik at det tilveiebringes mellomliggende tilbake-strømning i kolonne 19 ved avkjøling av en mellomliggende fraksjon fjernet fra kolonne 19 i rør 38 og delvis kondensert i kondensatoren 37 slik at det dannes en tilbakestrømnings-strøm i rør 39 som føres tilbake til kolonnen 19. Den mellomliggende tilbakestrømmen som tilveiebringes ved hjelp av kondensatoren 37 kan alternativt tilveiebringes ved hjelp av varmeveksling direkte inn i kolonnen 19 1 stedet for kondensatoren 37 som er angitt utenfor kolonne 19 i tegningen. Den lavere mellomliggende tilbakestrømningen tilveiebringes ved et punkt mellom den øvre mellomliggende kondensatoren og det høyeste tilførselspunktet til kolonnen 19. Etter å være fordampet i kondensatoren 37 føres varmepumpefluidet ved et mellomliggende trykk i rør 41. Underkjølt varmepumpefluid i rør 43 underkjøles ytterligere i kald underkjøler 44 og føres i rør 45 til den kaldeste delen av anlegget hvor det trykkavlastes ved 46 og føres i rør 47 til den øvre kondensatoren 48 hvor varmepumpefluidet igjen fordampes og forlater kondensatoren 1 rør 49. Den øvre kondensatoren 48 muliggjør kondensasjon for den øvre dampen fra destillasjonskolonnen i rør 50 som blir tilbakesendt til kolonnen i rør 51. Lavtrykksdamp i rør 49 returneres gjennom kald underkjøler 44 og videre i rør 52 til varm underkjøler 33 og føres videre i rør 53 til gass-gass-veksler 29 før den returneres i rør 54 til begynnelsen av rekompresjonstrinnet i kompressoren 26. Varmepumpefluidet fra kondensator 37 i rør 41 gjenoppvarmes 1 varm underkjøler 33, føres i rør 66 til gass-gass-veksleren 29 før det returneres i rør 67 til kompresjonstrlnnet ved en mellomliggende posisjon, mellom kompressor 26 og kompressor 27.

Høytrykksnitrogen fra den øvre delen av fraksjonerings-kolonnen i rør 20 benyttes til å avkjøle en oppstrømskonden-sator 21 slik at det tilveiebringes mellomliggende tilbake-strømning i kolonnen ved avkjøling av en mellomliggende fraksjon fjernet fra kolonnen i rør 22 og avkjølt i kondensator 21 slik at det dannes en flytende strøm 1 rør 23 som føres tilbake 1 kolonnen 19 som tilbakestrøm. Den mellomliggende tilbakestrømmen som tilveiebringes ved hjelp av kondensator 21 kan alternativt tilveiebringes ved varmeveksling direkte inne i kolonne 19 istedenfor kondensatoren 21 som er vist utenfor kolonnen i tegningen. Den øvre mellomliggende tilbakestrømmen i rør 23 tilveiebringes ved et punkt mellom den øvre kondensatoren og den nedre mellomliggende kondensatoren. Nitrogenproduktstrømmen fra kondensatoren 21 sendes gjennom kondensator 37. Høytrykksnitrogen-produktet i rør 68 kan ekspanderes til ca. 1725 kPa i ekspansjonsinnretning 69 slik at det tilveiebringes ekstra nedkjøling dersom dette er ønsket fra nitrogenet som sendes i rør 71 gjennom kaldveksler 11 og videre gjennom rør 72 til hovedvarmeveksleren 2 hvor endelig nedkjølingsutvinning fra det kalde nitrogenet finner sted. Produktnitrogen ved et forhøyet trykk forlater hovedvarmeveksleren 2 i rør 73 og kan resirkuleres eller utluftes.

Hydrokarbonprodukter fra bunnen av kolonnen 1 rør 24 trykkavlastes ved 74 og føres til hovedvarmeveksler 2 slik at det tilveiebringes kondensasjon av råstoffet. Naturgassprodukt fjernes i rør 80.

Eventuelt kan, som vist i figur 2, inngangsdelen av prosessen drives med bare et råstoff og en råstoffseparator. I et slikt tilfelle vil råstoffgassen i strøm 101 fortsette gjennom varmeveksler 102. Det avkjølte råstoffet tilføres via rør 103 til separator 104. ToppfraksJonen fra separator 104, rør 105, ekspanderes gjennom ekspansjonsinnretning 106 og tilføres via rør 107 til destillasjonskolonnen 19. Væsken fra separator 104 ekspanderes gjennom en J-T-ventil 109 og innføres, via rør 108, i destillasjonskolonnen 19. Høytrykksnitrogen-produktet i rør 68 oppvarmes i varmeveksler 102 og forlater prosessen som strøm 73. De gjenværende strømkonfigurasjonene er identiske med utførelsen i figur 1 og er nummerert på samme måte.

Arrangementet med flere kondensatorer Ifølge foreliggende oppfinnelse muliggjør regulering av kolonnetilbakestrøm ved effektiv utnyttelse av kalde nitrogentoppdamper for utvinning av kjølemiddel. Når nitrogeninnholdet i naturgassråstoffet er lavt, kan den kalde toppdampen bare tilveiebringe en liten prosentandel av de samlede behovene for nitrogenkolonne-tilbakestrømning. Hoveddelen av den mellomliggende tilbake-strømmen leveres av den nedre kondensatoren. Ettersom nitrogeninnholdet 1 tilførselsgassen fortsetter å stige, genererer den øvre kondensatoren en økende mengde av den mellomliggende tilbakestrømmen for kolonnen og effektiv kolonneoperasjon opprettholdes.

Den øvre kondensatoren endrer temperaturprofilen i kolonne-tilbakestrømningsdelen, idet den oppvarmer den nedre konden-satortilbakestrømmen. Dette fenomenet øker det tillatelige trykket for kjølemiddelkoking i mellomtrinnsvarmepumpen i veksleren. Anvendeligheten av mellomtrlnnsvarmepumpekjøle-middel opprettholdes også ved sammensetninger med høyere nitrogeninnhold fordi tendensen til stadig kaldere kolonne-tilbakestrøm delvis oppheves.

Arrangementet med flere kondensatorer kan effektivt og kontinuerlig følge nedkjøvingsbehovene for nitrogen-metan-fraksjoneringen som forandrer seg med økende nitrogen i naturgassråstoffet. I tillegg øker den effektive inte-greringen av kondensatorene ved både nitrogen og varmepumpe-nedkjølingsutvinning anvendeligheten av varmepumpefluid ved middels trykk for kolonnetllbakestrømning ved høyere nitrogeninnhold i naturgassen. Begge deler bevirker reduksjon av kompresjonskraften for varmepumpefluidet som er påkrevet for å drive høytrykksseparasjonen i den enkle kolonnen når anlegget drives i det midlere området av nitrogenkonsentrasjoner.

Hovedfordelen veti arrangementet med flere kondensatorer for fraksjonering av nitrogen-metan med variabelt nitrogeninnhold er varmepumpeinnsparingene som kan oppnås på basis av effektiv destillasjon og effektiv nedkjøling.

Prosessen anvender, enten med eller uten utvinning av flytende naturgass, flere tilførsler av råstoff til kolonnen for å redusere omfanget av tilbakestrømning og fordampning i kolonnen. Figur 1 viser et system med et antall separatorer som utgjør del av den foretrukne utførelsen, men ikke desto mindre kan fremgangsmåten utføres med færre råstoffsepara-torer, som vist i figur 2. Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse er egnet for naturgasstrømmer med eller uten utvinning av flytende naturgass hvor råstoffgasstrykket er 2413 kPa eller større. Det foretrukne driftsområdet for destillasjonskolonnen er 2070 til 2760 kPa. Fraksjonering over 2760 kPa vil nærme seg det kritiske trykket for nitrogen og derved gjøre driften upraktisk.

Produktmetan oppnådd ved foreliggende fremgangsmåte inneholder nitrogenkonsentrasjoner på 1 til 3 volum-56 og hydrokarbonutvinningen er ca. 99 ,556.

I tillegg har høytrykksdestillasjonsprosessen den ekstra fordelen at det kan håndteres betydelige mengder karbondloksyd, ca. 100 volumdeler pr. million (vppm) eller høyere, uten størkning av karboifdioksydet.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fordelaktig forbedring av energiforbruk sammenlignet med kjente separasjonssystemer for fjernelse av nitrogengass. Som vist i det følgende eksemplet kan nitrogen ved foreliggende oppfinnelse fjernes ved redusert energibehov. Den beregnede kraftreduk-sjonen er ca. 356 sammenlignet med andre separasjonssystemer.

EKSEMPEL

Det henvises til figur 2. En tilførselsgasstrøm inneholdende 50 volum-56 nitrogen og 50 volum-56 hydrokarbon-naturgass innføres i prosessen, via rør 101, ved et trykk på 5861 kPa og en temperatur på -73°C. Tllførselsgassen avkjøles i hovedvarmeveksleren 102 til en temperatur på -100°C før den sendes til separator 104 via rør 103. Bunnf raks J onene fra separatoren, ca. 15 vekt-56 av rør 103, ekspanderes og tilføres til destillasjonskolonnen 19 via røret 108. Toppfraksjonen fra separator 104, rør 105, ca. 85 vekt-56 av rør 103, ekspanderes i ekspansjonsinnretning 106 og tilføres til destillasjonskolonnen 19 1 rør 107.

To produkter fjernes fra destillasjonskolonnen som drives ved 2413 kPa, en damp som er rik på nitrogen fjernes i rør 20 og en væske som er rik på naturgass-hydrokarboner fjernes i rør 24. Toppf raksjonen fra kolonnen utgjør ca. 60 vekt-56 av råstoffet til kolonnen og har en sammensetning på ca. 99,5 volum-56 nitrogen og 0,5 volum-56 naturgass. Bunnf raksjonen fra kolonnen utgjør ca. 40 vekt-56 av råstoffet og har en sammensetning på ca. 2 volum-5b nitrogen og 98 volum-5b naturgass-hydrokarboner.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fordelaktig forbedring sammenlignet med kjente separasjonssystemer for nitrogen. Som vist i tabell I nedenfor, avviser foreliggende oppfinnelse nitrogen ved et redusert kraftbehov sammenlignet med en patentert syklus beskrevet i US patent nr. 4.411.677. Den beregnede kraftreduksjoneri på over 3% antas å være en betydelig reduksjon i gass-separasjonssystemer, spesielt når dette kan overføres til mindre kompressorutstyr for varme-pumpekompresj on.

Grunnlaget for vurderingen var ved 100 MMSCFD, ved et naturgassprodukt på 1893 kmol/time, ved 2 volum-Sé nitrogen i produktet, ved en temperatur på 30°C og et produkttrykk på 1724 kPa.

Claims (1)

1. Fremgangsmåte for separering av nitrogen fra et råstoff under trykk inneholdende naturgass og nitrogen over et bredt konsentrasjonsområde fra 5 til 85 volum-56 nitrogen i en enkelt destlllasjonskolonne slik at det dannes produktstrøm-mer under trykk av nitrogen og naturgass, som innbefatter: (a) avkjøling og separaéfjon av råstoffet under trykk til flere separate tilførsler til kolonnen og destillasjon av de avkjølte råstoffene i. destillasjonskolonnen, slik at det dannes en øvre damp under trykk som er rik på nitrogen og en bunnfraksjonsvæske under trykk som er rik på naturgass-hydrokarboner; (b) kondensasjon av en øvre damp fra en øvre del av kolonnen ved varmeveksling med et første kjølemiddel i lukket krets, slik at det tilveiebringes tilbakestrømning til kolonnen; (c) kondensasjon i en sidekondensator av en mellomliggende damp ved varmeveksling med et andre kjølemiddel i lukket krets og ved varmeveksling med toppdampen uten ekspansjon av toppdampen for å tilveiebringe tilbakeløp til kolonnen, hvor dampen fra den mellomliggende delen som kondenserer med den øvre produktstrømmen i sidekondensatoren øker med økende nitrogenkonsentrasjon i råstoffet, karakterisert ved at det i tillegg anordnes en andre, øvre sidekondensator, hvor det i den øvre av de to sidekondensatorene skjer en kondensasjon av en mellomliggende damp fra den mellomliggende delen av kolonnen mellom kondensatoren for øvre damp og den nedre av de to sidekondensatorene ved hjelp av varmeveksling med øvre damp uten ekspansjon av den øvre dampen, slik at det tilveiebringes et mellomliggende tilbakeløp til kolonnen, hvor strømmen av damp fra den mellomliggende delen til den øvre sidekondensatoren øker med økende nitrogenkonsentrasjon i råstoffet, og hvor dampen som kondenserer i den nedre av de to sidekondensatorene fjernes fra kolonnen ved en posisjon mellom den andre, øvre sidekondensatoren og det høyeste tilførsels-punktet.