NO170475B - Fremgangsmaate til utvinning av nitrogen - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte til frembringelse av inertgass, spesielt for injeksjon i en oljebrønn for å bidra til utvinning av råolje.

Det er vel kjent at trykket i et oljefelt avtar etterhvert

som oljen utvinnes. Når trykket til å begynne med er høyt,

vil oljen strømme ut ved ekspansjon av den gass som foreligger i feltet sammen med oljen - den såkalte "tilhørende gass". Etterhvert som mer og mer olje utvinnes, faller trykket, og

for å vedlikeholde oljestrømmen anvender man ytterligere gjen-vinningsteknikker såsom injeksjon av vann eller inertgasser.

Hvis oljefeltet ligger på land, har man en rekke muligheter

til disposisjon såsom dampflømming, brannflømming eller vann-flømming. Hvis imidlertid feltet ligger til havs, blir stør-relsen og vekten av slikt oljeutvinningsutstyr en meget betydelig faktor. Den foreliggende oppfinnelse tar sikte på å skaffe en fremgangsmåte til produksjon av nitrogen som kan anvendes til oljeutvinning. Skjønt fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er særlig egnet for bruk til havs, kan den også anvendes på land.

I henhold til oppfinnelsen er en fremgangsmåte til utvinning

av nitrogen ved overtrykk fra en nitrogenholdig gasstrøm karakterisert ved

(a) at gasstrømmen komprimeres til et overtrykk,

(b) at den komprimerte gasstrøm føres gjennom en gassgjennom-strømningsmembran som har høyere permeabilitet for forurensninger i nitrogenstrømmen enn for nitrogen, hvorved i det minste noe av nitrogenet i strømmen separeres fra forurensningene i denne og permeatstrømmen holdes på

et overtrykk,

(c) at det nitrogen som frasepareres i trinn (b), føres gjennom en katalytisk deoksygeneringsinnretning for fjerning av oksygen fra nitrogenet, (d) at temperaturen av den separerte strøm av forurensninger

fra trinn (b) økes og

(e) at den varme forurensningsstrøm ekspanderes for å frembringe arbeid.

Ved den foretrukne utførelsesform er den nitrogenholdige gas-strøm luft, og membranen har økt permeabilitet for oksygen.

I praksis fører ofte bare ca. halvparten av nitrogenet i den luft som komprimeres i trinn (a), til et nyttig nitrogenprodukt for brønninjisering. Økningen i temperaturen i trinn (d) blir passende i det minste delvis frembragt ved forbrenning av et brensel med oksygenet i forurensningsstrømmen.

Det nitrogen som frasepareres i trinn (b), blir ført gjennom en katalytisk deoksygeneringsinnretning for fjerning av oksygen fra nitrogenet, og den varme som frembringes ved denne katalytiske deoksygenering, kan da benyttes til å øke temperaturen av den fraskilte forurensningsstrøm i trinn (d). Videre kan spormengder av forurensninger i det utvundne nitrogen fjernes ved bruk av en molekylærsikt-gasseparator, f.eks. en adsorpsjonsenhet med svingende trykk. Slike forurensninger kan være svoveldioksid, vanndamp og gjenværende karbondioksid.

Vanligvis innbefatter fremgangsmåten det trinn å avkjøle det trinn å avkjøle det fraseparerte nitrogen, idet den gjenvundne varme anvendes til å øke temperaturen av den fraseparerte forurensningsstrøm i trinn (d). Også det trinn å komprimere det fraseparerte nitrogen fra trinn (b) er vanligvis nødvendig når nitrogenet anvendes til oljeutvinning.

Skjønt det arbeid som frembringes i trinn (e), kan nyttiggjøres på et hvilket som helst sted i den samlede fremgangsmåte, blir det fortrinnsvis benyttet til å bidra til kompresjonen av enten gasstrømmen i trinn (b) eller det utvundne nitrogen.

I henhold til vanlig praksis blir innretninger med gasspermeable membraner drevet slik at der fås en permeatstrøm ved hovedsakelig atmosfæretrykk. I henhold til oppfinnelsen holdes permeatstrømmen på et trykk hovedsakelig over atmosfæretrykk. Trykkforskjellen over den membran som anvendes ved fremgangsmåten, bør stort sett holdes på mellom 10 og 100 at., fortrinnsvis ca. 70 at* og trykket i permeatet som frasepareres i trinn (b), holdes på minst 5 at.

01jefeltformasjoner krever for det meste en kompresjon av det fraseparerte nitrogen til trykk på opptil 500 at. For brønn-injeksjon bør oksygeninnholdet i det utvundne nitrogen være mindre enn 50 ppm, helst mindre enn. 1.0 ppm.

Temperaturen av den varme forurensningsstrøm som ekspanderes

i trinn (e), kan være mellom 500 og 1100°C, spesielt når den energi som kreves av utvinningsprosessen, skaffes ved forbrenning av naturgass, f.eks. for drift til havs.

Kompresjonstrinnet (a) kan utføres av en eneste kompressor som drives dels av ekspansjonen av den varme forurensningsstrøm i trinn (e), dels av et annet drivmiddel, f.eks. en gassturbin. Kompresjonstrinnet kan alternativt utføres av en rekke kompressorer og varmgassekspansjonsanordninger anordnet i serie. Den nødvendige netto tilførte effekt til hvert par blir passende tilpasset den som er tilgjengelig fra en kommersielt tilgjengelig aeroderivativ gassturbin. Det er funnet nyttig at de første trinn av kompresjonen er aksiale, mens sluttrinnet er radialt.

Den gasspermeable membran kan være inneholdt i en eneste- innretning, eller der kan benyttes en rekke gassepareringsinn-retninger, enten- anordnet i serie eller i parallell etter ønske. Når der anvendes en kombinasjon av gassepareringsinn-retninger er en rekke forskjellige gasstrømmer mulige. F.eks. kan permeatstrømmen fra en nedstrømsinnretning resirkuleres enten til et mellomtrinn i kompressoren eller til en oppstrøms-gassepareringsinnretning.

I henhold til den mest foretrukne utførelsesform omfatter oppfinnelsen produksjon av en inertgass som er overveiende nitrogen og som avledes fra luft ved komprimering av denne luft og føring av luften gjennom en permeabel membraninnretning av den art som markedsføres av Monsanto under handelsnavnet PRISM, som fortrinnsvis tillater oksygen å trenge gjennom membranen. Den strøm som ikke trenger igjennom, dvs. den nitrogenrike strøm som opprettholder hovedsakelig hele sitt trykk, føres til en katalytisk deoksygeneringsinnretning som reduserer oksygeninnholdet i strømmen til et nivå som er egnet for injeksjon i oljebrønnen. Den oksygenrike permeatstrøm forlater membranen ved forhøyet trykk og oppvarmes før den føres gjennom en eks-pansjons turbin .

En viktig faktor ved fremstilling av nitrogen for økt oljeutvinning er forholdet mellom produsert nitrogenmengde og den naturgass som anvendes som brensel for "drift" av prosessen. Dette forhold mellom nitrogen og naturgass kalles "bulking-faktoren". Brenselforbruket ved prosessen er naturligvis spesielt viktig for bruk på land, hvor naturgass kan ha en relativt høy pris. xMen selv for anvendelser til havs, hvor naturgass har liten verdi, er bulking-faktoren fortsatt en viktig para-meter .

Den foran nevnte PRISM-separator, som kan være en av de membran-innretninger som kan anvendes ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, krever en trykkforskjell for at oksygen skal trenge gjennom polymermembranen. Normalt drives slike permeable membraner slik at en permeatstrøm levner separatoren ved trykk som er nær atmosfæretrykket. Ved den foretrukne utførelses-form av oppfinnelsen blir imidlertid luft tilført PRISM-separatoren ved trykk som er høyere enn 10 at., men vanligvis lavere enn 200 at., samtidig som trykkforskjellen over membranen holdes på et slikt nivå at der fås en permeatstrøm som ligger hovedsakelig over atmosfæretrykk. Typisk utsettes høytrykksiden av membranen for 60-80 at. for å tillate den oksygenrike permeat-strøm å komme ut av innretningen, hovedsakelig med et trykk på 2-50 at, passende mellom 3 og 30 at., og helst mellom 5 og 20 at.

Denne permeatstrøm blir oppvarmet og ekspandert i en innretning for å frembringe mekanisk energi som f.eks. kan drive luftkompressoren eller ^-kompresjonen eller bidra til å drive denne.

I den foretrukne utførelsesform blir denne oppvarming igjen oppnådd ved varmeveksling med en varm nitrogenholdig strøm fra deoksygineringstrinnet og ved tilførsel av brensel i form av naturgass til strømmen i et forbrenningskammer like foran gassekspansjonsdelen. Varmen i kompressoreksosstrømmen kan imidlertid også anvendes. Videre vil gassen kunne oppvarmes og/eller ekspanderes mer enn en gang.

Typiske innløpstemperaturer til gassekspansjonsdelen kan ligge i området 500-1100°C. Jo høyere temperatur, desto bedre energi-virkningsgrad i prosessen. Temperaturen er imidlertid begrenset til den som er akseptabel for kommersielt tilgjengelig ekspan-sjonsmaskineri.

Denne teknikk med å heve det samlede trykk i membraninn-retningen, koblet med oppvarming av permeatstrømmen før ekspansjon, resulterer i betydelig energibesparelse for hele prosessen, skjønt man for å holde installasjonen så enkel som mulig ved anvendelse til., havs vanligvis ikke vil utvinne varme fra gassturbineksosen.

Tegningen viser et flytdiagram for en foretrukket prosess i henhold til oppfinnelsen. Luft blir 'komprimert i kompressorer K-101A og K-101B, som hver utgjør en blandingsstrøminnretning bestående av aksiale første trinn og radiale sluttrinn. For enkel oppstarting er disse to kompressorer innrettet til å holdes mekanisk adskilt. Den komprimerte luft ved ca. 80 at. blir avkjølt i en varmeveksler H-101 (CW betyr kjølevann),

før den føres til en innretning W-101 av merket PRISM med permeabel membran. Den utgående oksygenrike permeatstrøm forlater

PRISM-separatoren ved ca. 10 at. og blir først forvarmet i en varmeveksler H-102 ved varmeveksling med en varm, nitrogenholdig strøm. Permeatstrømmen varmes vanligvis opp til en temperatur i området 100-650°C, passende 250-550°C, og fortrinnsvis 350-450°C. Permeatstrømmen føres deretter til et forbrenningskammer F-102, hvor den forbrennes med naturgass til en temperatur i området 500-1100°C. Den varme gass blir deretter ekspandert til atmosfæretrykk i en turbin KT-101 for å gi mekanisk energi til drift av luftkompressoren K-101B. Resten av kompresjonen av luften bevirkes av en gassturbin KGT-101, som fortrinnsvis er av den lette, aeroderivative type, som er egnet for anvendelse til havs, og som driver bare kompressoren K-101A. Som brensel for turbinen KGT-101 tjener naturgass, og eksosen føres rett ut i atmosfæren. M er en elektro-motor som anvendes ved oppstartingen.

Den høytrykksnitrogenstrøm som forlater PRISM-separatoren W-101 inneholder oksygen i området 1-10 volumprosent. Denne strøm splittes i to, hvorav en del blir forvarmet ved varmeveksling med utstrømmende varm nitrogen før den føres gjennom et første katalytisk skikt i en deokso-reaktor R-101 (et brensel-varme-apparat F-101 anvendes vanligvis bare for oppstarting). Naturgass tilsettes begge de oppdelte strømmer for oppnåelse av deoksygenering, men den vil kunne tilsettes'bare den første, forvarmede, avdelte strøm. Under passasje gjennom det første deokso-skikt øker temperaturen av gassen. Etter at gasstrømmen har forlatt dette skikt, blir den avkjølt ved tilsetting av den annen del av nitrogenstrømmen før den føres til det annet katalytiske skikt, som kan være maken til eller forskjellig fra det første skikt. Den endelige deoksygenering kan føres helt ned til under 1 ppm. Det deoksygenerte nitrogen som forlater reaktoren, føres til varmeveksleren H-102 for forvarming av permeatstrømmen og blir deretter avkjølt i en varmeveksler H-103 før den føres til den avsluttende gasskompressor K-102. En gassturbin KGT-102 som drives med et brensel i form av naturgass, og hvis eksos føres direkte ut i atmosfæren, driver kompressoren K-102. Igjen vil turbinen kunne være en aeroderivativ turbin. Etter kompresjon til området 300-500 at. blir det endelige høytrykknitrogen avkjølt i en varmeveksler H-104." Uttel-lingsinnretninger V-101 og V-102 er anordnet for fjerning av kondensert fuktighet. Bokstavene DR betyr bortledning.

Fjerning av sporforurensningsgasser såsom vanndamp, karbondioksid og svoveldioksid kan utføres ved vanlige teknikker, f.eks. ved molekylærsiktabsorpsjon. Slike anlegg vil kunne installeres etter utfellingsinnretningen V-101 og foran den siste gasskompressor K-102.

Skjønt slutt-oksygenkonsentrasjoner på lavere enn 1 ppm kan oppnås, kan der ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen fås meget høye slutt-oksygenkonsentrasjoner hvis det skulle være ønskelig, f.eks. 1-3 volumprosent.

Bulkingfaktorer som oppnås ved bruk av fremgangsmåten i henhold til flytskjemaet, ligger i området 7-10 ved fremstilling av nitrogen ved 400 at. fra luft ved atmosfæretrykk.

Som et alternativ til luft kan der anvendes gassturbineksos-gasser eller røkgasser som nitrogenkilde for fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Som et alternativ til naturgass kan der som brensel i fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen anvendes andre egnede væskeformede eller gassformede brensler såsom oljeassosiert gass, våtgass (natural gas liquids), parafin eller nafta eller en kombinasjon av slike brensler.

Det vil forstås av fagfolk at den viste utførelsesform av oppfinnelsen har betydelige fordeler i forhold til kjente frem-stillingsteknikker for inertgass i store mengder: 1. Bortsett fra kompressoren, ekspansjonsinnretningene og turbindrivinnretningene, hvis bruk man er vel fortrolig med til havs, er der ingen vesentlige bevegelige deler som krever vedlikehold. 2. Et komplett system for utførelse av fremgangsmåten kan lett oppdeles i moduler og installeres som tillegg til en bestående platform. 3. Systemet inneholder ingen flytende oksygenstrømmer, noe som kunne være risikofylt.

I det tilfelle at det arbeid som frembringes ved ekspansjon

av den varme forurensningsstrøm, ikke er nødvendig ved den foreliggende fremgangsmåte til utvinning av nitrogen, kan den anvendes i anlegg og utstyr for lignende fremgangsmåter på samme sted eller platform, enten direkte eller indirekte via fremstilling av elektrisk strøm.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte til utvinning av nitrogen ved overtrykk fra en nitrogenholdig gasstrøm, karakterisert ved(a) at gasstrømmen komprimeres til et overtrykk, (b) at den komprimerte gasstrøm føres gjennom en gassgjennomtrengelig membran som har høyere permeabilitet for forurensningene i nitrogenstrømmen enn for nitrogen, hvorved i det minste noe av nitrogenet i strømmen separeres fra forurensningene i denne, samtidig som permeatstrømmen holdes på et overtrykk, (c) at det nitrogen som frasepareres i trinn (b), føres gjennom en katalytisk deoksygeneringsinnretning for fjerning av oksygen fra nitrogenet, (d) at temperaturen av den separerte strøm av forurensninger fra trinn (b) økes, og (e) at den varme forurensningsstrøm ekspanderes for å frembringe arbeid.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at den nitrogenholdige gasstrøm er luft, og at membranen har økt permeabilitet for oksygen.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at den temperaturøkning som oppnås i trinn (d), i det minste delvis frembringes ved forbrenning av et brensel med oksygenet i forurensnings-strømmen.

4. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1-3, karakterisert ved at det arbeid som frembringes i trinn (e) benyttes til å bidra til kompresjonen av gasstrømmen i trinn (a).

5. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1-3, karakterisert ved at det arbeid som frembringes i trinn (e), benyttes til å bidra til kompresjonen av det nitrogen som utvinnes i trinn (b).

6. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at trykkforskjellen over den gassgjennomtrengelige membran er på 10-100 at* og at trykket i permeatet som. frasepareres- i trinn (b), er minst 5 at.

7. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at kompresjonstrinnet (a) utføres av to kompressorer som kan drives av en gassturbin og er mekanisk adskilt.

8. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at spormengder av forurensninger i det utvundne nitrogen fjernes ved bruk av en molekylærsikt-gasseparator.