RU2733710C1

RU2733710C1 - Apparatus for separating hydrocarbons from a gas mixture (versions)

Info

Publication number: RU2733710C1
Application number: RU2020118661A
Authority: RU
Inventors: Андрей Владиславович Курочкин
Original assignee: Андрей Владиславович Курочкин
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2020-10-06

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to equipment for separation of gaseous mixtures. Described is an apparatus for separating hydrocarbons from a gas mixture, comprising a recuperative heat exchanger and a fractionating column arranged on the crude gas line, as well as reducing devices, in which the fractionating column is equipped with a heat-mass-exchange section in the reinforcing portion and a heater in the stripping part, which is located on bypass line of recuperative heat exchanger, bottom of the column is equipped with a line for outputting hydrocarbon fraction C₁₊, on which a reducing device and a recuperative heat exchanger are located, and the top of the column is equipped with a line for outputting a mixture of non-condensed gases, on which reducing device, heat-mass exchange section and recuperative heat exchanger are successively located. Described is an apparatus for separating hydrocarbons from a gas mixture, comprising a recuperative heat exchanger and a fractionating column arranged on a feed gas line, as well as a separator and reducing devices, in which the fractionating column is equipped with a heat-mass-exchange section in the reinforcing portion and a heater in the stripping part, which is located on bypass line of recuperative heat exchanger, bottom of column is equipped with hydrocarbon fraction discharge line C₁₊, on which there are a reducing device and a separator, equipped with a liquefied natural gas outlet line and a separation gas discharge line with a recuperative heat exchanger connected to the raw gas line, and the top of the column is equipped with a line for outputting a mixture of non-condensed gases, on which there are successively arranged a reducing device, a heat-mass exchange section and a recuperative heat exchanger.

EFFECT: simplified installation and increased output of commercial gas.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к оборудованию для разделения газообразных смесей углеводородов с неконденсируемыми газами и может быть использовано в газовой промышленности для подготовки низкокалорийного природного газа, а также для разделения промышленных газовых смесей.The invention relates to equipment for separating gaseous mixtures of hydrocarbons with non-condensable gases and can be used in the gas industry for the preparation of low-calorie natural gas, as well as for the separation of industrial gas mixtures.

Известна установка низкотемпературного разделения газа [RU 77949, опубл. 05.07.2017 г., МПК F25J 3/00], состоящая из блока предварительного охлаждения газа, включающего последовательно установленные теплообменник, пропановый холодильник и сепаратор первой ступени, блока конденсации и охлаждения газа, включающего теплообменники, сепараторы второй и третьей ступени, отпарные колонны и турбодетандерный агрегат, блока выделения этана и широкой фракции легких углеводородов, включающего деметанизатор, деэтанизатор, теплообменники и блока получения гелиевого концентрата.Known installation for low-temperature gas separation [RU 77949, publ. 07/05/2017, IPC F25J 3/00], consisting of a gas pre-cooling unit, including a series-installed heat exchanger, a propane cooler and a first stage separator, a gas condensation and cooling unit, including heat exchangers, second and third stage separators, stripping columns and a turbo-expander unit, a block for ethane and a wide fraction of light hydrocarbons, including a demethanizer, a deethanizer, heat exchangers and a helium concentrate production block.

Недостатком известной установки является сложность и большие капитальные затраты.The disadvantages of the known installation are the complexity and high capital costs.

Наиболее близки к предлагаемому изобретению способ переработки природного газа с извлечением С₂₊ и установка для его осуществления [RU 2614947, опубл. 31.03.2017 г., МПК F25J 3/00], которая содержит семь рекуперативных теплообменников, три фракционирующих колонны (деметанизатор, колонну предварительного концентрирования гелия и колонну выделения гелиевого концентрата) со вспомогательным оборудованием, два низкотемпературных сепаратора, турбодетандерный агрегат, насос, шесть дросселей (редуцирующих устройств), при этом первый рекуперативный теплообменник, первый сепаратор и деметанизатор расположены на трубопроводе (линии) сырьевого газа.Closest to the proposed invention is a method for processing natural gas with the extraction of C ₂₊ and an installation for its implementation [RU 2614947, publ. 03/31/2017, IPC F25J 3/00], which contains seven recuperative heat exchangers, three fractionation columns (demethanizer, helium pre-concentration column and helium concentrate separation column) with auxiliary equipment, two low-temperature separators, a turbo-expander unit, a pump, six throttles (reducing devices), wherein the first recuperative heat exchanger, the first separator and the demethanizer are located on the feed gas pipeline (line).

Недостатками данной установки являются сложность (более 20 единиц оборудования), а также низкая степень извлечения углеводородов (на установке получают только 72% товарного газа высокого и низкого давления с содержанием метана 97,9%) из-за низкой температуры метановой фракции, отбираемой в колонне получения гелиевого концентрата (минус 111°С при 2,0 МПа в сепараторе), что имеет следствием высокое содержание азота как в самой метановой фракции, так и в газе среднего давления, получаемом при ее испарении, который из-за этого имеет низкую калорийность и не соответствует требованиям норм на топливный газ.The disadvantages of this unit are its complexity (more than 20 pieces of equipment), as well as a low degree of hydrocarbon recovery (the unit produces only 72% of high and low pressure commercial gas with a methane content of 97.9%) due to the low temperature of the methane fraction taken in the column obtaining a helium concentrate (minus 111 ° C at 2.0 MPa in the separator), which results in a high nitrogen content both in the methane fraction itself and in the medium-pressure gas obtained during its evaporation, which because of this has a low calorific value and does not meet the requirements of the fuel gas regulations.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение установки и увеличение выхода фракции углеводородов С₁₊ в виде товарного газа и/или сжиженного природного газа.The objective of the present invention is to simplify the installation and increase the yield of the C ₁₊ hydrocarbon fraction in the form of commercial gas and / or liquefied natural gas.

Предложено два варианта установки, отличающихся агрегатным состоянием выводимой фракции углеводородов C₁₊. В первом варианте это товарный газ, во втором - товарный газ и/или сжиженный природный газ.Two variants of the installation are proposed, differing in the state of aggregation of the withdrawn fraction of hydrocarbons C ₁₊ . In the first version, it is commercial gas, in the second - commercial gas and / or liquefied natural gas.

Техническим результатом в обоих вариантах является упрощение установки за счет кратного снижения количества оборудования и повышение выхода товарного газа за счет вывода фракции углеводородов C₁₊ с низа фракционирующей колонны при повышенной температуре, гарантирующей минимальное содержание с ней негорючих неуглеводородных компонентов и соответствие требованиям норм по калорийности топливного газа.The technical result in both versions is to simplify the installation due to a multiple reduction in the amount of equipment and increase the yield of commercial gas due to the withdrawal of the C ₁₊ hydrocarbon fraction from the bottom of the fractionating column at an elevated temperature, which guarantees the minimum content of non-combustible non-hydrocarbon components with it and compliance with the requirements of the fuel calorific value. gas.

Указанный технический результат в первом варианте достигается тем, что в предлагаемой установке, включающей расположенные на линии сырьевого газа рекуперативный теплообменник и фракционирующую колонну, а также редуцирующие устройства, особенность заключается в том, что фракционирующая колонна оснащена тепломассообменной секцией в укрепляющей части и нагревателем в отгонной части, который расположен на байпасной линии рекуперативного теплообменника, низ колонны оснащен линией вывода фракции углеводородов C₁₊, на которой расположены редуцирующее устройство и рекуперативный теплообменник, а верх колонны оснащен линией вывода смеси неконденсируемых газов, на которой последовательно расположены редуцирующее устройство, тепломассообменная секция и рекуперативный теплообменник.The specified technical result in the first embodiment is achieved by the fact that in the proposed installation, which includes a recuperative heat exchanger and a fractionating column located on the feed gas line, as well as reducing devices, the peculiarity lies in the fact that the fractionating column is equipped with a heat and mass transfer section in the reinforcing part and a heater in the distant part , which is located on the bypass line of the recuperative heat exchanger, the bottom of the column is equipped with a line for the output of the hydrocarbon fraction C ₁₊ , on which the reducing device and the recuperative heat exchanger are located, and the top of the column is equipped with a line for the outlet of a mixture of non-condensable gases, on which the reducing device, the heat and mass transfer section and the recuperative heat exchanger.

Второй вариант отличается тем, что на линии вывода фракции углеводородов C₁₊ после редуцирующего устройства размещен сепаратор, оснащенный линией вывода сжиженного природного газа и линией вывода газа сепарации с рекуперативным теплообменником, которая соединена с линией подачи сырьевого газа.The second option differs in that a separator is placed on the line for the output of the fraction of hydrocarbons C1 ₊ after the reducing device, equipped with a line for the output of liquefied natural gas and a line for the output of separation gas with a recuperative heat exchanger, which is connected to the feed gas supply line.

Рекуперативный теплообменник выполнен многопоточным и может быть соединен с холодильной машиной. Фракционирующая колонна выполнена, например, в виде пленочной колонны. Редуцирующие устройства могут быть выполнены в виде редуцирующего вентиля, газодинамического устройства или детандера. При выполнении по меньшей мере одного из редуцирующих устройств в виде детандера, последний может быть соединен с посредством кинематических и/или электрических и/или магнитных и/или гидравлических устройств с компрессором компрессионной холодильной машины (например, с многокомпонентным хладоагентом), соединенной с рекуперативным теплообменником или оснащенной испарителем, расположенным на линии вывода из колонны фракции углеводородов C₁₊ или на линии вывода смеси неконденсируемых газов. В качестве остальных элементов установки могут быть установлены любые устройства соответствующего назначения, известные из уровня техники.The recuperative heat exchanger is multi-flow and can be connected to a refrigeration machine. The fractionating column is designed, for example, in the form of a film column. Reducing devices can be made in the form of a reducing valve, gas-dynamic device or expander. When performing at least one of the reducing devices in the form of an expander, the latter can be connected to by means of kinematic and / or electrical and / or magnetic and / or hydraulic devices with a compressor of a compression refrigeration machine (for example, with a multicomponent refrigerant) connected to a recuperative heat exchanger or equipped with an evaporator located in the outlet line of the C ₁₊ hydrocarbon fraction or in the outlet line of the non-condensable gas mixture. As the rest of the installation elements, any device for the corresponding purpose known from the prior art can be installed.

Сокращение количества оборудования до четырех-пяти единиц упрощает установку. Оснащение укрепляющей части фракционирующей колонны тепломассообменной секцией, охлаждаемой редуцированной смесью неконденсируемых газов, позволяет поддерживать температуру верха колонны на таком уровне, который обеспечивает заданный уровень потерь метана, что позволяет вырабатывать товарный газ с высоким и задаваемым выходом. Оснащение отгонной части колонны нагревателем, расположенным на байпасной линии рекуперативного теплообменника, позволяет нагреть сырьевым газом выводимую из куба колонны фракцию углеводородов C₁₊ до температуры, достаточной для достижения нужной степени отпарки неконденсируемых газов, и получить товарный газ заданной калорийности.Reducing the number of equipment to four to five units simplifies installation. Equipping the strengthening part of the fractionating column with a heat and mass transfer section, cooled by a reduced mixture of non-condensable gases, allows maintaining the temperature of the column top at a level that provides a predetermined level of methane losses, which makes it possible to produce commercial gas with a high and adjustable yield. Equipping the stripping part of the column with a heater located on the bypass line of the recuperative heat exchanger allows heating the C ₁₊ hydrocarbon fraction discharged from the bottom of the column with the feed gas to a temperature sufficient to achieve the desired degree of stripping of non-condensable gases, and obtain a commercial gas of a given calorific value.

Установка показана на фиг. 1 и 2 и в обоих вариантах включает рекуперативный теплообменник 1, полную фракционирующую колонну 2 с тепломассообменной секцией в укрепляющей части и с нагревателем в отгонной части, а также два редуцирующих устройства 3 и 4. Второй вариант установки дополнительно включает сепаратор 5.The installation is shown in FIG. 1 and 2 and in both versions includes a recuperative heat exchanger 1, a complete fractionating column 2 with a heat and mass transfer section in the strengthening part and with a heater in the distant part, as well as two reducing devices 3 and 4. The second version of the installation additionally includes a separator 5.

При работе установки по первому варианту (фиг. 1) осушенный и очищенный от кислых компонентов сырьевой газ, содержащий, например, 15 об.% углеводородов C₁₊, поступающий по линии 6 с давлением 2,0-3,0 МПа, разделяют на два потока, первый поток по байпасной линии 7 направляют в качестве теплоносителя в нагреватель колонны 2, затем смешивают со вторым потоком, предварительно охлажденным в теплообменнике 1 и с температурой минус 135-145°С подают в среднюю часть колонны 2. С низа колонны 2 по линии 8 выводят фракцию углеводородов C₁₊, редуцируют ее с помощью устройства 3, например, редуцирующего вентиля, например, до 0,3-1,3 МПа абс, нагревают в теплообменнике 1 и выводят в качестве товарного газа с низшей теплотой сгорания не менее 31,8 МДж/нм³ или в качестве сырья для дальнейшей переработки. С верха колонны 2 по линии 9 выводят смесь неконденсируемых газов (например, азота, кислорода, водорода и инертных газов), содержащую, преимущественно не более 1 мол.% метана, редуцируют ее с помощью устройства 4, например, детандера, до 0,1-2,0 МПа абс. и подают в качестве хладоагента в верхнюю часть верхней тепломассообменной секции, из нижней части которой выводят частично нагретую газовую смесь, нагревают ее в теплообменнике 1 и выводят в качестве отходящего газа или в качестве сырья для дальнейшей переработки.During the operation of the plant according to the first option (Fig. 1), dried and purified from acidic components raw gas containing, for example, 15 vol.% Of hydrocarbons C ₁₊ , supplied through line 6 with a pressure of 2.0-3.0 MPa, is divided into two streams, the first stream along the bypass line 7 is directed as a heat carrier to the heater of the column 2, then mixed with the second stream, previously cooled in the heat exchanger 1 and with a temperature of minus 135-145 ° C is fed to the middle part of the column 2. From the bottom of the column 2 along lines 8 withdraw the C ₁₊ hydrocarbon fraction, reduce it using device 3, for example, a reducing valve, for example, up to 0.3-1.3 MPa abs, are heated in heat exchanger 1 and output as a commercial gas with a lower calorific value of at least 31.8 MJ / Nm ³ or as a raw material for further processing. From the top of the column 2, a mixture of non-condensable gases (for example, nitrogen, oxygen, hydrogen and inert gases), containing, mainly, no more than 1 mol% of methane, is removed through line 9, it is reduced using device 4, for example, an expander, to 0.1 -2.0 MPa abs. and serves as a refrigerant into the upper part of the upper heat and mass transfer section, from the lower part of which a partially heated gas mixture is withdrawn, heated in heat exchanger 1 and removed as an off-gas or as a raw material for further processing.

При работе установки по второму варианту (фиг. 2) сырьевой газ, содержащий, например, 7 об.% углеводородов C₁₊, поступающий по линии 6 с давлением 2,0-3,0 МПа, разделяют на два потока, первый поток по байпасной линии 7 направляют в качестве теплоносителя в нагреватель колонны 2, затем смешивают со вторым потоком, предварительно охлажденным в теплообменнике 1 и с температурой минус 140-150°С подают в среднюю часть колонны 2. С низа колонны 2 по линии 8 выводят фракцию углеводородов C₁₊, редуцируют ее с помощью устройства 3, например, редуцирующего вентиля, до давления хранения сжиженного природного газа, например, до 0,3-0,9 МПа абс, и разделяют в сепараторе 5 на сжиженный природный газ, который выводят по линии 10 в качестве товарного продукта или сырья для дальнейшей переработки, и газ сепарации, который по линии 11 направляют для нагрева в теплообменник 1, и затем, либо полностью выводят с установки по линии 11 в качестве товарного газа, либо по линии 12 в какой-то части направляют в линию подачи сырьевой смеси (например, с помощью компрессора, на чертеже не показан), увеличивая выход сжиженного природного газа. При этом, при необходимости, количество выводимого сжиженного природного газа может регулироваться путем перепуска его части в линию 11 по линии 13. С верха колонны 2 по линии 9 выводят смесь неконденсируемых газов (например, азота, кислорода, водорода и инертных газов), содержащую, преимущественно не более 1 мол.%, редуцируют ее с помощью устройства 4, например, редуцирующего вентиля, до 0,1-2,0 МПа абс. и подают в качестве хладоагента в верхнюю часть верхней тепломассообменной секции, из нижней части которой выводят частично нагретую газовую смесь, нагревают ее в теплообменнике 1 и выводят в качестве отходящего газа или в качестве сырья для дальнейшей переработки.When the plant operates according to the second embodiment (Fig. 2), the feed gas containing, for example, 7 vol.% Of hydrocarbons C ₁₊ , supplied through line 6 with a pressure of 2.0-3.0 MPa, is divided into two streams, the first stream according to of the bypass line 7 is sent as a heat carrier to the heater of the column 2, then mixed with the second stream, pre-cooled in the heat exchanger 1 and with a temperature of minus 140-150 ° C is fed to the middle part of the column 2. From the bottom of the column 2, the hydrocarbon fraction C is withdrawn through line 8 ₁₊ , it is reduced using a device 3, for example, a reducing valve, to the storage pressure of liquefied natural gas, for example, up to 0.3-0.9 MPa abs, and is separated in a separator 5 into liquefied natural gas, which is discharged through line 10 as a commercial product or raw material for further processing, and separation gas, which is sent through line 11 for heating to heat exchanger 1, and then, either completely removed from the plant through line 11 as commercial gas, or through line 12 in some part guides are fed into the feed line (for example, using a compressor, not shown in the drawing), increasing the yield of liquefied natural gas. In this case, if necessary, the amount of liquefied natural gas discharged can be controlled by passing a part of it into line 11 along line 13. From the top of column 2, a mixture of non-condensable gases (for example, nitrogen, oxygen, hydrogen and inert gases) containing, mainly no more than 1 mol.%, it is reduced using device 4, for example, a reducing valve, to 0.1-2.0 MPa abs. and serves as a refrigerant into the upper part of the upper heat and mass transfer section, from the lower part of which a partially heated gas mixture is withdrawn, heated in heat exchanger 1 and removed as an off-gas or as a raw material for further processing.

Выход фракции углеводородов C₁₊ в виде товарного газа и/или сжиженного природного газа определяется потерями метана со смесью неконденсируемых газов и, в зависимости от состава сырьевого газа, составляет 90-99%.The yield of the C ₁₊ hydrocarbon fraction in the form of commercial gas and / or liquefied natural gas is determined by the loss of methane with a mixture of non-condensable gases and, depending on the composition of the feed gas, is 90-99%.

Таким образом, предлагаемая установка проще, позволяет увеличить выход фракции углеводородов C₁₊ в виде товарного газа и/или сжиженного природного газа и может найти применение в газовой промышленности.Thus, the proposed installation is simpler, allows to increase the yield of the fraction of hydrocarbons C ₁₊ in the form of commercial gas and / or liquefied natural gas and can be used in the gas industry.

Claims

1. Installation for the extraction of hydrocarbons from a gas mixture, including a recuperative heat exchanger and a fractionating column located on the feed gas line, as well as reducing devices, characterized in that the fractionating column is equipped with a heat and mass transfer section in the reinforcing part and a heater in the distant part, which is located on the bypass line of the recuperative of the heat exchanger, the bottom of the column is equipped with a line for the withdrawal of the С ₁₊ hydrocarbon fraction, on which a reducing device and a recuperative heat exchanger are located, and the top of the column is equipped with a line for the outlet of a mixture of non-condensable gases, on which a reducing device, a heat and mass exchange section and a recuperative heat exchanger are located in series.

2. Installation for the extraction of hydrocarbons from a gas mixture, including a recuperative heat exchanger and a fractionating column located on the feed gas line, as well as a separator and reducing devices, characterized in that the fractionating column is equipped with a heat and mass transfer section in the strengthening part and a heater in the distant part, which is located on the bypass recuperative heat exchanger lines, the bottom of the column is equipped with a C ₁₊ hydrocarbon fraction outlet line, on which a reducing device and a separator are located, equipped with a liquefied natural gas outlet line and a separation gas outlet line with a recuperative heat exchanger connected to the feed gas line, and the top of the column is equipped with an outlet line a mixture of non-condensable gases, on which a reducing device, a heat and mass transfer section and a recuperative heat exchanger are located in series.