CS225400B1

CS225400B1 - Method and apparatus for separation of liquid hydrocarbons from the natural gas

Info

Publication number: CS225400B1
Application number: CS494282A
Authority: CS
Inventors: Ludek Ing Csc Vins
Original assignee: Vins Ludek
Priority date: 1982-06-30
Filing date: 1982-06-30
Publication date: 1984-02-13

Description

Vynález se týká oddělování kapalných uhlovodíků, obsahujících většinu propan-butanu, ze zemního plynu kondenzací při nízkých teplotách.The invention relates to the separation of liquid hydrocarbons containing most of the propane-butane from natural gas by condensation at low temperatures.

Propan-butan se odděluje ze zemního plynu kondenzací při nízkých teplotách tak, že se zemní plyn ochladí nejprve vnějším chladicím oběhem, například propanovým, a potom se ochladí na nižší teplotu pomocí škrticího efektu vzniklého kondenzátu. Tento způsob je výhodný tehdy, nepožaduje-li se velký výtěžek butanu (asi do 80 % výtěžku). Pro vyšší výtěžky by bylo nutno zkapalnit a seškrtit na nižší tlak neúměrně velké množství zemního plynu, což je energeticky velmi náročné, protože z kondenzátu odpařené nižší uhlovodíky (metan, etan a Část propanu] je třeba stlačit na výchozí tlak zemního plynu.Propane-butane is separated from the natural gas by condensation at low temperatures by first cooling the natural gas by an external cooling circuit, such as propane, and then cooling to a lower temperature by the throttling effect of the resulting condensate. This process is advantageous when a large butane yield (up to about 80% yield) is not required. For higher yields, a disproportionately large amount of natural gas would have to be liquefied and reduced to a lower pressure, which is very energy intensive because the condensate vaporized lower hydrocarbons (methane, ethane and propane portion) must be compressed to the initial natural gas pressure.

Dále je znám způsob oddělování vyšších uhlovodíků ochlazením při polytropické expanzi zemního plynu do oblasti mokré páry. Při použití tohoto způsobu pro oddělování propan-butanu ze zemního plynu lze rozdělit oddělování kapalných uhlovodíků do kondenzace při ochlazení zemního plynu při původním tlaku a do kondenzace při ochlazení zemního plynu polytropickou expanzí v expanzní turbíně. Polytropickou expanzi lze provést tak, že postačí na krytí všech ztrát chladu v zařízení, není tudíž zapotřebí žádný samostatný chladicí oběh. Způsob oddělování kapalných uhlovodíků polytropickou expanzí do dvoufázové oblasti lze provádět s jednoduchých zařízením a lze dosáhnout vysokého výtěžku butanu, avšak spotřeba energie na opětnou kompresi ochuzeného zemního plynu je vysoká, i když se energie, získaná polytropickou expanzí, využije k částečné kompresi ochuzeného zemního plynu. Ke snížení spotřeby energie nepřispívá ani velmi složité propojení mezi oddělováním kapalných uhlovodíků ze zemního plynu a dělením těchto uhlovodíků za účelem výroby propan-butanu požadovaného složení.Further, a method for separating higher hydrocarbons by cooling is known in the polythropic expansion of natural gas into the wet steam region. Using this method for separating propane-butane from natural gas, separation of liquid hydrocarbons can be separated into condensation to cool natural gas at the original pressure and to condensation to cool natural gas by polytropic expansion in an expansion turbine. The polythropic expansion can be carried out in such a way that it is sufficient to cover all the cold losses in the plant, so that no separate cooling circuit is required. The process of separating liquid hydrocarbons by polythropic expansion into a biphasic region can be carried out with simple devices and high butane yield can be achieved, but the energy consumption for depressurized depleted natural gas is high, although the energy obtained by polytropical expansion is used to partially compress depleted natural gas. Nor does the very complex connection between the separation of liquid hydrocarbons from natural gas and the separation of these hydrocarbons in order to produce the propane-butane of the desired composition contribute to the reduction of energy consumption.

Nevýhody známých způsobů oddělování kapalných uhlovodíků, obsahujících většinu propan-butanu ze zemního plynu, odstraňuje řešení podle vynálezu. Podstata způsobu oddělování kapalných uhlovodíků spočívá v tom, že se zemní plyn o tlaku 4 až 7 MPa ochladí expandovaným ochuzeným zemním plynem na teplotu —10 °C až —10 °C, přičemž částečně zkondenzuje, načež se ochladí ochuzeným zemním plynem a expandovaným ochuzeným zemním plynem na teplotu —40 °C až —60 °C, přičemž vzniká kondenzát, který stéká proti proudu ochlazovaného zemního plynu a přitom se ohřívá a ochuzuje o níže vroucí složky, načež izoentalpicky expanduje na tlak 2 až 3,5 MPa. Po odloučení plynné fáze oddělené kapalné uhlovodíky, obsahující většinu propanbutanu ze zemního plynu, odcházejí k dalšímu zpracování. Zbylý ochuzený zemní plyn se nejprve ohřívá na teplotu —40 °C až —5 °C a potom polytropicky expanduje na tlak 2 až 3,5 MPa, načež se po ohřátí na teplotu —40 ° až —5 °C spojí s plynnou fází odloučenou z expandovaného kondenzátu a takto upravený ochuzený plyn se dále ohřeje na teplotu okolí.The disadvantages of the known methods of separating liquid hydrocarbons containing most of the propane-butane from natural gas are avoided by the solution according to the invention. The principle of the liquid hydrocarbon separation process is to cool natural gas at a pressure of 4 to 7 MPa to expanded depleted natural gas to a temperature of -10 ° C to -10 ° C, partially condensing, and then cool it with depleted natural gas and expanded depleted natural gas. gas to a temperature of -40 ° C to -60 ° C, whereby a condensate is formed which flows downstream of the cooled natural gas stream while heating and depleting the lower-boiling components, and then isentally expanding to a pressure of 2 to 3.5 MPa. After separation of the gas phase, the separated liquid hydrocarbons, containing most of the propane-butane from the natural gas, leave for further processing. The remaining depleted natural gas is first heated to a temperature of -40 ° C to -5 ° C and then expanded polythropically to a pressure of 2 to 3.5 MPa, after which it is combined with a gas phase separated after heating to a temperature of -40 ° C to -5 ° C. from the expanded condensate and the depleted gas thus treated is further heated to ambient temperature.

Zařízení k provádění uvedeného způsobu sestává z jednoho dvoumédiového výměníku tepla, jednoho trímédiového výměníku tepla, expanzní turbíny, sběrače kapaliny a dvou odlučovačů kapaliny propojených navzájem potrubím s armaturou.The apparatus for carrying out the method comprises one two-medium heat exchanger, one three-medium heat exchanger, an expansion turbine, a liquid collector and two liquid separators interconnected by a pipeline to the fitting.

Výhoda způsobu a zařízení na oddělování kapalných uhlovodíků ze zemního plynu je v podstatném snížení spotřeby energie při vysokém výtěžku butanu nad 95 % a mimořádně jednoduchém zařízení, dovolujícím použití robustních ocelových výměníků tepla. Další výhoda je v tom, že polytropická expanze končí v plynné fázi nebo ve dvoufázové oblasti s velmi malým obsahem kapalné fáze, což zjednodušuje provedení expanzní turbíny. Kapalné uhlovodíky předávané k dalšímu zpracování mají tak vysoký tlak, že pro oddělení dusíku a nižších uhlovodíků (až po část propanu] se vystačí s chlazením kondenzátoru vodou a přiváděnými kapalnými uhlovodíky.The advantage of the process and apparatus for separating liquid hydrocarbons from natural gas is a substantial reduction in energy consumption at high butane yields above 95% and an extremely simple device allowing the use of robust steel heat exchangers. Another advantage is that the polythropic expansion ends in a gas phase or in a two-phase region with a very low liquid phase content, which simplifies the construction of the expansion turbine. The liquid hydrocarbons passed for further processing have such a high pressure that cooling the condenser with water and the liquid hydrocarbon feeds is sufficient to separate the nitrogen and lower hydrocarbons (up to a portion of the propane).

Na výkresu je znázorněn příklad provedení vynálezu. Zařízení, ve kterém probíhá oddělování kapalných uhlovodíků ze zemního plynu, sestává z dvoumédiového výměníku tepla 1, trímédiového výměníku tepla 2, expanzní turbíny 3, sběrače kapaliny 4, odlučovačů kapaliny 5 a 6, propojovacího potrubí 7 a 8 zemního plynu, propojovacího potrubí 9, 10 a 11 ochuzeného zemního plynu, propojovacího potrubí 12, 13 a 14 expandovaného ochuzeného zemního plynu, propojovacího potrubí 15, 16, 17 a 18 odloučených kapalných uhlovodíků, propojovacího potrubí 19 uvolněné plynné fáze, škrticího ventilu 20, brzdicího kompresoru 21 a výstupního potrubí 22 ochuzeného zemního plynu.The drawing shows an exemplary embodiment of the invention. The apparatus in which liquid hydrocarbons are separated from natural gas consists of a two-medium heat exchanger 1, a three-medium heat exchanger 2, an expansion turbine 3, a liquid collector 4, a liquid separator 5 and 6, a natural gas interconnecting pipe 7 and 8, Depleted natural gas, interconnected conduits 12, 13 and 14 of expanded depleted natural gas, interconnected conduits 15, 16, 17 and 18 of separated liquid hydrocarbons, decoupled gas phase interconnector 19, throttle valve 20, brake compressor 21, and outlet conduit 22 depleted natural gas.

Oddělování kapalných uhlovodíků ze zemního plynu probíhá takto: suchý zemní plyn o tlaku 5,7 MPa, teplotě + 40 °C o složení v mol % 3,18 N₂, 85,82 C|, 5,72 C₂, 3,06 C₃, 1,49 C4, 0,73 C₅+ se přivádí potrubím 7 a ochlazuje se v dvoumédiovém výměníku tepla 1 na teplotu +2°C. Takto ochlazený zemní plyn s malým množstvím kondenzátu se odvádí propojovacím potrubím 8 do trímédiového výměníku tepla 2, kde se v mezitrubkovém prostoru prouděním vzhůru ochlazuje na teplotu —49 °C, přičemž vzniká kondenzát, který proudí proti proudu plynu dolů. Kondenzát se přitom ochuzuje o dusík a o nižší uhlovodíky (metan, etan). Ochuzený zemní plyn se zavádí z vrchu trímédiového výměníku tepla 2 propojovacím potrubím 9 do odlučovače 5. Odloučená kapalina se vrací propojovacím potrubím 15 do vrchu trímédiového výměníku tepla 2. Ochuzený zemní plyn se odvádí do jednoho z trubkových prostorů trímédiového výměníku tepla 2, kde se ohřívá na teplotu —23 -C, načež se zavádí propojovacím potrubím 11 do expanzní turbíny 3, kde polytropicky expanduje na tlak 3,1 MPa a teplotu asi —55 ~C. Expandovaný ochuzený zemní plyn jde propojovacím potrubím 12 do druhého trubkového prostoru trímédiového výměníku tepla 2, kde se ohřeje na teplotu —14 °C, načež jde propojovacím potrubím 13 do dvoumédiového výměníku tepla 1, kde se ohřeje na teplotu +35 °C. Propojovacím, potrubím 14 se potom zavádí do brzdicího kompresoru 21, který je na jednom hřídeli s expanzní turbínou 3. V brzdicím kompresoru 21 se ochuzený zemní plyn stlačí na 3,6 MPa. Kondenzát z trímédiového výměníku tepla 2 se odvádí propojovacím potrubím 16 do sběrače 4, z něhož se odvádí propojovacím potrubím 17, v němž je umístěn škrticí ventil 20, do odlučovače 6. Kondenzát po seškrcení na 3,08 MPa se dostane do dvoufázové oblasti. Plynná fáze odloučená v odlučovači 6 se odvádí propojovacím potrubím 19 do propojovacího potrubí 13 expandovaného ochuzeného zemního plynu. Zbylá kapalina se odvádí potrubím 18 k dalšímu zpracování.Separation of liquid hydrocarbons from natural gas proceeds as follows: dry natural gas at a pressure of 5.7 MPa, temperature + 40 ° C with a composition in mol% 3.18 N ₂ , 85.82 C |, 5.72 C ₂ , 3.06 C ₃ , 1.49 C4, 0.73 C ₅ + is fed via line 7 and cooled in a 2-medium heat exchanger 1 to a temperature of + 2 ° C. Naturally cooled natural gas with a small amount of condensate is discharged via interconnecting line 8 to a 3-class heat exchanger 2, where it is cooled down to -49 ° C in the inter-tube space by flowing upwards, resulting in condensate flowing downstream. The condensate is depleted of nitrogen and lower hydrocarbons (methane, ethane). The depleted natural gas is fed from the top of the class 2 heat exchanger 2 through the line 9 to the separator 5. The separated liquid is returned via the line 15 to the top of the class 2 heat exchanger 2. to a temperature of -23 ° C, and then passed through the interconnecting line 11 to the expansion turbine 3 where it expands polytropically to a pressure of 3.1 MPa and a temperature of about -55 ° C. The expanded depleted natural gas goes through the interconnecting line 12 to the second tubular space of the tri-medium heat exchanger 2 where it is heated to a temperature of -14 ° C, then goes through the interconnecting line 13 to the two-medium heat exchanger 1 where it is heated to +35 ° C. The line 14 is then fed to a brake compressor 21 which is on one shaft with an expansion turbine 3. In the brake compressor 21, the depleted natural gas is compressed to 3.6 MPa. The condensate from the triadium heat exchanger 2 is discharged via a connecting line 16 to a collector 4, from which it is discharged via a connecting line 17, in which a throttle valve 20 is located, to a separator 6. The condensate reaches a two-phase area. The gaseous phase separated in the separator 6 is discharged via a connecting line 19 into a connecting line 13 of expanded depleted natural gas. The remaining liquid is discharged via line 18 for further processing.

Ochuzený plyn má ve výstupním potrubí 22 složení v mol %:The depleted gas has a mol% composition in the outlet conduit 22:

3,32 N₂, 88,98 C_b 5,46 C₂, 2,19 C₃, 0,05 C_ó. Kapalné uhlovodíky, obsahující většinu propan-butanu, mají ve výstupním potrubí 18 složení v mol °/o:3.32 N ₂ , 88.98 C _b 5.46 C ₂ , 2.19 C ₃ , 0.05 C ₆ . The liquid hydrocarbons, containing most of the propane-butane, have a composition in mole% in the outlet line 18:

0,13 N₂, 19,09 Cj, 11,25 Co, 21,46 C₃, 39,95 C<„ 16,11 C₅.0.13 N ₂ , 19.09 C, 11.25 Co, 21.46 C ₃ , 39.95 C <16.11 C ₅ .

Claims

Process for separating liquid hydrocarbons from natural gas, characterized by cooling natural gas at a pressure of 4 to 7 MPa to expanded depleted natural gas to a temperature of + 10 ° C to -10 ° C, partially condensing, then cooling it with depleted natural gas. gas and expanded depleted natural gas to a temperature of -40 ° C to -60 ° C, producing a condensate that flows downstream of the cooled natural gas stream while heating and depleting the lower-boiling components, and then iso-mentally expanding to a pressure of 2 to 3, 5 MPa and after separation of the gaseous phase, the liquid hydrocarbons thus separated, containing most of the propane-butane from natural gas, leave for further processing, while the remaining depleted natural gas is first heated to a temperature of -40 ° C to -5 ° C and then expanded polytropically to pressure of 2 to 3.5 MPa, after which they are combined with the gas phase separated from the expanded The condensed condensate and the treated depleted gas are further heated to ambient temperature.

Device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that it consists of one two-medium heat exchanger (1), one three-medium heat exchanger (2), an expansion turbine (3), a liquid collector (4) and two liquid separators (5, 6) connected to each other by piping and fittings.