NO160813B

NO160813B - Fremgangsmaate for behandling av en naturgassmatestroem inneholdende variable mengder metan, nitrogen, karbondioksyd og etan-+ hydrokarboner.

Info

Publication number: NO160813B
Application number: NO831869A
Authority: NO
Inventors: Harvey Lewis Vines; Vincent Marano Iii
Original assignee: Air Prod & Chem
Priority date: 1982-05-27
Filing date: 1983-05-26
Publication date: 1989-02-20
Also published as: DK234683D0; NO160813C; EP0095739A2; EP0095739A3; EP0095739B1; NO831869L; CA1194400A; US4451275A; DK234683A; DE3370180D1

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for behandling av en naturgassmatestrøm inneholdende variable mengder av metan, nitrogen, karbondioksyd og etan-+ hydrokarboner ved hjelp av en kryogen nitrogenfjerningsprosess for matestrøm-men, omfattende en dobbelt destillasjonssyklus med et høy-trykksdestillasjonstrinn og et lavtrykksdestillasjonstrinn for oppnåelse av en spillnitrogen toppstrøm og en metanprodukt bunnstrøm.

Tidligere var nitrogenfjerning fra naturgass begrenset

til et naturlig forekommende nitrogeninnhold idet man hadde en i det vesentlige konstant mategass-sammensetning. Imidlertid nødvendiggjør senere metoder for tertiær oljeutvin-ning ved bruk av nitrogeninnsprøytings-fjernings konsepter nitrogenfjerningsenheter (NRU) som kan behandle en mategass-strøm med en sterkt varierende sammensetning, på grunn av at gassen fra brønnen blir fortynnet med økedende mengder nitrogen etter hvert som prosjektet skrider frem.

For å selge denne gass, må nitrogen fjernes fordi nitrogen reduserer gassens brennverdi. I tillegg er mange eksisterende anlegg for flytendegjøring av naturgass (NGL) ikke konstruert for å behandle et råstoff med høyt nitrogeninnhold.

Dobbeltkolonnedestillasjon omfatter et høytrykksdestilla-sjonstrinn og et lavtrykksdestillasjonstrinn og denne pro-sesstype har vært benyttet for å behandle naturgass med fast innhold, og er et effektivt middel for å fullføre separering av nitrogen fra metanproduktet. En dobbeltkolonne-prosess benytter energien inneholdt i nitrogen-fraksjonen i innløpsgassen for å utføre separeringsarbeidet, se her M- Streich i "Nitrogen Removal from Natural Gas", 12. Int. Congress of Refrig, Madrid, 233-240 (1967).

Imidlertid representerer karbondioksyd forurensning i gass-strømmen et ytterligere problem for nitrogenfjerningsprosessen. Karbondioksyd kan fryse ved de kryogene temperaturer i de kaldeste deler av det konvensjonelle dobbeltkolonne-anlegg, og forårsake blokkering av gasstrømmen og tilgroing på varmevekslingsoverflater. Tidligere er karbondioksyd fjernet fra naturgassen, vanligvis før den kryogene nitro-genf jerningsenhet, for å unngå denne utfrysing ved meget lavet temperaturer. Karbondioksydfjerningen ble gjennomført karakteristisk ved absorbsjon i monoetanolamin eller dieta-nolamin, separat eller i kombinasjon med adsorbsjon på molekylsikter. Slike karbondioksydfjerningsopplegg er imidlertid offer for vanskeligheter som fører til utfrysingsproblemer og de er ikke energieffektive.

Det er kjent fra temperatur-oppløselighetsdata at karbondioksyd i redusert grad er oppløselig i hydrokarboner ved lavere kryogene temperaturer og trykk. Det er også kjent at økende kaldere temperaturer er nødvendig for å bevirke nitrogen-metan-separering i et nitrogenfjerningsopplegg når nitrogeninnholdet i naturgass-strømmen øker. Som et resultat kan mindre og mindre karbondioksyd tolereres i nitrogen- og metan-mategasstrømmen til nitrogenfjerningsenheten etterhvert som nitrogeninnholdet stiger, hvis utfrysing skal unngås.

US-PS 3.683.634 beskriver en fremgangsmåte for fraksjonering av en gass inneholdende karbondioksyd i en fraksjonerings-sone med et høytrykkstrinn og et lavtrykkstrinn. En del av gassblandingen under trykk separeres først i en fraksjon som er i det vesentlige fri for karbondioksyd, og en fraksjon som er anriket på karbondioksyd. Den gjenværende del av mategassen og de to fraksjoner mates til høytrykks-trinnet på forskjellige nivåer.

US-PS 398.711 beskriver en fremgangsmåte for gjenvinning

av en nitrogen-metan-blanding fra naturgass inneholdende metan, nitrogen, karbondioksyd og etan-+ stoffer. I et første destillasjonstrinn, blir naturgasstrømmen separert i en bunnfraksjon inneholdende etan-+ og i det vesentlige fri for karbondioksyd, en overtopp fraksjon bestående av nitrogen og metan, i det vesentlige karbondioksyd, samt

en sidestrøm inneholdende metan, karbondioksyd og etan-

+ stoffer. Denne sidestrøm føres til et andre destillasjons-tårn som gir en toppfraksjon inneholdende karbondioksyd og den gjenværende metan, og en bunnfraksjon som er etan-+ produkter.

US-PS 4.158.566 beskriver en fremgangsmåte for separering

av nitrogen fra naturgass over et hvitt område av nitrogen-konsentrasjoner. Karbokdioksyd i råmategassen gjenvinnes ved å benytte den såkalte rektisol prosess, og benytter et nedkjølt metanolsystem i kombinasjon med patentets lav-temperatur rektifiseringsprosess.

NL-PS 165.545 beskriver en fremgangsmåte for separering

av en gassblanding inneholdende flyktige og mindre flyktige komponenter, og inneholdende karbondioksyd og/eller vann som uønskede komponenter, ved^ avkjøling av gassblandingen til en moderat temperatur, vasking av den avkjølte gassblanding i en vaskefase med en væskefraksjon som oppnås som en produktfraksjon i en senere separeringsfase, i hvilken vaskefase en vasket gass fri for uønskede komponenter oppnås som topprodukt og det som bunnprodukt oppnås en væske anriket på uønskede komponenter. Prosessen kan benyttes for separering av nitrogen fra naturgass i hvilket tilfelle mategassen motstrøms vaskes i en vaskekolonne med en flytende metanfraksjon som stammer fra nitrogen-metan-destil-lasjonskolonnen. Bunnproduktene fra vaskekolonnen omfatter flytende metan anriket på karbondioksyd, og toppfraksjonen omfatter renset gassformig metan inneholdende nitrogen.

Fig. 4 i dette patent viser en karbondioksyd vaskekolonne

i kombinasjon med en dobbelt destillasjonskolonne for separering av nitrogen fra metan.

G.C.Schianni viser i "Cryogenic Removal of Carbon Dioxide from Natural Gas", Natural Gas Processing and Utilization Conference, Institute of Chemical Engineering, Conference =44, 1976, anvendelsen, av en andre lavtrykkskolonne for yterligere å rense metantoppfraksjonen fra en første høy-trykkskolonne. Bunnstrømmen som er anriket på karbondioksyd pumpes tilbake til toppen av den første kolonne. Det meget rene metanprodukt inneholder opp til 50 ppm karbondioksyd.

Representative for andre kjente metoder for fjerning av karbondioksyd fra naturgass, er US-PS 3.318.103, 3.359.743, 4.149.864 og 4.152.129.

Oppfinnelsen tilveiebringer et nitrogenfjerningsopplegg

som kan anvendes for sterkt varierende mategass-sammensetninger, spesielt vide områder for nitrogeninnholdet. Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for gjenvinning av en metanproduktstrøm fra naturgass som inneholder variable mengder metan, nitrogen og karbondioksyd samt etan-+ stoffer. Oppfinnelsen som er en modifikasjon av den konvensjonelle dobbeltkolonne-syklys tillater syklusen å behandle høyere nivåer av karbondioksyd uten dannelse av faststoffer. Karbondioksydet hindres i å tre inn i lavtrykkskolonnene

der utfrysing kan inntre ved ekstra tilbakeløp i høytrykks-kolonnen. Dette ekstra tilbakeløp oppnås ved tilbakeføring av metanprodukt i den kryogene prosess.

I sitt bredeste aspektv blir naturgass innført til en dobbelt destillasjonskolonne omfattende et høytrykks-destillasjonstrinn og et lavtrykksdestillasjonstrinn der gassen fraksjonert destilleres for å tilveiebringe en nitrogen avgass toppstrøm og en metan bunn produktstrøm fra lavtrykkstrinnet. Oppfinnelsen benytter en metansyklus for å kondensere en nitrogentoppstrøm fra høytrykksdestilla-sjonstrinnet for å tilveiebringe ekstra nitrogen tilbakeløp til høytrykksdestillasjonstrinnet. Dette ekstra tilbakeløp vasker i mere komplett grad karbondioksydet ut av mategass-strømmen i høytrykks destillasjonstrinnet, og tillater at en strøm omfattende nitrogen, metan og i det vesentlige uten karbondioksyd, kan trekkes av fra et mellomliggende nivå i høytrykkstrinnet for tilførset til lavtrykkstrinnet. Karbondioksydet fjernes i hydrokarbonbunnstrømmen fra høy-trykkstrinnet, hvilken strøm inneholder etan-+ fraksjonen og en andel av metanet fra råstoffet, og eliminerer således utfrysning av karbondioksyd i lavtrykkstrinnet.

I henhold til dette angår foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte av den innledningsvis nevnte art og denne fremgangsmåte karakteriseres ved at den omfatter: (a) fjerning av dampformig metanstrøm fra bunnen av lav-trykksdestillas j onstrinnet og oppvarming av denne til omgivelsestemperatur , (b) komprimering av den dampformige metanstrøm og kondensering av i det minste en del av den komprimerte metanstrøm mot spillnitrogen toppstrømmen, (c) ekspandering av den kondenserte metanstrøm gjennom en ventil og kombinering av denne med metanbunnproduktet fra lavtrykksdestillasjonstrinnet for å tilveiebringe ytterligere avkjøling av metanbunnproduktet, (d) avtrekking av en flytende metanstrøm fra bunnproduktet i lavtrykksdestillasjonstrinnet, og (e) fordampning av den flytende metanstrøm mot nitrogen toppstrøm fra høytrykksdestillasjonstrinnet for å kondensere i det minste en andel av nitrogentoppstrømmen for å tilveiebringe nitrogentilbakeløp til høytrykksdestillasjonstrinnet, og metandamp for gjeninnføring som omkok til bunnen av lav-trykksdestillas jonstrinnet .

Således tilveiebringe metansyklen den nødvendige kjøling (ekstra tilbakeløp) som er nødvendig for effektiv fysikalsk nedvasking (skrubbing) av karbondioksydet fra naturgassmate-strømmen.

Det er foretrukket at bunnproduktene fra høytrykksdestilla-sjonstrinnet kokes om igjen for vesentlig å redusere nitrogeninnholdet. Fordelaktig tilveiebringer naturgassmatestrømmen ved hjelp av et varmevekslingsopplegg med bunnproduktene, omkokingen.

Når nitrogeninnholdet i natrumategasstrømmen når et nivå

på ca. 45%, blir en andel av nitrogentoppstrømmen fra høy-trykksdestillas jonstrinnet mekanisk ekspandert, og kombinert med spillnitrogentoppstrømmen fra lavtrykksdestillasjonstrinnet for tilpasning til øket nitrogenkonsentrasjon og for å tilveiebringe ytterligere avkjøling. Det er foretrukket at en andel av nitrogentopproduktet fra høytrykks-destillas jonstrinnet mekanisk ekspanderes når nitrogeninnholdet i naturgassmatestrømmen er 30% eller derover.

Foreliggende oppfinnelse for behandling av en naturgass-strøm inneholdende variable mengder metan, nitrogen, karbondioksyd og etan-+ hydrokarboner, har et antall fordeler: Nitrogenfjerningsopplegget har evnen til å behandlet meget varierende naturmategass-sammensetninger som inneholder fra ca. 5 til ca. 80% nitrogen, uten forsinkelser og utfrys-ningsproblemer, mens det fremdeles bibeholdes energieffekti-vitet. Ved å benytte forskjellige operasjonsmåter som beskrives i detalj nedenfor, kan det samme oppsett behandle naturgasstrømmer med variable konsentrasjoner av gassformige komponenter, mens man opprettholder en meget høy hydrokarbon-gjenvinning i størrelsesorden 99%.

Kjølingen tilveiebringes ved en metanvarmepumpesyklus som tilveiebringer det nødvendige ekstra tilbakeløp for høy-trykksdestillas jonstrinnet, og tillater effektiv drift av nitrogenfjerningsenheten over et antall sammensetninger.

Ifølge oppfinnelsen fjernes i det vesentlige alt karbondioksyd fra mategass-strømmen i høytrykksdestillasjonstrinnet og holdes oppløselig i det flytende metan- og etan-+ bunnprodukt inntil det oppvarmes ut over frysepunktet. Karbondioksyd kommer ikke så langt som til lavtrykksdestillasjonstrinnet i den dobbelte destillasjonskolonne, der lavere temperaturer benyttes for separering av nitrogen og metan.

Konvensjonelle dobbeltdestillasjonskolonner kan behandle

en naturgasstrøm inneholdende opp til ca. kun 100 ppm karbondioksyd ved et nitrogennivå på 50%, og opptil kun ca. 10

ppm karbondioksyd ved et nitrogennivå på 80% før det opptrer utfrysingsproblemer. Generelt kan fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen som omfatter en metansyklus for å tilveiebringe ekstra nitrogentilbakeløp for å fjerne karbondioksyd fra matestrømmen i høytrykksdestillasjonstrinnet, behandle en matestrøm med opptil ca. 1% karbondioksyd ved 5% nitrogen, og ca. 500 ppm karbondioksyd ved 80% nitrogen før det opp-står utfrysingsproblemer. Kostbart varmt utstyr som er nødvendig for å fjerne karbondioksyd til 10 ppm nivået,

slik som i konvensjonelle nitrogenfjerningsoppsett, elimi-neres ved prosessen ifølge oppfinnelsen.

I tillegg gir høytrykksdestillasjonstrinnet et bunnprodukt med i det vesentlige total etan-+ gjenvinning og et lavt nitrogeninnhold, egnet sOiH råstoff for anlegg for flytende-jøring av naturgass. Det er ønskelig at fremgangsmåten muliggjør omkoking av nitrogen fra metan- og etan-+ bunnproduktene, slik at nitrogenet har et akseptabelt nivå på mindre enn ca. 3% for råstoff til anlegg for flytendegjøring av naturgass.

Som ytterligere fordel er det ikke noe behov for en LNG (flytende naturgass) pumpe i kald-enden fordi metanprodukt-strømmen er fjernet som en damp, og ikke som en væske fra lavtrykksdestillasjonstrinnet. En kompressor er alt som behøves for metanproduktstrømmen. Den eneste figur er et forenklet flytskjema av en utførelsesform ifølge oppfinnelsen.

Nitrogenfjerningsprosessen ifølge oppfinnelsen er konstruert for å gi en metanrik gass for bruk som brennstoff eller salgsgass og en avløpsnitrogenstrøm som går ut til atmosfæren eller som eventuelt gjeninjiseres i brønner som en del av et tertiært oljegjenvinningsoppsett.

Oppfinnelsen tilveiebringer en fremgangsmåte for fjerning

av nitrogen fra en naturgasstrøm inneholdende variable mengder metan, nitrogen karbondioksyd og etan-+ hydrokarboner og som omfatter:

(a) å føre naturgasstrømmen gjennom en kjølesone,

(b) å tilføre den avkjølte naturgasstrøm til høytrykks-trinnet i en dobbelt destillasjonskolonne, omfattende et høytrykkstrinn og et lavtrykkstrinn; (c) fraksjonert destillering av naturgasstrømmen i høy-trykksdestillas jonstrinnet for å tilveiebringe et topp-produkt som i det vesentlige består av nitrogen, i det vesentlige fritt for metan og karbondioksyd, og et bunnprodukt omfattende karbondioksyd og etan-+ hydrokarboner, (d) avtrekking av en flytende sidestrøm bestående i det vesentlige av nitrogen og metan, i det vesentlige fritt for karbondioksyd, fra et midlere nivå i^høytrykkstrinnet, ekspandering av sidestrømmen gjennom en ventil og innføring av denne til et mellomliggende nivå i lavtrykkstrinnet, (e) kondensering av toppnitrogen fra høytrykkstrinnet ved varmeveksling med en metansyklus for å tilveiebringe nitrogentilbakeløp for høytrykkstrinnet og en flytende nitrogenstrøm, hvilken metansyklus omfatter (i) fjerning av en dampformig metanstrøm fra bunnproduktet i lavtrykkstrinn og oppvarming av dette til omgivelsestemperatur, (ii) komprimering av den dampformige metanstrøm og kondensering av i det minste en del av den komprimerte metanstrøm mot en spillnitrogen toppstrøm fra lavtrykkstrinnet, (iii) ekspandering av den kondenserte metanstrøm gjennom en ventil og kombinering av denne med metanbunn produktet fra lavtrykkstrinnet for å tilveiebringe ytterligere avkjøling av metanbunnproduktene, (iv) avtrekking av en flytende metanstrøm fra bunnen av lavtrykkstrinnet, og (v) fordamping av den flytende metanstrøm mot nitrogen-toppstrømmen fra høytrykkstrinnet for å kondensere i det minste en andel av toppstrømmen for å tilveiebringe nitrogentilbakeløpet til høytrykksdestillasjons-trinnet og metanomkoke til lavtrykksdestillasjonstrinnet , (f) ekspandering av den flytende nitrogenstrøm gjennom en ventil til toppen av lavtrykkstrinnet, og (g) fraksjonert destillering av nitrogen og metan i lavtrykkstrinnet for å gjenvinne en spill topp nitrogen damp-strøm og en bunnmetan produktstrøm.

Oppfinnelsen skal beskrives under henvisning til figuren.

Naturgassmatestrømmen i rørledning 10 blir først behandlet

i konvensjonell dehydratiserings- og karbondioksydfjernings-trinn for å tilveiebringe en tørr matestrøm inneholdende karbondioksyd ved et nivå som ikke forårsaker utfrysing på oveflaten av prosessutstyret. En naturgass-strøm inneholdende ca. 5% nitrogen dikterer et maksimalt karbondioksydnivå på ca. 1% over hvilket utfrysing vil opptre i lavtrykks-destillas jonstrinnet mens det maksimale karbondioksydnivå ved 80% nitrogen er ca. 500 ppm.

Naturgassmatestrømmen i rørledning 10 under et trykk på

ca. 30-40 atm avkjøles ved suksessivt å føres gjennom varme-vekslere 12, 14 og 16 før tilførsel til høytrykksdestilla-sjonskolonnen 18 for fraksjonert destillasjon ved mellomliggende nivå. Fordelaktig kan varmeinnholdet som fjernes fra naturgassmatestrømmen benyttes for å tilveiebringe omkok for bunnproduktene ved 20 i fraksjonsdestillasjons-kolonnen 18. Etter å ha tilveiebragt omkoksbehovet, trer matestrømmen inn i separatoren 22 der damp og kondensat fjernes. Kondensat forlater separatoren 22 i rørledningen 24 for tilførsel til høytrykksdestillasjonskolonnen 18

der dampen i rørledning 26 går gjennom varmeveksleren 16

for ytterligere avkjøling før tilførsel til destillasjons-kolonnen 18.

Den avkjølte naturgass-strøm destilleres fraksjonert ved

ca. 20-25 atmosfærer for å tilveiebringe et bunnprodukt ved ca. -118°C og inneholdende metan, i det vesentlige all karbondioksyd i matestrømmen, i det vesentlige alle etan-+ hydrokarboner og en viss mengde oppløse nitrogen.

Bunnproduktene trekkes av i rørledning 2 8 og ekspanderes gjennom ventilen 30 til ca. 19 til 24 atmosfærer, før gjenn-omføring gjennom varmevekslerne 14 og 12 under oppvarming til omgivelsestemperatur ved hjelp av naturgassmatestrømmen og metansyklusstrømmen for etter komprimering ved 32 og gi en metanproduktstrøm 34.

Et topprodukt bestående i det vesentlige av nitrogen og en mindre mengde metan ved ca. -153°C, trekkes av fra høy-trykksdestillas jonskolonnen 18 ved hjelp av rørledning 36 og føres gjennom varmeveksleren 38 som virker som omkoker-kondensator, der den kondenseres mot bunnproduktet fra lavtrykksdestillasjonskolonnen 40, hvilket bunnprodukt har oppnådd en ekstra avkjøling ved hjelp av en metanvarmepumpesyklus som beskrives i større detalj nedenfor.

En andel av den kondenserte nitrogentoppstrøm fra omkokeren-kondensatoren 38, gir nitrogen tilbakeløp i rørledningen 42 som føres tilbake til toppen av høytrykksdestillasjons-kolonnen 18, for å vaske karbondioksydet ut av mategasstrøm-men. Den ekstra avkjølingsgrad i metanbunnproduktet fra lavtrykkskolonnen 40 gir en ekstra mengde nitrogenkondensat i omkokeren-kondensatoren 38.

Fordi det ekstra nitrogenkondensat som kommer tilbake som, tilbakeløp, tillater en grundig skrubbing av karbondioksydet fra matestrømmen, er det mulig å trekke av en flytende strøm inneholdende i det vesentlige nitrogen og metan,

som er i det vesentlige fri for karbondioksyd, fra et mellomliggende nivå i høytrykksdestillasjonskolonnen 18 via rørledningen 44 for ytterligere avkjøling gjennom varmeveksleren 46, ekspansjon gjennom ventilen 48 og tilførsel til et mellomliggende nivå i lavtrykksdestillasjonskolonnen 40. En andel av det flytende nitrogentopprodukt fra høy-

trykksdestillasjonskolonnen trekkes av fra rørledning 42 via rørledning 50, avkjøles ytterligere i varmeveksleren 52 og ekspanderes gjennom ventilen 54, for å tilveiebringe en dampformig og en flytende strøm ved ca. -189°C som til-bakeløp til toppen av lavtrykksdestillasjonskolonnen 40.

Nitrogen og metan fra strømmene 44 og 50 blir fraksjonert destillert i lavtrykksdestillasjonskolonnen 40 ved å arbeide under trykk fra ca. 1,8 til 2,0 atmosfærer, for å tilveiebringe et topprodukt bestående i det vesentlige av nitrogendamp og i det vesentlige uten metan ved en temperatur av ca. -190°C samt et bunnprodukt som omfatter i det vesentlige ren metan ved ca. -154°C.

En toppstrøm av i det vesentlige ren nitrogen fjernes via rørledning 56 fra lavtrykksdestillasjonskolonnen 40 som med en spillnitrogenstrøm som føres suksessivt gjennom varmevekslerne 52, 46, 16, 14 og 12, for å avgi sin kulde før utlufting til atmosfæren ved 58 eller eventuelt ny innsprøyting i oljebrønner.

Avkjølingen for nitrogenfjerningsprosessen og spesielt

for tilbakeløpet i høytrykksdestillasjonskolonnen 18 tilveiebringes ved hjelp av en metano varmepumpesyklus. En dampstrøm omfattende i det vesentlige alt rent metan og en liten mengde nitrogen fjernes via rørledning 60 fra bunnproduktet fra fraksjoneringsdestillasjonskolonnen 40. Denne damp tilveiebringer avkjøling ved suksessiv føring gjennom varmevekslerne 46, 16, 14 og 12. Dampstrømmen som nu har omgivelsestemperatur komprimeres ved hjelp av en metankompressor 62 til ca. 32 atmosfærer, føres gjennom en ikke vist etterkjøler og tilbakeføres via rørledning 64 for avkjøling og kondensering gjennom varmeveksleren 12, 14, 16 og 46 som metantilbakeføring. En fraksjon av den komprimerte metantilbakeføringsstrøm blir før avkjøl-ing fjernet i rørledning 65, og kombinert med strømmen 34 som metanprodukt. Den kondenserte metanstrøm 64 ved ca. -157°C ekspanderes gjennom en film 66, inn i bunnproduk-

tet i lavtrykksdestillasjonskolonnen 40 for å tilveiebringe en ekstra avkjøling av metanbunnproduktet.

En flytende strøm av dette metanbunnprodukt inneholdende en ekstra mengde kulde fjernes via rørledning 68 og føres gjennom en omkoker/kondensator 38 i varmevekslingsforbind-else med nitrogentoppen fra høytrykksdestillasjonskolonnen 18. Den ekstra kulde gir en ekstra mengde nitrogenkondensat for tilbakeføring som tilbakeløp, via rørledning 62

til høytrykksdestillasjonskolonnen. Metanstrømmen forlater omkokeren/kondensatoren 38 som metandamp i rørledningen 70, for gjeninnføring som omkoker til bunnen av lavtrykks-destilasjonskolonnen 40.

I en alternativ utførelsesform blir den kondenserte metan-strøm 64 i metansyklusen etter ekspansjon gjennom ventilen 66 direkte tilført via en rørledning 67 til metanbunnpro-duktstrømmen 68, og slutter således metansyklusen gjennom metanstrømmene 68 og 70.

I en annen ikke vist utførelsesform blir dampformig metan-strøm 60 som komprimeres i metansyklusen, oppnådd istedet ved avtrekking av en andel av fordampet metanstrøm 70 fra omkokeren/kondensatoren 38.

Når naturgassmatestrømmen i rørledning 10 inneholder

ca. 45% eller mer nitrogen, blir overskytende nitrogendamp i rørledning 36 fra toppen av høytrykksdestillasjonskolonnen 18 trukket av via rørledning 72, gjenoppvarmet gjennom varmevekslerne 16 og 14 mot metantilbakeføringsstrømmen og deretter mekanisk ekspandert gjennom nitrogenekspanderen 74, for å tilveiebringe ytterligere avkjøling til prosessen. Den ekspanderte nitrogenstrøm i rørledning 76 føres fra ekspanderen 74 til spillnitrogenstrømmen 56 for føring gjennom varmevekslerne 46, 16, 14 og 12 før utlufting til atmosfæren.

De følgende 3 eksempler beskriver driften av den ovenfor angitte nitrogenfjerningsprosess for behandling av et natur-gassråstoff inneholdende metan, karbondioksyd, etan-+ hydrokarboner og nitrogen i varierende mengder:

Eksempel 1.

Naturgass med en sammensetning på ca. 21% nitrogen, 62% metan, 107ppm karbondioksyd og 17% etan-+ stoffer tilføres som matestrøm. Tabell 1 viser de beregnede varme- og stoffbalanser tilsvarende strømmene A til I som angitt i figuren.

Eksempel 2.

I dette eksempel omfatter mategassen en naturgass med en sammensetning på ca. 45% nitrogen, 43% metan, 107 ppm karbondioksyd og 12% etan-+ stoffer. En strøm av nitrogen topprodukt fra høytrykkskolonnen føres gjennom nitrogenekspanderen 74 for å gi avkjøling for behandling av den større mengde nitrogen i mategass-strømmen. Oppført i tabell 2 er de beregnede varme- og stoffbalanser tilsvarende strømmene A til J som angitt i figuren.

Eksempel 3.

Naturgass med en sammensetning på ca. 76% nitrogen, 18% metan, 107 ppm karbondioksyd og 6% etan-+ stoffer er mate-gasstrømmen i dette tilfellet. Igjen dikterer den store mengde nitrogen avtrekket av en nitrogen toppstrøm fra lav-trykksdestillas jonskolonnen for føring gjennom nitrogenekspanderen. Tabell 3 viser de beregnede varme- og materialbalanser som tilsvarer strømmene A til J som angitt i figuren. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen tilveiebringer nitrogen-og metanmatestrømmer med tilstrekkelig lavt karbondioksydinn-hold til lavtrykksdestillasjonskolonnen i en dobbeltdestil-lasjonssyklus ved kryogen fraksjonert destillering av natur-mategassen i høytrykksdestillasjonstrinnet ved bruk av en ekstra grad av nitrogentilbakeløp, mens man opprettholder et trykk i høytrykksfraksjonsdestillasjonskolonnen som er tilstrekkelig høyt til å oppløse karbondioksyd i bunnproduktene omfattende metan- og etan-+ komponentene. Denne økede tilbakeløpsgrad gir større mengder nitrogenkondensat ved kryogene temperaturer for mere effektiv vasking eller skrubbing av karbondioksyd fra mategasstrømmen, og tillater avtrekking av et nitrogentopprodukt og en nitrogen-metan side-strøm som er i det vesentlige frie for karbondioksyd, fra høytrykksdestillasjonskolonnen som matestrømmer for nitrogen-metan separeringstrinnet i den kaldere lavtrykksdestillasjons-kolonne. Således unngås utfrysing i lavtrykkskolonnen.

Graden av avkjøling som er nødvendig for dette ekstra til-bakeløp tilveiebringes mest effektivt ved en metan varmepumpesyklus fordi ingen annen kjølekilde er tilstrekkelig til på egnet måte å gjennomføre det ekstra tilbakeløp ved bruk av så lite energi. Høytrykksdestillasjonskolonnen kjøres med tilstrekkelig høyt trykk, noe som tillater høyere driftstemperaturer og samtidig øket oppløselighet av karbondioksyd i metan- og etan-+ bunnproduktene.

Som en oppsummering tilveiebringer fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen en grad av nitrogen-metan separering som vanligvis er mulig fra en konvensjonell dobbeltkolonnesyklus.

I tillegg fjernes karbondioksyd som ville fryse ut i lavtrykkskolonnen ved å øke nitrogenvaskingen i høytrykksko-lonnen. Ekspandering av en metanstrøm i en lavtrykks metan varmepumpesyklus tilveiebringer avkjøling for denne økede kondensasjonsbelastning. Ytterligere forbedret økonomi tilveiebringes også ved bruk av nitrogen ekspansjonsturbiner ved høyere nitrogen-råstoffkonsentrasjoner for å oppnå ytterligere avkjøling i prosessen.

Oppfinnelsen tilveiebringer en fremgangsmåte for fjerning av nitrogen og gjenvinning av metan fra en naturgassmate-strøm med vidt varierende nitrogeninnhold og tillater bruk av nitrogeninjeksjon-fjerning ved tertiære oljegjenvinnings-systemer i eksisterende brønner med anlegg for flytende-gjøring av naturgass.

Claims

1. Fremgangsmåte for behandling av en naturgassmate-strøm inneholdende variable mengder av metan, nitrogen, karbondioksyd og etan-+ hydrokarboner ved hjelp av en kryogen . nitrogenfjerningsprosess for matestrømmen, omfattende en dobbelt destillasjonssyklus med et høytrykksdestillasjons-trinn og et lavtrykksdestillasjonstrinn for oppnåelse av en spillnitrogen toppstrøm og en metanprodukt bunnstrøm, karakterisert ved at den omfatter (a) fjerning av en dampformig metanstrøm fra bunnen av lav-trykksdestillas jonstrinnet og oppvarming av denne til omgivelsestemperatur , (b) komprimering av den dampformige metanstrøm og kondensering av i det minste en del av den komprimerte metanstrøm mot spillnitrogen toppstrømmen, (c) ekspandering av den kondenserte metanstrøm gjennom en ventil og kombinering av denne med metanbunnproduktet fra lavtrykksdestillasjonstrinnet for å tilveiebringe ytterligere avkjøling av metanbunnproduktet, (d) avtrekking av en flytende metanstrøm fra bunnproduktet i lavtrykksdestillasjonstrinnet, og (e) fordampning av den flytende metanstrøm mot nitrogen topp-strøm fra høytrykksdestillasjonstrinnet for å kondensere i det minste en andel av nitrogentoppstrømmen for å tilveiebringe nitrogentilbakeløp til høytrykksdestillasjonstrinnet, og metandamp for gjeninnføring som omkok til bunnen av lav-trykksdestillas jonstrinnet .

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den ekspanderte metanstrøm fra trinn (c) tilføres direkte til den flytende metanstrøm i trinn (d) før den flytende metanstrøm fordampes mot nitrogentopp-strømmen i høytrykksdestillasjonstrinnet.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den dampformige metanstrøm i trinn (a) trekkes av fra den fordampede metanstrøm i trinn (e).