CN106662393A - 用于从lng移除氮气的工艺和*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于从含烃气体移除氮气以从而回收液体天然气(LNG)流的工艺和***。确切地说，本文所描述的所述工艺和***可用以有效地分离甲烷与氮气，氮气是用以生产LNG的许多含烃气体中存在的不合意的副产物。本文所描述的所述工艺和***可利用各种致冷剂***来分离和产生LNG。

Description

用于从LNG移除氮气的工艺和***
技术领域
本发明大体上涉及用于从含烃气体回收液体天然气(“LNG”)的工艺和***。更确切地说，本发明大体上涉及用于从含烃气体移除氮气且产生LNG流的工艺和***。
背景技术
由于对甲烷的增加的需求，非传统的气体源已经越来越多地用作用来产生LNG的馈料流。然而，这些非传统的气体源含有高浓度的氮气，这在气体于LNG设施中受到液化时导致若干操作问题。举例来说，气体馈料流中存在高浓度氮气会阻碍甲烷完全凝结，并且会不利地影响所产生LNG流的质量。
由于甲烷的商业价值，因此在某些情况下，想要在处理期间从气体馈料流移除氮气的至少一部分。然而，用于移除氮气的一些常规过程可仅对于某些类型的馈料流取(决于其氮气浓度)，才是商业上可行。此外，许多常规氮气移除过程并不特别适合于在处理期间从气体馈料流移除较小浓度的氮气。此外，在许多这些常规氮气移除过程期间可能难以调节温度和其它操作条件，这会不利地影响从所得LNG流有效地移除氮气且产生规范LNG产物的能力。
因此，需要可以在产生LNG时从含烃气体更有效地移除较低浓度氮气的工艺和***。
发明内容
本文所描述的一个或多个实施例涉及用于从含烃气体回收甲烷的工艺。所述工艺包括：(a)冷却且至少部分地冷凝包括所述含烃气体的馈料流以从而提供经冷却的馈料流，其中所述含烃气体包括0.5到30摩尔百分比的范围内的氮气；(b)在蒸馏柱中分馏所述经冷却的馈料流的至少一部分以从而形成贫氮气底部流和富氮气顶部流，其中所述分馏在1到8MPa的范围内的压力下发生，且所述富氮气顶部流包括最初存在于所述含烃气体中的至少75％的氮气；以及(c)回收所述贫氮气底部流的至少一部分以从而形成富含LNG的流。
本文所描述的一个或多个实施例涉及用于从含烃气体回收甲烷的工艺。所述工艺包括：(a)冷却且至少部分地冷凝包括所述含烃气体的馈料流以从而提供经冷却的馈料流，其中所述含烃气体包括0.5到30摩尔百分比的范围内的氮气；(b)在蒸馏柱中分馏所述经冷却的馈料流的至少一部分以从而形成贫氮气底部流和富氮气顶部流，其中所述富氮气顶部流包括最初存在于所述含烃气体中的至少75％的氮气；(c)冷却所述富氮气顶部流的至少一部分以从而形成经冷却的富氮气顶部流；(d)将所述经冷却的富氮气顶部流分离为液体回流和蒸气副产物；(e)将所述液体回流的至少一部分引入到所述蒸馏柱中；以及(f)冷却所述贫氮气底部流的至少一部分以从而形成富含LNG的流。
本文所描述的一个或多个实施例涉及用于从含烃气体回收甲烷的设施。所述设施包括：(a)主要热交换器，其具有安置于其中的第一冷却通道，其中所述第一冷却通道被配置为将所述含烃气体冷却为经冷却的含烃气体；(b)蒸馏柱，其与所述第一冷却通道流体连通，其中所述蒸馏柱包括用以接收所述经冷却的含烃气体的第一入口，其中所述蒸馏柱被配置为将所述经冷却的含烃气体分离为富氮气顶部流和贫氮气底部流；(c)安置于所述主要热交换器内的第二冷却通道，其与所述蒸馏柱流体连通，其中所述第二冷却通道被配置为将所述贫氮气底部流冷却为富含LNG的液体流；(d)安置于所述主要热交换器内的第三冷却通道，其与所述蒸馏柱流体连通，其中所述第三冷却通道被配置为将所述富氮气顶部流冷却为经冷却的富氮气流；(e)回流***，其在所述第三冷却通道与所述蒸馏柱之间流体连通，其中所述回流***被配置为将所述经冷却的富氮气流分离为液体回流和蒸气副产物；以及(f)单个闭环混合致冷循环，其至少部分地安置于所述主要热交换器内。
附图说明
参考以下附图在本文中描述了本发明的实施例，在附图中：
图1提供根据本发明的一个实施例经配置的LNG回收设施的示意性描绘，具体来说说明使用单个闭环混合致冷剂***以从馈送气体流回收甲烷。
具体实施方式
本发明的实施例的以下详细描述参考附图。所述实施例意图以足够的细节描述本发明的各种方面以使得所属领域的技术人员能够实践本发明。可以利用其它实施例并且可以在不脱离权利要求书的范围的前提下进行改变。因此，不应将以下详细描述视为具有限制意义。本发明的范围仅由所附的权利要求书以及此权利要求书所授权的等效物的完整范围来界定。
本发明大体上针对用于从含烃气体移除氮气且回收包括甲烷的LNG流的过程和***。如下所述，这些过程和***可利用致冷剂***来辅助氮气的移除以及从含烃气体的甲烷的回收。虽然图1将此致冷剂***描绘为包括单个闭环混合致冷循环，但所属领域的技术人员将了解在下文描述的过程和***中可使用另一致冷***。举例来说，所述致冷***可包括处于闭环致冷循环、双混合致冷剂循环或级联致冷循环中的单个混合致冷剂流。这些致冷***在第3,763,658号美国专利、第5,669,234号美国专利、第6,016,665号美国专利、第6,119,479号美国专利、第6,289,692号美国专利和第6,308,531号美国专利中描述，以上美国专利的公开内容以全文引用的方式并入本文中。
现转而参看图1，提供了根据本发明的一个或多个实施例配置的LNG回收设施10的示意性描绘。通过藉以单个闭环致冷循环12来冷却气体且在LNG分离区14中分离所得冷凝的液体，LNG回收设施10可操作以移除或回收在传入含烃气体流中的甲烷总量的相当大部分。下面将参看图1来描述根据本发明的各种实施例的关于LNG回收设施10的配置和操作的额外细节。
如图1中所示，含烃气体馈料流可以最初经由管道110引入到LNG回收设施10中。含烃气体可以是任何合适的含烃的流体流，举例来说，例如，天然气流、合成气流、裂化气流、来自石油生产的相关联的气体，或其组合。管道110中的含烃气体流来源自多种气体源(未示出)，包含(但不限于)天然气管线配送网络；石油生产井；精炼厂处理单元，例如流化催化裂化装置(FCC)或石油炼焦器；或重油处理单元，例如油砂质量改善器。在某些实施例中，管道110中的含烃气体可以包括合成气或由其组成。
取决于其源，含烃气体可包括变化量的甲烷、氮气、氢气、一氧化碳和其它烃。举例来说，含烃气体可以包括至少1摩尔百分比、5摩尔百分比、10摩尔百分比、15摩尔百分比或25摩尔百分比和/或不超过90摩尔百分比、80摩尔百分比、70摩尔百分比、60摩尔百分比、50摩尔百分比或40摩尔百分比的甲烷。更确切地说，含烃气体可以包括1到90摩尔百分比、5到70摩尔百分比、10到60摩尔百分比、15到50摩尔百分比，或25到40摩尔百分比的甲烷。应注意所有的摩尔百分比都是基于含烃气体的总摩尔的。
此外，在各种实施例中，含烃气体可包括至少0.5摩尔百分比、1摩尔百分比、2摩尔百分比、3摩尔百分比或5摩尔百分比和/或不超过40摩尔百分比、35摩尔百分比、30摩尔百分比、20摩尔百分比、或15摩尔百分比的氮气。更确切地说，含烃气体可包括0.5到40摩尔百分比、1到35摩尔百分比、2到30摩尔百分比、3到20摩尔百分比、或5到15摩尔百分比的氮气。在某些实施例中，含烃气体包括较低浓度的氮气以便较好地促进下文描述的氮气移除过程。
另外或替代地，含烃气体可包括至少25摩尔百分比、40摩尔百分比或50摩尔百分比和/或不超过99摩尔百分比、90摩尔百分比或75摩尔百分比的氢气。更确切地说，含烃气体可包括25到99摩尔百分比、40到90摩尔百分比或50到70摩尔百分比的氢气。在某些实施例中，含烃气体包括极少氢气至不含氢气。举例来说，含烃气体可以包括小于10摩尔百分比、5摩尔百分比、1摩尔百分比或0.5摩尔百分比的氢气。
在各种实施例中，含烃气体可以包括极少一氧化碳到不含一氧化碳。举例来说，含烃气体可以包括不超过20摩尔百分比、10摩尔百分比、5摩尔百分比或1摩尔百分比的一氧化碳。
此外，含烃气体可以包括一些量的C2-C5组分，该含烃气体包含C2-C5组分的烷烃和烯烃异构体。举例来说，含烃气体可以包括小于15摩尔百分比、10摩尔百分比、5摩尔百分比或2摩尔百分比的C2-C5组分。
如图1所示，管道110中的含烃气体可初始地被路由到预处理区16，其中可在冷却之前从气体移除一个或多个不合意的组分。在一个或多个实施例中，预处理区16可以包含一个或多个蒸汽-液体分离容器(未示出)，以用于从馈送气体中移除液态水或烃类组分。视情况，预处理区16可以包含一个或多个气体移除区(未示出)，举例来说例如胺单元或分子筛，用于从管道110中的气流中移除二氧化碳和/或含硫化合物。
经由管道112离开预处理区16的经处理气体流可以随后被路由到脱水单元18，其中可以从馈送气体流中移除基本上所有的残余水。脱水单元18可以利用任何已知的脱水***，举例来说例如分子筛床层。一旦被干燥，管道114中的气体流就可以具有至少5℃、10℃或15℃和/或不超过100℃、75℃或40℃的温度。更确切地说，管道114中的气体流可以具有在5到100℃、10到75℃或15到40℃的范围内的温度。另外或替代地，管道114中的气体流可以具有至少1.5MPa、2.5MPa、3.5MPa或4MPa和/或不超过9MPa、8MPa、7.5MPa或7MPa的压力。更确切地说，管道114中的气体流可以具有在1.5到9MPa、2.5到8MPa、3.5到7.5MPa或4到7MPa的范围内的压力。
如图1所示，管道114中的含烃馈料流可被引入到主要热交换器20的第一冷却通道22中。主要热交换器20可为可操作的任何热交换器或热交换器系列，以经由与一个或多个冷却流的间接热交换来冷却且至少部分冷凝管道114中的馈送气体流。在一个或多个实施例中，主要热交换器20可为钎焊铝热交换器，其包括安置于其中的单个冷却和升温通道(例如，核心)或多个冷却和升温通道(例如，核心)以用于促进一个或多个工艺流与一个或多个致冷剂流之间的间接热交换。虽然在图1中大体说明为包括单个核心或“壳体”，但可以理解到的是，在一些实施例中，主要热交换器20可包括两个或更多个单独核心或壳体，可选地被“冷箱”包围以使来自周围环境的热增益最小化。
通过主要热交换器20的冷却通道22的含烃馈送气体流，可以经由相应通道26和42中的致冷剂和/或残余气体流的间接热交换(下文将进一步详细描述)而被冷却且至少部分冷凝。在冷却期间，馈送气体流中的相当大部分的甲烷组分可从气相冷凝，从而提供管道116中的经冷却的两相气体流。在一个或多个实施例中，经由管道114被引入到主要交换器20中的甲烷总量的至少10％、25％、50％、60％、70％、80％或90％可在冷却通道22内被冷凝。
管道116中的经冷却气体流可具有-5℃、-10℃、-20℃或-30℃和/或不低于-200℃、-150℃、-100℃或-75℃的温度。更确切地说，管道116中的经冷却气体流可具有-5到-200℃、-10到-150℃、-20到-100℃或-30到-75℃的范围内的温度。在某些实施例中，管道116中的经冷却气体流可具有约-33℃的温度。另外或替代地，管道116中的经冷却气体流可具有至少1.5MPa、2.5MPa、3.5MPa或4MPa和/或不超过9MPa、8MPa、7.5MPa或7MPa的压力。更确切地说，管道116中的气体流可以具有在1.5到9MPa、2.5到8MPa、3.5到7.5MPa或4到7MPa的范围内的压力。
如图1中所示，管道116中的经冷却气体流可被传送到至少一个再沸器28以可选地作为用于蒸馏柱30的热介质。再沸器28可用来加热且至少部分蒸发经由管道118从蒸馏柱30收回的液体流。再沸器28可经由与升温流体流(例如管道116中的经冷却气体流)的间接热交换而加热来自管道118的液体流。虽然一般说明为包含单个再沸器28，但应理解可采用任何合适数目的再沸器，其可操作以在蒸馏柱30内的相同或不同质量转移阶段收回流，以便维持其中的所需温度和/或组成分布。
而在再沸器28中，来自管道116的经冷却气体流可通过来自管道118的液体流而进一步被冷却。举例来说，在再沸器28中，来自管道116的经冷却气体流的温度可降低至少10℃、20℃、30℃、40℃或50℃和/或不超过100℃、80℃、70℃或60℃。更确切地说，在再沸器28中，来自管道116的经冷却气体流的温度可降低20到100℃、30到80℃、40到70℃或50到60℃的范围。
在离开再沸器28后，管道120中的经冷却气体流可具有至少-30℃、-50℃、-65℃或-80℃和/或不低于-200℃、-175℃、-150℃或-100℃的温度。更确切地说，管道120中的经冷却气体流可具有-30到-200℃、-50到-175℃、-65到-150℃或-80到-100℃的范围内的温度。
此外，在各种实施例中，管道120中的经冷却气体流可具有至少1.5MPa、2.5MPa、3.5MPa或4.5MPa和/或不超过9MPa、8MPa、7MPa或6MPa的压力。更确切地说，管道120中的气体流可以具有在1.5到9MPa、2.5到8MPa、3.5到7MPa或4.5到6MPa的范围内的压力。应注意，***中仅此刻的压降可一般归因于与管道、热交换器和其它处理单元相关联的低效率。
再来看图1，管道120中的经冷却气体流的至少一部分可被路由到安置在主要热交换器20内的冷却通道32，其中气体流可经由与相应通道26和42中的致冷剂和/或残余气体流的间接热交换而被冷却且至少部分冷凝。在冷却期间，来自管道120的经冷却气体流中的相当大部分的甲烷组分可从气相冷凝，从而提供管道122中的另一经冷却的两相气体流。在一个或多个实施例中，处于蒸气形式的经由管道120引入到主要交换器20中的甲烷总量的至少50％、60％、70％、80％或90％可在冷却通道32内被冷凝。
管道122中的经冷却气体流可具有至少-30、-50、-80或-100和/或不低于-200、-175、-150或-120℃的温度。更确切地说，管道122中的经冷却气体流可具有-30到-200℃、-50到-175℃、-80到-150℃或-100到-120℃的范围内的温度。在某些实施例中，管道122中的经冷却气体流可具有约-110℃的温度。另外或替代地，管道122中的经冷却气体流可具有至少1.5、2.5、3.5或4.5和/或不超过9、8、7或6MPa的压力。更确切地说，管道122中的气体流可以具有在1.5到9、2.5到8、3.5到7或4.5到6MPa的范围内的压力。
如图1中所示，管道122中的经冷却的优选两相流可被引入到蒸馏柱30中且经受分馏。蒸馏柱30可为能够进一步分离甲烷与氢气、一氧化碳和氮气的任何蒸气-液体分离容器。在一个或多个实施例中，蒸馏柱30可为包括至少2个、5个、10个、或12个和/或不超过50个、40个、30个或20个实际或理论分离级的多级蒸馏柱。当蒸馏柱30包括多级柱时，可利用一种或多种类型的柱内部构件以便促进蒸气相与液体相之间的热和/或质量转移。合适的柱内部构件的实例可包含(但不限于)蒸气-液体接触塔盘、结构化填料、随机填料和其任何组合。
在各种实施例中，蒸馏柱30可操作以分离存在于被引入到其中的流体流中的至少65％、75％、85％、90％或99％的甲烷。蒸馏柱30可在至少1MPa、1.5MPa、2MPa或2.4MPa和/或不超过7MPa、6MPa、5MPa或4.2MPa的压力下操作。更确切地说，蒸馏柱30可在1到7MPa、1.5到6MPa、2到5MPa或2.4到4.2MPa的范围内的压力下操作。在某些实施例中，取决于用作馈料流的含烃气体的氮气含量，蒸馏柱30可在约2.6MPa的压力下或在约4.2MPa的压力下操作。
蒸馏柱30的温度可取决于被引入到***中的含烃气体的内含物而变化。在各种实施例中，蒸馏柱30的上半部可在至少-75℃、-100℃、-120℃或-155℃和/或不低于-215℃、-200℃、-190℃或-180℃的温度下操作。更确切地说，蒸馏柱30的上半部可在-75到-215℃、-100到-200℃、-120到-190℃或-155到-180℃的范围内的温度下操作。此外，蒸馏柱30的下半部可在至少-35℃、-50℃、-65℃或-85℃和/或不低于-200℃、-175℃、-150℃或-110℃的温度下操作。更确切地说，蒸馏柱30的下半部可在-35到-200℃、-50到-175℃、-65到-150℃或-85到-110℃的范围内的温度下操作。
如图1中所描绘，贫氮气底部流经由管道124离开蒸馏柱30，且富氮气顶部流经由管道126离开蒸馏柱30。
如本文所使用，“贫氮气”和“富氮气”指的是分离组分相对于衍生出分离组分的最初组分的氮气含量的氮气含量。因此，富氮气组分含有与它所衍生自的组分相比较大摩尔百分比的氮气，而贫氮气组分含有与它所衍生自的组分相比较小摩尔百分比的氮气。在本发明情况下，富氮气顶部流含有与来自管道122的流相比较高摩尔百分比的氮气，而贫氮气底部流含有与来自管道122的流相比较低摩尔百分比的氮气。富氮气顶部流和贫氮气底部流的量可取决于管道110中的含烃气体的内含物以及蒸馏柱30的操作条件而变化。
管道124中的贫氮气底部流可呈液体的形式且包括大量甲烷。举例来说，管道124中的贫氮气底部流可包括至少60、75、80、85、90、95、96或97.5摩尔百分比的甲烷。另外或替代地，管道124中的贫氮气底部流可包括不超过99.9、99或98摩尔百分比的甲烷。
由于蒸馏柱30中的分馏，管道124中的贫氮气底部流会含有残余量的氮气。举例来说，基于氮气的摩尔百分比，管道124中的贫氮气底部流含有的氮气可以比含烃气体少至少50、60、70、80、85、90或95百分比。在各种实施例中，管道124中的贫氮气底部流包括的氮气可以少于10、8、6、5、4、3、2或1摩尔百分比。
管道124中的贫氮气底部流也可包括一些残余氢气和一氧化碳。举例来说，管道124中的贫氮气底部流包括的氢气可以少于1、0.5、0.1或0.01摩尔百分比。另外或替代地，管道124中的贫氮气底部流包括的一氧化碳可以少于1、0.5、0.1或0.01摩尔百分比。在某些实施例中，管道124中的贫氮气底部流大体上不包含氢气和/或一氧化碳。
此外，在各种实施例中，管道124中的贫氮气底部流可包括至少0.5、1、1.5或2摩尔百分比和/或不超过20、10、8、6或4摩尔百分比的C2-C6烃。更确切地说，管道124中的贫氮气底部流可包括0.5到20摩尔百分比、1到10摩尔百分比、1.5到6摩尔百分比或2到4摩尔百分比的C2-C6烃。
如图1中所示，管道124中的贫氮气底部流可被路由到安置在主要热交换器20内的冷却通道34，其中液体流可经由与相应通道26和42中的致冷剂和/或残余气体流的间接热交换而被冷却且至少部分冷凝。经由管道128离开冷却通道34的经冷却流可为富含LNG的产物。如本文所使用，“富含LNG”意味着特定组合物包括至少50摩尔百分比的甲烷。应注意，此富含LNG的产物一般具有与上述管道124中的贫氮气底部流相同的组成。因此，上文关于管道124中的贫氮气底部流所论述的所有组成性质和范围也可适用于管道128中的富含LNG的产物。管道128中的富含LNG的产物可具有至少-120℃、-130℃、-140℃或-145℃和/或不低于-200℃、-190℃、-180℃或-165℃的温度。更确切地说，管道128中的富含LNG的产物可以具有在-120到-200℃、-130到-190℃、-140到-180℃或-145到-165℃范围内的温度。在某些实施例中，管道128中的富含LNG的产物可具有约-156℃的温度。
回头来看管道126中的富氮气顶部流，此流可呈蒸气的形式且可含有最初存在于管道110中的含烃气体中的大多数氮气。举例来说，管道126中的富氮气顶部流可包括最初存在于含烃气体中的至少60％、75％、80％、85％、90％、95％或98％的氮气。在各种实施例中，管道126中的富氮气顶部流可包括至少5摩尔百分比、10摩尔百分比、25摩尔百分比、50摩尔百分比、75摩尔百分比、80摩尔百分比、85摩尔百分比、90摩尔百分比或95摩尔百分比的氮气。
此外，管道126中的富氮气顶部流可包括最初存在于含烃气体中的大多数氢气和/或一氧化碳。举例来说，管道126中的富氮气顶部流可包括最初存在于含烃气体中的氢气和/或一氧化碳的至少40％、55％、75％、85％或99％。
在各种实施例中，管道126中的富氮气顶部流可包括至少5摩尔百分比、15摩尔百分比、25摩尔百分比或30摩尔百分比和/或不超过75摩尔百分比、65摩尔百分比、50摩尔百分比或40摩尔百分比的氢气。替代地，管道126中的富氮气顶部流可大体上不包括氢气。举例来说，管道126中的富氮气顶部流可包括少于25摩尔百分比、15摩尔百分比、10摩尔百分比、5摩尔百分比或1摩尔百分比的氢气。另外或替代地，管道126中的富氮气顶部流可包括少于25、15、10、5或1摩尔百分比的一氧化碳。
此外，管道126中的富氮气顶部流可包括一些残余甲烷。举例来说，管道126中的富氮气顶部流可包括少于10摩尔百分比、5摩尔百分比、4摩尔百分比、3摩尔百分比、2摩尔百分比或1摩尔百分比的甲烷。
如图1中所示，管道126中的富氮气顶部流可被路由到安置在主要热交换器20内的冷却通道36，其中流可经由与相应通道26和42中的致冷剂和/或残余气体流的间接热交换而被冷却且至少部分冷凝。经由管道130离开冷却通道36的经冷却气体流可具有至少-120℃、-130℃、-140℃或-145℃和/或不低于-200℃、-190℃、-180℃或-165℃的温度。更确切地说，管道130中的经冷却流可具有-120到-200℃、-130到-190℃、-140到-180℃或-145到-165℃的范围内的温度。在某些实施例中，管道130中的经冷却流可具有约-156℃的温度。
管道130中的经冷却流可随后被路由到回流冷凝器鼓38，其中管道130中的经冷却流的至少一部分可划分成贫氮气液体回流和顶部富氮气流。贫氮气液体回流经由管道132离开回流冷凝器鼓38，且顶部富氮气流经由管道134离开回流冷凝器鼓38。
回流冷凝器鼓38可在至少1MPa、1.5MPa、2MPa或2.4MPa和/或不超过8MPa、6MPa、5MPa或4.2MPa的压力下分离管道130中的经冷却流。更确切地说，回流冷凝器鼓38可在1到8MPa、1.5到6MPa、2到5MPa或2.4到4.2MPa的范围内的压力下操作。在某些实施例中，回流冷凝器鼓38中的压力可与蒸馏柱30中的压力相同或大体上相同。如本文所使用，“大体上相同”意味着压力相差少于5％。
管道132中的贫氮气液体回流可包括管道130中的经冷却流中最初存在的大多数甲烷。举例来说，管道132中的贫氮气液体回流可包括管道130中的经冷却流中最初存在的甲烷的至少50％、65％、75％或95％。在各种实施例中，管道132中的贫氮气液体回流可包括至少10摩尔百分比、25摩尔百分比、40摩尔百分比或65摩尔百分比和/或不超过99摩尔百分比、95摩尔百分比、85摩尔百分比或80摩尔百分比的甲烷。更确切地说，管道132中的贫氮气液体回流可包括10到99摩尔百分比、25到95摩尔百分比、40到85摩尔百分比或65到80摩尔百分比的甲烷。
另外或替代地，管道132中的贫氮气液体回流可包括残余量的氮气。举例来说，管道132中的贫氮气液体回流可包括少于40摩尔百分比、25摩尔百分比、15摩尔百分比、5摩尔百分比或2摩尔百分比的氮气。
此外，在某些实施例中，管道132中的贫氮气液体回流可包括氢气(如果最初含烃气体中存在的话)。举例来说，管道132中的贫氮气液体回流可包括至少0.1摩尔百分比、0.5摩尔百分比、1摩尔百分比或3摩尔百分比和/或不超过20摩尔百分比、15摩尔百分比、10摩尔百分比或5摩尔百分比的氢气。更确切地说，管道132中的贫氮气液体回流可包括0.1到20摩尔百分比、0.5到15摩尔百分比、1到10摩尔百分比或3到5摩尔百分比的氢气。在某些实施例中，管道132中的贫氮气液体回流可大体上不包括氢气。
管道132中的贫氮气液体回流的至少一部分可经由回流泵40泵送到管道136，其中其可被传送到蒸馏柱30以用作回流。管道132中的贫氮气液体回流用作回流有助于最小化设施10中的甲烷损耗。此外，管道132中的贫氮气液体回流用作回流可允许对蒸馏柱30中的温度条件的较大控制，其可增加在蒸馏柱30中分离氮气和甲烷的效率。
再来看图1，管道134中的顶部富氮气流可包括管道130中的经冷却流中最初存在的大多数氮气。举例来说，管道134中的顶部富氮气流可包括管道130中经冷却流中最初存在的氮气的至少50％、65％、75％或95％。在各种实施例中，管道134中的顶部富氮气流可包括至少10摩尔百分比、25摩尔百分比、50摩尔百分比、65摩尔百分比、80摩尔百分比或95摩尔百分比的氮气。
此外，管道134中的顶部富氮气流可包括残余量的甲烷。举例来说，管道134中的顶部富氮气流可包括少于10摩尔百分比、6摩尔百分比、5摩尔百分比、3摩尔百分比、2摩尔百分比或1摩尔百分比的甲烷。
另外或替代地，管道134中的顶部富氮气流可包括氢气(如果含烃气体中存在氢气的话)。举例来说，管道134中的顶部富氮气流可包括至少15摩尔百分比、25摩尔百分比、35摩尔百分比或50摩尔百分比和/或不超过99摩尔百分比、95摩尔百分比、85摩尔百分比或80摩尔百分比的氢气。更确切地说，管道134中的顶部富氮气流可包括15到99摩尔百分比、25到95摩尔百分比、35到85摩尔百分比或50到80摩尔百分比的氢气。在某些实施例中，管道134中的顶部富氮气流可大体上不包括氢气。
如图1中所示，管道134中的顶部富氮气流可被路由到主要热交换器20的升温通道42，其中所述流可经由与通道22、24、32、34和36的间接热交换而升温。管道138中的所得升温蒸气流可任选地经由残余气体压缩机44而被压缩，然后经由管道140路由到LNG回收设施10外。管道140中的经压缩气体流一旦被从LNG回收设施10移除，便可经路由以进一步使用、处理和/或存储。
现在转向图1中所描绘的LNG回收设施10的致冷循环12，此致冷循环在以全文引用的方式并入本文的第5,657,643号美国专利中进一步描述。将闭环致冷循环12说明为大体上包括致冷剂压缩机46、任选的级间冷却器48和级间蓄压器50、致冷剂冷凝器52、致冷剂蓄压器54以及致冷剂吸鼓56。如图1中所示，经由管道142从吸鼓56取出的混合致冷剂流可被路由到致冷剂压缩机46的吸入口，其中致冷剂流的压力可增加。当致冷剂压缩机46包括具有两个或更多个压缩级的多级压缩机时，如图1中所示，离开压缩机46的第一(低压力)级的经部分压缩的致冷剂流，可经由管道144被路由到级间冷却器48，其中所述流可经由与冷却介质(例如，冷却水或空气)的间接热交换而被冷却且至少部分冷凝。
管道146中的所得两相流可被引入到级间蓄压器50，其中可分离蒸气部分和液体部分。经由管道148从蓄压器50取出的蒸气流可被路由到致冷剂压缩机46的第二(高压力)级的入口，其中所述流可被进一步压缩。所得经压缩致冷剂蒸气流可与经由管道150从级间蓄压器50取出的液相致冷剂的一部分再组合且经由致冷剂泵58泵送而被加压，如图1中所示。
管道152中的经组合致冷剂流可随后路由到致冷剂冷凝器52，其中经加压致冷剂流可经由与冷却介质(例如，冷却水)的间接热交换而被冷却且至少部分冷凝，然后经由管道154被引入到致冷剂蓄压器54中。如图1中所示，管道154中的两相致冷剂流的蒸气部分和液体部分可被分离，且经由相应管道156和158而单独地从致冷剂蓄压器54被取出。任选地，经由致冷剂泵60加压的管道158中的液体流的一部分可与管道156中的蒸气流在位于主要交换器20内的致冷剂冷却通道24刚好之前或其内组合，如图1中所示。在一个实施例中，以此方式再组合经压缩致冷剂的蒸气和液体部分的一部分有助于确保致冷剂冷却通道24内的恰当流体分布。
在经压缩致冷剂流流动通过致冷剂冷却通道24时，所述流冷凝且过冷却，以使得经由管道160从主要热交换器20取出的液体致冷剂流的温度远低于致冷剂混合物的起泡点。管道160中的过冷却的致冷剂流可随后经由通过膨胀装置62(此处说明为焦耳-汤普森阀62，但可使用其它类型的膨胀装置)的通路而扩展，其中可减少流的压力，从而冷却且至少部分气化致冷剂流。管道162中的经冷却的两相致冷剂流可随后路由通过致冷剂升温通道26，其中经由致冷剂的膨胀产生的相当大部分的致冷可在冷却时回收以用于一个或多个工艺流，包含流动通过冷却通道24的致冷剂流，如先前详细论述。经由管道164从主要热交换器20取出的升温致冷剂流可随后路由到致冷剂吸鼓56，然后经压缩且再循环通过闭环致冷循环12，如先前论述。
根据各种实施例，在上文论述的致冷循环的每一步骤期间，可维持致冷剂的温度以使得馈送气体流中最初存在的甲烷的至少一部分或相当大部分可在主要交换器20中被冷凝。举例来说，在各种实施例中，引入到主要交换器20中的馈送气体流中最初存在的总甲烷的至少50％、65％、75％、80％、85％、90％或95％可被冷凝。在一些实施例中，在升温器温度下操作致冷循环12可减小馈送气体流内的一个或多个不合意的副产物的形成，例如可在低于约-100℃的温度下形成的氮氧化物树胶(例如，NOx树胶)。根据本发明的实施例，可使这些副产物的形成最少或几乎消除。
在一个实施例中，闭环致冷循环12中利用的致冷剂可为混合致冷剂。如本文中所使用，术语“混合致冷剂”是指包括两种或两种以上成分的致冷剂组合物。在一个实施例中，由致冷循环12利用的混合致冷剂可包括选自由以下各项组成的群组的两个或更多个组成物：甲烷、乙烯、乙烷、丙二醇、丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷、正戊烷，及其组合。在一些实施例中，致冷剂组成可包括甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷和异戊烷，且可大体上排除某些组分，包含例如氮气或卤代烃。根据一个或多个实施例，致冷剂组成可具有至少-80℃、-85℃或-90℃和/或不超过-50℃、-55℃或-60℃的初始沸点。根据本发明的实施例，预期各种具体致冷剂组成。下方表1概括了若干示范性致冷剂混合物的宽范围、中间范围和窄范围。
表1：示范性混合致冷剂组合物
组分 宽范围，摩尔％ 中间范围，摩尔％ 窄范围，摩尔％
甲烷 0到50 5到40 10到30
乙烯 0到50 5到40 10到30
乙烷 0到50 5到40 10到30
丙烯 0到50 5到40 5到30
丙烷 0到50 5到40 5到30
异丁烷 0到10 0到5 0到2
正丁烷 0到25 l到20 5到15
异戊烷 0到30 l到20 2到15
正戊烷 0到10 0到5 0到2
在本发明的一些实施例中，可能需要调节混合致冷剂的组成以由此改变其冷却曲线并且因此改变其制冷潜能。可以利用此类修改以适应例如引入到LNG回收设施10中的馈送气流的组成和/或流速的改变。在一个实施例中，可调整混合致冷剂的组成以使得气化致冷剂的加热曲线更接近地匹配馈送气体流的冷却曲线。用于此类曲线匹配的一个方法在第4,033,735号美国专利中详细地描述，所述专利的内容以引用的方式全文并入本文中。
因此，可利用上述过程和***从含烃气体移除氮气，从而允许LNG流的回收。
上文描述的本发明的优选的仅用作图示，并且不应以限制性意义使用以解释本发明的范围。在不脱离本发明的精神的情况下，所属领域的技术人员将容易获得上文阐述的示例性实施例的修改。
本发明人特此将他们的意图陈述为依赖于等效物原则以确定和评估适当地公平的本发明的范围，因为它涉及实质上未背离但是在如所附权利要求书中阐述的本发明的文字范围之外。
定义
应理解以下内容并非意图是所定义术语的排它性列表。在上述描述中可以提供其它定义，举例来说，，例如，当伴随上下文中所定义术语的使用时。
如本文中所使用，术语“一个”和“所述”意味着一个或多个。
如本文中所使用，当用于两种或更多种项目的列表中时，术语“和/或”意味着可采用所列项目中的任一者本身，或可采用所列项目中的两者或更多者的任何组合。举例来说，如果将组合物描述为含有组分A、B和/或C，则组合物可仅含有A；仅含有B；仅含有C；含有A与B的组合；含有A与C的组合；含有B与C的组合；或含有A、B及C的组合。
如本文中使用，术语“包括”是开放式过渡术语，其用于从术语之前叙述的标的物过渡到术语之后叙述的一个或多个元件，其中过渡术语之后列举的元件并不一定是组成标的物的唯一元件。
如本文中所用，术语“具有”具有与上文提供的“包括”相同的开放式含义。
如本文中所使用，术语“包含”具有与上文提供的“包括”相同的开放式含义。
如本文所使用，对“一个实施例”、“一实施例”或“多个实施例”的参考意味着所参考的一个或多个特征包含在所述技术的至少一个实施例中。在本说明书中对“一个实施例”、“一实施例”或“多个实施例”的单独参考并不一定参考同一实施例，并且同样也不相互排除，除非如此陈述以及/或者除了通过本说明书对所属领域的技术人员而言是显而易见的。因此，本发明可以包含本文所描述的实施例的多种组合和/或整合。
如本文所使用，术语“约”意味着相关联值可与其所陈述值相差10％。
数字范围
本实施方式使用数字范围来量化与本发明相关的某些参数。应理解当提供数字范围时，此类范围应被解释为提供对仅陈述所述范围的下限值的权利要求限制以及仅陈述所述范围的上限值的权利要求限制的文字支持。举例来说，10到100的所揭示的数字范围提供对陈述“大于10”(不具有上限范围)的权利要求和陈述“小于100”(不具有下限范围)的权利要求的文字支持。

Claims (26)

1.一种用于从含烃气体回收甲烷的工艺，所述工艺包括：
(a)冷却且至少部分地冷凝包括所述含烃气体的馈料流，以从而提供经冷却的馈料流，其中所述含烃气体包括0.5到30摩尔百分比的范围内的氮气；
(b)在蒸馏柱中分馏所述经冷却的馈料流的至少一部分，以从而形成贫氮气底部流和富氮气顶部流，其中所述分馏在1到8MPa的范围内的压力下发生，其中所述富氮气顶部流包括最初存在于所述含烃气体中的至少75％的氮气；以及
(c)回收所述贫氮气底部流的至少一部分以从而形成富含LNG的流。
2.根据权利要求1所述的工艺，其中，步骤(a)中的所述冷却的至少一部分是经由在闭环致冷循环、双混合致冷剂循环、级联致冷循环或氮气致冷循环中与单个混合致冷剂流的间接热交换来进行的。
3.根据权利要求1所述的工艺，其中，步骤(a)中的所述冷却的至少一部分是经由在闭环致冷循环中与混合致冷剂流的间接热交换来进行的。
4.根据权利要求1所述的工艺，进一步包括在步骤(a)的所述冷却之前，冷却所述含烃气体以从而形成经冷却的含烃气体，其中所述冷却的至少一部分是经由在闭环致冷循环中与混合致冷剂流的间接热交换来进行的。
5.根据权利要求1所述的工艺，其中，就氮气的摩尔百分比而言，所述富含LNG的流包括比所述含烃气体少至少85％的氮气。
6.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述含烃气体包括少于20摩尔百分比的氮气。
7.根据权利要求1所述的工艺，其中，步骤(b)的所述分馏在2到6MPa的范围内的压力下发生。
8.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述富含LNG的流包括少于3摩尔百分比的氮气。
9.根据权利要求1所述的工艺，进一步包括在步骤(a)的所述冷却之前，将所述含烃气体引入到与所述蒸馏柱流体连通的再沸器中，以从而形成步骤(a)中的所述馈料流。
10.根据权利要求1所述的工艺，进一步包括在步骤(a)的所述冷却之前，预处理所述含烃气体以形成经处理含烃气体，其中所述经处理含烃气体是步骤(a)中的所述含烃气体。
11.根据权利要求1所述的工艺，其中，步骤(c)的所述回收包括冷却所述贫氮气底部流的至少一部分，以形成所述富含LNG的流，其中所述冷却的至少一部分是经由在闭环致冷循环中与混合致冷剂流的间接热交换来进行的。
12.一种用于从含烃气体回收甲烷的工艺，所述工艺包括：
(a)冷却且至少部分地冷凝包括所述含烃气体的馈料流，以从而提供经冷却的馈料流，其中所述含烃气体包括0.5到30摩尔百分比的范围内的氮气；
(b)在蒸馏柱中分馏所述经冷却的馈料流的至少一部分，以从而形成贫氮气底部流和富氮气顶部流，其中所述富氮气顶部流包括最初存在于所述含烃气体中的至少75％的氮气；
(c)冷却所述富氮气顶部流的至少一部分以从而形成经冷却的富氮气顶部流；
(d)将所述经冷却的富氮气顶部流分离为液体回流和蒸气副产物；
(e)将所述液体回流的至少一部分引入到所述蒸馏柱中；以及
(f)冷却所述贫氮气底部流的至少一部分以从而形成富含LNG的流。
13.根据权利要求12所述的工艺，其中，步骤(a)、步骤(c)和步骤(f)中的所述冷却的至少一部分是经由在闭环致冷循环、双混合致冷剂循环、级联致冷循环或氮气致冷循环中与单个混合致冷剂流的间接热交换来进行的。
14.根据权利要求12所述的工艺，其中，步骤(a)、步骤(c)和步骤(f)中的所述冷却的至少一部分是经由在闭环致冷循环中与混合致冷剂流的间接热交换来进行的。
15.根据权利要求12所述的工艺，进一步包括在步骤(a)的所述冷却之前，冷却所述含烃气体以从而形成经冷却的含烃气体，其中所述冷却的至少一部分是经由在闭环致冷循环中与混合致冷剂流的间接热交换来进行的。
16.根据权利要求12所述的工艺，其中，就氮气的摩尔百分比而言，所述富含LNG的流包括比所述含烃气体少至少85％的氮气。
17.根据权利要求12所述的工艺，其中，步骤(b)的所述分馏在2到6MPa的范围内的压力下发生。
18.根据权利要求12所述的工艺，其中，所述富含LNG的流包括少于3摩尔百分比的氮气。
19.根据权利要求12所述的工艺，进一步包括在步骤(a)的所述冷却之前，预处理所述含烃气体以形成经处理含烃气体，其中所述经处理含烃气体是步骤(a)中的所述含烃气体。
20.根据权利要求12所述的工艺，进一步包括在步骤(a)的所述冷却之前，将所述含烃气体引入到与所述蒸馏柱流体连通的再沸器中以从而形成步骤(a)中的所述馈料流。
21.一种用于从含烃气体回收液体甲烷气体(LNG)的设施，所述设施包括：
主要热交换器，其具有安置于其中的第一冷却通道，其中所述第一冷却通道被配置为将所述含烃气体冷却为经冷却的含烃气体；
蒸馏柱，其与所述第一冷却通道流体连通，其中所述蒸馏柱包括用以接收所述经冷却的含烃气体的第一入口，其中所述蒸馏柱被配置为将所述经冷却的含烃气体分离为富氮气顶部流和贫氮气底部流；
安置于所述主要热交换器内的第二冷却通道，其与所述蒸馏柱流体连通，其中所述第二冷却通道被配置为将所述贫氮气底部流冷却为富含LNG的液体流；
安置于所述主要热交换器内的第三冷却通道，其与所述蒸馏柱流体连通，其中所述第三冷却通道被配置为将所述富氮气顶部流冷却为经冷却的富氮气流；
回流***，其在所述第三冷却通道与所述蒸馏柱之间流体连通，其中所述回流***被配置为将所述经冷却的富氮气流分离为液体回流和蒸气副产物；以及
单个闭环混合致冷循环，其至少部分地安置于所述主要热交换器内。
22.根据权利要求21所述的设施，进一步包括与所述第一冷却通道流体连通的再沸器，其中所述再沸器被配置为在将所述含烃气体引入到所述第一冷却通道中之前冷却所述含烃气体。
23.根据权利要求22所述的设施，其中，所述再沸器与所述蒸馏柱流体连通且被配置为将热介质提供到所述蒸馏柱。
24.根据权利要求21所述的设施，其中，所述回流***包括冷凝器鼓，所述冷凝器鼓用于将所述经冷却的富氮气流分离为所述液体回流和所述蒸气副产物。
25.根据权利要求21所述的设施，其中，所述回流***包括回流泵，所述回流泵被配置为将所述液体回流泵送到所述蒸馏柱中。
26.根据权利要求21所述的设施，其中，所述液体回流经由第二入口而被引入到所述蒸馏柱中，其中所述第二入口布置在相对于所述第一入口的较高点处。
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