CN1187298C - 从天然气热力学分离较重组分的改善方法 - Google Patents

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Abstract

一种从天然气中分离较重组分的方法，包括：提供一种使较重组分与较轻组分分离的蒸馏塔配置；在第一压力下提供含有这些组分的进料气体并分离，成为第一部分气体和第二部分气体，将第一部分气体送入蒸馏塔配置，以便分离；压缩第二部分气体至压力高于第一压力，从中抽取热量使其冷凝并过冷却，使压缩了的冷凝的第二部分气体膨胀至第一压力，并将膨胀后的第二部分气体在邻近蒸馏塔配置顶部的位置供入，以使这些物料冷却。

Description

从天然气热力学分离较重组分的改善方法
本发明涉及将烃气体分离成不同沸点的组分。更确切地说，本发明涉及尤其适合于从天然气中分离丙烷、甲烷或乙烷的方法和设备。
1988年9月13日颁发的、申请人在先的美国专利4770683叙述了蒸馏两种不同沸点的物质的方法和设备。描述了从天然气中蒸馏两种有不同沸点的物质、特别是丙烷、乙烷或二氧化碳的方法，其中将常规蒸馏塔分成压力高于常规塔的第一塔和较低压力的第二塔。从第一塔排出的液体通过在每一段具有冷萃取的一个或多个段，膨胀至较低压力，并用于冷却从第一塔的顶部取出的气体，以使顶部塔盘保持在所需的温度下。压缩从第二塔取出的气体并冷却，作为回流物返回到第一塔。使用来自膨胀了的液体的冷却和使用这样的两个塔，这提供了改善了的热力学效率和避免了使用昂贵的涡轮膨胀机。
另外，本申请人的另一个方案公开在1995年4月13日公开的PCT申请WO95/10011中。该申请公开了对上述专利的改进，其中通过准备第三塔，提高了效率，和一个方案，通过该方案，向高压塔的顶部以回流的形式提供了附加了冷却。
对液化气回收来说，传统上可忽略小于100磅/英寸2[表压]的天然气。每当加工这种气体时，在加工前要把气体压缩到约300磅/英寸2[表压]。然而，用于分离沸点接近的各种物质的本发明方法通常使用蒸馏塔装置。
本发明特别涉及从天然气中分离较重的组分。
在原理上，乙烷的回收类似于液化气的回收，只是需要更多的能量来冷却和回流压缩。该方法还适用于下列情形，即低压气体是在较高压力下销售，但是与其他方法相比，其好处要比在第一段落所述的方法少得多，尤其是在从来没有考虑过的其他方法的情况下，除非用于销售管道的所需残余气体的压力高于200磅/英寸2[表压]。在乙烯装置中使用该技术用于回收乙烯，将降低能量的需求和这些装置中脱甲烷塔的投资费用。据说所说申请人的美国专利非常适用于分离乙烷和乙烯。那篇专利还可用于乙烯装置中的脱甲烷塔，但是人们认为当与那篇专利结合时该专利将成为一个改进。
本发明涉及分离沸点接近的物质的蒸馏方法，该方法用于萃取通常用于蒸馏塔的各种物质，这些分离的例子是
1.从天然气中回收乙烷
2.从天然气中回收丙烷
3.从天然气中回收二氧化碳
4.从天然气中回收氦
5.从天然气中回收氮
6.回收乙烯装置中的乙烯。
当与上述美国专利中所述的两塔或多塔方法结合使用时，该专利具有最佳的优点。使用该专利还有助于其他蒸馏装置，例如Ortloff公司所拥有的专利中所述的各种装置。
本发明的一个目的是，提供从天然气中分离残余气体的改进方法，该方法提供了改善的效率，特别是当残余气体是在低压下提供的情况下加工气体时如此。
因此，本发明的另一个目的是提供一种改进了的蒸馏方法，该方法得到了同样好的或更好的分离回收，但是该方法具有改善的热力学效率，并在许多情况下降低了设备投资。人们期望该专利将改善乙烯生产装置的脱甲烷塔部分。
本发明的另一个目的是，提供从低压天然气中回收乙烷和/或液化气的经济装置，否则该低压天然气在液体回收时是被忽略的。
根据本发明的第一方面，提供了从天然气中分离较重组分的方法，该方法包括：
提供一种蒸馏塔配置，它用于使从塔底排出的较重组分与从塔顶排出的较轻的气体分离；
在足以将气体供给蒸馏塔装置的第一压力下提供含有这些组分的进料气体；
使进料气体分离成为第一部分气体和第二部分气体，其中这两个部分都不为零；
在蒸馏塔的顶部和底部之间的进料位置将第一部分气体送入该蒸馏塔配置中，以便在蒸馏塔配置中分离；
压缩第二部分气体至压力高于第一(部分气体的)压力，从压缩的第二部分气体中抽取热量以使其冷凝，过冷却压缩了的、冷凝的第二部分气体，使压缩的冷凝的第二部分气体膨胀至第一压力，并将膨胀后的第二部分气体在邻近蒸馏塔配置顶部的位置供给蒸馏塔配置中，以便使这些物料在蒸馏塔配置中冷却。
在一定压力下供给在蒸馏塔配置顶部取出的较轻的气体，该压力的选择取决于对供给的要求。在许多情况下是要求高于100磅/英寸2[表压]的高压，通常约500磅/英寸2[表压]。然而，当供给压力低于100磅/英寸2[表压]时，本发明具有特别的适用性和优点，从而导致低的操作压力。
优选用较轻的气体的冷能来过冷却第二部分气体。
优选用冷却剂进一步过冷却第二部分气体。
优选在分离之前将进料气体脱水。
优选进料气体用分子筛脱水。
优选通过蒸馏塔的再沸器的冷能来冷却第一部分气体。
在一个实施例中，蒸馏塔配置包括至少两个在不同压力下的分开的塔，以便使来自高压塔的较重产物膨胀并送入低压塔。在本实施例的一个方案中来自低压塔顶部的较轻的气体返回送入进料气体，以再加工，在另一个方案中该气体用火炬烧掉。
优选将来自蒸馏塔配置顶部的较轻的气体供给低压管线***，该管线***具有约75磅/英寸2的供应压力。
优选将来自低压塔顶部的较轻的气体加到第二部分气体中，以便在其中进行加工并加到高压塔顶部中。
优选将供应气体与供应的原油分离开，其中分离出的较重组分以补充物形式被返回到原油中。
优选地，分离出的较轻气体用火炬烧掉。
根据本发明的第二方面，提供了从天然气中分离较重组分的设备，该设备包括：
一种蒸馏塔配置，它用于将蒸馏塔配置底部取出的较重组分与蒸馏塔配置顶部取出的较轻的气体分离开；
在足以将气体供应给蒸馏塔配置的第一压力下，用于含有这些组分的进料气体的供应管线；
用于将进料气体分离成第一部分气体和第二部分气体的设备，其中这两部分气体都不为零；
用于在蒸馏塔配置的顶部和底部之间的一个进料位置将第一部分气体加入到蒸馏塔配置以便在其中分离的供应管；
用于将第二部分气体压缩至高于第一压力的压缩机；
用于从压缩了的第二部分气体中抽取热量、以使其冷凝的设备；
用于使压缩了的冷凝的第二部分气体过冷却的换热器；
用于将压缩了的冷凝的第二部分气体膨胀至第一压力的设备；
和用于在蒸馏塔配置顶部的邻近位置将膨胀后的第二部分气体供应给蒸馏塔配置的第二供应管线，以便这些物料在蒸馏塔配置中冷却。
下面结合附图叙述本发明的一个实施方案，其中：
图1是根据本发明的第一工艺的原理的图解说明，其中使用了上述在先专利的两塔体系，该体系是为在低压下供应残余气体而特别设计的，但不是排它性设计。
图2是根据本发明的第二工艺使用单塔的原理的图解说明。
图3是根据本发明的第三工艺的原理的图解说明，其中使用了上述在先专利的两塔体系，该体系是为了将提取出的组分返回到原油加工装置以补充原油、并火炬烧掉残余气体而特别设计的，但不是排它性设计。
图4是表示最低丙烷+成分回收的草图。
图5是根据本发明的第四工艺的原理的图解说明。
先看图1，其中显示了从天然气进料中分离液化气+产物、留下压力低于100磅/英寸2[表压]的用于销售的残余销售气体的装置。
该装置提供了进料供应管线10，该管线供料给入口分离器11，该分离器11的作用是从任何进入的液体中分离出气体。液体可以以许多不同的方式处理，包括在适合的装置中提供原油加工装置的游离水分离***。另外，液体可以通过脱水器并加到脱乙烷器中。
将来自入口分离器11的入口气体送入具有后冷却器13的入口压缩机12中，在压缩机12中压缩该气体至足够的压力，以便在压缩之后该气体可在分子筛14中脱水和在液化气回收装置中加工，然后，使气体具有足够的压力，进入销售管线15。
在进入分子筛形式的脱水剂14之前，还提供了液体分离器16以便通过具有排出阀18的返回管线17循环液体。
如上所述，本文所述的装置是为低压残余气体特别设计的，然而，如果残余气体的所需管线压力要高于600磅/英寸2[表压]时，优选对回收装置下游的残余气体进行压缩，所以下文所述的塔***可在约400磅/英寸2[表压]下操作。
入口气体压缩、后冷却和液体在分离器16中分离之后，气体在脱水剂14中脱水，该脱水剂优选是上述分子筛，或者可以是“Dryso”TM方法，该方法是三乙二醇方法。在这样一种配置中，可提供所示的、使用抽提蒸馏的复杂再生体系，以减少乙二醇的水含量。来自再生体系的抽提物如供应管线20所示返回到进料中。
在脱水器14的下游装有一个供应管线21，该管线分成2个供应管线22和23，这2个管线的作用是将供应管线21中的进料按比例分开。每个管线包括一个流量控制阀22A和23A，这些控制阀使用本领域技术人员公知的常规流量控制***进行控制，以便根据该方法的各种参数的测定来保持所需的比例。
该方法还包括通常表示在30的加工塔配置，其中包括高压塔31和低压塔32。这2个塔通常描述在上述美国专利中，该文献公开的内容引入本文作为参考。这2个塔每个包括1个用于分离进料中的组分的蒸馏塔段，以便在高压塔段31的上部排出口33排出较轻的气体组分，在下部排出口34排出较重组分。低压塔32具有上部排出口35和下部排出口36。上部气体排出口33提供了残余销售气体15，而低压塔的底部排出口36提供了重质液化气+产品37。
分开进入供应管线23的进料气体的第一部分作为原料供应给高压塔31的较低部分，在供给该塔配置之前，供应管线23中的气体通过热交换器R，热交换器R包括在管线23上的部分38A，和第二部分38B，38B部分在低压塔32的底部形成了物料的再沸器。因此该热交换器R从38A部分提取冷能以冷却管线23中的物料，并提供热量给作为再沸器的部分38B，以使物料作为侧进料返回到低压塔32的下部。
管线23中的供应物料再通过第二热交换器S，该热交换器S具有第一部分39A和第二部分39B，它再次提取冷能以用于管线23中的物料，并向低压塔32上的侧再沸器提供热量。
低压塔32的顶部排出口35的气体通过供应管40返回到进料中。在返回到进料之前，从另一个热交换器41中的返回气体中提取冷能并对管线23中的进料进行冷却。
最后，在进料在加料位置注入到高压塔之前，使用冷冻单元42对进料进行外部冷却。
管线22的第二部分通到包括压缩机45和热量的提取器46的压缩机***44。将气体的第二部分压缩到500-1400磅/英寸2[表压]，以便它可以被冷却、冷凝和作为冷却顶部供应物注入到塔配置中。
本发明人的在先专利和在先公开的申请公开了在高压塔的顶部注入液体以保持在高压塔中的冷的温度，在在先申请中这被称作“回流”。然而，在本发明中，压缩的物料包括来自进料10的初始供应物的一部分，还包括来自低压塔的排出口35的排出气体的一部分。
因此，第二部分气体在压缩机***44中压缩和通过冷却设备46冷却。然后使其通过热交换器47和供应管线48，该热交换器47从残余气体提取冷能。在另一个热交换器L中进一步冷却，该热交换器L包括在管线22上的第一部分49A和从产品37提取冷能的第二部分49B。提供另一个冷冻冷却器50，其使用外冷却剂。冷冻器50的下游装有另一个热交换器51，该热交换器51从供应管线48中的残余气体中提取冷能。
通过热交换器之后，进料的第二部分通常完全被冷凝，并通过热交换器51得到过冷却。然后进料的第二部分在进料入口53注入高压塔31之前通过排出阀52。
第二部分进料的压缩在经济地回收方面就提供了明显的优点。在过去，所有的方法都是考虑在加工前将所有的入口气体压缩到高压。在本发明中只压缩管线22中的一部分气体，这样就避免了压缩所必需的能量需求，还降低了投资费用。
在某些情况下，必须考虑第二部分气体的相包层(envelope)，以便选择最佳的压力，该最佳的压力提供了通过气/液接触的最佳冷能回收，因此是非常经济的***。上述的最佳冷能回收通常是在接近最大冷能回收下进行的。
现在参考图2，图2显示了基本相同的装置，该装置具有被分成第一和第二进料***的相同的第一和第二部分。然而，如由Ortloff方法所已知的，在该装置中用如单塔55所示的更常规的单塔方法替代2塔方法。
现在参考图3，图3显示了与图1类似的***，该***使用了图1的2塔方法，包括高压塔31和低压塔32。
该方法的操作类似于上述情况，并用于提高或补充对来自原油供应60的原油加工。在该装置中残余气体供给火炬61，以使它有效地处于0压力下。
将原油提供给分离器62，在分离器62中液体从管线63取出并供给图中64所示的脱水器和稳定***。该***可以是称作“给水分离”类型，但也可以使用其他的加工***。来自加工***的粗供应物表示在65。
高压塔顶部的排出气体在管线66排出并送到火炬61。在高压塔底部的排出液体通过供应管线67和排出阀68，以给低压塔32的顶部提供进料。
将在分离器62中从粗进料分离出的气体供给分子筛69进行气体脱水。气体通过第一热交换器70和冷冻设备71，在冷冻器71的管线72之间进行按比例分离，以便第一部分经管线73加到高压塔的进料位置74。第二部分进入管线74并通过排出阀75，以致使进料的压力降低至与低压塔顶部的排出口76的压力相同。这样管线74中的进料加到出口76排出的气体中，该合并的物流通过管线78到高压塔31顶部的入口79。管线78中的气体通过包括压缩机80和81的2段压缩机，和冷却设备82和83。
热交换器R包括第一部分84A和第二部分84B，该热交换器从低压塔32底部的再沸器提取冷能。其他的热交换器85，86，87和88的作用是从排出口66的排出气体中提取冷能。另一个热交换器A包括89A部分和第二部分89B，以便从压缩机的上游气体提取冷能。冷冻***90相应于图1的冷冻***50。排出阀91相应于排出阀52。压缩了的、冷凝的和过冷却的物料膨胀至高压塔的压力，并作为回流冷却的物料注入到上述的高压塔顶部。
将通过管线66从高压塔顶部排出的排出物分成2部分通到火炬61。一部分通过热交换器85，86，87和88，第二部分通过热交换器70、热交换器85和通常表示在92的分子筛再生***。2个阀93和94使压力从高压塔的压力降到约0的火炬压力。
因此，再参考图3的装置，对分开的进料的第二部分进行压缩，以便在上端的冷却进料处注入到高压塔。管线73中的第二部分进料不作压缩，因此得到了明显的加工经济性。
从另外的废气或火炬气提取的、来自低压塔塔底的液体通过管线95作为补充物返回到进料中，这样就增加了粗物料65。
当残余气体通到火炬时，在原理上C3+的回收类似于图3中回收C4+的方案。在热交换器设备方面将有些改变，并且温度将低很多。类似地，C2+的回收也将是类似的，但冷却器具有不同的热交换器设备。在与图3的对比中，在C2+和C3+分配方面一个大的区别是，这些产物将作为分开的产物产生，而不是以循环液体进入入口粗物流。
也可以改进图3的装置，以便C4+还可以作为分开的产物回收。然而，如果需要分开的产物，那么回收C3+也是需要的。循环回收的C4+到入口粗物流的作用是减少C3的量和使组分处在稳定的粗物流中。
当类似图3的低压进行低压处理气体时，使高压塔高于低压塔是有利的，以致在这些塔之间不必有这样大的压降。这样提高了压缩机80的吸入压力，但也提高了再沸器84B的操作温度。
所有这些装置具有使低压塔的塔顶馏出物循环到高压塔的优点。这样对高压塔提供了有效回流的物流。例如，在回收丙烷的情况下，低压塔的塔顶馏出物富含乙烷，这对从天然气分离丙烷产生了非常好的回流。
向高压塔底部的进料分流不需要通过控制流量比来控制。控制脱水进料到循环压缩机中的分物流以保持压缩机的吸入压力。因此在恒速下的压缩机80将向高压塔提供恒定的流速，因此要通过采用管线72中的一部分进料来补偿排出口76排出的气体体积。当装置的流速或组成下调时，这也产生这样的效果，即液体产物的回收百分比将提高。
由于在脱水器和液化气回收方法中气体只压缩到与需要考虑的压降一样多，因此使进料压缩机所需的能量最小。当所需的残余气体压力等于或小于进料压力时，则需要非常小的进料压缩，使得本方法的能量需求比任何其他的方法要小的多。
使用图1所示的2塔，从该方法回收的丙烷回收率一般为90％。当该方法与3塔方法(我们的美国专利1988和1997)组合时，可容易地回收95％的丙烷。
除了节省能量外，与其他方法相比，较低的能量需求使得压缩机设备更小并减少了投资成本。
图4是表示最低丙烷+成分回收的草图。注意的是，既然使用回流压缩机的这些方法可以从非常低的进料压力下回收液化气，只要气体中液化气的浓度足够的高。与不具有回流压缩机的其他方法相比，回流压缩机可大量地用于液化气的经济回收。
现在参考图5，图5显示了进一步改进的装置，在该装置中有一个3塔***，包括塔100，101和102。在该装置中进料被再次分开，在103位置提供一定比例的物流，一部分进料通过上述的***104进行压缩，并在回流位置105加入到塔100中。在该装置中，将来自第二塔101顶部的气体送入火炬106。另外在该装置中，将来自塔100顶部的气体送入火炬107。在该装置中冷凝器108提供了水分离，冷凝器108位于脱水器109的上游。
应注意到，在38°F下90°的水已从气体中冷凝出之后才设置脱水器109。冷却器中的冷却剂温度是33°F，不会造成冷冻的危险，冷却器保证了进入脱水器的最大温度。在大多数水已被除去后设置脱水器，可大大地减小脱水器的大小和对再生热的需求。还应注意的是，脱乙烷塔的塔顶馏出物不循环，而是与该方法的其他残余气体一起送入火炬。
正如在我们的其他设计中通常所做的那样，脱乙烷塔再沸器的热量是从该方法中得到的。这意味着该塔不需要加热介质，但对脱丁烷塔来说是需要的。有可能这种情况，即仅有该附加塔不能足以保证满足需要，可在气体分馏塔的底部进料的下面加入塔盘和将再沸器装到该塔上。那将是常规的Ortloff专利。
所有的冶金材料都是碳素钢，气体分馏塔的顶部进料处的材料除外。对于这种设计方式，我们可能应该知道，塔顶回流液是在具有1个或2个塔盘的小不锈钢容器中与气体分馏塔的塔顶馏出物会合。该不锈钢容器将安装在主气体分馏塔的顶部，该分馏塔将具有-50°F设计温度，因此可以是Charpy试验碳钢。
由于在上述的本发明范围内可以进行各种改进，所以在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可有许多明显不同的实施方案，说明书中所包含的内容仅仅是作为说明性的解释，并没有限定的意思。

Claims (17)

1.一种从天然气中分离较重组分的方法，包括：
提供一种蒸馏塔配置，它用于使从塔底排出的较重组分与从塔顶排出的较轻的残余气体分离；
在第一压力下提供含有这些组分的进料气体；
将进料气体分离成为第一部分气体和第二部分气体，其中这两个部分都不为零；
在蒸馏塔配置的顶部和底部之间的进料位置以入口压力将第一部分气体送入蒸馏塔配置，以便在蒸馏塔配置中分离；
该第一压力至少与该入口压力一样高；保持第二部分气体与较轻的残余气体分离；
压缩第二部分气体至压力高于第一压力而独立于该较轻的残余气体的压力，从压缩的第二部分气体中抽取热量以使其冷凝，使压缩了的冷凝的第二部分气体过冷却，使压缩了的冷凝的第二部分气体膨胀至第一压力，并将膨胀后的第二部分气体供给蒸馏塔，以便使这些物料在蒸馏塔配置中冷却。
2.根据权利要求1的方法，其中在该配置的塔顶排出的较轻的气体是在低于100磅/英寸2压力下提供的。
3.根据权利要求1或2的方法，其中第二部分气体通过来自较轻的气体的冷能而进行过冷却。
4.根据权利要求3的方法，其中第二部分气体通过冷却剂进一步过冷却。
5.根据权利要求1的方法，其中进料气体在分离前脱水。
6.根据权利要求5的方法，其中进料气体用分子筛脱水。
7.根据权利要求1的方法，其中第一部分气体通过来自该塔配置的再沸器的冷能而冷却。
8.根据权利要求1的方法，其中来自该配置塔顶的较轻的气体供应给其供应压为约75磅/英寸2的低压管线***。
9.根据权利要求1的方法，其中该蒸馏塔配置包括至少2个分开的、在不同压力下的塔，以便使来自高压塔的较重产物膨胀并加到低压塔中。
10.根据权利要求8的方法，其中来自低压塔塔顶的较轻的气体返回到进料气体中进行再加工。
11.根据权利要求10的方法，其中来自低压塔塔顶的较轻的气体用火炬烧掉。
12.根据权利要求9的方法，其中来自低压塔顶部的较轻的气体加到第二部分气体中进行压缩、冷却和膨胀，并一起供给高压塔的顶部。
13.根据权利要求1的方法，其中从原油进料中分离进料气体，其中分离出的较重组分作为补充物返回到原油中。
14.根据权利要求13的方法，其中分离出的较轻的气体用火炬烧掉。
15.根据权利要求13的方法，其中将来自低压塔塔顶的较轻的气体加到第二部分气体中用于加工，并送到高压塔塔顶。
16.根据权利要求13的方法，其中来自低压塔塔顶的较轻的气体用火炬烧掉。
17.根据权利要求13的方法，其中还提供了第三塔，其中来自低压塔塔底的较重组分加到第三塔中。
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