NO167770B - Fremgangsmaate for fjerning av nitrogen fra en naturgasstroem. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for behandling av en naturgassmatestrøm Inneholdende variable mengder av metan, nitrogen, karbondioksid og etan+ -hydrokarboner ved hjelp av en kryogen nltrogenfJerningsprosess for matestrøm-men, omfattende en dobbelt destillasjonscyklus med et høytrykksdestillasjonstrinn og et lavtrykksdestillasjonstrinn for oppnåelse av en spillnitrogen-toppstrøm og en metanprodukt-bunnstrøm.

Tidligere var nltrogenfJerning fra naturgass begrenset til et naturlig forekommende nitrogeninnhold Idet man hadde en 1 det vesentlige konstant mategass-sammensetnlng. Imidlertid nødvendiggjør senere metoder for tertiær oljeutvinning ved bruk av nitrogeninnsprøytings-fjernlngs-konsepter nitrogen-fjerningsenheter (NRU) som kan behandle en mategasstrøm med en sterkt varierende sammensetning, dette på grunn av at gassen fra brønnen blir fortynnet med økende mengder nitrogen efter 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 høytrykksdestllla-sjonstrlnn og et lavtrykksdestillasjonstrinn og denne prosesstype har vært benyttet for å behandle naturgass med fast innhold, og er et effektivt middel for å fullføre separering av nitrogen fra metanproduktet. En dobbelt-kolonneprosess 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 karbondioksid-forurensning i gasstrømmen et ytterligere problem for nitrogen-fjerningsprosessen. Karbondioksid kan fryse ved de kryogene temperaturer i de kaldeste deler av det" konvensjonelle dobbelt-kolonneanlegg, og forårsake blokkering av gasstrømmen og tilgroing av varmeveksleroverflater. Tidligere er karbondioksid fjernet fra naturgassen, vanligvis før den kryogene nitrogen-fjernlngsenhet, for å unngå denne utfrysing ved meget lave temperaturer. Karbondioksidfjerningen ble karakteristisk gjennomført ved absorpsjon i monoetanolamin eller dietanolamin, separat eller i kombinasjon med adsorp-sjon på molekylsikter. Slike karbondioksidfjerningsopplegg er imidlertid offer for vanskeligheter som fører til utfrysingsproblemer og de er ikke energieffektive.

Det er kjent fra temperatur-oppløselighetsdata at karbondioksid 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 nitrogen-fjerningsopplegg når nitrogeninnholdet i naturgasstrømmen øker. Som et resultat kan mindre og mindre karbondioksid tolereres i nitrogen- og metan-mategasstrømmen til nitrogen-fjernlngsenheten efter hvert som nitrogeninnholdet stiger, hvis utfrysing skal unngås.

US-PS 3 683 634 beskriver en fremgangsmåte for fraksjonering av en gass inneholdende karbondioksid i en fraksjoneringssone med et høytrykkstrinn og et lavtrykkstrinn. En del av gassblandingen under trykk separeres først i en fraksjon som er i det vesentlige fri for karbondioksid, og en fraksjon som er anriket på karbondioksid. Den gjenværende del av mategassen og de to fraksjoner mates til høytrykkstrinnet på forskjellige nivåer.

US-PS 3 398 711 beskriver en fremgangsmåte for gjenvinning av en nitrogen-metan-blanding fra naturgass inneholdende metan, nitrogen, karbondioksid og etan+ -stoffer. I et første destillasjonstrinn, blir naturgasstrømmen separert i en bunnfraksjon inneholdende etan<+> og i det vesentlige fri for karbondioksid, en over topp fraksjon bestående av nitrogen og metan, i det vesentlige karbondioksid, samt en sidestrøm inneholdende metan, karbondioksid og etan+ -råstoffer. Denne sidestrøm føres til et andre destillasjonstårn som gir en toppfraksJon Inneholdende karbondioksid 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 vidt område av nitrogen-konsentrasjoner. Karbondioksid 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 karbondioksid 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 produktfrak-sjon i en senere separeringsfase, i hvilken vaskefase en vasket gass fri for uønskede komponenter oppnås som topp-produkt 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 1 en vaskekolonne med en flytende metanfrak-sjon som stammer fra nitrogen-metan-destillasjonskolonnen. Bunnproduktene fra vaskekolonneh omfatter flytende metan anriket på karbondioksid og toppfraksjonen omfatter renset gassformlg metan inneholdende nitrogen. Figur 4 i dette patent viser en karbondioksid-vaskekolonne i kombinasjon med en dobbelt destillasjonskolonnen for separering av nitrogen for 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 ytterligere å rense metaritoppfraksjonen fra en første høytrykkskolonne. Bunnstrømmen som er anriket på karbondioksid pumpes tilbake til toppen av den første kolonne. Det meget rene metanprodukt inneholder opp til 50 ppm karbondioksid.

Foreliggende oppfinnelse har til hensikt å forbedre den kjente teknikk og oppfinnelsen angår således en fremgangsmåte for fjerning av nitrogen fra en naturgasstrøm inneholdende variable mengder metan, nitrogen, karbondioksid og etan+

—hydrokarboner, omfattende

a) å føre naturgasstrømmen gjennom en kjølesone,

b) å tilføre den avkjølte naturgasstrøm til høytrykkstrin-net i en dobbelt destillasjonskolonne, omfattende et

høytrykkstrinn og et lavtrykkstrinn,

c) fraksjonert destillering av naturgasstrømmen i høytrykksdestillasjonstrinnet for å tilveiebringe et

topprodukt som i det vesentlige består av nitrogen, i det vesentlige fritt for metan og karbondioksid, og et bunnprodukt omfattende karbondioksid og etan+ -hydrokarboner ,

og denne fremgangsmåte karakteriseres ved at den videre omfatter

d) avtrekking av en flytende sidestrøm bestående i det vesentlige av nitrogen og metan, i det vesentlige fritt

for karbondioksid, fra et midlere nivå i høytrykkstrin-net, 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 metancyklus for å tilveiebringe

nitrogentllbakeløp for høytrykkstrinnet og en flytende nitrogenstrøm, hvilken metancyklus 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 splllnltrogen-toppstrøm fra lavtrykkstrinnet,

lii) ekspandering av den kondenserte metanstrøm gjennom en ventil og kombinering av denne med metanbunnproduktet 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 nitrogen-tilbakeløpet i høytrykksdestillasjonstrinnet og metanomkoke til lavtrykksdestlllasjons-trinnet, 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-toppnitrogen-dampstrøm og en bunnmetan-produktstrøm.

I sitt bredeste aspekt blir naturgass innført til en dobbeltdestillasjonskolonne omfattende et høytrykksdestilla-sjonstrinn og et lavtrykksdestillasjonstrinn der gassen fraksjonert destilleres for å tilveiebringe en nitrogen-avgass-toppstrøm og en metan-bunnproduktstrøm fra lavtrykkstrinnet. Oppfinnelsen benytter en metancyklus for å kondensere en nitrogen-toppstrøm fra høytrykksdestillasjonstrinnet for å tilveiebringe ekstra nitrogen-tilbakeløp til høytrykks-destillasjonstrinnet. Dette ekstra tilbakeløp vasker i mere komplett grad karbondioksidet ut av mategasstrømmen i høytrykksdestillasjonstrinnet, og tillater at en strøm omfattende nitrogen, metan og i det vesentlige uten karbondioksid, kan trekkes av fra et mellomliggende nivå i høytrykkstrinnet for tilførsel til lavtrykkstrinnet. Karbondioksidet fjernes i hydrokarbonbunnstrømmen fra høytrykkstrinnet, hvilken strøm inneholder etan+ -fraksjonen og en andel av metanet fra råstoffet, og eliminerer således utfrysing av karbondioksid i lavtrykkstrinnet.

Således tilveiebringer metancyklusen den nødvendige kjøling (ekstra tilbakeløp) som er nødvendig for effektiv fysikalsk nedvasklng (skrubbing) av karbondioksidet fra naturgassmate-strømmen.

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

Når nitrogeninnholdet i naturmategasstrømmen når et nivå på ca. 45#, blir en andel av nitrogen-toppstrømmen fra høy-trykksdestillasjonstrinnet mekanisk ekspandert og kombinert med splllnltrogen-toppstrømmen fra lavtrykksdestillasjonstrinnet for tilpasning til øket nitrogenkonsentrasjon og for å tilveiebringe ytterligere avkjøling. Det er foretrukket at en andel av nitrogen-topproduktet fra høytrykksdestilla-sjonstrinnet mekanisk ekspanderes når nitrogeninnholdet i naturgassmatestrømmen er 30% eller derover.

Foreliggende oppfinnelse for behandling av en naturgasstrøm inneholdende variable mengder metan, nitrogen, karbondioksid og etan+ -hydrokarboner, har et antall fordeler: Nitrogen-fjerningsopplegget har evnen til å behandle meget varierende naturmategassblandinger som inneholder fra ca. 5 til ca. 80SÉ nitrogen, uten forsinkelser og utfrysingsproblemer, mens det fremdeles bibeholdes energieffektivitet. Ved å benytte forskjellige driftsmåter som beskrives i detalj nedenfor, kan det samme oppsett behandle naturgasstrømmer med variable konsentrasjoner av gassformige komponenter, mens man opprettholder en meget høy hydrokarbongjenvinning i størrel-sesorden 99*.

Kjølingen tilveiebringes ved en metanvarmepumpecyklus som tilveiebringer det nødvendige ekstra tllbakeløp for høy-trykksdestillasjonstrinnet, og tillater effektiv drift av nltrogen-fjerningsenheten over et vidt spektrum sammen-setninger .

Ifølge oppfinnelsen fjernes 1 det vesentlige alt karbondioksid fra mategasstrømmen i høytrykksdestillasjonstrinnet og holdes oppløselig i det flytende metan- og etan+ -bunnprodukt inntil det oppvarmes ut over frysepunktet. Karbondioksid 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 karbondioksid ved et nitrogennivå på 5036, og opptil kun ca. 10 ppm karbondioksid ved et nitrogennivå på 80* før det opptrer utfrysingsproblemer. Generelt kan fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen som omfatter en metancyklus for å tilveiebringe ekstra nitrogentilbakeløp for å fjerne karbondioksid fra matestrømmen i høytrykksdestillasjonstrinnet, behandle en matestrøm med opptil ca. 1% karbondioksid ved 5* nitrogen, og ca. 500 ppm karbondioksid ved 80* nitrogen før det oppstår utfrysingsproblemer. Kostbart varmt utstyr som er nødvendig for å fjerne karbondioksid til 10 ppm nivået, som i konvensjonelle nitrogen-fJerningsoppsett, elimineres ved prosessen ifølge oppfinnelsen.

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

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

Nitrogen-fJerningsprosessen ifølge oppfinnelsen er konstruert for å gi en metanrik gass for bruk som brennstoff eller salgsgass og en avløps-nitrogenstrøm som går ut til atmosfæren eller som eventuelt gjeninjiseres i brønner som en del av en tertiær olJegjenvinningsoppsett.

Oppfinnelsen skal beskrives under henvisning til figuren.

Naturgassmatestrømmen i rørledning 10 blir først behandlet i konvensjonell dehydratiserings- og karbondioksidfJernings-trinn for å tilveiebringe en tørr matestrøm inneholdende karbondioksid ved et nivå som ikke forårsaker utfrysing på overflaten av prosessutstyret. En naturgass-strøm inneholdende ca. 5* nitrogen dikterer et maksimalt karbondioksidnlvå på ca. 1* over hvilket utfrysing vil opptre i lavtrykksdestillasjonstrinnet mens det maksimale karbondioksidnlvå 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 fraksjonsdestillasjonskolonnen 18. Ef ter å ha tilveiebragt omkokingsbehovet, trer matestrømmen inn i separatoren 22 der damp og kondensat fjernes. Kondensat forlater separatoren i rørledningen 24 for tilførsel til høytrykksdestillasjonskolonnen 18 der dampen i rørledning 26 går gjennom varmeveksleren 16 for ytterligere avkjøling før tilførsel til destillasjonskolonnen 18.

Den avkjølte naturgasstrøm destilleres fraksjonert ved ca. 20-25 atmosfærer for å tilveiebringe et bunnprodukt ved ca. —118°C og inneholdende metan, i det vesentlige all karbondioksid i matestrømmen, i det vesentlige alle etan+ -hydrokarboner og en viss mengde oppløst nitrogen. Bunnproduktene trekkes av i rørledning 28 og ekspanderes gjennom ventilen 30 til ca. 19 til 24 atm før gjennomføring gjennom varmevekslerne 14 og 12 under oppvarming til omgivelsestemperatur ved hjelp av naturgassmatestrømmen og metancyklusstrømmen for efter komprimering ved 32 å gi en metanproduktstrøm 34.

Et topprodukt bestående i det vesentlige av nitrogen og en mindre mengde metan ved ca. -153°C, trekkes av fra høytrykks-destillasjonskolonnen 18 ved hjelp av rørledning 36 og føres gjennom varmeveksleren 38 som virker som omkoker-kondensator, der den kondenseres mot bunnproduktet fra lavtrykksdestilla-sjoskolonnen 40, hvilket bunnprodukt har oppnådd en ekstra avkjøling ved hjelp av en metanvarmepumpecyklus som beskrives i større detalj nedenfor. En andel av den kondenserte nitrogen-toppstrøm fra omkokeren-kondensatoren 38, gir nitrogen tilbakeløp 1 rørledningen 42 som føres tilbake til toppen av høytrykksdestillasjonskolonnen 18, for å vaske karbondioksidet ut av mategasstrømmen. Den ekstra avkjølings-grad 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 karbondioksidet 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 karbondioksid, 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 nitrogen-topprodukt fra høytrykksdestillasjonskolonnen trekkes av fra rørledningen 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 tilbakeløp til toppen av lavtrykksdestillasjonskolonnen 40.

Nitrogen og metan fra strømmen 44 og 50 blir fraksjonert destillert i lavtrykksdestillasjonskolonnen 40 ved å arbeide under trykk fra ca. 1,8 til 2,0 atm, 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 utluftning til atmosfæren ved 58 eller eventuelt ny inn-sprøyting i oljebrønner.

Avkjølingen for nitrogen-fjerningsprosessen og spesielt for tilbakeløpet i høytrykksdestillasjonskolonnen 18 tilveiebringes ved hjelp av en metan-varmepumpecyklus. 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 metan-kompressor 62 til ca. 32 atmosfærer, føres gjennom en ikke vist efterkjøler og tilbakeføres gjennom varmeveksleren 12, 14, 16 og 46 som metantilbakeføring. En fraksjon av den komprimerte metantllbakeføringsstrøm blir før avkjøling 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 bunnproduktet i lavtrykksdestillasjonskolonnen 40 for å tilveiebringe en eksta 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 varmevekslingsforbindelse med nitrogentoppen fra høytrykksdestillasjonskolonnen 18. Den ekstra kulde gir en ekstra mengde nitrogenkondensat for tilbakeføring som tilbakeløp, via rørledning 62 til høy-trykksdestillasjonskolonnen. Metanstrømmen forlater omkokeren/kondensatoren 38 som metandamp i rørledningen 70, for gjeninnføring som omkoker til bunnen av lavtrykksdestillasjonskolonnen 40.

I en alternativ utførelsesform blir den kondenserte metan-strøm 64 i metancyklusen efter ekspansjon gjennom ventilen 66 direkte tilført via en rørledning 67 til metanbunnprodukt-strømmen 68, og slutter således metancyklusen gjennom metanstrømmene 68 og 70.

I en annen ikke vist utførelsesform blir dampformig metan-strøm 60 som komprimeres i metancyklusen, i stedet oppnådd 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 derefter mekanisk ekspandert gjennom nitrogenekspanderen 74, for å tilveiebringe ytterligere avkjøling til prosessen. Den ekspanderte nitrogenstrøm i rørledning 76 føres fra ekspan-deren 74 til spillnltrogenstrømmen 56 for føring gjennom varmevekslerne 46, 16, 14 og 12 før utlufting til atmosfæren.

De følgende 3 eksempler beskriver driften av den ovenfor angitte nitrogen-fjerningsprosess for behandling av et naturgassråstoff inneholdende metan, karbondioksid, etan+

—hydrokarboner og nitrogen i varierende mengder.

Eksempel 1

Naturgass med en sammensetning på ca. 21* nitrogen, 62* metan, 107 ppm karbondioksid 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

1 dette eksempel omfatter mategassen en naturgass med en

sammensetning på ca. 45* nitrogen, 43* metan, 107 ppm karbondioksid 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 karbondioksid og 6* etan+ -stoffer er mategassstrømmen i dette tilfellet. Igjen dikterer den store mengde nitrogen avtrekket av en nitrogen-toppstrøm fra lavtrykksdestillasjonskolonnen for føring gjennom nitrogenekspanderen. Tabell 3 viser de beregnede varme- og material-balanser som tilsvarer strømmene A til J som angitt i figuren. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen tilveiebringer nitrogen-og metanmatestrømmer med tilstrekkelig lavt karbondioksid-lnnhold til lavtrykksdestillasjonskolonnen i en dobbelt-destillasjonscyklus ved kryogen fraksjonert destillering av naturmategassen i høytrykksdestillasjonstrinnet ved bruk av en ekstra grad av nltrogentllbakeløp, mens man opprettholder et trykk i høytrykksfraksjonsdestillasjonskolonnen som er tilstrekkelig høyt til å oppløse karbondioksid i bunnproduktene omfattende metan- og etan+ -komponentene. Denne økede tilbakeløpsgrad gir større mengder nitrogenkondensat ved kryogene temperaturer for mere effektiv vasking eller skrubbing av karbondioksid fra mategasstrømmen og tillater avtrekking av et nitrogen-topprodukt og en nitrogen-metan-sidestrøm som i det vesentlige er frie for karbondioksid fra høytrykksdestillasjonskolonnen som matestrømmer for nitrogen-metan-separeringstrinnet i den kaldere lavtrykksdestilla-sjonskolonne. Således unngås utfrysing i lavtrykkskolonnen. Graden av avkjøling som er nødvendig for dette ekstra tilbakeløp tilveiebringes mest effektivt ved en metanvarmepumpecyklus fordi ingen annen kjølekilde er tilstrekkelig til på egnet måte å kunne gjennomføre det ekstra tilbakeløp ved bruk av så lite energi. Høytrykksdestillasjonskolonnen kjøres med tilstrekkelig høyt trykk som tillater høyere drifts-temperatur og samtidig øket oppløselighet av karbondioksid 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 dobbeltkolonnecyklus. I tillegg fjernes karbondioksid som ville fryse ut i lavtrykkskolonnen ved å øke nitrogenvaskingen i høytrykks-kolonnen. Ekspandering av en metanstrøm i en 1avtrykksmetan-varmepumpecyklus 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 muliggjør fjerning av nitrogen og gjenvinning av metan fra en naturgassmatestrøm med vidt varierende nitrogeninnhold og tillater bruk av nitrogen-injeksjonsfjerning ved tertiære oljegjenvinningssysterner i eksisterende brønner med anlegg for flytendegjøring av naturgass.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for fjerning av nitrogen fra en naturgasstrøm inneholdende variable mengder metan, nitrogen, karbondioksid og etan+ -hydrokarboner, omfattende a) å føre naturgasstrømmen gjennom en kjølesone, b) å tilføre den avkjølte naturgasstrøm til høytrykkstrin-net i en dobbelt destillasjonskolonne, omfattende et høytrykkstrinn og et lavtrykkstrinn, c) fraksjonert destillering av naturgasstrømmen i høytrykksdestillasjonstrinnet for å tilveiebringe et topprodukt som i det vesentlige består av nitrogen, i det vesentlige fritt for metan og karbondioksid, og et bunnprodukt omfattende karbondioksid og etan+ -hydrokarboner , karakterisert ved at den videre omfatter d) avtrekking av en flytende sidestrøm bestående i det vesentlige av nitrogen og metan, i det vesentlige fritt for karbondioksid, fra et midlere nivå i høytrykkstrin-net, ekspandering av sidestrømmen gjennom en ventil og innføring av denne til et mellomliggende nivå i lavtrykkstrinnet, e) kondensering av toppnitrogen fra høytrykkstrinnet ved varmeveksllng med en metancyklus for å tilveiebringe nitrogen-tilbakeløp for høytrykkstrinnet og en flytende nitrogenstrøm, hvilken metancyklus 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 metanbunnproduktet 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 1 det minste en andel av toppstrømmen for å tilveiebringe nitrogen-tilbakeløpet i høytrykksdestillasjonstrinnet 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-toppnitrogen-dampstrøm og en bunnmetan-produktstrøm.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den dampformige metanstrøm fra bunnproduktet i lavtrykkstrinnet oppvarmes til omgivelsestemperatur før komprimering.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at ekspandert metanstrøm fra trinn (e)(i) tilføres direkte til den flytende metanstrøm i trinn (e)(iv) før den flytende metanstrøm fordampes mot nitrogen-topproduktet i høytrykksdestillasjonstrinnet.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den dampformige metanstrøm i trinn (e)(i) trekkes av fra fordampet metanstrøm i trinnet (e)(v).

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter mekanisk ekspandering av en andel av nitrogen-toppstrømmen fra høytrykksdestillasjonskolonnen når nitrogeninnholdet i naturgasstrømmen er ca. 30 mol-* eller derover.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at naturgasstrømmen før inngang til høytrykksdestil-lasjonstrinnet føres i varmevekslingsforbindelse med bunnproduktet i høytrykksdestillasjonstrinnet for å tilveiebringe omkoking.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at naturgasstrømmen som tilføres til høytrykksdestil-lasjonstrinnet har et maksimalt karbondioksidinnhold som ligger i området ca. 1* til 500 ppm, tilsvarende et nitrogeninnhold innen området fra ca. 5 mol-* til 80 mol-*.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at andelen av nitrogen-toppstrøm mekanisk ekspanderes når nitrogeninnholdet 1 naturgasstrømmen er minst ca. 45 mol-