NO20111226A1 - Fremgangsmate for utskillelse av nitrogen - Google Patents

Abstract

En fremgangsmåte for utskillelse av en nitrogenrik fraksjon fra en matefraksjon som i det vesentlige inneholder nitrogen og hydrokarboner, hvor matefraksjonen blir kondensert partielt og separert til en nitrogenrik og en metanrik fraksjon ved rektifikasjon. Ifølge oppfinnelsen, under et avbrudd av tilføringen av matefraksjonen holdes varmeveksleren (E2), tilveiebrakt for skillekolonnen(e) (T1/T2) som anvendes for separeringen ved rektifikasjon og fremgangsmåtestrømmene som samler seg for den partielle kondensering (E1) av matefraksjonen og kjølingen og oppvarmingen av fremgangsmåtestrømmene som samler seg ved separeringen ved rektifikasjon, ved temperaturnivåer som i det vesentlige tilsvarer temperaturnivåene under normal drift av skillekolonnen(e) (T1/T2) og varmeveksleren (E1, E2) ved hjelp av ett eller flere forskjellige kjølemedier (6-11).

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for utskillelse av en nitrogenrik fraksjon fra en matcfraksjon som i del vesentlige inneholder nitrogen og hydrokarboner, hvor matefraksjonen blir kondensert partielt og separert til en nitrogenrik og en metanrik fraksjon ved rektifikasjon.

En lignende fremgangsmåte for utskillelse av en nitrogenrik fraksjon fra en materfraksjon som i det vesentlige inneholder nitrogen og hydrokarboner skal forklares i det følgende ved hjelp av prosessen vist på figur 1.

Via ledningen 1 blir matefraksjonen som i det vesentlige inneholder nitrogen og hydrokarboner ført frem, hvor matefraksjonen eksempelvis stammer fra et forkoblet LNG-anlcgg. Den har fortrinnsvis et trykk som er større enn 25 bar. Den ble eventuelt underkastet en forbehandling som svovelfjerning, kulldioksidfjerning, tørking, osv. I varmeveksleren El ble den avkjølt og partielt kondensert mot fremgangsmåtestrømmer som det skal kommes nærmere inn på i det følgende. Etler ventil d blir den partielt kondenserte matefraksjon deretter tilført en høytrykkskolonne Tl via ledningen 1'.

Denne høytrykkskolonne Tl danner sammen med lavtrykkskolonnen T2 en dobbeltkolonne T1/T2. Den termiske kobling av skillekolonnene Tl og T2 skjer via kondensatoren/oppkokeren E3.

Fra sumpen i høytrykkskolonnen Tl blir en hydrokarbonrik flytende fraksjon trukket ut via ledningen 2. underkjølt i varmeveksleren E2 mot fremgangsmåte-strømmer, som det skal kommes nærmere inn på i det følgende, og deretter tilfort lavtrykkskolonnen T2 i det øvre området via ledningen 2' og ckspansjonsventilen a.

Via ledningen 3 blir det trukket ut cn flytende nitrogenrik fraksjon fra det øvre området av forskillekolonnen Tl. En delstrøm av denne fraksjon blir via ledningen 3' gitt til forskillekolonnen Tl som tilbakeløp. Den nitrogenrike fraksjon som er trukket ut via ledningen 3 blir underkjølt i varmeveksleren E2 og tilført lavtrykkskolonnen T2 ovenfor innmatingspunktet for den foran beskrevne metanrike fraksjon via ledningen 3" og ekspansjonsventilen b.

Via ledningen 4 blir en nitrogenrik gassfraksjon trukket ut ved loppen av lavtrykkskolonnen T2. Dens metaninnhold utgjør typisk mindre enn 1 mol%. 1 varmevekslerne E2 og El blir den nitrogenrike fraksjon deretter oppvarmet og eventuelt overopphetet før den trekkes ul via ledningen 4" og slippes ut i atmosfæren eller eventuelt tilføres en annen anvendelse.

Via ledningen 5 blir det fra sumpen i lavtrykkskolonnen T2 trukket ut en metanrik flytende fraksjon som ved siden av metan inneholder de høyere hydrokarboner som er i matefraksjonen. Dens nitrogeninnhold utgjør typisk mindre enn 5 mol%. Den metanrike fraksjon blir pumpet ved hjelp av pumpen P til et høyest mulig trykk som vanligvis ligger mellom 5 og 15 barri varmeveksleren E2 "blir den metanrike flytende fraksjon oppvarmet og eventuelt delfordampet. Via ledningen 5' blir den deretter tilført varmeveksleren El og fullstendig fordampet og overhetet i denne mot matefraksjonen som skal avkjøles.

Ved hjelp av kompressoren V blir den metanrike fraksjon deretter komprimert til det ønskede utleveringstrykk. som vanligvis er på mer enn 25 bar. og trukket ut av prosessen via ledningen 5".

Lignende typer fremgangsmåter for utskillelse av en nitrogenrik fraksjon fra en matcfraksjon som i det vesentlige inneholder nitrogen og hydrokarboner blir realisert i en såkalt NRU (Nitrogen Rejcction Unit). En nitrogenutskiHelse fra blandinger av nitrogen/hydrokarboner blir alltid gjennomført dersom et øket nitrogeninnhold hindrer den tilsiktede anvendelse av blandingen av nitrogen/hydrokarboner. Således over-skrider eksempelvis et nitrogeninnhold på mer enn 5 mol% typiske spesifikasjoner av jordgassrørledninger hvor blandingen av nitrogen/hydrokarboner blir transportert. Også gassturbiner kan bare drives opp til et bestemt nitrogeninnhold i brenngassen.

Slike NRU blir som regel bygget som sentralprosessenhet lignende en luft-atskiller med en dobbeltkolonne som beskrevet eksempelvis på figur 1, og blir som regel anordnet i en såkalt Cold Box.

Avhengig av mateområdet kan tilgjengeligheten av en NRU være av stor betydning. En hindring for en høy tilgjengelighet er den lange tidsvarighet som er nødvendig for å sette prosessen i drift på nytt etter frafall av matefraksjonen (NRU-mategass) som i det vesentlige inneholder nitrogen og hydrokarboner. Frafall av NRU-mategassen kan. avhengig av forkoblede prosesser henholdsvis anlegg, inntreffe flere ganger i året, eksempelvis ved frafall av en forkoblct NRU-matekompressor eller et forkoblet LNG/NGL-anlegg. Ut over dette kan det innenfor NRU forekomme forstyrrelser som gjør det nødvendig med et avbrudd i tilføringen av NRU-mategassen.

I denne sammenheng må det skilles mellom idriftscttelsen på nytt fra den varmetilstand (Warm Slart-up) og den kalde tilstand (Cold Restart). "Warm Start-up" er forholdsvis tidsintensiv da det komplette utstyr på nytt må avkjøles til meget lave temperaturer og de flytende tilstander i prosessen må bygges opp. En "Cold Restart" etter forholdsvis korte frafall av NRU-mategassen - herunder menes frafallstider mellom noen få minutter og 24 timer - fra den kalde tilstand, kan derimot gjennom-føres forholdsvis hurtig.

Under en stillstand av NRU skjer det på grunn av uunngåelige isolasjonstap en oppvarming av skillekolonnen (E) så vel som varmevekslere, ledninger, osv. Etter en bestemt oppvarmingstid som blir bestemt av anleggsslørrelsen og omgivclses-betingelsene, er en "Cold Restart" ikke lenger mulig. Grunnen til dette ligger i dc uunngåelige forekommende utillatelige mekaniske spenninger som forekommer når den (delvis) oppvarmede varmeveksler påføres med kalde væsker eller gasser fra prosessen. 1 et slikt tilfelle må NRU derfor oppvarmes til omgivelsestemperatur før en "Warm Start-up" kan gjennomføres.

I tilfelle med lengre frafall av NRU-mategassen, som kan være forårsaket av anleggsfeil eller vedlikeholdsarbeider, må NRU derfor oppvarmes fullstendig før en tidsintensiv "Warm Start-up" kan gjennomføres. Denne prosedyre kan eventuelt vedvare lenger enn en uke. Denne lange "Warm Slart-up"-oppstarttid går tapt som produksjonstid og kan derfor førelii betydelige finansielle tap. Dette er særlig tilfelle dersom NRU er integrert i andre anlegg hvor produksjonen er avhengig av funksjons-evnen for NRU: eksempelvis skal det nevnes LNG-anlegg med en brenngass-tilberedning for gassturbiner gjennom NRU.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en lignende type fremgangsmåte for utskillelse av en nitrogenrik fraksjon fra en matcfraksjon som i det vesentlige inneholder nitrogen og hydrokarboner, hvor de foran beskrevne ulemper unngås.

Dette formål oppnås med en lignende type fremgangsmåte for utskillelse av en nitrogenrik fraksjon fra en mate fraksjon som i det vesentlige inneholder nitrogen og hydrokarboner, som er kjennetegnet ved at under et avbrudd av tilføringen av matefraksjonen holdes varmeveksleren tilveiebrakt for skillekolonnen (E) som anvendes for separeringen ved rektifikasjon og fremgangsmåtestrømmene som samler seg for den partielle kondensering av matefrasksjonen og kjølingen og oppvarmingen av frem-gangsmåtestrømmene som samler seg ved separeringen ved rektifikasjon, ved temperaturnivåer som i det vesentlige tilsvarer temperaturn i våene under normal drift av skillekolonnen (E) og varmeveksleren ved hjelp av et eller flere forskjellige kjole-medier.

Under begrepet "ved et temperalurnivå som i det vesenllige tilsvarer temperaturnivået under normal drift" skal det forstås el temperalurnivå som ikke skiller seg med mer enn 20 K fra temperaturnivået som hersker under normal drift, og som sikrer al del ikke inntreffer noen ulemper forbundet med oppvarmingen av skillekolonnen (E) og/eller varmevekslerne.

En ytterligere fordelaktig utførelsesfonn av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen for utskillelse av en nitrogenrik fraksjon fra en matefraksjon som i det vesentlige inneholder nitrogen og hydrokarboner, er kjennetegnet ved at det som kjole-medium anvendes en hydrokarbonrik fraksjon, fortrinnsvis flytendegjort jordgass (LNG), boil-off-gas, Hylende og/eller gassformig nitrogen.

Under et avbrudd i tilføringen av matefraksjonen blir nå NRU ifølge oppfinnelsen holdt kald ved at skillekolonnen (E), ledningene, pumpene, varmevekslerne, osv. i NRU kjøles under avbrekkstidsrommet ved tilføring av ett eller flere forskjellige kjølemedier.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen for utskillelse av en nitrogenrik fraksjon fra en matefraksjon som i det vesentlige inneholder nitrogen og hydrokarboner, så vel som ytterligere fordelaktige utførelsesformer av denne, som er gjenstander i de uselv-stendige krav skal beskrives nærmere i det følgende ved hjelp av utførelscseksempler vist på figur 2 til 4. 1 det følgende blir det ved forklaringen av utførelsesekscmplene vist på figur 2 til 4, bare gått inn på forskjellene fra fremgangsmåten vist på figur 1.

I utførelses formen av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen vist på figur 2, blir dobbeltskillekolonnen T1/T2 under avbrekket av tilførselen av matefraksjonen - ventilene c og d i ledning I henholdsvis 1' er i dette tidsrom lukket - tilført et kjøle-medium egnet for kjølingen av kolonnene Tl og T2, fortrinnsvis flytendegjort jordgass (LNG), via ledningene 6 til 6"'. På figurene 2 til 4 er det i ledningene 6 til 6"' ikke vist reguleringsventilene som må anordnes og som kan regulere kjølemediummengdene. Tilføringen av flytendegjort jordgass via ledningene 6 og 6' inn i lavtrykkskolonnen T2 er her av særlig betydning, da det i tilfelle av en oppvarming av denne kolonne må den deri fordampede væske avgis til atmosfæren henholdsvis avgis i et fakkelsystem. Skjer det en oppvarming av hoytrykkskolonnen Tl og den dermed forbundet fordampning av væsken i den, så ville den dannede gass kondensere på nytt på grunn av kondensatoren E3. Denne tilbakekondensering funksjonerer imidlertid bare så lenge det eksisterer en tilstrekkelig stor og kald væskemengde i sumpen i skillekolonnen T2. Ikke desto mindre er det i tilfelle ved et lengre avbrudd også nødvendig med en tilføring av kjøle-medium inn i kolonnen Tl via ledningene 6" og 6"'. i det minste imidlertid hensikts-messig. Særlig utettheter i ventilene a og b fører ved lengre stillstandstider til væsketap i høytrykkskolonnen Tl.

Via ledningsavsnittene 7.1 og 7 blir el kjølemedium ført gjennom varmeveksleren El. Dette kjølemedium må ha en temperatur som er lignende temperaturen i matefraksjonen som tilføres varmeveksleren El via ledningen 1 under normal drift. Som kjølemedium kommer det på fordelaktig måte til anvendelse varme, gassformig nitrogen. Etter gjennomgang gjennom varmeveksleren El blir nitrogenet avgitt til atmosfæren via ledningen T.

Videre blir del via ledningsavsnittene 8, 4' og 4" fort et kjølemedium gjennom varmeveksleren E2 og El. Dette kjølemedium. som på fordelaktig måte dreier seg om kald, gassformig nitrogen, har en temperatur som er lignende temperaturen i den nitrogenrike strøm som er trukket ut via ledningen 4 i normal drill Tilføringen av kjølcmediet henholdsvis kjølemcdicnc til varmevekslerne El og E2 må i praksis utformes slik at ledningene mellom varmevekslerne og kolonnene blir kjølt mest mulig selvstendig sammen.

Ved hjelp av de foran beskrevne kjølemediestrømmer kan temperaturprofilene av kolonnene T1/3P2 så vel som av. varmevekslerne El/E2 holdes'"under avbrekks-- tidsrommet, slik at det etter avslutning av avbrekkstidsrommet kan realiseres en hurtig gjenoppstarting av skilleprosesscn henholdsvis NRU. uten at det inntreffer uønskede termiske spenninger i materialene i kolonnene, varmevekslerne osv.

Ved utførelscsformen av fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen vist på figur 3 blir det via ledningsavsnittene 9. 5' og 9' ført et ytterligere kjølemedium gjennom varmevekslerne E2 og El. Her kommer det til anvendelse som kjølemedium fortrinnsvis kald, gassformig nitrogen eller flytendegjort jordgass. Ved"hjelp av denne utførelse^blir kaldholdingen av skilleprosesscn henholdsvis NRU ytterligere understøttet.

En ytterligere fordelaktig utforclsesform av fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen cr vist på figur 4. Ved denne blir varm gassformig nitrogen og flytendegjort jordgass blandet via ledningene 10 og 11, tilført ledningsavsnittct 4 via ledningen 12 og ført gjennom varmevekslerne E2 og El via lcdningsavsnittet 4' og 4". Tilføringen av et ytterligere kjølemedium via ledningen 9, som ble beskrevet i det foregående, kan realiseres valgfritt. Utførelses formen vist på figur 4 av fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen har den fordel at den ofte krevende tilberedning av all nitrogen kan utelates.

Det er åpenbart at det ved siden av den nevnte flytendegjorte jordgass og nitrogen også kan komme til anvendelse andre én- eller flerkomponentige gassformige eller flytende medier som kjølemedier. f tilfelle av innbinding av skoleprosessen henholdsvis NRU i ett LNG- eller NGL-anlegg kan det også anvendes "Boil-off-Gas" som har samlet seg som kjølemedium.

Ved hjelp av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan det nå realiseres et hurtig opptak av normaldriften også etter lengre avbrudd i tilføringen av NRU-mategassen. da apparatene (skillekolonncr. varmevekslere, osv.) som danner NRU ved hjelp av kjølemediet henholdsvis kjølemedienc holdes på temperaturnivåene som tilsvarer i det vesentlige temperaturn i våene under normaldriften av NRU.

Merkostnaden som er nødvendig med apparater og fremgangsmåteteknisk for fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, hvor dette innbefatter tilberedningen av kjøle-mediet henholdsvis kjølcmcdicne som er nødvendig, er forholdsmessig liten, slik at fordelene som oppnås med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen uten videre forsvarer denne merkostnad.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte for utskillelse av en nitrogenrik fraksjon fra en malefraksjon som i det vesentlige inneholder nitrogen og hydrokarboner, hvor matefraksjonen blir kondensert partielt og separert til en nitrogenrik og en metanrik fraksjon ved rektifikasjon,karakterisert vedat under et avbrudd av tilføringen av matefraksjonen holdes varmeveksleren (E2), tilveiebrakt for skillekolonncn(e) (T1/T2) som anvendes for separeringen ved rektifikasjon og fremgangsmåtestrømmene som samler seg for den partielle kondensering (El) av matefraksjonen og kjølingen og oppvarmingen av fremgangsmåtestrømmene som samler seg ved separeringen ved rektifikasjon, ved tcmpcraturnivåer som i det vesentlige tilsvarer temperaturnivåene under normal drift av skillekolonnen(e) (T1/T2) og varmeveksleren (El, E2) ved hjelp av ett eller flere forskjellige kjølemedier (6-11).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat det som kjølemedium (6-11) anvendes en hydrokarbonrik fraksjon, fortrinnsvis flytendegjort jordgass (LNG), Boil-off-Gas, flytende og/eller gassformig nitrogen.