Способ разделения газовой смеси

 

Использование: разделение компонентов газовых смесей. Сущность изобретения: при разделении газовой смеси после компримирования ее направляют на мембранное разделение с получением апенетрата и пенетрата, апенетрат охлаждают в процессе рекуперативного теплообмена и направляют на смешение с газом, поступающим после сепарации, полученную смесь детандируют и используют в процессе рекуперативного теплообмена. Пенетрат дополнительно компримируют, удаляют из него кристаллогидратообразующие компоненты, охлаждают в процессе ррекуперативного теплообмена с детандированным потоком газа и подают на сепарацию. 1 ил.

Изобретение относится к переработке нефтяных, природных газов путем низкотемпературного разделения, преимущественно для переработки углеводородных смесей, содержащих азот, и может быть использовано в газовой, нефтяной, химической и нефтехимической отраслях промышленности.

Известен способ разделения газовых смесей путем низкотемпературной конденсации с комбинированным холодильным циклом внешним пропановым и узлом детандирования, заключающийся в компримировании сырого газа, удалении кристаллогидратообразующих компонентов, охлаждении в теплообменниках и пропановых испарителях, разделении в сепараторе 1 ступени на газ и конденсат, дросселировании конденсата 1 ступени, дальнейшем охлаждении газа 1 ступени в теплообменнике, разделении его в сепараторе 2 ступени на газ и конденсат, дросселировании конденсата 2 ступени, расширении газа 2 ступени в детандере, деэтанизации газа 2 ступени после детандера и сдросселированных конденсатов 1 и 2 ступеней в деэтанизаторе на сухой газ и широкую фракцию легких углеводородов (ШФЛУ) и подаче их потребителю.

Основными недостатками этого способа являются наличие наряду с детандерным холодом пропанового холода и высокого давления процесса (4,0-5,2 МПа), что приводит к значительным капитальным, эксплуатационным и энергетическим затратам.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ разделения газовых смесей путем низкотемпературной конденсации, используемый на заводе в Сан-Антонио, штат Техас, США, заключающийся в компримировании сырого газа, удалении кристаллогидратообразующих компонентов, охлаждении в теплообменниках, разделении в сепараторе на газ и жидкий продукт, расширении газа в детандере, использовании детандерного холода в теплообменниках для охлаждения исходной газовой смеси, деэтанизации жидкого продукта в отпарной колонне с получением газа и деэтанизированной ШФЛУ, дополнительном компримировании газа после детандера и отпарной колонны в компрессоре, находящемся на одном валу с детандером, подаче газа к потребителю.

Недостатком этой схемы являются большие капитальные, эксплуатационные и энергетические затраты за счет значительных габаритов оборудования, используемого в схеме, его повышенной металлоемкости, а также большого потребления электроэнергии.

Кроме того, наличие энергоемкого и капиталоемкого узла компримирования газа до высокого давления (1,7-5,2 МПа) также повышает капитальные, эксплуатационные и энергетические затраты.

Целью изобретения является сокращения приведенных затрат за счет уменьшения капитальных, эксплуатационных и энергетических затрат.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе разделения газовых смесей, включающем компримирование газовой смеси, удаление кристаллогидратообразующих компонентов, охлаждение в теплообменниках, разделение в сепараторе на газ и жидкий продукт, дальнейшее расширение газа в детандере с последующим использованием детандерного холода в теплообменниках, дополнительное компримирование в компрессоре, находящемся на одном валу с детандером, подачу газа и жидкого продукта потребителю, новым является то, что после компримирования производят предварительное разделение газовой смеси на мембранах, получаемый апенетрат-газ (продукт, не проникший через мембрану), охлаждают и подают на смешение с газом, поступающим из сепаратора, а на дополнительное компримирование в компрессор, находящийся на одном валу с детандером, удаление кристаллогидратообразующих компонентов, охлаждение в теплообменнике и разделение в сепараторе, подают получаемый на мембранах пенетрат (продукт, проникший через мембраны с потерей давления). При этом в качестве мембран используют мембраны диффузионные композиционные марки МДК (ТУ-6-55-221-987-88).

Предварительное разделение газовой смеси на мембранах типа МДК дает возможность сразу получить часть готового продукта в виде апенетрата (газа) а в дальнейшем перерабатывать только оставшуюся часть газовой смеси в виде пенетрата. При этом значительно снижаются капитальные эксплуатационные и энергетические затраты за счет уменьшения габаритов оборудования, его металлоемкости, а также уменьшения потребляемой электроэнергии.

Кроме того, предварительное разделение газовой смеси на мембранах типа МДК меняет качество пенетрата, который направляется на дальнейшую переработку. В пенетрате значительно снижается количество легких компонентов по сравнению с исходной газовой смесью, так как большая их часть выделилась в виде апенетрата.

Это приводит к увеличению содержания в пенетрате целевых компонентов С₃₇₆ и, следовательно, облегчает условия его переработки, что также снижает эксплуатационные и энергетические затраты за счет проведения процесса при более высокой температуре и меньшем давлении, которое обеспечивается дополнительным компримированием на компрессоре, находящемся на одном валу с детандером за счет энергии, вырабатываемой этим детандером.

Разделение газовой смеси на мембранах также не требует компримирования исходной газовой смеси до высокого давления, так как при разделении на мембранах необходимо обеспечить только оптимальный перепад давлений между исходной газовой смесью и пенетратом ( 5).

Так как минимальное давление газовой смеси (пенетрата), подаваемой на дополнительное компримирование на компрессор, находящийся на одном валу с детандером, составляет 0,15 МПа, то, следовательно, давление исходной газовой смеси должно быть 0,8 МПа, т.е. значительно меньше, чем по прототипу (2,0-5,2), что приводит к снижению энергетических и эксплуатационных затрат. Все это, в конечном итоге, позволяет достичь поставленную цель сокращение приведенных затрат.

На чертеже представлена принципиальная технологическая схема, поясняющая сущность изобретения.

Газовая смесь по линии I подается в узел 2 компримирования, где компримируется до давления 0,7-0,8 МПа, охлаждается в воздушном холодильнике, по линии 3 поступает в узел 4 мембранного разделения на мембраны типа МДК, где делится на апенетрат по линии 5 и пенетрат по линии 6.

Пенетрат по линии 6 подается на дожимной компрессор 20, находящийся на одном валу с детандером 14, компримируется до 0,8-0,9 МПа, охлаждается в воздушном холодильнике 22 и по линии 23 направляется в узел 24 очистки от кристаллогидратообразующих компонентов (воды и СО₂), после чего по линии 25 поступает в узел низкотемпературного охлаждения, в теплообменник 16, где охлаждается потоком сдетандированного газа 15 до температуры минус 65 минус 73^оС. Полученная газожидкостная смесь разделяется в сепараторе 27 на газ и жидкий продукт.

Апенетрат (газ), полученный после мембранного разделения, по линии 5 подается в узел охлаждения, где делится на два потока 7 и 8 и поступает в теплообменники 32 и 18, охлаждается до температуры 2-8^оС и по линии 11 соединяется с газом из сепаратора 27 по линии 12, и суммарный газ по линии 13 с температурой минус 32 минус 25^оС и давлением 0,55-0,6 МПа подается в детандер 14, где расширяется до давления 0,13-0,15 МПа и с температурой минус 80 минус 75^оС по линии 15 подается в теплообменник 16, где охлаждает пенетрат, и далее в теплообменник 18, где охлаждает апенетрат, и по линии 19 направляется потребителю.

Снизу сепаратора 27 получают жидкий продукт ШФЛУ, который насосом 29 прокачивается через теплообменник 32, охлаждает апенетрат и по линии 31 поступает потребителю.

П р и м е р. Апробирование предлагаемого способа было осуществлено расчетным путем при разработке установки выделения азота из смеси углеводородных газов и газов горения при реализации процесса внутрипластового горения применительно к Гнединцевскому нефтяному месторождению. Производительность установки 50 млн. м³ газа в год.

Состав исходной газовой смеси, мас. N₂ 79,18; СО₂ 11,14; С₂Н₆ 0,38; С₃Н₈ 2,66; С₄Н₁₀ 0,8; nС₄Н₁₀ 2,24; iС₅Н₁₂ 0,88; nС₅Н₁₂ 0,97; С₆Н₁₄ 1,75.

Газовая смесь по линии 1 подается в узел 2 компримирования, где компримируется до давления 0,8 МПа, охлаждается в воздушном холодильнике до 35^оС и по линии 3 поступает в узел 4 мембранного разделения на мембраны типа МДК, где делится на апенетрат 5 и пенетрат 6. Апенетрат имеет следующий состав, мас. N₂ 95,26; СО₂ 3,15;С₂Н₆ 0,11; С₃Н₈ 0,52; iС₄Н₁₀ 0,13; nС₄Н₁₀ 0,34; iС₅Н₁₂ 0,12; nС₅Н₁₂ 0,13; С₆Н₁₄ 0,24.

Пенетрат имеет следующий состав, мас. N₂ 65,21; СО₂ 18,09; С₂Н₆ 0,62; С₃Н₈ 4,52; iС₄Н₁₀ 1,39; nС₄Н₁₀ 3,89; iС₅Н₁₂ 1,54; nС₅Н₁₂ 1,69; С₆Н₁₄ 3,05.

Полученный после мембранного разделения пенетрат с температурой 35^оС и давлением 0,15 МПа по линии 6 подается на дожимной компрессор 20, находящийся на одном валу с детандером 14, компримируется до давления 0,9 МПа, охлаждается в воздушном холодильнике 22 до температуры 35^оС и по линии 23 поступает в узел очистки от кристаллогидратообразующих компонентов (воды и СО₂) 24 и по линии 25 подается в узел низкотемпературного охлаждения в теплообменник 16, где охлаждается потоком сдетандированного газа до температуры минус 73^оС. Полученная газожидкостная смесь разделяется в сепараторе 27 при температуре минус 73^оС и давлении 0,8 МПа на газ и жидкий продукт ШФЛУ.

Апенетрат (газ), полученный после мембранного разделения, по линии 5 дается в узел охлаждения, где делится на два потока 7 и 8 и поступает в теплообменники 32 и 18, охлаждается до температуры 2^оС и по линии 11 соединяется с газом из сепаратора 27 по линии 12 и суммарный газ по линии 13 с температурой минус 32^оС и давлением 0,55 МПа подается в детандер 14, где расширяется до давления 0,15 МПа и с температурой минус 80^оС по линии 15 подается в рекуперативный теплообменник 16, где охлаждает пенетрат и далее с температурой минус 8^оС по линии 17 подается в рекуперативный теплообменник 18, где охлаждает часть апенетрата и по линии 19 с температурой 10^оС и давлением 0,15 МПа поступает потребителю. Этот газ представляет собой 97% азот (мол.), который может быть реализован, как азот газообразный технический 3 сорта в баллонах по ГОСТ 9293-74 прейскурант 05-01.

Состав азота следующий, мас. N₂ 96,06; СО₂ 2,00; С₂Н₆ 0,35; С₃Н₈ 0,94; iС₄Н₁₀ 0,12; nС₄Н₁₀ 0,25; iС₅Н₁₂ 0,07; nС₅Н₁₂ 0,08; С₆Н₁₄ 0,13.

Состав азота, мол. N2 97,436; СО₂ 1,293; С₂Н₆ 0,347; С₃Н₈ 0,613; iС₄Н₁₀ 0,080; nС₄Н₁₀ 0,129; iС₅Н₁₂ 0,027; nС₅Н₁₂ 0,031; С₆Н₁₄ 0,044 Широкая фракция легких углеводородов (ШФЛУ), снизу сепаратора 27 с температурой минус 73^оС по линии 38 подается на насос 29, который по линии 30 прокачивает ее через рекуперативный теплообменник 32, где она охлаждает часть апенeтрата, и по линии 31 с температурой 10^оС и давлением 0,8 МПа подается потребителю.

Состав ШФЛУ, мас. N₂ 0,77; СО₂ 0,21; С₂Н₆ 1,05; С₃Н₈ 23,05; iС₄Н₁₀ 8,62; nС₄Н₁₀ 24,86; iС₅Н₁₂ 10,11; nС₅Н₁₂ 11,01; С₆Н₁₄ 20,31.

Количество ШФЛУ, получаемое на установке: 5,32 тыс. т/год. Количество 97% азота, получаемого на установке: 42,35 млн.м³/год.

Аналогичным расчетным путем проведено апробирование способа прототипа. Количество и состав исходной газовой смеси приняты такими же, как в предлагаемом способе.

Выход ШФЛУ и 97% азота по способу прототипу и по предлагаемому способу одинаковые. Сравнение способов проводилось по приведенным затратам.

Ниже дана таблица сравнительных показателей по предлагаемому способу и способу прототипу.

При расчете капитальных, эксплуатационных и энергетических затрат, вошедших в расчет приведенных затрат, расходные коэффициенты, цены на электроэнергию приняты для районов Украины.

Анализ приведенной таблицы показал, что по предлагаемому способу капитальные затраты, по сравнению с прототипом, снизились на 33 тыс. руб. за счет того, что на низкотемпературную переработку поступает только пенетрат после мембранного разделения, которого в два раза меньше, чем исходной газовой смеси. Эксплуатационные затраты снизились на 63,3 тыс. руб. в год, в т. ч. энергетические затраты на 62,6 тыс.руб. в год за счет снижения давления компримирования, и уменьшения количества газовой смеси (пенетрата), поступающего на низкотемпературную переработку.

Приведенные затраты уменьшились на 68,3 тыс.руб. в год, что доказывает достижение поставленной цели заявляемого технического решения.

Формула изобретения

СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВОЙ СМЕСИ, включающий компримирование исходной газовой смеси, удаление кристаллогидратообразующих компонентов, охлаждение газовой смеси в процессе рекуперативного теплообмена, сепарацию с получением газообразного и жидкого продукта, детандирование газа после сепарации с получением холода и механической энергии, использование холода в процессе рекуперативного теплообмена, а механической энергии для дополнительного компримирования, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности, после компримирования исходную газовую смесь направляют на мембранное разделение с получением апенетрата и пенетрата, апенетрат охлаждают в процессе рекуперативного теплообмена и направляют на смешение с газом, поступающим после сепарации, полученную смесь детандируют и используют в процессе рекуперативного теплообмена, а пенетрат дополнительно компримируют, удаляют из него кристаллогидратообразующие компоненты, охлаждают в процессе рекуперативного теплообмена с детандированным потоком газа и подают на сепарацию.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2