烴類氣體處理的制作方法
【專利說明】烴類氣體處理
[0001] 發(fā)明背景
[0002] 乙烯、乙烷、丙烯、丙烷和/或重質烴類可以回收自各種氣體，諸如天然氣，煉廠氣， 和從其它烴類物質(諸如煤炭、原油、石腦油、油頁巖、瀝青砂和褐煤)獲得的合成氣體流。天 然氣通常具有較大比例的甲烷和乙烷，即，甲烷和乙烷一起占到天然氣中的至少50%的摩 爾百分比。天然氣中還包含相對較少量的重質烴類，諸如丙烷、丁烷、戊烷等，以及氫氣、氮 氣、二氧化碳和/或其它氣體。
[0003] 本發(fā)明大體涉及提高從此類氣體流中回收乙烯、乙烷、丙烯、丙烷和重質烴類。根 據本發(fā)明，以近似摩爾百分比計算，待處理的氣體流的典型分析如下:90.3%甲烷、4.0%乙 烷及其它C2組分、1.7 %丙烷及其它C3組分、0.3%異丁烷、0.5%正丁烷和0.8%戊烷，以及由 氮氣和二氧化碳組成的其余氣體。有時還存在含硫氣體。
[0004] 天然氣和液化天然氣(NGL)成分的價格的歷史周期性波動有時會降低乙烷、乙烯、 丙烷、丙烯和重質組分作為液體產物的增加值。這就促成了對于能夠更高效回收這些產物 的工藝的需求，對于以較低資本投入能夠提供高效回收的工藝的需求，以及對于能夠被容 易地調適或調整以在更大范圍上改變回收特定組分的工藝的需求。用于分離這些物質的可 用工藝包括基于氣體的冷卻和冷凍、油類吸附以及冷凍油吸附的工藝。此外，由于可以使用 能夠發(fā)電同時使所處理的氣體膨脹并從所述氣體中提取熱量的經濟型設備，因此深度冷凍 工藝受到歡迎。取決于氣體源的壓力、氣體的富集度（乙烷、乙烯和重質烴類含量）以及所要 的終端產物，可以采用這些工藝中任何一種以及這些工藝的組合。
[0005] 如今，對于液化天然氣回收，深度冷凍膨脹工藝一般是優(yōu)選的，因為其能夠通過簡 易啟動提供最大程度簡易性、操作靈活性、高的效率、安全性和良好的可靠性。美國專利 N〇.3,292,380、4,061，481、4，140,504、4，157,904、4，171，964、4，185,978、4,251，249、4， 278,457、4,519,824、4,617,039、4,687,499、4,689,063、4,690,702、4,854,955、4,869， 740、4,889,545、5,275,005、5,555,748、5,566,554、5,568,737、5,771，712、5,799,507、5， 881，569、5,890,378、5,983,664、6，182,469、6,578,379、6,712,880、6,915,662、7，191， 617、7，219,513和8，590,340;重新發(fā)行的美國專利No. 33,408;以及共同未決申請No. 11/ 430,412、11/839,693、12/206,230、12/689,616、12/717,394、12/750,862、12/772,472、12/ 781，259、12/868,993、12/869,007、12/869,139、12/979,563、13/048,315、13/051,682、13/ 052,348、13/052,575及13/053,792描述了相關工藝(盡管在一些情況中本發(fā)明的描述是基 于與在所引用的美國專利和共同未決申請中所述的那些工藝條件不同的工藝條件）。
[0006] 在典型的深度冷凍膨脹回收工藝中，通過與工藝中的其它流和/或冷凍的外部來 源(諸如丙烷壓縮冷凍系統(tǒng))進行熱交換，受壓的進料氣體流得到冷卻。隨著氣體被冷卻，液 體可能被冷凝，并作為含有一些所要C 2+組分的高壓液體被收集在一個或多個分離器中。取 決于氣體的富集度和所形成的液體的量，高壓液體可能膨脹到較低壓力并被分餾。在液體 膨脹期間所發(fā)生的汽化導致流被進一步冷卻。在一些條件下，可能需要在膨脹之前對高壓 液體進行預先冷卻以進一步降低膨脹后造成的溫度。含有氣液混合物的膨脹流在蒸餾（甲 烷餾除器和乙烷餾除器)塔中進行分餾。在該塔中，經膨脹的冷卻流被蒸餾，以從所要的C 2 組分、c3組分中分離出作為塔頂蒸氣的剩余的甲烷、氮氣和其它揮發(fā)性氣體，并分離出作為 塔底液體產物的重質烴類組分，或者從所要的C3組分中分離出作為塔頂蒸氣的剩余的甲 烷、c2組分、氮氣和其它揮發(fā)性氣體，并且分離出作為塔底液體產物的重質烴類組分。
[0007] 如果進料氣體沒有完全冷凝(通常不是這樣），則部分冷凝后的剩余蒸氣可以被分 成兩個流。該蒸氣的一部分通過膨脹做功機或發(fā)動機，或膨脹閥，降低到更低壓力，在該壓 力下使得額外的液體由于該流的進一步冷卻而被冷凝。膨脹之后的壓力與蒸餾塔的操作壓 力基本上相同。膨脹后所得的組合氣液兩相作為進料供應給蒸餾塔。
[0008] 通過與其它工藝流(例如冷分餾塔頂流)熱交換，蒸氣的剩余部分被冷卻到基本上 冷凝。在進行冷卻之前，一些或全部的高壓液體可以與該蒸氣部分組合。所得的冷卻流然后 通過諸如膨脹閥的恰當的膨脹裝置膨脹到甲烷餾除器的操作壓力。在膨脹期間，一部分液 體將蒸發(fā)，導致全部流的冷卻。然后，急驟膨脹的流作為頂部進料供應給甲烷餾除器。通常， 急驟膨脹的流的蒸氣部分和甲烷餾除器塔頂蒸氣在蒸餾塔的上部分離器段中組合為剩余 的甲烷產物氣體?；蛘?，冷卻和膨脹的流可以供應給分離器以提供氣液流。蒸氣與塔頂餾分 組合，并且液體供應給塔作為塔頂進料。
[0009] 在此類分離工藝的理想操作中，離開該工藝的剩余氣體將含有在進料氣中的基本 上全部的甲烷且基本上不含重質烴類組分，并且離開甲烷餾除器的底部餾分將含有基本上 全部的重質烴類組分且基本上不含甲烷或更易揮發(fā)性組分。然而，在實踐中，這種理想的情 況不會出現，因為常規(guī)的甲烷餾除器大體上是作為汽提塔操作的。因此，該工藝的甲烷產物 通常包含離開該塔的塔頂分餾段的蒸氣，也包含沒有經過任何精餾步驟的蒸氣。因為塔頂 液體進料含有相當量的這些組分和重質烴類組分，出現c 2、c3和C4+組分的相當損失，導致在 離開甲烷餾除器的頂部分餾段的蒸氣中相應均衡量的C 2組分、C3組分、C4組分和重質烴類組 分。如果可以將上升蒸氣與顯著量的能夠從蒸氣中吸收C 2組分、C3組分、C4組分和重質烴類 組分的液體（回流)接觸，則這些所要組分的損失就可以顯著減少。
[0010] 近年來，用于烴類分離的優(yōu)選工藝使用上部吸收段以提供對于上升蒸氣的額外精 餾。在大多數這些工藝中，用于上部精餾段的回流流的來源為在壓力下供應的剩余氣體的 再循環(huán)流。再循環(huán)剩余氣體流常常通過與其它工藝流(例如，冷分餾塔頂流)熱交換來冷卻 到基本上冷凝。所得的基本上冷凝的流然后通過諸如膨脹閥的恰當的膨脹裝置膨脹到甲烷 餾除器的操作壓力。在膨脹期間，該液體的一部分常常將蒸發(fā)，導致全部流的冷卻。然后，急 驟膨脹的流作為頂部進料供應給甲烷餾除器。這種類型的典型工藝方案公開于美國專利 No .4,889，545、5,568,737 和5,881,569 中，公開于共同未決申請 No .12/717,394和 13/052， 348中，以及公開于Mowrey，E.Ross在2002年3月11日至13日在德克薩斯州達拉斯的氣體處 理器協會第81 屆年會的年報（Proceedings of the Eighty-First Annual Convention of the Gas Processors Association，Dallas，Texas，）中的 "Efficient，High Recovery of Liquids from Natural Gas Utilizing a High Pressure Absorber" 中。不幸地，除了甲 烷餾除器中額外的精餾段之外，這些工藝還需要使用壓縮機以提供驅動力用于將回流流再 循環(huán)到甲烷餾除器，使得使用這些工藝的設施的資本成本和操作成本增加。
[0011]生成上部精餾段的回流流的另一方法是使用急驟膨脹的基本上冷凝的流來冷卻 并部分地冷凝塔頂蒸氣，并且加熱的急驟膨脹的流然后被引導到在甲烷餾除塔上的塔中部 進料點。從塔頂蒸氣冷凝的液體被分離并作為塔頂進料供應給甲烷餾除器，同時未冷凝的 蒸氣作為剩余的甲烷產物氣體而排出。加熱的急驟膨脹的流僅是部分蒸發(fā)，并且因此還含 有相當量的液體可以用于甲烷餾除器的補充回流，使得塔頂回流進料然后可以對離開塔下 部的蒸氣進行精餾。美國專利No. 4，854，955是這種類型工藝的一個實例。不幸地，這種類型 的工藝需要額外的精餾段外加回流冷凝器、筒和栗來產生用于該塔的回流流，增加了使用 這種工藝的設施的資本成本。
[0012] 然而，根據美國專利如.4，157,904和4,278,457(以及其它工藝)在美國和其它國 家已經修建了許多天然氣處理工廠，這些工廠沒有上部吸收段來提供上升蒸氣的額外精餾 并且不能通過容易地修改來添加該特征。另外，這些工廠常常不具備多余的壓縮能力來允 許對回流流進行再循環(huán)，而這些工廠的甲烷餾除器和乙烷餾除器塔也不具有多余的蒸餾能 力來容納當添加新的回流流時造成的進料比例的增加。結果，在操作時，這些工廠并不能很 有效率地從天然氣中回收(： 2組分和重質組分(一般稱作"乙烷回收"），并且在從天然氣中僅 回收C3組分和重質組分(一般稱作"乙烷排除"）操作時效率尤其低下。
[0013] 本發(fā)明是一種提供額外精餾的新穎方法(與美國專利No. 4，854，955和共同未決申 請No. 12/772，472和13/053,792中所用的類似），其可以容易地添加到現有的天然氣處理工 廠中以增加對于所要C 3組分的回收，而不需要額外的壓縮或分餾能力。這種增加回收的增 加值經常是顯著的。對于之后給出的實施例，對于與相應烴類氣體相比的烴類液體來說，使 用每加侖US$0.74-1.08( €145-214每m3)的平均增加值計算，該額外的回收能力相對于現 有技術帶來的增加收入在每年US$575，000至US$ 1，120，000( €430，000至€835，000)的范 圍內。
[0014] 本發(fā)明還將此前為單個設備項組合到共同殼體中，從而減少了占地空間需求和資 本成本增加。出人意料地，申請人還發(fā)現更為緊湊的布置還可以在給定的功耗下顯著增加 產物回收，從而提高工藝效率并降低設施的操作成本。此外，更為緊湊的布置還減少了在傳 統(tǒng)工廠設計中用于將單個設備項相互連接所用的管路，進一步減少了資本成本并且還消除 了相關法蘭的管路連接。由于管路法蘭對于烴類是潛在的泄漏源(這些烴類是揮發(fā)性有機 化合物，V0C，其不僅會成為溫室氣體并且還可能是大氣臭氧形成的前體），因此消除這些法 蘭會減少可能破壞環(huán)境的大氣排放的可能性