專利名稱：用于處理含二氧化碳的天然氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于處理天然氣的低溫型方法，目的是除去其包含的至少一些二氧化碳，在該方法中由于低溫處理通常損失的烴大部分得以回收。本發(fā)明還涉及適用于實施該方法的設(shè)備。
背景技術(shù)：
就生產(chǎn)天然氣或液化天然氣而言，必須要提純所述天然氣，源自礦床(cbposit)的一定量的污染物，主要是酸性氣體如硫化氫(H2S)和二氧化碳(CO2)。特別地，二氧化碳可以代表源自天然氣礦床的氣態(tài)混合物的大部分，最高超過70% (摩爾濃度)。本領(lǐng)域已知數(shù)種方法可以降低天然氣中的二氧化碳含量。最通常的處理是基于胺類溶劑的使用。該方法使得可以分離與烴相比選擇性非常高的CO2,該方法使得可以將CO2的濃度降至低于50ppm的閾值。但是該方法需要高能量用以再生溶劑。因此如果原氣體具有高濃度的CO2則不適合。而且，再生幾乎在大氣壓下進行，如果期望再注入經(jīng)分離的CO2 (鑒于環(huán)境問題這將越來越常規(guī))，則要求消耗大量能量的壓縮。另一類型的處理是基于使用半透膜。對具有平均CO2含量的氣體使用這些膜在過去數(shù)年已得到顯著發(fā)展。膜處理對于高濃度的CO2和一定范圍的“進料與滲余物”分壓比有利。但是，當(dāng)CO2的要求限制相對低時，甲烷的相關(guān)損失可能變得相當(dāng)大。還可以提供多級膜用于濃縮滲透物中的CO2，而這使得必須提供對滲透物的中間壓縮。如果需要，再注入CO2要求從最終滲透物的低壓進行另外壓縮，這進一步增加該類型方法的能量花費。低溫方法構(gòu)成另一類型的處理。原氣體中的CO2濃度越高，這類方法在能量方面的優(yōu)勢就越大。低溫方法的一個例子示于US4，152，129。但是，由于CO2可能結(jié)晶和/或塔頂?shù)目量虠l件，這種方法不能滿足嚴(yán)格的CO2要求。因此如果要求嚴(yán)格的CO2限制，則例如胺類的最終處理是必須的。最近已提出低溫處理的某些變化方案，特別是稱作“CFZ”(“受控冷凍區(qū)”)的方法，其具體特征是允許CO2在塔的問題區(qū)結(jié)晶，這使得可以期望以非常低的處理溫度(約-90°c或甚至-110°C)滿足非常高的限制要求。就此而言，例如可以提及US4，533，372。Cool Energy Limited已開發(fā)低溫處理的另一變化方案。該方法稱作“CryoCell”，通過低溫分離步驟使得可以由低溫蒸餾預(yù)處理的氣體開始，或者直接由具有平均CO2濃度(通常25至35%)的粗氣體開始滿足約2至3% CO2的限制要求。該方法采用在壓力下液化氣體，接著使流體膨脹，產(chǎn)生極冷的CO2，引起CO2部分結(jié)晶。將液體和固體部分回收在瓶中，所述瓶設(shè)計用于某些應(yīng)用方法中，保持底部溫度在液體范圍內(nèi)。W02007/030888、W02008/095258 和 W02009/144275 說明了該技術(shù)。低溫處理的另一變化方案由一類所謂的“Ryan Holmes”方法構(gòu)成。這些方法使得可以相對完全地回收C3+烴，根據(jù)氣體性質(zhì)使用3或4個蒸餾塔，結(jié)果證實相對復(fù)雜并且在投資和消耗方面昂貴。這些低溫方法的缺陷是它們根據(jù)組分的揮發(fā)性來分離組分，因此液態(tài)CO2捕集天然氣中所含的幾乎所有C3+烴。根據(jù)氣體組成，這有時構(gòu)成非常大的障礙。據(jù)估計當(dāng)實施通過蒸餾分離CO2時，一般損失8至15質(zhì)量％的烴；此外，大部分所損失的烴是具有中間摩爾質(zhì)量的烴，因此最具有價值。W099/01707涉及稱作“CFZ”方法的變化方案，其中使在蒸餾塔底回收的一些液態(tài)CO2流膨脹，接著在天然氣進入蒸餾塔之前用于在兩個連續(xù)熱交換器中冷卻天然氣。CO2流在這兩個熱交換器之間經(jīng)歷氣/液分離，僅液體部分膨脹，接著被導(dǎo)入第二熱交換器(氣體部分在最終除去之前被壓縮)。在第二熱交換器的出口處提供另一氣/液分離氣相在最終除去之前被壓縮，而液相提供CO2流中捕集的冷凝物的回收。該技術(shù)使得能夠限制液態(tài)CO2流中的烴損失，并可應(yīng)用于捕集液態(tài)CO2中的C3+烴的低溫分離CO2的任何方法。另一方面，該文獻所建議技術(shù)的缺陷在于連續(xù)熱交換器中的料流(主要是CO2)組成變化，該料流變得逐漸富集重質(zhì)級分。這導(dǎo)致尤其是鏈烷烴的結(jié)晶風(fēng)險增加，特別在溫度最低的冷循環(huán)的最后的熱交換器中。這是為何該文獻為避免這些問題而在設(shè)備入口處提供用于天然氣的精餾塔的替代設(shè)備，以除去上游的某些重質(zhì)化合物的原因所在。由于該方法需要額外分餾所有氣體，因此極其復(fù)雜并難以實施。因此確實需要開發(fā)使得可以以簡單實施的方式有效減少這些類型的CO2低溫分離的烴損失的處理。

發(fā)明內(nèi)容
第一方面，本發(fā)明涉及一種用于處理含二氧化碳的天然氣的方法，其中-通過低溫工藝分離天然氣，從而一方面提供含烴的液態(tài)二氧化碳流，另一方面提供經(jīng)提純的天然氣；-在所述低溫工藝之前和/或在回流到所述低溫工藝之前，在第一熱交換器中、接著在第二熱交換器中冷卻至少一部分的天然氣；-回收至少一部分的所述液態(tài)二氧化碳流以提供所述循環(huán)二氧化碳流；-將所述循環(huán)二氧化碳流分成第一部分和第二部分；-在所述第一熱交換器中，使所述第一部分膨脹，接著加熱，以提供第一經(jīng)加熱二氧化碳流；-在所述第二熱交換器中，冷卻所述第二部分，接著使至少一部分的所述第二部分膨脹，接著加熱，以提供第二經(jīng)加熱二氧化碳流；-通過液/氣分離回收所述第一經(jīng)加熱二氧化碳流和所述第二經(jīng)加熱二氧化碳流中所含的至少一些烴。根據(jù)一個實施方案-在所述低溫工藝之前或在回流到所述低溫工藝之前在第三熱交換器中冷卻至少一部分的天然氣；-將所述循環(huán)二氧化碳流的第二部分分成第三部分和第四部分；-在所述第二熱交換器中，使第三部分膨脹，接著加熱，以提供第二經(jīng)加熱二氧化碳流；
-在第三熱交換器中，將第四部分冷卻，接著膨脹，接著加熱，以提供第三經(jīng)加熱二氧化碳流；-通過液/氣分離回收所述第三經(jīng)加熱二氧化碳流中所含的至少一些烴。根據(jù)一個實施方案，第一熱交換器、第二熱交換器和如果適用的第三熱交換器在不同溫度下運行，優(yōu)選第一熱交換器在比第二熱交換器高的溫度下運行，并且如果適用，第二熱交換器在比第三熱交換器高的溫度下運行。根據(jù)一個實施方案，所述低溫工藝是蒸餾。根據(jù)一個實施方案-循環(huán)二氧化碳流的第二部分的冷卻在所述第二熱交換器中進行；-如果適用，循環(huán)二氧化碳流的第四部分的冷卻在所述第三熱交換器中進行；和 -優(yōu)選循環(huán)二氧化碳流在分成第一部分和第二部分之前在所述第一熱交換器中冷卻。根據(jù)一個實施方案，如果適用，首先在第三熱交換器中、接著在第二熱交換器中、接著在第一熱交換器中加熱經(jīng)提純的天然氣。根據(jù)一個實施方案-第一經(jīng)加熱二氧化碳流在第一分離瓶中經(jīng)歷液/氣分離以提供第一氣相和第一液相；-使所述第一液相膨脹；-第二經(jīng)加熱二氧化碳流和第一經(jīng)膨脹液相在第二分離瓶中經(jīng)歷液/氣分離以提供第二氣相和第二液相；以及優(yōu)選■使所述第二液相膨脹；■第三經(jīng)加熱二氧化碳流和第二經(jīng)膨脹液相在第三分離瓶中經(jīng)歷液/氣分離以提供第三氣相和第三液相。根據(jù)一個實施方案，第二液相或如果適用的第三液相經(jīng)歷穩(wěn)定冷凝物以提供富含烴的液相和富含二氧化碳的氣相的步驟，所述富含二氧化碳的氣相優(yōu)選在第二分離瓶中或如果適用在第三分離瓶中經(jīng)歷液/氣分離。根據(jù)一個實施方案，將第一氣相、第二氣相和如果適用的第三氣相壓縮并冷卻以提供二氧化碳出口流，將其任選與至少一部分的液態(tài)二氧化碳流混合。根據(jù)一個實施方案-將一部分的所述第二液相與循環(huán)二氧化碳流的第二部分混合，或者如果適用，將一部分的所述第三液相與循環(huán)二氧化碳流的第四部分混合；和/或-將一部分的所述二氧化碳出口流與循環(huán)二氧化碳流混合。本發(fā)明的另一主題是一種用于處理含二氧化碳的天然氣的設(shè)備，包括-低溫分離單元；-連接在低溫分離單元的入口的用于天然氣的至少一根管線；-用于液態(tài)二氧化碳的管線和用于來自低溫分離單元的經(jīng)提純的天然氣的管線；-第一熱交換器，其被連接在低溫分離單元的入口的用于天然氣的至少一根管線通過；-第二熱交換器，其被連接在所述低溫分離單元的入口的用于天然氣的至少一根管線通過，或被連接在所述低溫分離單元的出口且向回流系統(tǒng)供料的用于天然氣的管線通過；-用于循環(huán)二氧化碳的管線，所述循環(huán)二氧化碳來自用于液態(tài)二氧化碳的管線；-用于第一部分的管線和用于第二部分的管線，所述的第一部分和第二部分來自用于循環(huán)二氧化碳的管線；■用于第一部分的管線，其配有膨脹裝置并接著通過第一熱交換器；■用于第二部分的管線，其配有冷卻裝置；-用于第三部分的管線，所述第三部分來自用于第二部分的管線，所述用于第三部分的管線配有膨脹裝置并接著通過第 二熱交換器；-通過用于第一部分的管線和用于第三部分的管線進料的氣/液分離裝置。根據(jù)一個實施方案-所述設(shè)備包括第三熱交換器，所述第三熱交換器被連接在低溫分離單元的入口的用于天然氣的至少一根管線通過，或被連接在低溫分離單元的出口且向回流系統(tǒng)供料的用于天然氣的管線通過；-用于第二部分的管線分成用于第三部分的管線和用于第四部分的管線；-用于第四部分的管線配有冷卻裝置、膨脹裝置，并接著通過第三熱交換器；和-所述設(shè)備包括通過用于第四部分的管線進料的氣/液分離裝置。根據(jù)一個實施方案-在用于第二部分的管線上的冷卻裝置由第二熱交換器構(gòu)成；-如果適用，在用于第四部分的管線上的冷卻裝置由第三熱交換器構(gòu)成；和-優(yōu)選用于循環(huán)二氧化碳的管線在分成用于第一部分的管線和用于第二部分的管線之前配有由第一熱交換器構(gòu)成的冷卻裝置。根據(jù)一個實施方案，所述低溫分離單元是蒸餾單元。根據(jù)一個實施方案，如果適用，用于經(jīng)提純的天然氣的管線通過第三熱交換器，接著通過第二熱交換器，接著通過第一熱交換器。根據(jù)一個實施方案-所述氣/液分離裝置包括第一分離瓶和第二分離瓶；-所述第一分離瓶通過用于第一部分的管線進料；-用于第一氣相的管線和用于第一液相的管線連接在所述第一分離瓶的出口處；-用于第一液相的管線配有膨脹裝置；-所述第二分離瓶通過用于第三部分的管線和用于第一液相的管線進料；-用于第二氣相的管線和用于第二液相的管線連接在第二分離瓶的出口處；并且優(yōu)選■用于第二液相的管線配有膨脹裝置；■用于第四部分的管線和用于第二液相的管線向第三分離瓶供料；■用于第三氣相的管線和用于第三液相的管線連接在第三分離瓶的出口處。根據(jù)一個實施方案，用于第二液相的管線或如果適用用于第三液相的管線向冷凝物穩(wěn)定單元供料，用于富含烴的液相的管線和用于富含二氧化碳的氣相的管線連接在冷凝物穩(wěn)定單元的出口處，所述用于富含二氧化碳的氣相的管線優(yōu)選向第二分離瓶或如果適用向第三分離瓶供料。根據(jù)一個實施方案，用于第一氣相的管線、用于第二氣相的管線或如果適用用于第三氣相的管線向壓縮裝置供料并與用于二氧化碳的出口管線接合，所述用于二氧化碳的出口管線優(yōu)選配有冷卻裝置并優(yōu)選接合用于非循環(huán)二氧化碳(來自用于液態(tài)二氧化碳的管線)的管線以形成用于最終二氧化碳的管線。根據(jù)一個實施方案，所述設(shè)備包括-配有泵送裝置的用于烴的額外管線，其連接在第二分離瓶的出口處并返回到第二熱交換器上游的用于第二部分的管線，或者如果適用連接在第三分離瓶的出口處并返回到第三熱交換器上游的用于第四部分的管線；和/或-用于二氧化碳的額外管線，其配有閥門，從用于二氧化碳的出口管線到達用于循環(huán)二氧化碳的管線。根據(jù)一個實施方案,上述方法在上述設(shè)備中實施。本發(fā)明使得能夠克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。更具體地，它提供對于天然氣的處理，由此二氧化碳的含量可以顯著降低。實施所述處理，同時限制烴、尤其是液態(tài)二氧化碳流捕集的C3+化合物的損失。這是這樣實現(xiàn)的一方面，通過循環(huán)來自蒸餾(或更通常來自低溫工藝)的至少一些二氧化碳和通過使用該富含C3+的二氧化碳作為開放制冷循環(huán)的制冷劑以產(chǎn)生低溫工藝所必須的千卡(frigory)，即通過進行在開放制冷循環(huán)所用的二氧化碳和天然氣之間所必需(以數(shù)個步驟)的熱交換；另一方面，通過在與天然氣熱交換之后經(jīng)簡單的氣/液分離回收來自開放制冷循環(huán)的二氧化碳所捕集的烴，來自開放制冷循環(huán)的二氧化碳流的組成在所述熱交換的不同步驟中保持恒定。根據(jù)某些特定實施方案，本發(fā)明還具有下文所列的一個或優(yōu)選數(shù)個有利的特性。-相比配有標(biāo)準(zhǔn)閉合回路冷卻單元的裝置，任選除了用于穩(wěn)定冷凝物的設(shè)備之外，本發(fā)明不需要主要的新設(shè)備。-本發(fā)明使得可以在制冷循環(huán)結(jié)束時回收液態(tài)CO2;接著可以通過簡單泵送將其加壓用以注入地質(zhì)結(jié)構(gòu)中(不像基于胺類溶劑或基于半透膜的方法)。-本發(fā)明方法特別有用并且適合用于含平均或高含量CO2和含顯著部分的C3+烴的天然氣。-本發(fā)明特別適用于其中因安全原因不期望使用高度可燃的C2/C3制冷劑的離岸應(yīng)用。-根據(jù)本發(fā)明所用制冷劑的可再生性質(zhì)使得可以以最小緩沖庫存工作，不用擔(dān)心循環(huán)中多次減壓的后果。因此本發(fā)明使得可以消除有關(guān)制冷劑的物流問題。-本發(fā)明可以使得能夠回收顯著部分的重質(zhì)烴(C3+)。因此，在下文提供的實施例中，本發(fā)明使得可以將高度具有價值的穩(wěn)定化冷凝物形式的烴產(chǎn)量提高約3質(zhì)量％。-與W099/01707中所述的方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點是限制制冷循環(huán)中與重質(zhì)鏈烷烴濃度有關(guān)的結(jié)晶風(fēng)險，因此在相當(dāng)大多數(shù)情況下無需在低溫工藝上游對天然氣進行分餾。


圖1以圖示方式示出根據(jù)本發(fā)明設(shè)備的一個實施方案。
具體實施例方式現(xiàn)在在下面的描述中以非限制性方式更詳細地說明本發(fā)明。所有壓力以絕對值給出。除非另有說明，否則所有百分比作為摩爾值給出。術(shù)語“上游”和“下游”指設(shè)備中流體流動方向。設(shè)備參照圖1，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備包括用于天然氣的進料管線I。該用于天然氣的進料管線I優(yōu)選通過預(yù)處理單元57，所述預(yù)處理單元57可以包括預(yù)冷裝置和/或脫水裝置和/或氣/液分離裝置和/或分餾裝置。為簡單起見，優(yōu)選該設(shè)備在預(yù)處理單元57中不包括分餾裝置和脫酸裝置。用于天然氣的進料管線I向低溫分離單元35 (間接)供料?！暗蜏胤蛛x單元”指能夠在低于或等于_40°C的操作溫度下利用供冷來分離二氧化碳和甲烷的一組裝置。優(yōu)選地，低溫分離單元35是蒸餾單元；更準(zhǔn)確地，在所示實施方案中，它是底部配有再沸器32的標(biāo)準(zhǔn)蒸餾塔。在用于天然氣的進料管線I和再沸器32之間提供熱交換裝置；用于天然氣的進料管線I通向氣/液分離器31。兩根用于天然氣的管線33、34，即用于氣態(tài)部分的管線33和用于液態(tài)部分的管線34連接在氣/液分離器31的出口處。用于氣態(tài)部分的管線33和用于液態(tài)部分的管線34分別在不同塔級通向低溫分離單元35。這兩根管線各自均配有膨脹裝置；而且，用于氣態(tài)部分的管線33在通過上述膨脹裝置并通向低溫分離單元35之前相繼通過第一熱交換器36和第二熱交換器37。用于液態(tài)二氧化碳的管線10連接在低溫分離單元35的底部，向回流系統(tǒng)供料的用于天然氣的管線39連接在低溫分離單元35的頂部。更準(zhǔn)確地，用于天然氣的管線39通過第三熱交換器38,接著向氣/液分離器40供料。在該氣/液分離器40的出口，一方面在底部連接配有泵送裝置并返回到低溫分離單元35的回流管線41，另一方面在頂部連接用于經(jīng)提純的天然氣的管線99。用于經(jīng)提純的天然氣的管線99相繼通過第三熱交換器38、第二熱交換器37和第一熱交換器36。圖上從左到右通過熱交換器的料流放熱，而從右到左通過熱交換器的料流吸熱。因此，熱交換器36、37和38的冷卻通過用于經(jīng)提純的天然氣的管線99以及通過下文所述包含富含二氧化碳料流的開放制冷循環(huán)來確保。用于經(jīng)提純的天然氣的管線99的后面可以是再壓縮裝置。如果必要，在需要最終提純氣體時，則可以自用于經(jīng)提純的天然氣的管線99提供額外的處理裝置(并且尤其是額外的脫酸裝置)。這種額外的處理裝置(一般位于分餾裝置的下游)可以包括根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)已知的任一技術(shù)用于處理二氧化碳的裝置(例如用胺類溶劑洗滌、膜分離等)。這可以證實在氣體包含非常高含量CO2的情況下有用。在下游該用于經(jīng)提純的天然氣的管線99可以連接到氣體輸送和/或分配網(wǎng)絡(luò)，或向天然氣液化單元供料。而且，用于液態(tài)二氧化碳的管線10分成兩根支管線，即用于非循環(huán)二氧化碳的管線11和用于循環(huán)二氧化碳的管線12。用于循環(huán)二氧化碳的管線12通過第一熱交換器36。接著它分成兩根支管線，即用于第一部分的管線13和用于第二部分的管線42。用于第二部分的管線42通過第二熱交換器37，接著自身分成兩根支管線，即用于第三部分的管線16和用于第四部分的管線19。用于第四部分的管線19首次通過第三熱交換器38。膨脹裝置43提供在用于第一部分的管線13上，隨后該管線在向第一分離瓶47供料之前通過第一熱交換器36。類似地，膨脹裝置45提供在用于第三部分的管線16上，隨后該管線在向第二分離瓶48供料之前通過第二熱交換器37。最后，用于第四部分的管線19第二次通過第三熱交換器38，在用于第四部分的管線19兩次通過熱交換器38之間的管線提供有膨脹裝置46 ;最后，用于第四部分的管線19向第三分離瓶49供料。三個分離瓶47、48、49適用于進行液/氣分離，它們級聯(lián)連接。換言之，在第一分離瓶47的出口連接用于第一氣相的管線15 (頂部)和用于第一液相的管線14(底部)，所述用于第一液相的管線14在已通過膨脹裝置58之后向第二分離瓶48供料；類似地，在第二分離瓶48的出口連接用于第二氣相的管線18 (頂部)和用于第二液相的管線17 (底部)，所述用于第二液相的管線17在已通過膨脹裝置59之后向第三分離瓶49供料。在第三分離瓶49的出口連接用于第三氣相的管線23 (頂部)和用于第三液相的管線20 (底部)。用于第三液相的管線20配有泵送裝置并向冷凝物穩(wěn)定單元55供料。該冷凝物穩(wěn)定單元55可以是蒸餾塔，或優(yōu)選蒸餾半塔，即底部配有再沸器56但頂部沒有冷卻和回流系統(tǒng)的塔。在冷凝物穩(wěn)定單元55的出口，一方面，用于富含烴的液相的管線21連接在底部，并且用于富含二氧化碳的氣相的管線22連接在頂部。用于富含二氧化碳的氣相的管線22返回到第三分離瓶49。用于富含烴的液相的管線21可以通向處理裝置(例如分餾裝置)和/或用于儲存冷凝物的裝置。用于第三氣相的管線23向第一壓縮器50供料，在第一壓縮器50出口連接第一中間管線24。該第一中間管線24在第二壓縮器51的入口處與用于第二氣相的管線18接合。第二中間管線25連接在第二壓縮器51的出口處。該第二中間管線25在第三壓縮器52的入口處與用于第一氣相的管線15接合。用于二氧化碳的出口管線26連接在第三壓縮器52的出口處。用于二氧化碳的出口管線26配有冷卻裝置53并接合用于非循環(huán)二氧化碳的管線11以形成用于最終二氧化碳27的管線。在此可以提供泵送裝置。用于最終二氧化碳27的管線可以通向下游處理裝置，例如用于注入地層的裝置。方法根據(jù)本發(fā)明方法處理的天然氣是至少包含甲烷和CO2的氣態(tài)混合物(可能包含少量液態(tài)部分)。優(yōu)選地，該氣態(tài)混合物包含至少5%甲烷、一般至少10%、或至少15%、或至少20%甲烷、或至少25%甲烷(相對于天然氣的摩爾比例)。優(yōu)選地，該氣態(tài)混合物包含至少10% CO2、一般至少20% CO2、或至少30% CO2、或至少40% CO2、或至少50% CO2、或至少60% CO2、或至少70% CO2 (相對于天然氣的摩爾比例)。天然氣還包含C3+烴(包含至少3個碳原子)，優(yōu)選相對于甲燒的質(zhì)量比例大于或等于1%或2%或3%或4%或5%。天然氣任選經(jīng)歷一種或多種初步處理(在預(yù)處理單元57中)，目的是除去其固體污染物或其液態(tài)部分，將其脫水和/或預(yù)冷和/或降低其硫化氫含量。根據(jù)一個優(yōu)選實施方案，在低溫分離之前天然氣沒有特定目的在于降低其CO2含量的任何處理。在所示實施方案中，首先在低溫分離單元35的再沸器32中通過熱交換冷卻天然氣，接著天然氣在氣/液分離器31中經(jīng)歷分離成為氣相和液相。這兩相在膨脹之后在低溫分離單元35的不同塔級引入。液態(tài)二氧化碳流在低溫分離單元35的底部被回收在用于液態(tài)二氧化碳的管線10中?！岸趸剂鳌痹诒菊f明書中指包含大部分CO2和少量比例的其它化合物(尤其是C3+烴)的混合物。實施低溫分離所需的冷卻通過供以至少一部分液態(tài)二氧化碳(循環(huán)二氧化碳流)的多級開放制冷循環(huán)(至少2個熱交換器)來確保。在所示實施方案中，制冷在漸減溫度下運行的3個熱交換器36、37、38中進行，熱交換器36和37通常在_40°C至0°C下運行，熱交換器38通常在-60°C至_45°C (膨脹后制冷流體的溫度)下運行。更準(zhǔn)確地，天然氣的氣相在第一熱交換器36和第二熱交換器37中冷卻。第三熱交換器38用于冷卻低溫分離的回流物，即冷卻在低溫分離單元35頂部離開的天然氣流。該冷卻之后，天然氣流在氣/液分離器40中經(jīng)歷分離，產(chǎn)生被泵送并返回低溫分離的液相流(回流管線41)和回收在用于經(jīng)提純的天然氣的管線99中的經(jīng)提純的天然氣流。在所示實施方案中，經(jīng)提純的天然氣流在3個熱交換器38、37、36中依次加熱，這使得可以回收其中可利用的千卡。關(guān)于制冷循環(huán)的作用，循環(huán)二氧化碳流在第一熱交換器36中經(jīng)歷第一冷卻，接著它分成兩股液流，即第一部分和第二部分。第一部分通過膨脹冷卻，接著它返回到第一熱交換器36，在此它吸收來自低溫分離上游的天然氣的熱(以及來自循環(huán)二氧化碳流膨脹之前的熱)。第二部分在第二熱交換器37中經(jīng)歷第二冷卻，接著它分成兩股液流，即第三部分和第四部分。第三部分通過膨脹冷卻，接著它返回到第二熱交換器37，在此它吸收來自低溫分離上游的天然氣的熱(以及來自循環(huán)二氧化碳流膨脹之前的熱)。第四部分在第三熱交換器38中經(jīng)歷第三冷卻，接著它通過膨脹冷卻，隨后它返回到第三熱交換器38，在此它吸收來自低溫分離回流處的天然氣的熱(以及來自循環(huán)二氧化碳流膨脹之前的熱)。因此分別在第一熱交換器36、第二熱交換器37和第三熱交換器38的出口處回收第一、第二和第三經(jīng)加熱二氧化碳流。這些料流中所含的大部分C3+烴通過對這些料流進行的液/氣分離來回收。液/氣分離通過在漸減壓力下操作的第一分離瓶47、第二分離瓶48和第三分離瓶49實施。對于分離瓶47和48，典型的操作壓力是10巴至40巴，對于分離瓶49是5巴至10巴。每一個分離瓶(分別是第一、第二或第三)產(chǎn)生液相(分別是第一、第二或第三)和氣相(分別是第一、第二或第三)。重質(zhì)烴(基本是C4+)主要在液相中。第一液相膨脹并送至在比第一分離瓶低的壓力下操作的第二分離瓶48，類似地第二液相膨脹并送至在比第二分離瓶低的壓力下操作的第三分離瓶49。因此，在CO2流中捕集的重質(zhì)烴往往在于最低壓力下運行的第三分離瓶49的底部濃縮，在此它們可容易地回收在第三液相中。如所示，可以通過冷凝物穩(wěn)定塔55實施額外的提純步驟(冷凝物的穩(wěn)定化)。富含烴的液相在其塔底回收，富含二氧化碳的氣相在塔頂回收并返回處在最低壓力下的分離瓶。將來自不同分離瓶的貧含重質(zhì)烴的每一個氣相壓縮；將這些不同氣相混合，接著冷卻混合物并有利地將其與不循環(huán)用于制冷的液態(tài)CO2部分合并。最終的液態(tài)CO2流可以被泵送并注入地層，或者使用或以其它方式利用。變化方案根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備和根據(jù)本發(fā)明的方法可以在數(shù)種方式上與上述實施方案不同。例如，可以提供用于二氧化碳的額外管線54，其配有閥并從用于二氧化碳的出口管線26 (通常在冷卻裝置53的下游)到達用于循環(huán)二氧化碳的管線12。該特性使得可以補償多級制冷系統(tǒng)中的任何制冷劑缺失，使得可以循環(huán)用于制冷的部分CO2流。還可以提供用于烴的額外管線44(任選配有閥)，其連接在第三分離瓶49的底部出口處，配有泵送裝置并返回到用于第四部分的管線19，在第一次進入第三熱交換器38的上游。因此，第三液相的一部分可以循環(huán)在用于制冷的CCV流中。該特性使得可以避免在最冷處結(jié)晶的任何風(fēng)險，同時富集通過第三熱交換器38的具有烴的膨脹流。而且，上文已描述三級開放制冷循環(huán)。這是使得系統(tǒng)可以最優(yōu)發(fā)揮作用的變化方案。但是，還可以提供二級循環(huán)，或可替換地四級或更多級循環(huán)。在二級系統(tǒng)的情況下，相比以上描述，省去第三熱交換器38和第三分離瓶49，也省去相關(guān)部件，即用于第四部分的管線19、用于第三氣相的管線23、第一壓縮器50和第一中間管線24。用于第二液相的管線17于是與用于第三液相的管線20合并，由此直接向冷凝物穩(wěn)定單元55供料。在四級或更多級系統(tǒng)的情況下，相比以上描述，增加至少一個額外的熱交換器(適用于冷卻低溫分離單元上游或低溫分離單元回流中的天然氣)和至少一個額外的分離瓶；還增加來自用于循環(huán)二氧化碳的管線12的至少一根額外的分支管線，其配有膨脹裝置并向額外的分離瓶供料；而且，在(或每一)額外的分離瓶的出口提供與額外壓縮器相關(guān)的用于氣相的額外管線，和配有膨脹裝置并向后續(xù)分離瓶(即在更低壓力下操作)供料的用于液相的額外管線。而且，在所示實施方案中，用于天然氣的管線33通進第一熱交換器36和第二熱交換器37，該管線自氣/液分離器31起并向低溫分離單元35供料；由于通進第三熱交換器38的天然氣管線39自低溫分離單元35的頂部起并向回流管線41在底部與其連接的氣/液分離器40供料，因此構(gòu)成低溫分離單元35的回流系統(tǒng)的一部分。但是，該分布可以一方面根據(jù)熱交換器的數(shù)目，另一方面根據(jù)設(shè)備的操作參數(shù)更改。例如，自氣/液分離器31起并向低溫分離單元35供料的用于天然氣的管線33可以通過單個熱交換器(特別是如果制冷循環(huán)僅包括兩個熱交換器，在這種情況下第二個熱交換器可以與低溫分離單元35的回流系統(tǒng)相連)。相反，該用于天然氣的管線33可以通過超過兩個的熱交換器。另一變化方案是所有的熱交換器都與自氣/液分離器31起并向低溫分離單元35供料的用于天然氣的管線33相連，在這種情況下低溫分離單元35的回流系統(tǒng)配有額外的冷卻裝置(替代上述第三熱交換器)。低溫分離單元35可以是如上述適合CO2低溫分離的標(biāo)準(zhǔn)蒸餾塔。但是它也可以是適合在固體形成條件下運行的蒸餾塔(“CFZ”型塔，如US4，533，372或W099/01707中所述)。低溫分離單元35還可以包括適合在壓力下液化氣體的液化裝置，用于使適合產(chǎn)生極冷的CO2和引起CO2部分結(jié)晶的流體膨脹的裝置，以及用于回收液態(tài)部分和固態(tài)部分的裝置，包括適合將瓶底溫度保持在液態(tài)范圍的瓶(例如在W02007/030888、W02008/095258和TO2009/144275中所述的“cryocell 型蒸餾單元)。在這種情況下，有利的是在用于液態(tài)二氧化碳的管線10上提供穩(wěn)定塔，適用于回收液態(tài)CO2中存在的輕質(zhì)烴(尤其是甲烷)。實施例
·
下面實施例說明本發(fā)明，而不限制本發(fā)明。進行數(shù)字模擬以表征與圖1相對應(yīng)的設(shè)備的運行。下表la、lb、lc、ld、2a、2b、2c和2d給出起始天然氣的組成以及在設(shè)備的不同管線中所獲得的料流的流量和組成。在各個熱交換器36、37、38的出口處記錄管線13、16、19中的條件。在各個分離瓶47、48、49的出口處且在膨脹或泵送之前記錄管線14、17、20中的條件。在泵送之前記錄管線10中的條件。
設(shè)備的管線[I[99[To[Tl[12
液態(tài)(L)或氣態(tài)(G) G+LG+LLLL
溫度(°C )4. 7419.948 9.948
壓力(巴)40.68080.000 80.000
分子量35.48521.90443.87843.878 43.878
流量(kmol/ 小時)3526O. 954 12067. 202 23168. 041 35. 100 23132. 941組成(摩爾％)
0 50Tl&OoOo0.00
CO^71.0020.0097. 5397. 53 97. 53
H^s0 50OooTTioTTi oTTi
甲燒27.00TL 930 500 500. 50
乙燒0 60090660 660 66
丙燒020020290 290.29
庚燒020OoOoOo0. 30
表Ia- —般數(shù)據(jù)和摩爾數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1.一種用于處理含二氧化碳的天然氣的方法，其中-通過低溫工藝分離所述天然氣，從而一方面提供含烴的液態(tài)二氧化碳流，另一方面提供經(jīng)提純的天然氣；-在所述低溫工藝之前或在回流到所述低溫工藝之前，在第一熱交換器中、接著在第二熱交換器中冷卻至少一部分的所述天然氣；-回收至少一部分的所述液態(tài)二氧化碳流以提供循環(huán)二氧化碳流；-將所述循環(huán)二氧化碳流分成第一部分和第二部分；-在所述第一熱交換器中，使所述第一部分膨脹，接著加熱，以提供第一經(jīng)加熱二氧化碳流；-在所述第二熱交換器中，冷卻所述第二部分，接著使至少一部分的所述第二部分膨脹，接著加熱，以提供第二經(jīng)加熱二氧化碳流；-通過液/氣分離回收所述第一經(jīng)加熱二氧化碳流和所述第二經(jīng)加熱二氧化碳流中所含的至少一些烴。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中-在所述低溫工藝之前或在回流到所述低溫工藝之前，在第三熱交換器中冷卻至少一部分的所述天然氣；-將所述循環(huán)二氧化碳流的第二部分分成第三部分和第四部分；-在所述第二熱交換器中，使所述第三部分膨脹，接著加熱，以提供第二經(jīng)加熱二氧化碳流；-在第三熱交換器中將所述第四部分冷卻，接著膨脹，接著加熱，以提供第三經(jīng)加熱二氧化碳流；-通過液/氣分離回收所述第三經(jīng)加熱二氧化碳流中所含的至少一些烴。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中所述第一熱交換器、所述第二熱交換器和如果適用的所述第三熱交換器在不同溫度下運行，優(yōu)選所述第一熱交換器在比所述第二熱交換器高的溫度下運行，并且如果適用，所述第二熱交換器在比所述第三熱交換器高的溫度下運行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中之一的方法，其中所述低溫工藝是蒸餾。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中之一的方法，其中-所述循環(huán)二氧化碳流的第二部分的冷卻在所述第二熱交換器中進行；-如果適用，所述循環(huán)二氧化碳流的第四部分的冷卻在所述第三熱交換器中進行；和-優(yōu)選所述循環(huán)二氧化碳流在分成所述第一部分和所述第二部分之前在所述第一熱交換器中冷卻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中之一的方法，其中如果適用，首先在所述第三熱交換器中、接著在所述第二熱交換器中、隨后在所述第一熱交換器中加熱所述經(jīng)提純的天然氣。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中之一的方法，其中-所述第一經(jīng)加熱二氧化碳流在第一分離瓶中經(jīng)歷液/氣分離以提供第一氣相和第一液相；-使所述第一液相膨脹；-所述第二經(jīng)加熱二氧化碳流和第一經(jīng)膨脹液相在第二分離瓶中經(jīng)歷液/氣分離以提供第二氣相和第二液相；以及優(yōu)選■使所述第二液相膨脹；■所述第三經(jīng)加熱二氧化碳流和第二經(jīng)膨脹液相在第三分離瓶中經(jīng)歷液/氣分離以提供第三氣相和第三液相。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述第二液相或如果適用的所述第三液相經(jīng)歷穩(wěn)定冷凝物以提供富含烴的液相和富含二氧化碳的氣相的步驟，所述富含二氧化碳的氣相優(yōu)選在所述第二分離瓶中或如果適用在所述第三分離瓶中經(jīng)歷液/氣分離。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的方法，其中將所述第一氣相、所述第二氣相和如果適用的所述第三氣相壓縮并冷卻以提供二氧化碳出口流，將其任選與至少一部分的所述液態(tài)二氧化碳流混合。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中之一的方法，其中-將一部分的所述第二液相與所述循環(huán)二氧化碳流的第二部分混合，或者如果適用，將一部分的所述第三液相與所述循環(huán)二氧化碳流的第四部分混合；和/或-將一部分的所述二氧化碳出口流與所述循環(huán)二氧化碳流混合。
11.一種用于處理含二氧化碳的天然氣的設(shè)備，包括-低溫分離單元(35)；-連接在所述低溫分離單元(35)的入口處的用于天然氣的至少一根管線(33，34)；-用于液態(tài)二氧化碳的管線(10)和用于來自所述低溫分離單元(35)的經(jīng)提純的天然氣的管線(99)；-第一熱交換器(36)，其被連接在所述低溫分離單元(35)的入口處的用于天然氣的至少一根管線(33)通過；-第二熱交換器(37)，其被連接在所述低溫分離單元(35)的入口處的用于天然氣的至少一根管線(33)通過，或被連接在所述低溫分離單元(35)的出口處且向回流系統(tǒng)(40，41)供料的用于天然氣的管線(39)通過；-用于循環(huán)二氧化碳的管線(12)，所述循環(huán)二氧化碳來自用于液態(tài)二氧化碳的管線(10)；-用于第一部分的管線(13)和用于第二部分的管線(42)，所述的第一部分和第二部分來自用于循環(huán)二氧化碳的管線(12)；■所述用于第一部分的管線(13)，其配有膨脹裝置(43)并接著通過所述第一熱交換器(36)；■所述用于第二部分的管線(42)，其配有冷卻裝置；-用于第三部分的管線(16)，所述第三部分來自用于所述第二部分的管線(42)，所述用于第三部分的管線(16)配有膨脹裝置(45)并接著通過所述第二熱交換器(37)；-通過所述用于第一部分的管線(13)和所述用于第三部分的管線(16)進料的氣/液分離裝置(47，48)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的設(shè)備，其中-所述設(shè)備包括第三熱交換器(38)，所述第三熱交換器(38)被連接在所述低溫分離單元(35)的入口的用于天然氣的至少一根管線(33)通過，或被連接在所述低溫分離單元(35)的出口且向所述回流系統(tǒng)(40，41)供料的用于天然氣的管線(39)通過；-所述用于第二部分的管線(42)分成用于第三部分的管線(16)和用于第四部分的管線(19)；-所述用于第四部分的管線(19)配有冷卻裝置、膨脹裝置(46)，并接著通過所述第三熱交換器(38);和-所述設(shè)備包括通過用于所述第四部分的管線(19)進料的氣/液分離裝置(49)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12的設(shè)備，其中-在所述用于第二部分的管線(42)上的冷卻裝置由所述第二熱交換器(37)構(gòu)成；-如果適用，在所述用于第四部分的管線(19)上的冷卻裝置由所述第三熱交換器(38)構(gòu)成；和-優(yōu)選所述用于循環(huán)二氧化碳的管線(12)在分成用于第一部分的管線(13)和用于第二部分的管線(42)之前配有由所述第一熱交換器(36)構(gòu)成的冷卻裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中之一的設(shè)備，其中所述低溫分離單元(35)是蒸餾單元。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14中之一的設(shè)備，其中如果適用，用于經(jīng)提純的天然氣的管線(99)通過所述第三熱交換器(38)，接著通過所述第二熱交換器(37)，接著通過所述第一熱交換器(36) ο
16.根據(jù)權(quán)利要求11至15中之一的設(shè)備，其中-所述氣/液分離裝置(47，48)包括第一分離瓶(47)和第二分離瓶(48)；-所述第一分離瓶(47)通過所述用于第一部分的管線(13)進料；-用于第一氣相的管線(15)和用于第一液相的管線(14)連接在所述第一分離瓶(47)的出口處；-所述用于第一液相的管線(14)配有膨脹裝置(58)；-所述第二分離瓶(48)通過用于第三部分的管線(16)和用于第一液相的管線(14)進料；-用于第二氣相的管線(18)和所述用于第二液相的管線(17)連接在所述第二分離瓶(48)的出口處；并且優(yōu)選■所述用于第二液相的管線(17)配有膨脹裝置(59)；■所述用于第四部分的管線(19)和所述用于第二液相的管線(17)向所述第三分離瓶(49)供料；■用于第三氣相的管線(19)和用于第三液相的管線(20)連接在所述第三分離瓶(49)的出口處。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的設(shè)備，其中所述用于第二液相的管線(17)或如果適用所述用于第三液相的管線(20)向冷凝物穩(wěn)定單元(55)供料，用于富含烴的液相的管線(21)和用于富含二氧化碳的氣相的管線(22)連接在所述冷凝物穩(wěn)定單元(55)的出口處，所述用于富含二氧化碳的氣相的管線(22)優(yōu)選向所述第二分離瓶(48)或如果適用向所述第三分離瓶(49)供料。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17的設(shè)備，其中所述用于第一氣相的管線(15)、所述用于第二氣相的管線(18)或如果適用所述用于第三氣相的管線(23)向壓縮裝置(50，51，52)供料并且與用于二氧化碳的出口管線(26)接合，所述用于二氧化碳的出口管線(26)優(yōu)選配有冷卻裝置(53)并優(yōu)選接合用于非循環(huán)二氧化碳的管線(11)以形成用于最終二氧化碳的管線(27)，所述非循環(huán)二氧化碳來自用于液態(tài)二氧化碳的管線(10)。
19.根據(jù)權(quán)利要求16至18中之一的設(shè)備，包括-配有泵送裝置的用于烴的額外管線(44)，其連接在所述第二分離瓶(48)的出口處并返回到所述第二熱交換器(37)上游的用于第二部分的管線(42)，或者如果適用連接在所述第三分離瓶(49)的出口處并返回到所述第三熱交換器(38)上游的用于第四部分的管線(19);和/或-用于二氧化碳的額外管線(54)，其配有閥門，從所述用于二氧化碳的出口管線(26)到達所述用于循環(huán)二氧化碳的管線(12)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至10中之一的方法，在根據(jù)權(quán)利要求11至19中之一的設(shè)備中實施。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于處理含二氧化碳的天然氣的方法，其中通過低溫工藝分離天然氣，以一方面提供含烴的液態(tài)二氧化碳流，另一方面提供經(jīng)提純的天然氣；在所述低溫工藝之前和/或在回流到所述低溫工藝之前，在第一熱交換器中、接著在第二熱交換器中冷卻至少一部分的天然氣；回收至少一部分的液態(tài)二氧化碳流以提供循環(huán)二氧化碳流；將循環(huán)二氧化碳流分成第一部分和第二部分；在第一熱交換器中，第一部分膨脹，接著加熱，以提供第一經(jīng)加熱二氧化碳流；在第二熱交換器中，冷卻第二部分，接著至少一部分的第二部分膨脹，接著加熱，以提供第二經(jīng)加熱二氧化碳流；通過液/氣分離回收第一經(jīng)加熱二氧化碳流和第二經(jīng)加熱二氧化碳流中所含的至少一些烴。本發(fā)明還涉及適合實施該方法的設(shè)備。
文檔編號F25J3/02GK103003651SQ201180020936
公開日2013年3月27日 申請日期2011年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月29日
發(fā)明者沙維爾·雷諾 申請人:道達爾公司