烃类气体处理的制作方法
【专利说明】烃类气体处理
[0001] 发明背景
[0002] 乙烯、乙烷、丙烯、丙烷和/或重质烃类可以回收自各种气体，诸如天然气，炼厂气， 和从其它烃类物质(诸如煤炭、原油、石脑油、油页岩、沥青砂和褐煤)获得的合成气体流。天 然气通常具有较大比例的甲烷和乙烷，即，甲烷和乙烷一起占到天然气中的至少50%的摩 尔百分比。天然气中还包含相对较少量的重质烃类，诸如丙烷、丁烷、戊烷等，以及氢气、氮 气、二氧化碳和/或其它气体。
[0003] 本发明大体涉及提高从此类气体流中回收乙烯、乙烷、丙烯、丙烷和重质烃类。根 据本发明，以近似摩尔百分比计算，待处理的气体流的典型分析如下:90.3%甲烷、4.0%乙 烷及其它C2组分、1.7 %丙烷及其它C3组分、0.3%异丁烷、0.5%正丁烷和0.8%戊烷，以及由 氮气和二氧化碳组成的其余气体。有时还存在含硫气体。
[0004] 天然气和液化天然气(NGL)成分的价格的历史周期性波动有时会降低乙烷、乙烯、 丙烷、丙烯和重质组分作为液体产物的增加值。这就促成了对于能够更高效回收这些产物 的工艺的需求，对于以较低资本投入能够提供高效回收的工艺的需求，以及对于能够被容 易地调适或调整以在更大范围上改变回收特定组分的工艺的需求。用于分离这些物质的可 用工艺包括基于气体的冷却和冷冻、油类吸附以及冷冻油吸附的工艺。此外，由于可以使用 能够发电同时使所处理的气体膨胀并从所述气体中提取热量的经济型设备，因此深度冷冻 工艺受到欢迎。取决于气体源的压力、气体的富集度（乙烷、乙烯和重质烃类含量）以及所要 的终端产物，可以采用这些工艺中任何一种以及这些工艺的组合。
[0005] 如今，对于液化天然气回收，深度冷冻膨胀工艺一般是优选的，因为其能够通过简 易启动提供最大程度简易性、操作灵活性、高的效率、安全性和良好的可靠性。美国专利 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;重新发行的美国专利No. 33,408;以及共同未决申请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描述了相关工艺(尽管在一些情况中本发明的描述是基 于与在所引用的美国专利和共同未决申请中所述的那些工艺条件不同的工艺条件）。
[0006] 在典型的深度冷冻膨胀回收工艺中，通过与工艺中的其它流和/或冷冻的外部来 源(诸如丙烷压缩冷冻系统)进行热交换，受压的进料气体流得到冷却。随着气体被冷却，液 体可能被冷凝，并作为含有一些所要C 2+组分的高压液体被收集在一个或多个分离器中。取 决于气体的富集度和所形成的液体的量，高压液体可能膨胀到较低压力并被分馏。在液体 膨胀期间所发生的汽化导致流被进一步冷却。在一些条件下，可能需要在膨胀之前对高压 液体进行预先冷却以进一步降低膨胀后造成的温度。含有气液混合物的膨胀流在蒸馏（甲 烷馏除器和乙烷馏除器)塔中进行分馏。在该塔中，经膨胀的冷却流被蒸馏，以从所要的C 2 组分、c3组分中分离出作为塔顶蒸气的剩余的甲烷、氮气和其它挥发性气体，并分离出作为 塔底液体产物的重质烃类组分，或者从所要的C3组分中分离出作为塔顶蒸气的剩余的甲 烷、c2组分、氮气和其它挥发性气体，并且分离出作为塔底液体产物的重质烃类组分。
[0007] 如果进料气体没有完全冷凝(通常不是这样），则部分冷凝后的剩余蒸气可以被分 成两个流。该蒸气的一部分通过膨胀做功机或发动机，或膨胀阀，降低到更低压力，在该压 力下使得额外的液体由于该流的进一步冷却而被冷凝。膨胀之后的压力与蒸馏塔的操作压 力基本上相同。膨胀后所得的组合气液两相作为进料供应给蒸馏塔。
[0008] 通过与其它工艺流(例如冷分馏塔顶流)热交换，蒸气的剩余部分被冷却到基本上 冷凝。在进行冷却之前，一些或全部的高压液体可以与该蒸气部分组合。所得的冷却流然后 通过诸如膨胀阀的恰当的膨胀装置膨胀到甲烷馏除器的操作压力。在膨胀期间，一部分液 体将蒸发，导致全部流的冷却。然后，急骤膨胀的流作为顶部进料供应给甲烷馏除器。通常， 急骤膨胀的流的蒸气部分和甲烷馏除器塔顶蒸气在蒸馏塔的上部分离器段中组合为剩余 的甲烷产物气体。或者，冷却和膨胀的流可以供应给分离器以提供气液流。蒸气与塔顶馏分 组合，并且液体供应给塔作为塔顶进料。
[0009] 在此类分离工艺的理想操作中，离开该工艺的剩余气体将含有在进料气中的基本 上全部的甲烷且基本上不含重质烃类组分，并且离开甲烷馏除器的底部馏分将含有基本上 全部的重质烃类组分且基本上不含甲烷或更易挥发性组分。然而，在实践中，这种理想的情 况不会出现，因为常规的甲烷馏除器大体上是作为汽提塔操作的。因此，该工艺的甲烷产物 通常包含离开该塔的塔顶分馏段的蒸气，也包含没有经过任何精馏步骤的蒸气。因为塔顶 液体进料含有相当量的这些组分和重质烃类组分，出现c 2、c3和C4+组分的相当损失，导致在 离开甲烷馏除器的顶部分馏段的蒸气中相应均衡量的C 2组分、C3组分、C4组分和重质烃类组 分。如果可以将上升蒸气与显著量的能够从蒸气中吸收C 2组分、C3组分、C4组分和重质烃类 组分的液体（回流)接触，则这些所要组分的损失就可以显著减少。
[0010] 近年来，用于烃类分离的优选工艺使用上部吸收段以提供对于上升蒸气的额外精 馏。在大多数这些工艺中，用于上部精馏段的回流流的来源为在压力下供应的剩余气体的 再循环流。再循环剩余气体流常常通过与其它工艺流(例如，冷分馏塔顶流)热交换来冷却 到基本上冷凝。所得的基本上冷凝的流然后通过诸如膨胀阀的恰当的膨胀装置膨胀到甲烷 馏除器的操作压力。在膨胀期间，该液体的一部分常常将蒸发，导致全部流的冷却。然后，急 骤膨胀的流作为顶部进料供应给甲烷馏除器。这种类型的典型工艺方案公开于美国专利 No .4,889，545、5,568,737 和5,881,569 中，公开于共同未决申请 No .12/717,394和 13/052， 348中，以及公开于Mowrey，E.Ross在2002年3月11日至13日在德克萨斯州达拉斯的气体处 理器协会第81 届年会的年报（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 烷馏除器中额外的精馏段之外，这些工艺还需要使用压缩机以提供驱动力用于将回流流再 循环到甲烷馏除器，使得使用这些工艺的设施的资本成本和操作成本增加。
[0011]生成上部精馏段的回流流的另一方法是使用急骤膨胀的基本上冷凝的流来冷却 并部分地冷凝塔顶蒸气，并且加热的急骤膨胀的流然后被引导到在甲烷馏除塔上的塔中部 进料点。从塔顶蒸气冷凝的液体被分离并作为塔顶进料供应给甲烷馏除器，同时未冷凝的 蒸气作为剩余的甲烷产物气体而排出。加热的急骤膨胀的流仅是部分蒸发，并且因此还含 有相当量的液体可以用于甲烷馏除器的补充回流，使得塔顶回流进料然后可以对离开塔下 部的蒸气进行精馏。美国专利No. 4，854，955是这种类型工艺的一个实例。不幸地，这种类型 的工艺需要额外的精馏段外加回流冷凝器、筒和栗来产生用于该塔的回流流，增加了使用 这种工艺的设施的资本成本。
[0012] 然而，根据美国专利如.4，157,904和4,278,457(以及其它工艺)在美国和其它国 家已经修建了许多天然气处理工厂，这些工厂没有上部吸收段来提供上升蒸气的额外精馏 并且不能通过容易地修改来添加该特征。另外，这些工厂常常不具备多余的压缩能力来允 许对回流流进行再循环，而这些工厂的甲烷馏除器和乙烷馏除器塔也不具有多余的蒸馏能 力来容纳当添加新的回流流时造成的进料比例的增加。结果，在操作时，这些工厂并不能很 有效率地从天然气中回收(： 2组分和重质组分(一般称作"乙烷回收"），并且在从天然气中仅 回收C3组分和重质组分(一般称作"乙烷排除"）操作时效率尤其低下。
[0013] 本发明是一种提供额外精馏的新颖方法(与美国专利No. 4，854，955和共同未决申 请No. 12/772，472和13/053,792中所用的类似），其可以容易地添加到现有的天然气处理工 厂中以增加对于所要C 3组分的回收，而不需要额外的压缩或分馏能力。这种增加回收的增 加值经常是显著的。对于之后给出的实施例，对于与相应烃类气体相比的烃类液体来说，使 用每加仑US$0.74-1.08( €145-214每m3)的平均增加值计算，该额外的回收能力相对于现 有技术带来的增加收入在每年US$575，000至US$ 1，120，000( €430，000至€835，000)的范 围内。
[0014] 本发明还将此前为单个设备项组合到共同壳体中，从而减少了占地空间需求和资 本成本增加。出人意料地，申请人还发现更为紧凑的布置还可以在给定的功耗下显著增加 产物回收，从而提高工艺效率并降低设施的操作成本。此外，更为紧凑的布置还减少了在传 统工厂设计中用于将单个设备项相互连接所用的管路，进一步减少了资本成本并且还消除 了相关法兰的管路连接。由于管路法兰对于烃类是潜在的泄漏源(这些烃类是挥发性有机 化合物，V0C，其不仅会成为温室气体并且还可能是大气臭氧形成的前体），因此消除这些法 兰会减少可能破坏环境的大气排放的可能性