[**]

Описан способ разделения кислой примеси и легкого углеводорода, содержащихся в сырьевом потоке легкого углеводорода, характеризующемся большим содержанием кислой примеси. Помимо других особенностей, предложенный способ использует комбинацию ректификации и мембранного разделения, осуществляемую оригинальным путем с получением продукта, содержащего легкий углеводород высокой чистоты, и продукта, содержащего кислую примесь высокой чистоты.

(57) Реферат / Формула:

Описан способ разделения кислой примеси и легкого углеводорода, содержащихся в сырьевом потоке легкого углеводорода, характеризующемся большим содержанием кислой примеси. Помимо других особенностей, предложенный способ использует комбинацию ректификации и мембранного разделения, осуществляемую оригинальным путем с получением продукта, содержащего легкий углеводород высокой чистоты, и продукта, содержащего кислую примесь высокой чистоты.

---

1111615
СПОСОБ ОТДЕЛЕНИЯ КИСЛОЙ ПРИМЕСИ ОТ ГАЗОВОГО ПОТОКА, СОДЕРЖАЩЕГО ЛЕГКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ, С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМБИНАЦИИ РЕКТИФИКАЦИИ И МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу отделения кислой примеси от газового потока, содержащего легкие углеводороды, для получения углеводородного продукта высокой чистоты и потока кислого продукта, который имеет высокую концентрацию кислой примеси. Способ использует комбинацию ректификации и мембранного разделения.
Уровень техники
Существует много источников углеводородного газа, который содержит такие значительные концентрации диоксида углерода (СО2) и других кислых примесей, например, сероводорода (H2S) и сероокиси углерода (COS), что газ этих источников является не подходящим для такого применения, как ввод в трубопроводные линии для сбыта и отпуска конечным потребителям. Одним из таких источников является газ, полученный из месторождений природного газа, который может иметь настолько высокие концентрации кислой примеси, что известные методы удаления кислой примеси становятся не экономичными или даже технически неосуществимыми на практике, и, таким образом, эти месторождения становятся не рентабельными.
В уровне техники описан ряд способов, которые включают использование ректификационной колонны с мембранным сепаратором для обработки сырья, содержащего газообразные углеводороды и большие концентрации примесей диоксида углерода, с целью получения углеводородного продукта и продукта, содержащего диоксид углерода. Один пример такого способа раскрыт в патентном документе US7152430. Согласно способу, раскрытому в указанном патентном документе, обрабатывают входящий поток газа, который содержит легкие углеводороды и высокое содержание диоксида углерода, для получения жидкого продукта, содержащего диоксид углерода, и углеводородный продукт. В системе для обработки верхнего продукта ректификационной колонны используют мембранный аппарат с тем, чтобы обеспечить разделение отводимого сверху потока продукта ректификации на поток углеводородного продукта и поток фильтрата, который направляют на рециркуляцию вверх ректификационной колонны. Из упомянутого патентного документа US7152430 следует, что потоки диоксида углерода и углеводородного продукта, произведенные согласно
способу по упомянутому патенту, являются не очень чистыми, и чистота углеводородов составляет менее 85%. Патентный документ US7152430 полностью включен в настоящее описание посредством ссылки.
В патентном документе US4936887 описан способ удаления диоксида углерода из потока природного газа с большим процентным содержанием диоксида углерода. Этот способ использует многоступенчатую ректификацию в комбинации с аппаратом для мембранного разделения для получения продукта, содержащего метан высокой чистоты и продукт, содержащий диоксид углерода. Патентный документ US4936887 полностью включен в настоящее описание посредством ссылки.
В данной области техники существует необходимость в усовершенствованных способах обработки газовых потоков, содержащих легкие углеводороды, чрезмерно загрязненные высокими концентрациями по меньшей мере одного кислого компонента, для получения углеводородного продукта высокой чистоты лишь с минимальным содержанием кислой примеси и концентрированного потока кислой примеси.
Сущность изобретения
Одним аспектом настоящего изобретения является способ отделения кислой примеси и легкого углеводорода от сырьевого потока, который содержит кислую примесь и легкий углеводород, для получения углеводородного продукта высокой чистоты и потока кислого продукта с высоким содержанием кислой примеси. Предложенный способ включает ввод сырьевого потока в аппарат для ректификации для разделения кислой примеси и легкого углеводорода, содержащихся в сырьевом потоке. В аппарате для ректификации получают поток верхнего продукта, обогащенного легким углеводородом, поток нижнего (кубового) продукта, обогащенный кислой примесью и подходящий для использования в качестве потока кислого продукта. Поток верхнего продукта вводят в мембранный сепаратор для его разделения на поток фильтрата, содержащий кислую примесь, и поток концентрата, содержащего углеводородный продукт, который обогащен легким углеводородом и является подходящим для использования в качестве углеводородного продукта высокой чистоты. Поток фильтрата, содержащего кислую примесь, вводят в качестве сырья в аппарат для ректификации.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - принципиальная схема технологического процесса для одного воплощения способа согласно изобретению.
Фиг. 2 -принципиальная схема технологического процесса, которая включает
конкретные воплощения способа, соответствующего изобретению.
Фиг. 3 - принципиальная схема, иллюстрирующая одно воплощение части схемы технологического процесса, содержащей мембранный сепаратор, используемой в способе согласно изобретению.
Подробное описание изобретения
Изобретение обеспечивает обработку потока газообразного легкого углеводорода высокого давления, который загрязнен большим содержанием кислой примеси с получением потока продукта, содержащего газообразный легкий углеводород высокой чистоты и поток жидкого кислого продукта с высоким содержанием кислой примеси. Соответствующий изобретению способ является, в частности, полезным при обработке добываемого природного газа, который загрязнен кислой примесью, имеющей недопустимо высокую концентрацию. Сырьевой поток для предложенного способа может, таким образом, содержать легкий углеводород и кислую примесь.
В потоках природного газа, которые подлежат обработке в качестве сырьевого потока предложенного способа, легкие углеводороды обычно представляют собой молекулы алканов с низким молекулярным весом, таких как метан, этан, пропан, бутаны и пентаны, причем из указанных соединений алканы с низким молекулярным весом, которые, в основном, находятся в потоке, представляет собой метан и/или этан. Однако более типично углеводородной частью сырьевого потока является, главным образом, метан.
Поток природного газа может, кроме того, содержать другие примеси, отличные от кислой примеси и легкого углеводорода, которые могут представлять собой, например, органические серосодержащие соединения, азот и воду.
Кислым соединением сырьевого потока в большинстве случаев является, главным образом, кислое соединение, которое обычно находится в газовой фазе при типичных температурах и давлениях для потока добытого природного газа. Кислая примесь является, например, одной примесью, выбранной из группы кислых соединений, включающей диоксид углерода, сероводород, сероокись углерода и любую комбинацию или смесь двух или более указанных веществ. Часть сырьевого потока, содержащая кислые примеси, согласно настоящему изобретению может содержать по существу одну кислую примесь, например, диоксид углерода, или же она может содержать комбинацию или смесь кислых примесей. Если сырьевой поток содержит комбинацию кислых компонент, иных, чем диоксид углерода, то он может содержать диоксид углерода и сероводород, или диоксид углерода и сероокись углерода, или диоксид углерода,
сероводород и сероокись углерода.
Кислая примесь, или в качестве отдельной кислой примеси или в качестве комбинации отдельных кислых примесей, может присутствовать в сырьевом потоке при содержании кислой примеси в интервале от 20 объемных процентов (об. %) до 85 об. % от сырьевого потока. Более предпочтительно, содержание кислой примеси может находиться в интервале от 30 об. % до 80 об. %, и наиболее предпочтительно в интервале от 50 об. % до 75 об. %.
Как было отмечено выше, сырьевой поток необязательно может содержать значительную или любую концентрацию сероводорода или сероокиси углерода, или обоих указанных соединений, но в тех воплощениях предложенного способа, в которых сырьевой поток содержит сероводород, объемное соотношение сероводорода и диоксида углерода в сырьевом потоке может находиться в интервале вплоть до 6:1 (об. % H2S/ об. % СО2) или указанное объемное соотношение может находиться в интервале от 0,01:1 до 6 : 1. В одном примере в сырьевом потоке, который в качестве кислых примесей содержит как сероводород, так и диоксид углерода, сероводород может находиться с концентрацией в интервале от 5 об. % до 40 об. %, а диоксид углерода может присутствовать с концентрацией в интервале от 5 об. % до 70 об. %.
Способ в соответствии с изобретением является, в частности, эффективным при обработке в качестве сырьевого потока добытого природного газа, который в значительной степени загрязнен диоксидом углерода. Обычно сырьевой поток будет иметь содержание диоксида углерода, которое находится в интервале от 20 об. % до 85 об. % от общего сырьевого потока. Более предпочтительно содержание диоксида углерода в сырьевом потоке находится в интервале от 30 об. % до 80 об. % и наиболее предпочтительно - в интервале от 50 об. % до 75 об. %.
Из легких углеводородов, содержащихся в сырьевом потоке, преобладающим углеводородом является метан. Обычно метан присутствует в сырьевом потоке с содержанием в интервале 15 об. % до 80 об. %, более предпочтительно сырьевой поток характеризуется содержанием метана в интервале от 20 об. % до 70 об. %. Наиболее предпочтительно сырьевой поток содержит от 25 об. % до 50 об. %.
Содержание этана в сырьевом потоке может достигать 20 об. %, но, как правило, этан присутствует в потоке при концентрации менее 5 об. %. Более предпочтительно содержание этана в сырьевом потоке достигает 4 об. %, например, находится в интервале от 0,01 об. % до 4 об. % и наиболее предпочтительно достигает 3 об. %, например, находится в интервале от 0,1 об. % до 3 об. %.
Другие соединения алканов, которые могут присутствовать в сырьевом потоке,
такие, например, как пропан, бутан, пентан и более тяжелые углеводороды, если они присутствуют, имеют достаточно низкие уровни концентраций, составляющие менее 3 об. %. Более характерны концентрации этих соединений алканов, составляющие менее 2 об. %, наиболее характерны - менее 1 об. %.
Другие примеры компонентов, которые могут содержаться в сырьевом потоке, включают, но не ограничены этим, азот и воду. Эти компоненты должны находиться в сырьевом потоке при концентрации менее 10 об. %, или даже менее 1 об. %. Вода может присутствовать до концентраций состояния насыщения. Из сырьевого потока или потоков исходных веществ перед их использованием в качестве сырья для способа, соответствующего изобретению, может быть удалена вода.
В предложенном способе используется оригинальная схема ступени непрерывной ректификации в комбинации со ступенью мембранного разделения для обеспечения обработки и разделения сырьевого потока легких углеводородов, имеющего крайне высокое содержание кислой примеси, с получением в результате потока углеводородов высокой чистоты и потока продукта, содержащего кислую примесь.
Сырьевой поток в предложенном способе подают или вводят в аппарат для ректификацию или ректификационную колонну, которая обеспечивает непрерывную ректификацию сырьевого потока и разделение содержащихся в потоке кислой примеси и легкого углеводорода. При этом могут быть использованы аппарат для ректификации или ректификационная колонна любого типа, известного специалистам в данной области техники, которые образуют зону ректификации и обеспечивают средство для по меньшей мере частичного разделения содержащихся в сырьевом потоке легкого углеводорода и кислой примеси, и получения потока верхнего продукта (верхний поток), обогащенного легким углеводородом, и потока кубового продукта, обогащенного кислой примесью. Предпочтительно, чтобы поток кубового продукта, обогащенный кислой примесью, был потоком кислого продукта, который характеризуется высоким содержанием кислой примеси, имеющей подходящий состав, такой как раскрыт в настоящем описании.
Принципы и работа ступени непрерывной ректификации, соответствующей предложенному способу, обобщены в источнике: Perry's Chemical Engineers' Handbook, 6th Ed. cc. (13-1) - (13-7). Ректификационной колонной согласно изобретению может быть любой аппарат, известный специалистам в данной области техники, например, тарельчатые колонны и насадочные колонны, которые описаны в источнике: Perry's Chemical Engineers' Handbook, 6th Ed. cc. (18-1) - (18-41).
Концентрация легкого углеводорода в верхнем потоке превышает его концентрацию в сырьевом потоке, при этом концентрация легкого углеводорода
превышает концентрацию значительной части сырьевого потока, представляющей собой кислую примесь. Верхний поток выходит из верха аппарата для ректификации, который может быть снабжен системой для верхнего потока, и загружается или вводится в мембранный аппарат со стороны подвода потока мембранного сепаратора. Верхний поток может быть также нагрет перед его вводом в мембранный сепаратор.
Обычно концентрация легкого углеводорода, содержащегося в верхнем потоке, составляет менее 85 об. %, а концентрация кислой примеси в верхнем потоке превышает 15 об. %. Более типично концентрация легкого углеводорода, содержащегося в верхнем потоке, может находиться в интервале от 10 об. % до 85 об. % или от 20 об. % до 85 об. %, при этом концентрация кислой примеси в верхнем потоке находится в интервале от 15 об. % до 60 об. %. Наиболее типичным при обработке сырьевых потоков, которые как ожидается, будут использованы в заявленном способе, является содержание углеводорода в верхнем потоке в интервале от 50 об. % до 80 об. %, а содержание кислой примеси - в интервале 20 об. % до 50 об. %.
В качестве мембранного сепаратора может быть использован любой подходящий аппарат для мембранного разделения, известный специалистам в данной области техники, который обеспечивает возможность разделения указанного верхнего потока, который предпочтительно находится в газообразном виде, на поток фильтрата, содержащий, главным образом, кислую примесь, и поток концентрата, содержащего углеводородный продукт, основная часть которого включает в себя легкий углеводород. Поток фильтрата, содержащий кислую примесь, таким образом, обогащен кислой примесью и содержит молярную долевую концентрацию кислой примеси, которая превышает её концентрацию в верхнем потоке. Поток концентрата, содержащего углеводородный продукт, обогащен легким углеводородом и имеет концентрацию легкого углеводорода, которая превышает его концентрацию в верхнем потоке.
Мембранный сепаратор обеспечивает разделение, производимое за счет использования мембранного барьера или пленки или слоя на подложке, который является селективно проницаемым для кислой примеси по отношению к легкому углеводороду, в результате чего кислая примесь и легкий углеводород, находящиеся в верхнем потоке, разделяются. Материал мембраны мембранного сепаратора может быть выбран из материалов, известных специалистам в данной области техники, включающих стеклообразные полимеры или супер-стеклообразные полимеры, описанные в патентных документах US7152430 и US5647227, или высокоэластичные полимеры, описанные в патентном документе US5647227. Оба указанных патентных документа US7152430 и US5647227 включены полностью в настоящее описание посредством ссылки на эти
документы.
Предпочтительно, чтобы мембранный сепаратор был сепаратором такого типа, в котором используется мембрана в виде молекулярного сита, включая такие сита, которые образованы на подложке. Материалы молекулярных сит, которые могут быть подходящим образом использованы для мембранного слоя мембраны, выполненной в виде молекулярного сита на подложке, могут быть выбраны из группы материалов, включающей силикаты, алюмосиликаты, алюмофосфаты, углеродные молекулярные сита и силикоалюмофосфаты (SAPO). Подходящие материалы молекулярных сит, эффективные при использовании в качестве мембранного слоя для селективного разделения кислой примеси и легкого углеводорода, описаны в патентных документах US6177373, US7316727 и в предварительной заявке на патент США № 61/095814 (дата подачи 10.09.2008), которые включены полностью в настоящее описание посредством ссылки. Вышеуказанные патентная заявка и патенты раскрывают также конструкции мембран в виде молекулярных сит на подложке и аппараты, которые могут быть использованы при разделении кислой примеси и легкого углеводорода. Предпочтительным материалом молекулярного сита для разделительной мембраны являются SAPO-34 и углеродные молекулярные сита.
Верхний поток вводят в мембранный сепаратор через входной патрубок мембранного сепаратора, и он проходит через мембрану мембранного сепаратора. Указанная мембрана является селективно проницаемой для кислой примеси по отношению к легкому углеводороду, содержащимся в верхнем потоке, и она обеспечивает избирательное отделение кислой примеси от легкого углеводорода с получением потока фильтрата, содержащего кислую примесь, который диффундировал через мембрану. Поток концентрата, содержащего углеводородный продукт, представляет собой часть верхнего потока, который не диффундирует или не проходит через мембрану. Поток концентрата, содержащего углеводородный продукт, отводят из мембранного сепаратора через выходной патрубок для концентрата.
Чистота потока концентрата, содержащего углеводородный продукт, должна быть такой, чтобы он был подходящим углеводородным продуктом, и предпочтительно это касается продажи и качества при транспортировании продукта по трубопроводу потребителям. Таким образом, в потоке концентрата, содержащего углеводородный продукт, концентрация легкого углеводорода должна составлять более 85 об. %. Более предпочтительно, содержание легкого углеводорода в потоке концентрата, содержащего углеводородный продукт, составляет более 90 об. %, и наиболее предпочтительно составляет более 95 об. %, например, находится в интервале от 95 об. % до 99,9 об. %. В
предпочтительном способе поток концентрата, содержащего углеводородный продукт, содержит более 95 об. % метана, например, находится в интервале от 95 об. % до 99,9 об. %. Поток фильтрата, содержащего кислую примесь, диффундирует через мембрану на сторону фильтрата мембранного сепаратора. Поток фильтрата, содержащего кислую примесь, протекает от стороны фильтрата мембранного сепаратора и его вводят в качестве второго сырья в аппарат для ректификации. Следует понимать, что во многих, если не в большинстве, случаях поток фильтрата, содержащего кислую примесь, перед вводом в указанный аппарат для ректификации, подвергают сжатию. Это повышение давления может быть необходимым из-за потерь давления, которые обычно имеют место при прохождении через мембрану мембранного сепаратора. Содержание кислой примеси в потоке фильтрата, содержащего кислую примесь, может изменяться и достигать 99 об. %, например, может находиться в интервале от 40 об. % до 99 об. %, и более характерно - в интервале от 40 об. % до 85 об. %.
Поток кубового продукта, отводимый с низа аппарата для ректификации, имеет высокую концентрацию кислой примеси, составляющей более 85 об. %. Предпочтительно, концентрация кислой примеси в потоке кубового продукта составляет 90 об. % и наиболее предпочтительно содержание кислой примеси в потоке кубового продукта находится в интервале от 95 об. % до 99,9 об. %. Если кубовый продукт представляет собой продукт, содержащий диоксид углерода высокой чистоты, то поток кубового продукта может быть с успехом использован в целях увеличения нефтеотдачи пласта или может быть аккумулирован в подземном пласте месторождения. Таким образом, поток кубового продукта может быть введен в подземный пласт с целью увеличения добычи нефти или газа или с целью хранения упомянутого кубового продукта.
Мембранный сепаратор может быть выполнен с использованием изготовленной мембраны любого типа, например, могут быть использованы мембраны, изготовленные в виде плоских тонких листов или асимметричных полых волокон, или мембраны на подложке с пористой структурой, такой как тонкий пористый лист или пористая труба, или мембранный элемент рулонного типа, или мембрана любого другого типа, известная специалистам в данной области техники. Обычно мембрану размещают внутри модуля мембранного сепаратора подходящего типа, в котором имеется входной патрубок, обеспечивающий подачу или ввод исходного материала в мембранный сепаратор, выходной патрубок для концентрата, предназначенный для удаления потока концентрата из мембранного сепаратора, и выходной патрубок со стороны фильтрата, который обеспечивает отвод потока фильтрата из мембранного сепаратора.
Мембранный сепаратор может содержать один или большее количество или ряд
отдельных мембранных модулей, которые функционально связаны друг с другом в любой подходящей комбинации или по любой схеме для получения требуемого результата. В одном воплощении изобретения мембранный сепаратор содержит ряд отдельных мембранных модулей, которые соединены друг с другом последовательно и при функционировании сообщаются по потоку так, что концентрат, отведенный из каждого мембранного модуля, используют в качестве исходного материала, подаваемого на вход следующего мембранного модуля из ряда последовательно размещенных мембранных модулей, при этом концентрат, отведенный из последнего мембранного модуля из указанного ряда модулей, проходит далее по ходу движения потока для последующей обработки или транспортирования.
Фильтрат, отведенный со стороны фильтрата каждого мембранного модуля, проходит далее по потоку на отдельную обработку или его объединяют и собирают вместе для последующей обработки или транспортирования. В одном воплощении изобретения фильтрат, отведенный из каждого мембранного модуля, вводят в многоступенчатый компрессор, который образует зону сжатия и обеспечивает повышение давления фильтрата. Поскольку фильтрат, отводимый из каждого мембранного модуля, находится при различном давлении, поток, вытекающий из каждого мембранного модуля, может быть введен в различные ступени многоступенчатого компрессора. Сжатый фильтрат выгружают и вводят в качестве второго сырья в аппарат для ректификации.
Важный аспект способа, соответствующего изобретению, может заключаться в том, что стадия ректификации может представлять собой криогенную ректификацию. При проведении криогенной ректификации аппарат для ректификации работает при подходящих параметрах разделения посредством криогенной ректификации с тем, чтобы обеспечить требуемое разделение кислой примеси и легкого углеводорода, производимое так, как описано в изобретении.
Условия проведения криогенной ректификации могут быть такими, что аппарат для ректификации функционирует в условиях криогенной температуры и достаточно высокого давления. При таких условиях рабочее давление в аппарате для ректификации обычно находится в интервале от 400 фунтов/дюйм до 800 фунтов/дюйм при температуре вверху аппарата для ректификации в интервале от -50°С до 0°С и температуре в низу аппарата в интервале от -30°С до 40°С. Более подходящие рабочие параметры проведения криогенной ректификации включают рабочее давление в интервале от 500 фунтов/дюйм до 700 фунтов/дюйм , температуру вверху аппарата для ректификации в интервале от -30°С до -10°С, и температуру внизу аппарата для ректификации в интервале от -15°С до 35°С.
Система для обработки верхнего продукта аппарата для криогенной ректификации содержит конденсатор для верхнего продукта и сепаратор фаз, которые сообщаются по текучей среде с верхним концом указанного аппарата для криогенной ректификации. При функционировании указанной системы для обработки верхнего продукта парообразный верхний продукт отводят из верхнего конца аппарата для ректификации и направляют в верхний конденсатор, которые образует зону теплообмена и обеспечивает средство для конденсации по меньшей мере части парообразного верхнего продукта.
Конденсатор верхнего продукта осуществляет косвенный теплообмен между парообразным верхним продуктом и охладителем, которым предпочтительно является хладагент системы охлаждения, функционально связанной с конденсатором для верхнего продукта, осуществляющим по меньшей мере частичную конденсацию газообразного верхнего продукта.
Подходящие хладагенты, процессы и системы охлаждения описаны в источнике: Perry's Chemical Engineers' Handbook, 6th Ed. cc. (12-24) - (12-39) и включены полностью в настоящее описание посредством ссылки. Предпочтительными хладагентами являются требуемые для достижения температур криогенной ректификации по предложенному способу, который могут включать пропан, этан, этилен и определенные углеводороды.
Указанный по меньшей мере частично сконденсированный парообразный верхний продукт проходит из конденсатора верхнего продукта в сепаратор фаз, который образует зону разделения и обеспечивает разделение по меньшей мере частично сконденсированного газообразного верхнего продукта на отделенную паровую фазу верхнего продукта и отделенную жидкую фазу верхнего продукта. Отделенную паровую фазу верхнего продукта используют в качестве потока верхнего продукта, который вводят в мембранный сепаратор. Отделенную жидкую фазу верхнего продукта используют в качестве потока флегмы в аппарате для ректификации.
На фиг. 1 представлена принципиальная одного воплощения схемы 10 технологического процесса, соответствующей настоящему изобретению. Схема 10 технологического процесса обеспечивает обработку сырьевого потока, содержащего легкий углеводород, такой как метан, и большую концентрацию загрязнения - кислой примеси, такой как диоксид углерода, для получения потока углеводородного продукта высокой чистоты и потока продукта высокой чистоты, имеющего высокую концентрацию кислой примеси. Сырьевой поток вводят в схему 10 технологического процесса с помощью трубопровода 12 и направляют в качестве первого сырья в аппарат 14 для ректификации.
Аппарат 14 для ректификации обычно представляет собой колонну, которая
образует зону разделения 16 и в которой установлены ректификационные тарелки или размещена насадка, обеспечивающие улучшение контакта жидкости и пара. Аппарат 14 для ректификации имеет верхний конец 18 и нижний конец 20 и обеспечивает разделение сырьевого потока на верхний поток, обогащенный легким углеводородом, и нижний поток кубового продукта, обогащенный кислой примесью.
Поток кубового продукта из аппарата 14 для ректификации протекает в качестве продукта, содержащего кислую примесь высокой чистоты, от нижнего конца 20 аппарата по трубопроводу 21 вниз по ходу движения потока.
Поток верхнего продукта выходит из верхнего конца 18 аппарата 14 для ректификации и по трубопроводу 22 поступает в мембранный сепаратор 24, который обеспечивает разделение потока верхнего продукта путем мембранного разделения, на поток фильтрата, содержащего кислую примесь и обогащенного кислой примесью, и поток концентрата, содержащего углеводородный продукт, обогащенного легким углеводородом.
В мембранном сепараторе 24 имеется сторона 26 подачи исходного материала и входной патрубок 28, который обеспечивает ввод исходного материала, такого как поток верхнего продукта, на сторону 26 подачи. Мембрана 30 мембранного сепаратора 24 отделяет сторону 26 подачи исходного материала от стороны 32 фильтрата и обеспечивает селективное отделение кислой примеси от легкого углеводорода, содержащегося в потоке верхнего продукта.
Мембранный сепаратор 24 дополнительно снабжен выходным патрубком 36 для концентрата и выходным патрубком 38 для фильтрата. Выходной патрубок 36 для концентрата обеспечивает отвод потока концентрата, содержащего углеводородный продукт, от стороны 26 подачи исходного материала мембранного сепаратора. Выходной патрубок 38 для фильтрата обеспечивает отвод потока фильтрата, содержащего кислую примесь, из стороны 32 фильтрата мембранного сепаратора.
Поток фильтрата, содержащего кислую примесь, выходит из стороны 32 фильтрата мембранного сепаратора 24 через выходной патрубок 38 для фильтрата, и с помощью трубопровода 42 его направляют в качестве второго сырья в аппарат 14 для ректификации. Поток концентрата, содержащего углеводородный продукт, выходит из стороны 26 подачи исходного материала мембранного сепаратора 24 через выходной патрубок 36 для концентрата, и с помощью трубопровода 44 его направляют далее по потоку в качестве углеводородного продукта высокой чистоты.
На фиг. 2 представлена принципиальная схема проведения технологического процесса, которая представляет собой конкретные воплощения изобретения,
осуществляемого посредством технологической схемы 200. Процесс, осуществляемый с помощью технологической схемы 200, обеспечивает обработку сырьевого потока высокого давления, например, такого потока, которым может быть поток добытого природного газа, содержащего метан и большую концентрацию загрязнения кислой примесью, для получения продукта, содержащего легкий углеводород высокой чистоты (например, метан) и продукт, содержащий кислую примесь высокой чистоты (например, диоксид углерода).
Сырьевой поток высокого давления вводят в технологический процесс, осуществляемый с помощью схемы 200, по трубопроводу 202. Указанный сырьевой поток высокого давления перед вводом потока в технологическую схему 200 может быть обработан с тем, чтобы удалить из него воду и, при необходимости, некоторые углеводороды. Способы удаления воды и углеводородов из углеводородных потоков высокого давления хорошо известны специалистам в данной области техники и могут быть использованы при обработке сырьевых потоков высокого давления. На линии трубопровода 202 размещен теплообменник 204 "кубовый продукт/сырье", который образует зону теплообмена и обеспечивает теплообмен между потоком кубового продукта в технологической схеме 200 и сырьевым потоком высокого давления. Кроме того, на линии трубопровода 202 размещен теплообменник 206 "верхний продукт/сырье", который образует зону теплообмена и обеспечивает обмен теплотой, осуществляемый в технологической схеме 200, между верхним потоком и сырьевым потоком высокого давления. Таким образом, сырьевой поток высокого давления проходит по трубопроводу 202 к теплообменнику 204 "кубовый продукт/сырье" и к теплообменнику 206 "верхний продукт/сырье" и в результате получают охлажденный сырьевой поток высокого давления.
Охлажденный сырьевой поток высокого давления проходит от теплообменника 206 "верхний продукт/сырье" с помощью трубопровода 202 и поступает в фазовый сепаратор 208. Фазовый сепаратор 208 образует зону разделения фаз и обеспечивает разделение охлажденного сырьевого потока высокого давления на газообразную фракцию и жидкую фракцию.
Жидкая фракция из фазового сепаратора 208 проходит по трубопроводу 212 в расширительный клапан 216, который образует зону разделения и обеспечивает снижение давления жидкой фракции с получением жидкой фазы низкого давления. Это расширение до более низкого давления предпочтительно производят адиабатически. Газообразная фракция проходит от фазового сепаратора 208 по трубопроводу 218 к расширительному устройству 220, которым может быть турбодетандер, образующий зону расширения и
обеспечивающий расширение газообразной фракции до более низкого давления. Расширительное устройство 220 в дополнение к получению парообразной фракции низкого давления может также совершать работу. Жидкая фракция низкого давления и газообразная фракция низкого давления транспортируются по трубопроводу 222 и трубопроводу 224 соответственно в трубопровод 228, где они объединяются с получением сырьевого потока.
Полученный сырьевой поток транспортируют по трубопроводу 228 и вводят в качестве первого сырья в аппарат 232 для криогенной ректификации. Указанный аппарат 232 для криогенной ректификации представляет собой колонну, образующую зону 234 разделения, в которой установлены ректификационные тарелки или насадка или любой другой известный элемент, который может обеспечить или улучшить контактирование жидкости и пара. Аппарат 232 для криогенной ректификации обеспечивает криогенное разделение сырьевого потока на верхний поток, богатый метаном, и поток кубового продукта, богатый кислой примесью, и является подходящим продуктом, содержащим кислую примесь высокой чистоты.
Аппарат 232 для криогенной ректификации имеет верхний конец 236 и нижний конец 238 и снабжен системой 240 для верхнего продукта. Указанная система 240 для верхнего продукта обеспечивает отвод теплоты за счет использования системы 244 охлаждения, которая обеспечивает криогенную ректификацию. Парообразный верхний продукт выходит из верхнего конца 236 аппарата 232 для криогенной ректификации с помощью трубопровода 246 в конденсатор 248 верхнего продукта. Указанный конденсатор 248 верхнего продукта образует зону конденсации и обеспечивает средство для по меньшей мере частичной конденсации парообразного верхнего продукта. Охладитель, используемый для теплообмена с парообразным верхним продуктом, подают посредством системы 244 охлаждения, и он может быть выбран из группы подходящих хладагентов, включающих, например, этан, этилен и пропан.
По меньшей мере, частично сконденсированный верхний продукт проходит из конденсатора 248 для верхнего продукта по трубопроводу 250 в фазовый сепаратор 254 для верхнего продукта. Фазовый сепаратор 254 для верхнего продукта образует зону фазового разделения и обеспечивает разделение по меньшей мере частично сконденсированного верхнего продукта на отделенную паровую фазу верхнего продукта и отделенную жидкую фазу верхнего продукта.
Отделенная жидкая фаза верхнего продукта может быть подходящим образом использована в качестве флегмы в аппарате 232 для ректификации. При использовании в качестве флегмы отделенная жидкая фаза верхнего продукта выходит из фазового
сепаратора 254 для верхнего продукта и посредством трубопровода 256 её вводят в качестве флегмы в зону 234 разделения аппарата 232 для криогенной ректификации.
Отделенная паровая фаза верхнего продукта в качестве потока верхнего продукта, богатого метаном, с помощью трубопровода 258 транспортируется из фазового сепаратора 254 верхнего продукта в теплообменник 206 "верхний продукт/сырье", при этом он обменивается теплотой с сырьевым потоком высокого давления. Затем поток указанного верхнего продукта проходит по трубопроводу 260 из теплообменника 206 "верхний продукт/сырье" к мембранному сепаратору 264, в который он вводится.
Мембранный сепаратор 264 обеспечивает средство разделения потока верхнего продукта на поток фильтрата, содержащий кислую примесь, обогащенный кислой примесью, и поток концентрата, содержащего углеводородный продукт, обогащенного легким углеводородом. Мембранный сепаратор 264 содержит сторону 266 подачи исходного материала и входной патрубок 268, обеспечивающий ввод подаваемого исходного материала, такого как поток верхнего продукта, на сторону 266 подачи. Мембрана 272 мембранного сепаратора 264 отделяет сторону 266 подачи исходного материала от стороны 276 фильтрата и обеспечивает избирательное отделение кислой примеси от легкого углеводорода, содержащегося в потоке верхнего продукта.
Мембранный сепаратор 264 дополнительно снабжен выходным патрубком 278 для концентрата и выходным патрубком 280 для фильтрата. Выходной патрубок 278 для концентрата обеспечивает отвод потока концентрата, содержащего углеводородный продукт, из стороны 266 подачи исходного материала. Выходной патрубок 280 для фильтрата обеспечивает отвод потока фильтрата, содержащего кислую примесь, со стороны 276 фильтрата.
Поток фильтрата, содержащий кислую примесь, проходит из стороны 276 фильтрата мембранного сепаратора 264 через выходной патрубок 280 для фильтрата и с помощью трубопровода 282 поступает на вход компрессора 284. Компрессор 284 образует зону сжатия и обеспечивает сжатие потока фильтрата, содержащего кислую примесь, до более высокого давления. Поток фильтрата, содержащий кислую примесь, отводят из компрессора 284 в трубопровод 286 при повышенном давлении, транспортируют по указанному трубопроводу 286 и в качестве вторичного сырья вводят в зону 234 разделения аппарата 232 для криогенной ректификации.
Поток концентрата, содержащего углеводородный продукт, проходит из стороны 266 подачи потока мембранного сепаратора 264 через выходной патрубок 278 для концентрата и по трубопроводу 288 транспортируется далее по потоку в качестве углеводородного продукта высокой чистоты. На линии трубопровода 288 установлен
теплообменник 290 "концентрат/фильтрат", который образует зону теплообмена и обеспечивает обмен теплотой между потоком концентрата, содержащего углеводородный продукт, и потоком фильтрата, содержащим кислую примесь.
Поток кубового продукта направляется в качестве потока продукта, содержащего кислую примесь высокой чистоты, из нижнего конца 238 аппарата 232 для криогенной ректификации по трубопроводу к теплообменнику 204 "кубовый продукт/сырье", где он обменивается теплотой с сырьевым потоком высокого давления и затем по трубопроводу 294 направляется далее по ходу движения потока для последующего транспортирования или дальнейшей обработки.
На фиг. 3 представлено схематическое изображение одного возможного типа мембранного сепаратора 300, который может быть использован в предложенном способе. Мембранный сепаратор может содержать одну или большее количество или ряд отдельных мембранных модулей, которые при функционировании соединены между собой последовательно или параллельно для получения требуемого оптимума при разделении метана и кислой примеси, содержащихся в верхнем потоке при проведении процесса в соответствии с технологической схемой 10 (см. фиг. 1) или 200 (см. фиг. 2).
Мембранный сепаратор 300 содержит первый мембранный модуль 310 и второй мембранный модуль 340, которые сообщаются между собой по текучей среде и соединены последовательно. Первый мембранный модуль 310 обычно может быть выполнен в виде модуля, в котором образована сторона 312 подачи первого исходного материала и сторона 314 первого фильтрата, которые разделены первой мембраной 316. Кроме того, первый мембранный модуль 310 содержит входной патрубок 318 для подачи первого материала, обеспечивающий ввод потока верхнего продукта в сторону 312 подачи первого исходного материала первого мембранного блока 310, выходной патрубок 322 для первого фильтрата, обеспечивающий отвод потока первого фильтрата, содержащего кислую примесь, из стороны 314 первого фильтрата, и выходной патрубок 324 для первого концентрата, который обеспечивает отвод потока первого концентрата, содержащего углеводород, из стороны 312 подвода первого исходного материала.
Во втором мембранном модуле 340 имеется сторона 342 подачи второго материала и сторона 344 второго фильтрата, которые разделены второй мембраной 346. Кроме того, второй мембранный модуль 340 содержит входной патрубок 348 для подачи второго исходного материала, который обеспечивает ввод первого концентрата в качестве исходного материала в сторону 342 подачи второго материала второго мембранного модуля 340, выходной патрубок 350 для второго фильтрата, обеспечивающий отвод потока второго фильтрата, содержащего кислую примесь, из стороны 344 второго
фильтрата, и выходной патрубок 352 для второго фильтрата, который обеспечивает отвод потока второго концентрата, содержащего углеводород, из второй стороны 342 подачи исходного материала.
Сообщение по потоку текучей среды обеспечивается между стороной 312 подачи первого исходного материала и стороной 342 подачи второго исходного материала с помощью трубопровода 354, который соединен с выходным патрубком 324 для первого концентрата и входным патрубком 348 для подвода второго исходного материала. Поток верхнего продукта по трубопроводу 356 направляют к мембранному сепаратору 300 и вводят в сторону 312 подвода первого материала первого мембранного блока 310 через входной патрубок 318 для первого материала. Первый мембранный блок 310 обеспечивает разделение потока верхнего продукта на поток первого концентрата и поток первого фильтрата, содержащего кислую примесь. Первый концентрат проходит от стороны 312 подвода первого исходного материала первого мембранного блока 310 по трубопроводу 354 к стороне 342 подачи второго исходного материала второго мембранного модуля 340. На линии трубопровода 354 размещен нагреватель 358, который обеспечивает нагревание первого концентрата.
Поток второго фильтрата, содержащего кислую примесь, полученный из стороны 344 второго фильтрата, проходит через трубопровод 360 к входу 362 низкого давления компрессора 364. Поток первого фильтрата, содержащего кислую примесь, отведенный из стороны 314 первого фильтрата, проходит по трубопроводу 366 к входу 368 промежуточного давления компрессора 364. Компрессор 364 образует зону компрессии и обеспечивает сжатие потока первого фильтрата, содержащего кислую примесь, и потока второго фильтрата, содержащего кислую примесь, для выпуска потока фильтрата, содержащего кислую примесь, при повышенном давлении по сравнению с давлением потока первого фильтрата, содержащего кислую примесь, и потока второго фильтрата, содержащего кислую примесь.
Поток концентрата, содержащего углеводородный продукт, отводят из стороны 342 подачи второго исходного материала и направляют далее по потоку по трубопроводу 370, где он может быть подвергнут дальнейшей обработке или транспортированию. Сжатый поток фильтрата, содержащего кислую примесь, протекает по трубопроводу 372 для последующего ввода в качестве второго исходного сырья в аппарат для ректификации (не показан), используемый в способе согласно изобретению.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ разделения кислой примеси и легкого углеводорода, содержащихся в сырьевом потоке, который содержит указанную кислую примесь и указанный легкий углеводород, для получения углеводородного продукта высокой чистоты и продукта, содержащего кислую примесь и имеющего высокую концентрацию указанной кислой примеси, который включает:
ввод указанного сырьевого потока в аппарат для ректификации с целью разделения указанной кислой примеси и указанного легкого углеводорода, содержащихся в указанном сырьевом потоке;
отвод из указанного аппарата для ректификации потока верхнего продукта, богатого легким углеводородом, и потока кубового продукта, богатого указанной кислой примесью и подходящего для использования в качестве продукта, содержащего кислую примесь;
ввод указанного потока верхнего продукта в мембранный сепаратор для разделения указанного потока верхнего продукта на поток фильтрата, содержащий кислую примесь, обогащенный кислой примесью, и поток концентрата, содержащий углеводородный продукт, обогащенный легким углеводородом и подходящий для использования в качестве углеводородного продукта высокой чистоты; и
ввод указанного потока концентрата, содержащего кислую примесь, в аппарат для ректификации.
2. Способ по п. 1, дополнительно включающий:
отвод парообразного верхнего продукта из указанного аппарата для ректификации;
транспортирование указанного парообразного верхнего продукта в конденсатор верхнего продукта, который обеспечивает по меньшей мере частичную конденсацию парообразного верхнего продукта с получением по меньшей мере частично сконденсированного верхнего продукта; и
разделение указанного по меньшей мере частично сконденсированного верхнего продукта на отделенную паровую фракцию верхнего продукта, используемую в качестве указанного потока верхнего продукта, и отделенную жидкую фракцию верхнего продукта, используемую в качестве флегмы для указанного аппарата для ректификации.
3. Способ по п. 2, в котором указанный мембранный сепаратор содержит ряд мембранных модулей, размещенных последовательно и сообщающихся по потоку,
при этом указанный ряд мембранных модулей включает в себя первый мембранный модуль и второй мембранный модуль; указанный первый мембранный
модуль содержит сторону подачи первого исходного материала с входным патрубком для первого исходного материала, выходной патрубок для первого концентрата и сторону первого фильтрата, а указанный второй мембранный модуль содержит сторону подачи второго исходного материала с входным патрубком для второго исходного материала, выходной патрубок для второго концентрата и сторону второго фильтрата, при этом указанный выходной патрубок для первого концентрата соединен и сообщается по потоку текучей среды с указанным входным патрубком для второго исходного материала, указанный поток концентрата, содержащего углеводородный продукт, отводят из указанного выходного патрубка для второго концентрата, поток первого фильтрата, содержащего кислую примесь, отводят из указанной стороны первого фильтрата первого мембранного модуля, а поток второго фильтрата, содержащего кислую примесь, отводят из указанной стороны второго фильтрата второго мембранного блока.
4. Способ по п. 3, дополнительно включающий:
ввод указанного потока второго фильтрата, содержащего кислую примесь, на вход низкого давления компрессора;
ввод указанного потока первого фильтрата, содержащего кислую примесь, на вход промежуточного давления компрессора; и
отвод указанного потока фильтрата, содержащего кислую примесь, из указанного компрессора при повышенном давлении по сравнении с давлением указанного потока первого фильтрата, содержащего кислую примесь, и указанного второго потока фильтрата, содержащего кислую примесь, при этом указанный поток фильтрата, содержащего кислую примесь, имеет концентрацию кислой примеси в интервале от 40 об. % до 99 об. %.
5. Способ по п. 4, дополнительно включающий:
ввод охлажденного сырьевого потока высокого давления, содержащего указанную кислую примесь, и указанный легкий углеводород, в сепаратор для разделения указанного охлажденного сырьевого потока высокого давления на газообразную фракцию и жидкую фракцию;
расширение указанной жидкой фракции до более низкого давления с тем, чтобы получить жидкую фракцию низкого давления;
расширение указанной газообразной фракции с получением парообразной фракции низкого давления; и
объединение жидкой фракции низкого давления и парообразной фракции низкого давления с образованием указанного сырьевого потока.
6. Способ по п.5, дополнительно включающий нагревание указанного потока
верхнего продукта перед его вводом в указанный мембранный сепаратор, осуществляемое путем косвенного теплообмена с охлаждаемым сырьевым потоком высокого давления.
7. Способ по п. 6, в котором указанный легкий углеводород выбирают из группы алканов с низким молекулярным весом, включающей метан и этан, при этом содержание указанной кислой примеси в указанном сырьевом потоке составляет от 20 об. % до 85 об. %, а содержание указанного легкого углеводорода - от 15 об. % до 80 об. %, при этом указанный углеводородный продукт высокой чистоты содержит легкий углеводород в количестве более 85 об. %, указанный поток кубового продукта содержит кислую примесь в количестве более 85 об. %, а указанный аппарат для ректификации функционирует при давлении в интервале от 200 фунтов/дюйм до 900 фунтов/дюйм .
8. Способ по п. 7, в котором указанным легким углеводородом является метан, при этом указанный углеводородный продукт высокой чистоты содержит метан в интервале от 95 об. % до 99,9 об. %, а указанный поток кубового продукта содержит кислую примесь с концентрацией в интервале от 90 об. % до 99,9 об. %.
9. Способ по одному или более из п.п. 1-8, в котором указанный поток кубового продукта содержит кислую примесь в количестве более 85 об. %, при этом указанный способ дополнительно включает ввод указанного потока кубового продукта в подземный пласт месторождения с целью увеличения нефтеотдачи пласта или добычи из него газа, или с целью аккумулирования указанного потока кубового продукта.
WO 2010/135210
PCT7US2010/035052
1/3
1ЈL
22^
30'
Я^26
-24
Гг-32
44^
Its
FIG.1
200
240
294
202^
204
3 о
ы о
'Jl
FIG, 2
WO 2010/135210
3/3
PCT/US2010/035052
FIG.3