專利名稱：：從液化天然氣中除去氮氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及用回流或散熱片式熱交換器來從液化天然氣(LNG)中除去氮氣的方法。大家已知多種處理液化天然氣中氮氣的方法和技術(shù)。其例子包括下列的美國專利Laverty等的2500129；Eakin等的2823523；Hoffman的3559418；Harper等的3874184；Bailey等的4225329和Nelson等的5036671。其大多數(shù)涉及分餾和/或部分冷凝的天然氣流中的富氮氣流的分離。在散熱片式熱交換器的生產(chǎn)中的最新進展已使這種設(shè)備在包括空氣分離；氫氣、乙烯、天然氣液體和液化石油氣的回收；和二氧化碳的純化等一些低溫方法中代替常規(guī)的蒸餾塔使用。該設(shè)備也稱為回流交換器，傳熱和傳質(zhì)操作均可同時高效地實現(xiàn)。由于其輕便、設(shè)計緊湊，回流熱交器一般具有高的表面積/體積比，優(yōu)選僅以2至3℃的最低溫度驅(qū)動力來操作。回流交換器包括相鄰?fù)ǖ烙糜趯?dǎo)入原料和傳熱流體。最好液體原料流通過重力向下流過原料通道而熱介質(zhì)通過相鄰的傳熱通道向上流動，因此它們互相逆流。向下流流的傳熱使其至少部分氣化。如此形成的蒸氣通過同一原料流通道上升而將液相中的最輕組分汽提。然后原料蒸氣相從原料通道的頂部得到。在這種布置中，回流交換器相當(dāng)于蒸餾塔的汽提部分。但是其明顯存在重大的區(qū)別。沿單元全線的同時熱交換和分離由于增大了熱力效率而允許傳熱和傳質(zhì)的驅(qū)動力維持在小的水平。由于驅(qū)動力小，氣液相間的溫度和組成差異差更近于代表可逆的熱力學(xué)過程。因此回流交換器相當(dāng)于每級均有再沸器的多級汽提塔。作為多級汽提塔的回流交換器也提供了超過常規(guī)蒸餾塔一些其它優(yōu)點。在常規(guī)的部分氣化(汽提)過程中，原料被加熱到足夠高的溫度以確保大部分較輕組分汽化和回收。這可能導(dǎo)致較大量不想要的較重組分被氣化進入氣相。相反，用較低平均再沸溫度的回流交換器具有較少量的被氣化的較重組分。結(jié)果，由于重沸用的熱負(fù)載降低而使加熱負(fù)荷下降。換句話說，對同樣的重沸負(fù)荷，可獲得更好的回收率?？梢钥闯鰧τ跉鈶B(tài)原料流，類似的交換器也同樣地用作多級精餾器。在每級同時發(fā)生的致冷源將原料冷凝、將氣體回流。有關(guān)散熱片式熱交換器的綜述及其在天然氣加工中的使用由Finn，A公開于ChemicalEngineering，1994年5月出版的101卷第5期142至147頁中。CostainOil，Gas&Process，Ltd.PlateFinExchangerBulletinof1989，P5-9描述了用于設(shè)計散熱片式熱交換器的尺寸計算方法。French的美國專利3203191描述了使用驟冷器來降低需能的氣體液化方法。Paradowski的美國專利描述了通過用來自在液態(tài)條件下其膨脹后低溫冷卻的液體致冷劑的蒸氣冷卻天然氣而將其液化的方法，其中蒸所同時也將液化的致冷劑低溫冷卻。低溫冷卻后的高壓液體致冷劑在水輪機中膨脹。通過用回流散熱片式交換器替代常規(guī)氮分離塔完成從液化天然氣(LNG)中去除氮氣，達到了節(jié)能和減少了基本投資。作為一個實施方案，本發(fā)明提供了用于天然氣液化工廠的除氮方法，以從含至少80％(摩爾)甲烷和至多20％(摩爾)氮氣的較溫的高壓液流中去除氮氣。作為步驟(a)，較溫的高壓液流在增強的表面熱交換器中逆著較低壓的液化天然氣流冷卻而形成較冷的高壓液流并將低壓液化的天然氣流部分氣化。作為步驟(b)，步驟(a)的較冷的高壓液流被膨脹而形成深冷卻的液氣混合物。作為步驟(c)，當(dāng)步驟(b)的混合物被送到分離器形成液流和氣流。作為步驟(d)，步驟(c)的液流作為較低壓流供應(yīng)到步驟(a)的熱交換器中，其被部分氣化而形成增濃了氮含量的流體和貧氮的液態(tài)產(chǎn)物流。作為步驟(e)，低壓液化的天然氣流在熱交換器中和在其中氣化的流體逆流接觸而從中汽提氮。作為步驟(f)，在熱交換器中氣化的流體被供到步驟(c)中的分離器。作為步驟(g)，增濃了氮含量的蒸氣流從分離器回收。在優(yōu)選的實施方案中，在步驟(a)、(d)和(e)中的熱交換器包含一散熱片式交換器。較溫的高壓液流具有約-165至約-130℃的溫度和約1MPa至5MPa的壓力，來自分離器的液態(tài)產(chǎn)物流蒸氣流具有約0.1MPa至0.5MPa的壓力。液態(tài)產(chǎn)物流被收集于貯存罐中。低壓液化天然氣流靠重力向下流過處于經(jīng)調(diào)整便于氣化流體向上流動的通道中的熱交換器。在一種安排中，膨脹步驟(b)優(yōu)選用Joule-Thomson閥來完成。在另一種安排中，膨脹步驟(b)優(yōu)選用液體驟冷器來完成。附圖是使用回流熱交換器的本發(fā)明的LNG氮去除方法的示意圖。散熱片式/回流熱交換器在從液態(tài)天然氣中去除氮氣的處理中可有利地代替常規(guī)的蒸餾塔使用，由于氮和甲烷間的相對揮發(fā)性存在足夠大的差異，可避免需要太多的級和太大的重沸率。參照附圖，氮分離單元10包含強化表面熱交換器12，它最好由用作多級汽提塔的垂直向的散熱片式交換器組成。所述散熱片式交換器12包括具有用于導(dǎo)入較溫度壓液流的管線16的第一通道14。所述溫的高壓流16最好由LNG組成，它含有至少80％(摩爾)的甲烷和至多20％(摩爾)的氮，溫度在-165℃和-130℃之間，壓力在1MPa和5MPa之間。較溫的高壓LNG流16在通過散熱片式交換器12的第一通道14向上流動時，由于和通過管線18導(dǎo)入一般靠重力通過散熱片式交換器12的相鄰的第二通道20向下流動的較冷低壓LNG流的熱交換而逐漸被冷卻。在本發(fā)明的實踐中，從較溫的高壓上行液流16至較冷的低壓下行液流18的連續(xù)交換的熱使低壓液流18部分地氣化。富含輕組分如氮的流18的氣相向上流動，并與向下流動的流18的液相緊密接觸而將液相中的另外存在的輕組分如氮汽提。貧含輕組分象氮的液體產(chǎn)品流通過管線22從交換器12中排除。熱被傳遞到在第二通道20中的低壓液流18而使在第一通道14中的溫的高壓液流16不斷冷卻，從而較冷的高壓液流通過管線24導(dǎo)出。然后所述的高壓液流24通過膨脹減壓，一般是通過Joule-Thomson閥26來進一步冷卻流24并部分地氣化最輕組分。一低壓多相流在管線28被送到分離器轉(zhuǎn)鼓30以分離液相和氣相。所分離的液相作為冷的低壓液流通過管線18被導(dǎo)至上述的交換器12。與此同時，通過第二通道20向上流動的氣流也通過管線18通入到分離轉(zhuǎn)鼓30并和從多相流28分離的氣相相混合。富含最輕組分諸如氮的混合后的氣流通過管線32導(dǎo)出。在從LNG中進行氮分離的過程中，貧氮LNG產(chǎn)品流通過管線22導(dǎo)出，富氮氣流通過管線32導(dǎo)出。LNG產(chǎn)品流22可保存在供應(yīng)具有高壓卸出線38和泵36的存貯鼓34中。富氮氣流32可用作燃料氣體。在另一實施方案中，可用液體驟冷器(未畫出)代替膨脹閥26來從液流24的膨脹回收功并節(jié)約在該過程中其它處所花的壓縮能。散熱片式熱交換器的設(shè)計和制造是在本領(lǐng)域為人熟悉的。這種交換器一般是用鍍蒸鋼的鋁制造，但也可用其它材料諸如不銹鋼制造。散熱片式熱交換器一般以逆流方式操作，較溫和較冷的液流16和18通過第一和第二流動通道14和20逆流流動。本發(fā)明方法將通過下列實施例來進一步說明實施例用ASPENPLUS軟件對附圖所示的LNG氮去除方法進行計算機模擬。最初模擬設(shè)置包括100、102、104、106和106五級的RADFRAC塊，每級均有一內(nèi)重沸器。第一通道14的每級壓降設(shè)在11KPa。其它輸入?yún)?shù)列在表1中。表1<tablesid="table1"num="001"><tablewidth="571">入進流屬性流速(mol/hr)18511.1溫度(℃)-149.0壓力(MPa(a))1.990組成(mol％)He0.060N24.212C187.788C25.241C31.733異C40.352正C40.550異C50.055正C50.009</table></tables><tablesid="table2"num="002"><tablewidth="572">溫度分布第一通道14(℃)第5級108-161.0第4級106-159.0第3級104-157.0第2級102-156.0第1級100-154.0壓力鼓(MPa(a))0.125</table></tables>來自進行天然氣液化的主交換器的較溫的高壓LNG被通過管線16導(dǎo)入到氣提回流交換器12的第一通道14，在那里較溫的LNG流被冷卻。所述溫的高壓LNG流具有約4.212mol％N2和87.788mol％C1的組成。溫度為-161℃的經(jīng)冷卻的高壓LNG流通過管線24從交換器12導(dǎo)出。這個LNG流被膨脹到0.125MPa(a)并具有-165.8℃的相應(yīng)溫度。氣相分離后，經(jīng)冷卻的低壓液態(tài)LNG流通過管線18被再導(dǎo)入到交換器12的第二通道20。在交換器12中，經(jīng)冷卻的低壓LNG流18被再加熱并部分氣化。再加熱后，經(jīng)其中產(chǎn)生的蒸氣氣提氮后的液態(tài)低壓LNG流作為產(chǎn)品LNG流在-158.5℃通過管線22輸出到交換器。所述LNG產(chǎn)品流22包括約0.391mol％N2、90.814mol％C1和8.795mol％C2-C5。包括排放產(chǎn)生的蒸氣28和在交換器12中產(chǎn)生的蒸氣18的富氮氣流32包含約39.750mol％N2和59.628mol％C1。結(jié)果總結(jié)于表2中。此外，結(jié)果表明在處理端和致冷劑端之間沒有扭點出現(xiàn)。包括兩端面積之和的截面面積計算值約為1.4m2。表2通過前面描述和實施例的方式說明了本發(fā)明的氮去除方法。前面描述并不是限定性說明。因為鑒于此本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易做出多種改變。而所有在所附權(quán)利要求書的范圍和精神內(nèi)的這種改變均在本發(fā)明范圍內(nèi)。權(quán)利要求1.用于從含至少80mol％甲烷和至多20mol％N2的較溫度壓液流中去除氮的用于天然氣液化工廠的除氮方法，它包括下列步驟(a)將較溫的高壓液流在增強的表面熱交換器中逆著較低壓的液化天然氣流冷卻而形成較冷的高壓液流并將低壓液化的天然氣流部分氣化；(b)將步驟(a)的較冷的高壓液流膨脹而形成深冷卻的液氣混合物；(c)將步驟(b)的混合物送到分離器形成液流和氣流；(d)將步驟(c)的液流作為較低壓流供應(yīng)到步驟(a)中的熱交換器中，它被部分氣化而形成增濃了氮含量的流體和貧氮的液態(tài)產(chǎn)物流；(e)使低壓液化的天然氣流在熱交換器中與在其中氣化的流體逆流接觸而從中汽提氮；(f)將在熱交換器中氣化的流體供應(yīng)到步驟(c)的分離器中；和(g)將增濃了氮含量的蒸氣流從分離器回收。2.權(quán)利要求1的氮去除方法，其中在步驟(a)、(d)和(e)中的熱交換器包括散熱片式交換器。3.權(quán)利要求1的氮去除方法，其中較溫高壓液流具有約-165℃至約-130℃的溫度、約1MPa至5MPa的壓力，來自分離器的液體產(chǎn)物流和蒸氣流具有約0.1MPa至約0.5MPa的壓力。4.權(quán)利要求1的氮去除方法，其中膨脹步驟(b)用Joule-Thomson閥來完成的。5.權(quán)利要求1的氮去除方法，其中所述膨脹步驟(b)用液體驟冷器來完成。6.權(quán)利要求1的氮去除方法，還包括將液體產(chǎn)物流收集在貯罐中。7.權(quán)利要求1的氮去除方法，其中低壓液化的天然氣流在設(shè)置成便于氣化的流體通過其向上流動的通道中靠重力向下流過熱交換器。全文摘要本發(fā)明公開了使用強化表面回流熱交換器來從液經(jīng)天然氣(LNG)中去除氮的方法。一較溫的高壓LNG流和一冷的低壓LN在熱交換器中被逆流地導(dǎo)流，從而在回流熱交換器中使高壓流冷卻并使低壓LNG流部分氣化。由此產(chǎn)生的蒸氣將低壓LNG流中的氮氣提。冷的低壓LNG流通過經(jīng)冷卻的高壓LNG流的膨脹制備。由膨脹產(chǎn)生的氣體和在交換器生產(chǎn)的蒸氣相混合并在頂部導(dǎo)出。貧氮的產(chǎn)品LNG從交換器的底部導(dǎo)出。文檔編號F25J3/02GK1158977SQ9610623公開日1997年9月10日申請日期1996年5月9日優(yōu)先權(quán)日1995年5月9日發(fā)明者D·A·科義耳,F·J·F·迪拉韋拉,C·A·德爾,A·拉斯托吉申請人:凱洛格總公司