專利名稱：除氮方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種從包括甲烷和氮的原料氣流中去除氮以形成甲烷產(chǎn)物的方法和裝置。
美國(guó)專利US-A-4415345中公開(kāi)了一種在低溫下操作的雙精餾塔內(nèi)從甲烷中去除氮的工藝。雙精餾塔包括高壓精餾塔、低壓精餾塔，以及位于高壓精餾塔上方并通常與低壓精餾塔的底部區(qū)域形成間接熱交換關(guān)系的冷凝器-再沸器。在美國(guó)專利US-A-4415345的工藝中，氮和甲烷的混合氣流在較高壓力下冷卻到適于通過(guò)精餾而分離的溫度。一部分的原料氣被液化。所得的氣體混合物在低壓精餾塔中通過(guò)精餾而分離，低壓精餾塔具有與其底部區(qū)域有效地相連的冷凝器-再沸器。加壓的氮對(duì)冷凝器-再沸器的再沸通道進(jìn)行加熱。通常來(lái)說(shuō)，一部分氮在高壓精餾塔中分離，而另一部分在熱泵回路中來(lái)回地流入和流出低壓精餾塔的頂部。如果原料氣中的氮濃度較低，那么原料氣繞過(guò)高壓精餾塔，用于冷凝器-再沸器的全部的氮在與用于冷卻原料氣流的主熱交換器相隔開(kāi)的熱泵回路中流動(dòng)。由于原料氣中的氮含量逐漸增加，因此高壓精餾塔也會(huì)提供一些氮，以代替來(lái)自熱泵回路的氮。最終，熱泵回路關(guān)閉，全部的氮均由高壓精餾塔生產(chǎn)出。
在根據(jù)美國(guó)專利US-A-4415345的工藝中使用的高壓精餾塔與位于其底部的第二冷凝器-再沸器一起操作。因此，高壓精餾塔中有較多蒸氣流流過(guò)，即使高壓精餾塔只在高氮濃度下才進(jìn)行最大容量的操作時(shí)，它也需要具有較大的直徑。
根據(jù)本發(fā)明提供了一種從包括甲烷和氮的原料氣流中去除氮以形成甲烷產(chǎn)物的方法，在原料氣中氮的摩爾分?jǐn)?shù)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后增大。所述方法包括在主熱交換器中冷卻原料氣流；在雙精餾塔中對(duì)冷卻的原料氣流進(jìn)行精餾，所述雙精餾塔包括高壓精餾塔、低壓精餾塔，以及位于高壓精餾塔上并與低壓精餾塔形成熱交換關(guān)系的冷凝器-再沸器。至少一部分原料氣流發(fā)生膨脹并進(jìn)入到高壓精餾塔中，而且原料氣流在雙精餾塔的上游處部分地液化。所述方法的特征在于，響應(yīng)于所述氮的摩爾分?jǐn)?shù)的增大而周期性地增大低壓精餾塔的操作壓力。
本發(fā)明還提供了一種從包括甲烷和氮的原料氣流中去除氮以形成甲烷產(chǎn)物的裝置，包括用于冷卻原料氣流的主熱交換器；用于精餾原料氣流的雙精餾塔，其包括高壓精餾塔、低壓精餾塔，和位于高壓精餾塔上并與低壓精餾塔形成熱交換關(guān)系的冷凝器-再沸器；以及位于主熱交換器下游并與高壓精餾塔相連通的膨脹裝置，其設(shè)置成在使用中可以將一部分原料氣流以液態(tài)引入高壓精餾塔中。所述裝置的特征在于，在低壓精餾塔中連接了背壓調(diào)節(jié)閥，可操作此背壓調(diào)節(jié)閥來(lái)增大低壓精餾塔中的壓力。
由于原料氣混合物中的氮的摩爾分?jǐn)?shù)隨時(shí)間而增大，因此甲烷產(chǎn)物的流動(dòng)減小，因此，與產(chǎn)物流的改向流動(dòng)反向的原料氣混合物液化得更少。因此存在這樣一種趨勢(shì)，即，以蒸氣狀態(tài)進(jìn)入到高壓精餾塔中的原料氣混合物隨時(shí)間而不斷增加。因此，在其正常的使用壽命期間，雙精餾塔可能必須要克服非常大范圍的蒸氣負(fù)荷，此使用壽命可大大超過(guò)十年或更多，一直到作為原料氣混合物供應(yīng)源的儲(chǔ)集層充分耗盡時(shí)為止，這就提出了相當(dāng)大的設(shè)計(jì)問(wèn)題。這些問(wèn)題的顯而易見(jiàn)的解決方法是使所有的原料氣混合物以蒸氣狀態(tài)進(jìn)入到高壓精餾塔中。這樣，原料氣混合物的組分變化不會(huì)顯著地影響高壓精餾塔的蒸氣負(fù)荷。但是這種工藝的一個(gè)缺點(diǎn)是，高壓精餾塔的蒸氣負(fù)荷總是處于最大值。然而，根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置可以減小兩個(gè)精餾塔在其使用壽命中必須要承受的蒸氣負(fù)荷的有效范圍。這主要是因?yàn)?，增大低壓精餾塔的操作壓力可引起高壓精餾塔的操作壓力產(chǎn)生伴隨性的增大。增大高壓精餾塔的操作壓力可使其在給定的穩(wěn)定液泛百分比下每單位時(shí)間能接收更多蒸氣。另外，增大高壓精餾塔的操作壓力還可減小以液體狀態(tài)離開(kāi)膨脹裝置的原料氣混合物的比例。這兩個(gè)因素使得本發(fā)明的方法和裝置可以在高壓精餾塔的有效蒸氣負(fù)荷范圍比其它情況更低的條件下操作。
最好，尤其當(dāng)原料氣混合物中氮摩爾分?jǐn)?shù)小于0.15時(shí)，第一氣流作為第一循環(huán)氣流從低壓精餾塔流向高壓精餾塔。第一循環(huán)氣流被壓縮，在主熱交換器中被冷卻，在另一冷凝器-再沸器中被液化，并被引入到高壓精餾塔中。這就抵消了在原料氣混合物中氮的摩爾分?jǐn)?shù)較小尤其是為0.15或更小時(shí)，雙精餾塔中回流不足的趨向。
甲烷產(chǎn)物流最好以液態(tài)從低壓精餾塔流出，其被加壓并在主熱交換器中至少部分地被蒸發(fā)。來(lái)自低壓精餾塔的第二循環(huán)氣流最好被壓縮，在主熱交換器中被冷卻，并通過(guò)第二膨脹裝置至少部分地以液態(tài)被引入到高壓精餾塔的頂部。第二循環(huán)氣流最好被壓縮到比第一循環(huán)氣流更大的壓力，此更大的壓力通常為超臨界壓力。第一和第二循環(huán)氣流最好在同一多級(jí)壓縮機(jī)中壓縮，第二循環(huán)氣流從位于壓縮機(jī)上排出第一循環(huán)氣流的壓縮級(jí)下游的一個(gè)壓縮機(jī)級(jí)處流出。然而，也可以采用獨(dú)立的壓縮機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些目的，或者實(shí)際上使所有的壓縮循環(huán)氣體處于相同壓力下并通過(guò)相同的第二膨脹裝置。在后一種設(shè)置中，從第二膨脹裝置中流出二相流體，二相流體中的蒸氣部分組成第一循環(huán)氣流，二相流體中的液體部分組成第二循環(huán)氣流。所有這些設(shè)置使得在主熱交換器中被冷卻的流體的溫度-焓曲線圖盡可能地與在主熱交換器中被加熱的流體的溫度-焓曲線圖保持接近。因此，主熱交換器可以在良好的熱力學(xué)效率下操作。
背壓調(diào)節(jié)閥最好可與能響應(yīng)于原料氣混合物中氮的摩爾分?jǐn)?shù)的增大而改變其設(shè)定的裝置一起操作。如果需要的話，控制裝置可以采用一種將低壓精餾塔的最佳操作壓力與原料氣混合物中氮的摩爾分?jǐn)?shù)聯(lián)系起來(lái)的算法?；蛘撸锤训?，可以控制壓力調(diào)節(jié)閥以維持氣體產(chǎn)物中的甲烷的穩(wěn)定采收率。
最好，在第一循環(huán)氣流被壓縮的上游處從第一循環(huán)氣流中排出排放氣流，排放氣流從本發(fā)明的方法和裝置中排出。
最好，設(shè)置流量控制閥來(lái)控制第一循環(huán)氣流的大小。
在主熱交換器蒸發(fā)的上游處的另一熱交換器中，加壓的液體甲烷產(chǎn)物流最好是溫?zé)岬?，不?huì)蒸發(fā)。
最好，在高壓精餾塔中得到的所有底部餾分被排出，并被送往低壓精餾塔。因此，這部分餾分不會(huì)在高壓精餾塔中再沸騰。
附圖
并未按比例繪制。
現(xiàn)在得到的凈化后的原料氣流基本上含有氮和甲烷，其從主熱交換器4的熱端6流到其冷端8。主熱交換器4包括多個(gè)熱交換模塊，其最好連接在一起而形成整個(gè)單元。在主熱交換器4的下游，原料氣流通過(guò)節(jié)流閥23發(fā)生膨脹，并流入相分離器10中。根據(jù)其壓力，原料氣流或者在主熱交換器4中變成液體，或者通過(guò)節(jié)流閥23發(fā)生膨脹。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)其組分，至少75％摩爾的原料氣流發(fā)生液化。因此，蒸氣流減少，因此使得高壓精餾塔的直徑可以比其它裝置中所需的直徑更小。蒸氣在相分離器10中與液體分開(kāi)。蒸氣相的流體從相分離器10的頂部通過(guò)入口20流入形成雙精餾塔12的一部分的高壓精餾塔14的底部區(qū)域，雙精餾塔12還包括低壓精餾塔16以及將高壓精餾塔14的頂部和低壓精餾塔16的底部熱連接的冷凝器-再沸器18。液相的流體從相分離器10的底部通過(guò)另一入口22流入高壓精餾塔14的中間質(zhì)量交換區(qū)域。通常原料氣流以大大超過(guò)高壓精餾塔14的操作壓力的壓力進(jìn)入和離開(kāi)凈化單元2。結(jié)果，通過(guò)原料氣流流經(jīng)節(jié)流閥23而產(chǎn)生了車間的制冷，所產(chǎn)生的低溫施加給將進(jìn)入的流體。此制冷可滿足根據(jù)本發(fā)明的方法的大部分制冷需求，因此，無(wú)須為此目的設(shè)置任何渦輪膨脹機(jī)。
原料氣流混合物在高壓精餾塔14中分離成氣態(tài)氮的頂部餾分和液態(tài)的富甲烷底部餾分。富甲烷底部餾分的流體從高壓精餾塔14中通過(guò)底部出口24排出，并通過(guò)另一熱交換器26進(jìn)行過(guò)冷卻。所得的過(guò)冷卻富甲烷液態(tài)流體流經(jīng)節(jié)流閥28引入到低壓精餾塔16的中間質(zhì)量交換區(qū)域中。另外，包括甲烷和氮的液態(tài)流體從高壓精餾塔14的中間質(zhì)量交換區(qū)域中經(jīng)出口30排出，通過(guò)另一熱交換器26進(jìn)行過(guò)冷卻，并流經(jīng)節(jié)流閥32引入到低壓精餾塔16的第二中間質(zhì)量交換區(qū)域中，此第二中間質(zhì)量交換區(qū)域位于第一中間質(zhì)量交換區(qū)域之上。
含有甲烷和氮的流體在低壓精餾塔16中分離，以形成頂部氮蒸氣餾分和底部液態(tài)甲烷產(chǎn)物餾分。底部餾分流體從低壓精餾塔16經(jīng)出口40排出，并通過(guò)泵42的操作而加壓。所得的加壓的液態(tài)甲烷產(chǎn)物流體流過(guò)另一熱交換器26，其方向與在熱交換器26中過(guò)冷卻的流體反向。液態(tài)甲烷產(chǎn)物流體的加壓具有將其壓力增大到其飽和壓力之上的效果。因此，加壓的液態(tài)甲烷產(chǎn)物流體在其進(jìn)入另一熱交換器26中時(shí)實(shí)際上是處于過(guò)冷卻狀態(tài)的，其在另一熱交換器26中被加熱，從而消除了過(guò)冷卻。在另一熱交換器26中液態(tài)甲烷產(chǎn)物流體最好不發(fā)生蒸發(fā)。加熱的液態(tài)甲烷產(chǎn)物流體流過(guò)熱交換器26，并從主熱交換器4的冷端8流到其熱端6。流體隨著流過(guò)主熱交換器4而蒸發(fā)。蒸發(fā)的甲烷產(chǎn)物在產(chǎn)物壓縮機(jī)58中被壓縮到所需的產(chǎn)物傳送壓力。
通過(guò)將氮蒸氣從高壓精餾塔14的頂部中抽出并在冷凝器-再沸器18的冷凝通道中進(jìn)行冷凝，從而形成高壓精餾塔14和低壓精餾塔16的回流。一部分所得的冷凝物作為回流物而返回到高壓精餾塔14中。剩余物通過(guò)另一熱交換器26被過(guò)冷卻，并流經(jīng)節(jié)流閥44進(jìn)入到低壓精餾塔16的頂部，從而為低壓精餾塔提供液態(tài)回流物。
氮蒸氣流體從低壓精餾塔16的頂部通過(guò)出口46排出，并通過(guò)另一熱交換器26被加熱。所得的加熱氮流體通過(guò)從主熱交換器4的冷端8流到其熱端6而被進(jìn)一步加熱到接近環(huán)境溫度。加熱的氮流被分成三股子流。一股子流在具有多個(gè)壓縮級(jí)的循環(huán)壓縮機(jī)48中壓縮。來(lái)自主熱交換器4的加熱氮的第二子流用于凈化裝置2中的吸收層再生。氮的第三子流通過(guò)排氣管道50作為廢氣排放到大氣中。循環(huán)流體的相對(duì)大小由位于循環(huán)壓縮機(jī)48的進(jìn)口側(cè)的可調(diào)節(jié)的流量控制閥52的位置來(lái)決定。
進(jìn)入壓縮機(jī)48的循環(huán)氣流被分成二部分，一股流體通過(guò)壓縮機(jī)的所有壓縮級(jí)，并從主熱交換器4的熱端6流到其冷端8。所得的冷卻的氮流體經(jīng)節(jié)流閥54返回到高壓精餾塔14的頂部區(qū)域。氮通常在循環(huán)壓縮機(jī)48中被壓縮到超臨界壓力，并在主熱交換器4中冷卻到足夠低的溫度，以便通過(guò)節(jié)流閥54發(fā)生膨脹而被液化。這部分通過(guò)主熱交換器4的循環(huán)氣體流動(dòng)有助于使在主熱交換器4中冷卻的流體的組分溫度-焓曲線圖與在主熱交換器4中加熱的流體的溫度-焓曲線圖匹配得更接近。
從壓縮機(jī)48中還排出中間壓力流體，其通過(guò)從主熱交換器4的熱端6流到其冷端8而被冷卻。中間壓力流體在從主熱交換器4的熱端6流到其冷端8時(shí)仍保持氣態(tài)。中間壓力的氮通過(guò)入口56引入到高壓精餾塔14的頂部區(qū)域中。因此，中間壓力選擇成基本上為高壓精餾塔14的操作壓力。
從低壓精餾塔16通過(guò)入口56流到高壓精餾塔14的一部分循環(huán)氣體執(zhí)行熱泵的功能，可增強(qiáng)精餾塔14和16的液態(tài)回流物的產(chǎn)量。
最初，凈化后的原料氣流通常含有95％摩爾的甲烷和5％摩爾的氮。低壓精餾塔16在約1.9巴絕對(duì)壓力的底部壓力下操作。這就設(shè)定了低壓精餾塔中的底部餾分沸騰時(shí)的溫度。此溫度比在高壓精餾塔14中分離出的氮頂部餾分在冷凝器-再沸器18的冷凝通道中冷凝的溫度低1或2開(kāi)爾文。結(jié)果，低壓精餾塔16中的壓力設(shè)定了冷凝器-再沸器18中的冷凝壓力，從而設(shè)定了高壓精餾塔14的頂部的操作壓力。當(dāng)?shù)蛪壕s塔16的底部壓力為1.3巴的絕對(duì)壓力時(shí)，高壓精餾塔14頂部的操作壓力為17巴的絕對(duì)壓力。增大低壓精餾塔16的底部壓力可以使在高壓精餾塔14頂部的操作壓力下的合成物產(chǎn)量增加。
低壓精餾塔16中的壓力由氮從低壓精餾塔16中排出的出口46中的背壓調(diào)節(jié)閥58來(lái)控制。背壓調(diào)節(jié)閥58對(duì)低壓精餾塔16中的壓力控制可有效地控制高壓精餾塔14頂部的壓力。背壓調(diào)節(jié)閥58最初通常設(shè)置成完全打開(kāi)或不調(diào)節(jié)的位置。
甲烷的蒸發(fā)比氮少很多。因此，由于含有較多的甲烷，初始原料氣組合物相對(duì)更容易液化。一般來(lái)說(shuō)，在原料氣壓力為40巴絕對(duì)壓力和高壓精餾塔14的操作壓力約為22巴絕對(duì)壓力下，75％(體積)或更多的原料氣被液化。與原料氣流沒(méi)有被液化的情況相比，原料氣流中這么高比例的液化充分地減少了施加在高壓精餾塔14上的蒸氣負(fù)荷。
在典型的高效采油或高效采氣操作中，原料氣混合物中的氮比例在礦井的使用壽命期間逐漸地從5％摩爾增大到60％摩爾。隨著原料氣混合物中氮比例的增大，其變得更難液化，因此離開(kāi)閥23的流體中的液體的比例逐漸減小。這就增大了施加在高壓精餾塔14上的蒸氣負(fù)荷，即使原料氣混合物的體積流量保持不變時(shí)也是如此。
通常會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)蒸餾塔，使得在最大指定蒸氣負(fù)荷時(shí)蒸餾塔在很接近其液泛點(diǎn)下操作，例如在80到90％的液泛下操作。在原料氣混合物中氮的摩爾分?jǐn)?shù)從10％增加到60％時(shí)蒸氣負(fù)荷將增加，這種增加會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)在氮的摩爾百分?jǐn)?shù)處于其范圍的下限時(shí)如果塔14的直徑選擇成使其在接近液泛點(diǎn)下操作而使塔14發(fā)生液泛的負(fù)荷。原料氣中氮的摩爾分?jǐn)?shù)的增加會(huì)由高壓精餾塔14最初在低于80％的蒸氣負(fù)荷下操作而得到一定程度的減輕，因此增大了塔的液態(tài)操作范圍。減小塔內(nèi)液-氣接觸的能力取決于在塔內(nèi)上升蒸氣和下降蒸氣之間進(jìn)行質(zhì)量交換的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的選擇。通常來(lái)說(shuō)，與傳統(tǒng)的泡罩型或篩網(wǎng)型液-氣接觸塔盤(pán)相比，規(guī)整填料可實(shí)現(xiàn)更大程度的降低。因此，如果在高壓精餾塔14中采用規(guī)整填料，這就可使得在天然氣中最初氮的摩爾分?jǐn)?shù)為0.1時(shí)，塔14可在蒸氣負(fù)荷為其液泛點(diǎn)的50％下操作。即使這樣，由于在高效油采收或高效氣采收操作的使用壽命期間蒸氣負(fù)荷很可能增加二倍以上，因此這種措施本身不可能在全部壽命期間都令人滿意。另外，如果塔14在幾年中都在基本上低于其最佳蒸氣負(fù)荷下操作，那么在開(kāi)始就建造尺寸過(guò)大的塔14是不經(jīng)濟(jì)的。
本發(fā)明的方法和裝置可減輕這個(gè)問(wèn)題，這是通過(guò)采用背壓調(diào)節(jié)閥58來(lái)控制低壓精餾塔16中的壓力，因而控制高壓精餾塔14中的壓力，從而補(bǔ)償高壓精餾塔14中氮摩爾分?jǐn)?shù)的增加來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在一個(gè)設(shè)置中，原料氣流(凈化單元的上游或下游)中的甲烷摩爾分?jǐn)?shù)、從出口40排出的產(chǎn)物流體中的甲烷摩爾分?jǐn)?shù)以及產(chǎn)物流體的流量均受到監(jiān)控，并通過(guò)適當(dāng)?shù)倪^(guò)程控制軟件來(lái)自動(dòng)地計(jì)算甲烷的采收百分率。這種設(shè)置使得可采用自動(dòng)計(jì)算出的甲烷采收值來(lái)控制背壓調(diào)節(jié)閥58的設(shè)定。例如，如果甲烷采收率瞬間降低到98.5％以下，那么控制可設(shè)置成增加低壓精餾塔16中的壓力，因而增加高壓精餾塔14中的壓力，并且高壓精餾塔中的壓力降提高。高壓精餾塔的蒸氣負(fù)荷升高到太接近于液泛點(diǎn)會(huì)使得甲烷產(chǎn)物的采收率下降，因而使得高壓精餾塔14中的分離程度降低，結(jié)果，在低壓精餾塔16中形成的產(chǎn)物流體中的雜質(zhì)濃度增加。通過(guò)重新設(shè)定閥58來(lái)增大低壓精餾塔16中的壓力，可以增大高壓精餾塔14中的壓力，從而減小蒸氣負(fù)荷。
然而，原料氣中氮的摩爾分?jǐn)?shù)的增加具有與對(duì)塔14的蒸氣負(fù)荷的影響所不同的另一作用，其可促進(jìn)甲烷產(chǎn)物的高采收。這就使得在增大的氮摩爾分?jǐn)?shù)下，從塔14的頂部流到冷凝器-再沸器18的冷凝通道中的蒸氣流量增加。因此，可為雙精餾塔提供更多的回流。這就可以更容易地分離甲烷產(chǎn)物。在這些條件下，可以減小從低壓精餾塔16到高壓精餾塔14循環(huán)的氮量，從而減小循環(huán)壓縮機(jī)的能量消耗。這種調(diào)節(jié)可通過(guò)改變閥52的設(shè)定來(lái)完成?？刹捎眉淄椴墒章逝c閥58類似地來(lái)控制閥52。因此，車間的操作者可采用兩個(gè)參數(shù)來(lái)控制工藝，即流經(jīng)閥52的流體大小和在低壓精餾塔16的頂部處的壓力。
當(dāng)原料氣流中氮的摩爾分?jǐn)?shù)為最小值時(shí)，從低壓精餾塔16到高壓精餾塔14的氮的循環(huán)量最好處于最大值。假設(shè)這樣做不會(huì)使高壓精餾塔14移動(dòng)到太接近于要保持的產(chǎn)物采收率的液泛點(diǎn)，那么一般來(lái)說(shuō)最好使氮的循環(huán)量隨著原料氣流中氮的摩爾分?jǐn)?shù)增加而逐漸地減小。這就可以減小根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置的能量消耗。如果在使用本發(fā)明方法的地方能量十分便宜的話，那則是個(gè)例外。高壓精餾塔14在高壓下進(jìn)行操作特別有利，因此可以有更多的能量用于分離，與其它情況相比可以從低壓精餾塔16到高壓精餾塔14循環(huán)更多的氮。然而一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)重新設(shè)定閥58來(lái)增加精餾塔14和16的操作壓力可以有利地推遲到氮的循環(huán)降低到最小值時(shí)才進(jìn)行。一般來(lái)說(shuō)，一旦原料氣中氮的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到如30％(體積)，就停止氮經(jīng)入口56進(jìn)入。仍然保持這種所需的原料氣組合物，繼續(xù)使液氮經(jīng)膨脹閥54進(jìn)入到高壓精餾塔14的頂部，從而保持在熱交換器中加熱和冷卻的流體的溫度-焓曲線圖達(dá)到良好的匹配。因此，即使入口56關(guān)閉，也可以保持通過(guò)循環(huán)壓縮機(jī)的循環(huán)氣體的足夠流量，使得液體以所需的速率通過(guò)膨脹閥54而到達(dá)高壓精餾塔14。
高壓精餾塔14當(dāng)然不能在臨界壓力或之上時(shí)進(jìn)行操作。因此對(duì)于此塔來(lái)說(shuō)其操作壓力范圍具有一上限。因此，不希望將高壓精餾塔14中的操作壓力提高到比29巴絕對(duì)壓力大很多。因此，最好保證低壓精餾塔16的頂部的操作壓力不超過(guò)3.5巴絕對(duì)壓力。
即使高壓精餾的操作在較低蒸氣負(fù)荷下起動(dòng)，例如從其液泛點(diǎn)的一半到四分之三，原料氣中的最終氮摩爾分?jǐn)?shù)會(huì)也會(huì)非常高，使其無(wú)法在本發(fā)明的方法和裝置的整個(gè)使用壽命期間保持甲烷采收率為98.5％或更高。如果在獲得原料氣的礦井或儲(chǔ)集層的使用壽命的后期甲烷純度的下降得無(wú)法接受，還可以采用其它的措施。這種措施是采用并聯(lián)在一起的兩個(gè)雙精餾塔12，它們共同擁有一個(gè)共有的主熱交換器4和一個(gè)共有的過(guò)冷卻熱交換器26。一般來(lái)說(shuō)，在礦井或儲(chǔ)集層的整個(gè)使用壽命期間只采用一個(gè)雙精餾塔12，另一雙精餾塔12只在使用壽命的后期投入使用。如果需要的話，兩個(gè)雙塔可以一起安裝，或者一個(gè)在另一個(gè)后安裝。這種并聯(lián)雙塔的使用在本申請(qǐng)人的要求享有英國(guó)專利申請(qǐng)No.0116977.0的公約優(yōu)先權(quán)的另一專利申請(qǐng)中有介紹，并且是此項(xiàng)專利的主題。
本發(fā)明的方法和裝置使得可以根據(jù)現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)條件來(lái)選擇除氮裝置的大小和能量消耗。
可以對(duì)本發(fā)明的方法和裝置進(jìn)行各種變化和改進(jìn)。例如，循環(huán)的氮流體或其一部分可流經(jīng)一個(gè)與主熱交換器4分隔開(kāi)的獨(dú)立熱交換器。
權(quán)利要求
1.一種從包括甲烷和氮的原料氣流中去除氮以形成甲烷產(chǎn)物的方法，在所述原料氣中氮的摩爾分?jǐn)?shù)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后增大，所述方法包括在主熱交換器中冷卻所述原料氣流；在雙精餾塔中對(duì)冷卻的所述原料氣流進(jìn)行精餾，所述雙精餾塔包括高壓精餾塔、低壓精餾塔以及位于所述高壓精餾塔上并與所述低壓精餾塔形成熱交換關(guān)系的冷凝器-再沸器，至少一部分所述原料氣流發(fā)生膨脹并進(jìn)入到所述高壓精餾塔中，而且所述原料氣流在所述雙精餾塔的上游處部分地液化，其特征在于，可響應(yīng)于所述氮的摩爾分?jǐn)?shù)的增加而周期性地增大所述低壓精餾塔的操作壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第一氣流作為第一循環(huán)氣流從所述低壓精餾塔流向所述高壓精餾塔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一循環(huán)氣流被壓縮，在所述主熱交換器中被冷卻，在另一冷凝器-再沸器中被液化，并被引入到所述高壓精餾塔中。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，甲烷的產(chǎn)物流體以液態(tài)的形式從所述低壓精餾塔中排出，被加壓，并在所述主熱交換器中至少部分地蒸發(fā)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，第二循環(huán)氣流從所述低壓精餾塔中排出，被壓縮，在所述主熱交換器中被冷卻，并至少部分地以液態(tài)的形式被引入到所述高壓精餾塔的頂部中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二循環(huán)氣流被壓縮到比所述第一循環(huán)氣流更大的壓力。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述第一和第二循環(huán)氣流在同一多級(jí)壓縮機(jī)中壓縮，所述第二循環(huán)氣流從位于所述壓縮機(jī)上排出所述第一循環(huán)氣流的壓縮級(jí)下游的一個(gè)壓縮機(jī)級(jí)處流出。
8.根據(jù)權(quán)利要求2到7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在所述第一循環(huán)氣流被壓縮的上游處從所述第一循環(huán)氣流中排出排放氣流，并將所述排放氣流排出。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)所述低壓精餾塔中的壓力，使得在產(chǎn)物氣體中保持穩(wěn)定的甲烷采收率。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在所述高壓精餾塔中得到的所有底部餾分被排出，并被送往所述低壓精餾塔。
11.一種從包括甲烷和氮的原料氣流中去除氮以形成甲烷產(chǎn)物的裝置，包括用于冷卻所述原料氣流的主熱交換器；用于精餾所述原料氣流的雙精餾塔，其包括高壓精餾塔、低壓精餾塔以及位于所述高壓精餾塔上并與所述低壓精餾塔形成熱交換關(guān)系的冷凝器-再沸器；以及位于所述主熱交換器下游并與所述高壓精餾塔相連通的膨脹裝置，所述膨脹裝置設(shè)置成在使用中可以將一部分所述原料氣流以液態(tài)的形式引入到所述高壓精餾塔中，其特征在于，在所述低壓精餾塔中連接了背壓調(diào)節(jié)閥，可操作所述背壓調(diào)節(jié)閥來(lái)增大所述低壓精餾塔中的壓力。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，可以控制所述背壓調(diào)節(jié)閥，使得在產(chǎn)物氣體中保持穩(wěn)定的甲烷采收率。
全文摘要
從包括有甲烷和氮的原料氣流中去除氮以形成甲烷產(chǎn)物。原料氣流在主熱交換器4中冷卻，冷卻的原料氣流在雙精餾塔12中進(jìn)行精餾，雙精餾塔12包括高壓精餾塔14、低壓精餾塔16以及位于高壓精餾塔14上并與低壓精餾塔16形成熱交換關(guān)系的冷凝器－再沸器18。至少部分原料氣流通過(guò)閥23發(fā)生膨脹并進(jìn)入到高壓精餾塔14中，原料氣流在雙精餾塔的上游部分地液化。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，原料氣流中氮的摩爾分?jǐn)?shù)可能增大。響應(yīng)于所述氮摩爾分?jǐn)?shù)的增大而周期性地增加低壓精餾塔16的操作壓力。通過(guò)周期性地調(diào)節(jié)背壓調(diào)節(jié)閥58來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力的增大。
文檔編號(hào)F25J3/02GK1397535SQ02126429
公開(kāi)日2003年2月19日 申請(qǐng)日期2002年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月11日
發(fā)明者J·D·奧爾基 申請(qǐng)人:英國(guó)氧氣集團(tuán)有限公司