[发明专利]乙烷回收方法和配置

说明书

本申请要求2006年6月27日提交的我们的同时待审的美国临时专利申请60/817169号的优先权。

发明领域

本发明的领域是气体处理，特别是其涉及用于乙烷回收的天然气处理。

发明背景

对于烃类液体回收，特别是自高压原料气回收乙烷和丙烷来说，已知各种膨胀方法。大多数常规方法需要冷冻丙烷以使原料气冷却和/或在脱甲烷塔(demethanizer)和/或脱甲烷塔(demethanizer)中回流冷凝，并且在原料气压力较低或包含大量丙烷和较重组分的情况下，对丙烷冷冻的需要经常显著增加NGL回收方法的开支。

为了降低外部冷冻丙烷的需求，可通过热交换用脱甲烷塔塔顶蒸气、塔侧再沸器和补充的外部丙烷冷冻来使原料气冷却且部分冷凝。随后使如此形成的原料气液体部分与蒸气部分分离，在许多情况下它被分成两部分。一部分经进一步冷却且供应到脱甲烷塔的上部，而另一部分在单透平膨胀机中压力降低且供应到脱甲烷塔的中段。虽然这种配置对于具有相对高C₃+(例如大于3％摩尔)含量和约1000psig或更低的原料气压力的原料气来说经常为经济且有效的，但是它们对于低C₃+含量(例如等于或小于3％摩尔，更通常小于1％摩尔)，尤其对于具有相对高压力(例如1400psig及以上)的原料气来说通常不具经济性和有效性。

遗憾的是，在许多已知的膨胀机方法中，得自分馏塔的残余气体仍包含大量乙烷和丙烷，如果将其冷冻到甚至更低的温度或使其经历另一精馏阶段，则可将其回收。最一般来说，较低温度可通过透平膨胀机的高膨胀比实现。或者或另外，在存在相对高的原料气压力(例如，1600psig及以上)的情况下，理论上可增加脱甲烷塔压力来藉此降低残余气体压缩功率并降低总能量消耗。然而，脱甲烷塔压力的增加通常限于450psig到550psig，因为更高的塔压力会降低甲烷组分与乙烷组分之间的相对挥发性，使分馏困难，甚至不可行。因此，通过透平膨胀自大多数高压原料气产生过度冷却，其为迄今已知无法充分利用的方法。

例如，在Campbell等的美国专利第4,854,955号中描述了具有透平膨胀机、原料气冷却器、分离器和回流脱甲烷塔的示例性NGL回收成套设备(plant)。在此，使用包括透平膨胀的配置来回收乙烷，其中脱甲烷塔塔顶蒸气通过塔顶交换器使用自原料气冷却产生的冷冻来冷却并冷凝。这种额外冷却步骤冷凝来自脱甲烷塔塔顶的大部分乙烷和较重组分，随后在分离器中将它回收并使其以回流形式回到塔中。遗憾的是，高乙烷回收率通常限于80％-90％，因为C₂回收经常受脱甲烷塔中CO₂冻结限制。因此，不能利用由高压透平膨胀机产生的过度冷却得到高乙烷回收率，且其在别处必定遭到拒绝。然而，在这类配置中使脱乙烷塔回流通常需要丙烷冷冻，这消耗了大量能量。因此，对于具有相对高压力和低丙烷和较重组分含量的原料气来说，所有或几乎所有已知方法都没能利用原料气的潜在能量。

Campbell等在美国专利第6,182,469号中指出包括在NGL分馏塔中除去CO₂的NGL回收方法。在此，将顶部塔盘中的一部分液体移出、加热并使其回到脱甲烷塔的下段以除去CO₂。虽然所述配置可在至少一定程度上除去不合需要的CO₂，但降低了NGL分馏效率且必定增加额外处理步骤的额外分馏塔盘、加热和冷却任务。在当前经济情况下，此追加支出相对于如此实现的乙烷回收率的微小增加是不合理的。更进一步，这类体系通常针对1100psig(psi表压)或更低的原料气压力设计，它不适用于高原料气压力(例如，1600psig或更高)。具有类似难点的其他已知配置描述在美国专利第4,155,729号、美国专利第4,322,225号、美国专利第4,895,584号、美国专利第7,107,788号、美国专利第4,061,481号和WO2007/008254中。

因此，虽然已进行许多尝试来提高自天然气及其他来源分离和回收乙烷和较重天然气液体的方法的效率和经济性，但所有或几乎所有方法都受一个或多个缺点的困扰。最显著地，迄今已知的配置和方法都没能利用高原料气压力的经济效益和脱甲烷塔的冷却潜力，特别是在原料气包含相对低的C₃和较重组分含量的情况下。因此，仍然需要提供用于天然气液体回收的改进方法和配置。

发明概述