專利名稱：除去酸性氣體的結(jié)構(gòu)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從原料氣中除去酸性氣體，特別涉及從二氧化碳含量高的原氣中除去酸性氣體。
背景技術(shù)：
由于各種氣源中酸性氣體的含量相對高，或者其隨著時間增加，從各種氣流中除去酸性氣體，特別是從天然氣流中除去二氧化碳變成一個日益重要的步驟。例如相對大的天然氣源(例如阿拉斯加，北美大陸，挪威，東南亞，或者墨西哥灣)含有20％至75％范圍的高濃度的二氧化碳。此外，當采用增大油回采量(EOR)時，天然氣中的二氧化碳濃度隨著時間增加達到顯著的濃度，典型地需要處理氣體至少除去部分二氧化碳。
目前美國生產(chǎn)的超過一半的天然氣需要最低限度的處理以滿足管道要求，這些處理經(jīng)常包括乙二醇脫水以及除去碳氫化合物。通常由于經(jīng)濟和/或技術(shù)考慮，二氧化碳含量高的未處理的氣體通常被廢棄。
其它困難中，除去雜質(zhì)(主要是水，硫化氫，和/或二氧化碳)通常需要通過管道傳送處理過的天然氣，這顯著增加生產(chǎn)成本。進一步，很多已知的除去酸性氣體的方法也除去一部分甲烷和其它碳氫化合物(損失小于大約2％碳氫化合物通常是可以接受的，如果產(chǎn)物氣體價值很高或者通過其它優(yōu)勢可以彌補，5-10％的損失可以接受，當超過10％通常不能被接受)。更進一步，除去的二氧化碳典型地要被再壓縮回到高壓形式，減少對環(huán)境的影響，對于增大石油回采量，由于其能量密集而在經(jīng)濟上沒有吸引力。
為了至少克服與除去酸性氣體相關(guān)的一些不利條件，發(fā)展了很多方法，可以分為不同的類別，其中選擇適當?shù)臍怏w處理將主要取決于氣體組成，設(shè)備大小和位置以及其它變量。
例如，在一類中使用一個或幾個膜物理地從原料氣流中分離酸性氣體，其中---種典型的膜系統(tǒng)包括預處理平臺(skid)和一系列膜組件。膜系統(tǒng)經(jīng)常能很好地適用于處理各種氣體量和產(chǎn)物氣體要求。進一步，膜系統(tǒng)相對緊湊，通常不需要移動部件，從而使得膜系統(tǒng)對于離岸氣體處理成為一可行的選擇。然而，所有或幾乎所有單級膜分離器是相對非選擇性地，從而產(chǎn)生甲烷和碳氫化合物的含量相對高的二氧化碳滲透流(其或被排放、燒掉或作為低BTU可燃氣體使用)。結(jié)果，高甲烷和碳氫化合物損失導致使用該方法不符合要求和不經(jīng)濟。為了降低這些損失，可以采用級間再壓縮的多級膜分離器。然而，這樣的系統(tǒng)是能量密集和昂貴的。
在另一類中，使用了與酸性氣體反應(yīng)形成酸性氣體(典型的非共價)絡(luò)合物的化學溶劑。方法包括酸性氣體和溶劑之間的化學反應(yīng)，典型用弱無機酸的堿鹽凈化原煤氣(例如授予Benson的美國專利No.3,563,695)，或用有機酸或堿的堿性溶液(例如授予Hutchinson的美國專利No.2,177,068)?；瘜W溶劑系統(tǒng)的一個特別的優(yōu)勢是這種系統(tǒng)典型地比較少吸收甲烷。進一步，化學溶劑系統(tǒng)經(jīng)常產(chǎn)生含有很少酸性氣體的產(chǎn)物氣體。
然而由于使用化學溶劑系統(tǒng)至少在一些方面(見上面)有利，很多困難經(jīng)常是固有的。例如，一旦化學溶劑用盡，酸性氣體被閃蒸，使用熱再生溶劑，這樣大量增加了除去酸性氣體的費用。此外，使用化學溶劑的氣體處理設(shè)備的機械裝置經(jīng)常由于腐蝕或起泡問題產(chǎn)生故障。更進一步地，化學溶劑系統(tǒng)典型地包括塔、加熱器、空氣冷卻器、泵等，所有這些需要經(jīng)常的質(zhì)量檢查和維護，使操作可靠性變成這種系統(tǒng)可能最弱的特征。而化學溶劑系統(tǒng)的另一個缺點在于產(chǎn)物氣體和二氧化碳流典型地必需要進一步干燥以符合管道的要求。然而，用于吸收漸增的酸性氣體所需的化學溶劑量通常與酸性氣體量成比例增加，因此當原料氣中的酸性氣體含量隨著時間增加，使得使用化學溶劑難以解決。
在另一類中，采用物理溶劑從原料氣中除去酸性氣體，由于物理溶劑潛在的處理能力隨著酸性氣體分壓增加(Henry定律)，這對具有高酸性氣體分壓的氣體處理特別有利。使用物理溶劑，特定的酸性氣體的吸收主要取決于采用的特定溶劑，進一步取決于溶劑的壓力和溫度。例如，可以使用甲醇作為低沸點有機物理溶劑，如授予Herbert等的美國專利No.2,863,527中示例。然而，保持溶劑處于低溫的制冷需要的條件比較高，該方法吸收甲烷和乙烷經(jīng)常比理想的多，從而迫使輸入更多的能量用于再壓縮和回收。
或者，可以在室溫或稍低于室溫操作物理溶劑，包括碳酸丙二酯，如授予Kohl等人的美國專利No.2,926,751中描述，以及使用那些N-甲基吡咯烷酮或乙二醇酯，如授予Hochgesand等人的美國專利No.3,505,784中描述。此外已知的方法中，物理溶劑也可以包括聚乙二醇，特別是二甲氧四甘醇的酯，如授予Porter等人的美國專利No.2,649,166中顯示，或者N-取代嗎啉，如授予Preusser等人的美國專利No.3,773,896中顯示。盡管使用物理溶劑至少避免了與化學溶劑或膜相關(guān)的一些問題，但是產(chǎn)生了各種新的困難。在其它事情中，多數(shù)已知的溶劑方法缺少足夠的熱交換整體機構(gòu)，經(jīng)常需要大量制冷和/或大量溶劑循環(huán)，有時需要用于溶劑再生的熱量。大多數(shù)或幾乎大多數(shù)已知的物理溶劑方法，由于大量溶劑循環(huán)，甲烷和碳氫化合物的共吸收比較高。
進一步，由于需要產(chǎn)物氣體中含有相對少的二氧化碳，各種物理溶劑方法需要用于溶劑再生的蒸汽或外部熱能。一種典型的物理溶劑方法在現(xiàn)有技術(shù)

圖1中示例，其概念相對簡單，采用冷貧溶劑從原料氣中除去二氧化碳。通過連續(xù)的閃蒸進行溶劑再生，降低壓力，然后閃蒸溶劑被泵送到吸收器中，其中，采用外部制冷冷卻溶劑(或在富溶劑或貧溶劑循環(huán)中)。在多數(shù)情況下，需要用于溶劑再生的蒸汽或燃燒燃料的加熱器。
在這些方法中，由于二氧化碳被溶劑吸收，二氧化碳溶液的熱能增加了溶劑的溫度，得到橫切吸收器從頂部-底部的溫度漸增曲線。結(jié)果，物理吸收的一個限制在于相對高的吸收器底部溫度，這限制了溶劑吸收二氧化碳的能力。為了克服與限制的吸收能力相關(guān)的問題，可以增加溶劑循環(huán)率。然而，增加溶劑循環(huán)大大增加了冷卻費用和用于泵送溶劑的能量消耗。更糟的是，已知溶劑方法的高溶劑循環(huán)將導致甲烷和碳氫化合物損失增加(由于共吸收)。而已知物理溶劑方法中另一不理想的方面是由于進入吸收器頂部的冷貧溶劑溫度產(chǎn)生的難以解決的熱量和質(zhì)量傳遞在已知方法中需要相對冷貧溶劑減少溶劑循環(huán)，由于溶劑的表面張力和粘度增加，最終導致液壓問題，進一步降低貧溶劑的溫度是不理想的。
然而，在所有或幾乎所有已知的使用溶劑除去酸性氣體的方法中，酸性氣體在再生器中在低于或基本上在常壓下被除去。結(jié)果，特別是二氧化碳后來被用于EOR，分離的二氧化碳必須被再壓縮至相當大的壓力，這進一步增加了工藝成本。因此，盡管已知各種結(jié)構(gòu)和方法用于從原料氣中除去酸性氣體，它們中所有或幾乎所有面臨一個或幾個不利條件。因此，仍需要提供改進的除去酸性氣體的結(jié)構(gòu)和方法。
發(fā)明簡述本發(fā)明涉及方法和設(shè)備的結(jié)構(gòu)，包括接收含有至少5mol％二氧化碳、壓力至少為400psig的原料氣的吸收器，其中在等溫或頂部.底部遞減的熱量梯度下操作吸收器，并且其中吸收器采用物理溶劑來從原料氣中至少部分除去酸性氣體。
優(yōu)選設(shè)備中的吸收器產(chǎn)生半富溶劑和富溶劑，其中通過至少部分膨脹的富溶劑冷卻該半富溶劑。進一步預期優(yōu)選的吸收器產(chǎn)生至少進行兩步膨脹的富溶劑，其中第一步的膨脹產(chǎn)生功(work)，其中另一步的膨脹為吸收器產(chǎn)生的半富溶劑和二氧化碳產(chǎn)品中的至少一個提供冷卻。在優(yōu)選吸收器的另一方面中，吸收器產(chǎn)生至少進行三步膨脹的富溶劑，其中至少三步的膨脹分別產(chǎn)生至少三個再循環(huán)流，其中這至少三個再循環(huán)流(其可以進一步被壓縮形成壓縮再循環(huán)流，其中由壓縮再循環(huán)流的Joule-Thomson冷卻提供進一步制冷)被送入吸收器中。進一步預期在底部溫度為大約-25°F至大約-45°F時操作吸收器，產(chǎn)生能膨脹為二氧化碳產(chǎn)品提供制冷作用的富溶劑。
因此，預期的吸收器可以接收至少含有5mol％酸性氣體、壓力至少為400psig的天然氣，包括在吸收器中至少吸收部分酸性氣體形成半富溶劑的物理溶劑，其中冷卻器流體地結(jié)合到吸收器，接收和冷卻半富溶劑，提供冷卻的半富溶劑返回吸收器，其中冷卻的半富溶劑進一步吸收至少一部分酸性氣體形成富溶劑，其中通過膨脹富溶劑至少部分冷卻天然氣和半富溶劑。
下面發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細描述連同附圖一起，使本發(fā)明的各目的、特征、方面和優(yōu)點將更加顯而易見。
附圖的簡要說明現(xiàn)有技術(shù)圖1是示意性簡圖，描述了使用物理溶劑除去酸性氣體的示例性的已知結(jié)構(gòu)。
圖2是示意性簡圖，描述了根據(jù)發(fā)明主題用于除去酸性氣體的示例性的設(shè)備結(jié)構(gòu)。
圖3是另一個示意性簡圖，描述了用于EOR的除去酸性氣體的設(shè)備結(jié)構(gòu)，其采用內(nèi)部制冷，具有額外的二氧化碳液體產(chǎn)品。
圖4是進一步的示意性簡圖，描述了用于EOR的除去酸性氣體的設(shè)備結(jié)構(gòu)，其采用內(nèi)部制冷，設(shè)置有額外的上游膜分離的和二氧化碳液體產(chǎn)品。
詳細說明發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)采用結(jié)構(gòu)和方法，可以從含有至少5mol％二氧化碳的原料氣中除去酸性氣體，特別是二氧化碳，其中吸收器接收至少400psig壓力的原料氣，其中在等溫或頂部-底部遞減的熱量梯度下操作吸收器，其中吸收器采用物理溶劑來從原料氣中至少部分除去酸性氣體。
這里使用的術(shù)語“等溫梯度”指的是吸收器上部的物理溶劑的溫度(即，溫度的絕對偏差不大于10°F)基本上與吸收器中部和下部的物理溶劑的溫度相同。相似的，這里使用的術(shù)語“頂部-底部遞減的熱量梯度”指的是吸收器上部的物理溶劑的溫度比吸收器中部和/或下部的物理溶劑的溫度高。
此外這里使用的，關(guān)于塔或吸收器，術(shù)語“上部”和“下部”應(yīng)該理解為是相對于彼此。例如，從塔或吸收器的“上部”收回或加入氣流指的是從比其“下部”區(qū)域收回氣流高的位置(當操作塔或吸收器時，相對于地面)收回或加入。從另一方面看，術(shù)語“上部”因此可以指塔或吸收器的上半部，反之術(shù)語“下部”可以指塔或吸收器的下半部。相似的，使用的術(shù)語“中部”，理解為塔或吸收器的“中部”是“上部”和“下部”的中間。然而，使用“上部”，“中部”，和“下部”指的是塔或吸收器，不應(yīng)理解為這種塔被這些術(shù)語嚴格分為三份。
此外這里使用的術(shù)語“大約”，當它與數(shù)值結(jié)合使用時，如果沒有另外聲明指的是該數(shù)值小于或等于10％的絕對偏差。因此，例如術(shù)語“大約10mol％”包括從9mol％(包括)至11mol％(包括)的范圍。
在一優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，如圖2所描述，一示例性的設(shè)備包括氣體預處理單元101，可以包括(1)一個或幾個空氣冷卻器，通過將氣體冷卻到僅僅高于氣體水合溫度，典型地為60°F以除去含有的大量水；(2)原料氣中的C6+組分的重質(zhì)碳氫化合物除去單元；(3)氣體脫水單元，優(yōu)選為分子篩單元或乙二醇單元(Drizo)以產(chǎn)生非常低水露點的原料氣。在預處理單元101中從原料氣流1中除去作為水和重質(zhì)碳氫化合物流3的水和重質(zhì)碳氫化合物，形成處理過的原料氣流2。
特別優(yōu)選的是，使用吸收器塔頂流11作為制冷劑，處理過的原料氣流2在熱交換器103中進一步被冷卻到典型地為10°F至40°F，形成冷卻處理過的原料氣流7，其與組合再循環(huán)流8混合形成流9，其進一步在熱交換器104中冷卻。在該結(jié)構(gòu)中，熱交換器104使用常壓減壓的富溶劑流28提供的制冷，進一步將流9冷卻，典型的為-15°F至-45°F，從而形成冷卻流10。該冷卻流10從吸收器的下部進入吸收器105。應(yīng)特別注意將處理過的原料氣流冷卻到相對低的溫度(例如，大約-15°F至大約-45°F)使吸收器底部的溫度保持在特別低的水平(例如，大約0°F至大約-40°F)，這被用于使富溶劑中二氧化碳的含量達到最大，從而使溶劑循環(huán)和甲烷和碳氫化合物損失降低到最小。
進一步優(yōu)選的是，使用側(cè)冷卻器108控制和/或保持吸收器105下部的溫度在預定的吸收溫度。在這種結(jié)構(gòu)中，半富溶劑流13(通過在吸收器的上部吸收酸性氣體產(chǎn)生)通過側(cè)冷卻器泵106(流14)被泵送，在使用來自水輪機111的閃蒸富溶劑流21作為制冷劑的熱交換器108中被冷卻。該冷卻半貧溶劑流15，典型地在-10°F至-40°F，返回到吸收器105的下部中。
特別優(yōu)選的是，由來自水輪機111的閃蒸富溶劑流21(減壓富溶劑流)提供用于側(cè)冷卻器108的制冷劑。然而，應(yīng)該意識到各種其它的制冷劑也可以提供冷卻，適宜的制冷劑可以是內(nèi)部(在設(shè)備內(nèi)部制造)的或外部的。例如，用于側(cè)冷卻器108的制冷劑也可以通過閃蒸二氧化碳和/或通過膨脹渦輪來提供。或者，特別是當原料氣的壓力低時，可以通過循環(huán)氣冷卻器125和JT140產(chǎn)生的JT冷卻，或通過交換器102中具有外部制冷劑37的外部來源提供和/或補充制冷，特別是當原料氣壓低時。
應(yīng)特別注意到，當處理重氣時，在循環(huán)氣冷卻器125排出時形成碳氫化合物液流150。當減少氣體循環(huán)時，回收這些液體產(chǎn)品將增加該方法的經(jīng)濟利益。
因此，設(shè)置適宜的側(cè)冷卻器將有利地保持用于有效吸收酸性氣體的最佳吸收溫度。因此，應(yīng)該意識到在這種結(jié)構(gòu)中，優(yōu)選在低于吸收器上部溫度下操作吸收器的中部，當溶劑含有二氧化碳時(典型地溶劑將顯示低粘度和低表面張力)這將特別有利。
然后吸收器中的半富溶劑將進一步從原料氣中吸收二氧化碳，從而形成通過第一水輪機107離開吸收器的富溶劑16。第一水輪機107典型地將吸收器底部壓力降低至大約為原料氣壓力的一半，從而將富溶劑冷卻到大約-5°F至-35°F，形成減壓富溶劑流17。通常認為水輪機是高效能設(shè)備，當提供軸功驅(qū)動溶劑循環(huán)泵時，通過膨脹和閃蒸含有的二氧化碳產(chǎn)生制冷冷卻。
富溶劑17被閃蒸到分離器110中，產(chǎn)生第一閃蒸碳氫化合物蒸氣(第一碳氫化合物再循環(huán)流19)，通過再循環(huán)壓縮器124和流8回收到吸收器105中。該閃蒸溶劑流20在第二水輪機111中進一步膨脹至減少一半的壓力，形成膨脹富溶劑流21(典型地在-20°F至-40°F)，用于在熱交換器108中冷卻半富溶劑流14。來自熱交換器108的熱富溶劑，典型地在10°F至-10°F，在分離器112中被分離，產(chǎn)生第二閃蒸碳氫化合物蒸氣(第二碳氫化合物再循環(huán)流23)，通過再循環(huán)壓縮機124進行再循環(huán)。來自分離器112的閃蒸液流24在膨脹JT閥113中壓力進一步降低，典型地減少一半壓力，從而冷卻富溶劑到5°F至-15°F。該閃蒸溶劑25在分離器114中進行分離，產(chǎn)生第三閃蒸碳氫化合物蒸氣(第三碳氫化合物再循環(huán)流26)，通過再循環(huán)壓縮機124進行再循環(huán)。第一和第二水輪機107和111產(chǎn)生的能量能用于提供貧溶劑泵119、真空泵120、再循環(huán)壓縮機124所需的部分能量或用于能量再生。
來自分離器114的閃蒸液體27在膨脹JT閥115中降低壓力至超過常壓，從而進一步將富溶劑冷卻至-20°F至-45°F，其然后被用于在熱交換器104中冷卻原料氣。來自熱交換器104的熱富溶劑29，典型地在0°F至-40°F，然后在常壓下在分離器116中被分離，產(chǎn)生閃蒸二氧化碳流30，其被排出或用于增大油回采量。為了進一步增加溶劑再生率，流32中的常壓閃蒸溶劑31通過JT閥117膨脹至真空壓力(典型地為1到10psia)，其將在真空分離器118中進行分離，形成超貧溶劑流34和閃蒸二氧化碳蒸氣流33。通過貧溶劑泵119將超貧溶劑34抽至吸收器壓力用于吸收二氧化碳，通過壓縮超貧溶劑流35進行傳遞。因此也可以通過真空泵120壓縮二氧化碳形成壓縮二氧化碳流37。
應(yīng)該特別意識到這樣產(chǎn)生的二氧化碳流將含有超過95mol％的CO2，這對增大油回采量是適合的。如果需要，通過增加溫度和/或減少閃蒸分離器的壓力可以產(chǎn)生純度更高的二氧化碳流。符合管道二氧化碳要求的產(chǎn)物氣體典型地含有2％CO2這可以使用通過進一步降低真空分離器的真空壓力形成的超貧溶劑以及使用氣提氣(通過真空氣提)被進一步降低。
特別希望增大油回采量時，可以預期改進根據(jù)本發(fā)明主題的結(jié)構(gòu)，如圖3中所描述，其中相同的數(shù)字表示和圖2中顯示的相同的部件。根據(jù)圖3的設(shè)備機構(gòu)，額外的熱交換器109使用來自水輪機107的降壓富溶劑流17來冷卻二氧化碳流41。另外，閃蒸二氧化碳蒸氣33在真空泵120被壓縮至常壓，和流36相結(jié)合形成流38，仍進一步在壓縮機121中被壓縮。連續(xù)通過熱交換器122，123和109，壓縮二氧化碳流39被冷卻到它的液態(tài)(在流43中)。需要具有外部制冷(44)的一任意調(diào)整冷凝器124來補充冷凝二氧化碳所需的冷卻能效。二氧化碳液體43通過泵125被泵送到流46中用于增大油回采量的再次注入，典型地在4000psig。
或者，特別是原料氣壓力比較高(例如，高于1000psig)，可以采用上游膜分離單元，如圖4中所描述，其中相同的數(shù)字表示和圖3中相同的部件，在這種結(jié)構(gòu)中，特別優(yōu)選的是，一個或幾個膜分離器102作為大量二氧化碳除去單元在高壓下產(chǎn)生典型地含有30％至50％二氧化碳的非滲透流5，典型地含有60％至95％二氧化碳的滲透流4在滲透壓力下可以與其它二氧化碳流結(jié)合用于增大油回采量。當然，應(yīng)意識到特定的二氧化碳濃度至少部分取決于使用的特定的膜分離器，進一步取決于溶劑單元和產(chǎn)物氣體和二氧化碳流的處理要求?？蛇x擇地，或另外地，部分滲透流也可以適用于脫水單元的再生氣或氣提氣。
因此，應(yīng)特別意識到，通過富溶劑在水輪機和JT閥中的膨脹，原料氣中的二氧化碳含量將為溶劑冷卻以及二氧化碳流的液化效能提供制冷作用。應(yīng)進一步意識到如果需要另外的冷卻(例如，在比較低的供給壓力下)，通過再循環(huán)氣壓縮器124壓縮至高壓下的JT冷卻提供溶劑冷卻，在熱交換器125中冷卻，使用JT閥140降壓至吸收器壓力。
關(guān)于適宜的原料氣，考慮很多天然和合成原料氣都是適合的。然而，特別優(yōu)選的原料氣包括天然氣，特別是含有至少大約5mol％二氧化碳的天然氣，更典型地是至少大約10mol％，最典型地是至少10至75mol％，因此特別適宜的原料流包括來自油氣田，例如阿拉斯加、挪威、東南亞和墨西哥灣的天然氣原料流。相似的，適宜的原料氣中的酸性氣體含量(特別是二氧化碳含量)可以進行變化，將主要取決于原料氣的來源。然而通常優(yōu)選的，是酸性氣體含量為至少大約5mol％，更典型地是大約10mol％，最典型地是至少20至75mol％。下面表1中給出一典型的原料氣組合物

表1此外，應(yīng)意識到預期的原料氣的壓力可以進行相當大地變化，適宜的壓力范圍在常壓和幾千個psig之間。然而，特別優(yōu)選是原料氣具有至少400psig壓力，更典型地是至少1000psig，更典型的是至少3000psig，最典型地是至少5000psig。然而，通?？紤]到至少部分原料氣壓力是由井中含有的氣體的壓力引起，也應(yīng)意識到適當?shù)那闆r下，也可以使用一個或幾個壓縮機增加壓力。
在本發(fā)明主題更進一步的方面，考慮到在原料氣進入吸收器前優(yōu)選進行冷卻，特別優(yōu)選地是原料氣的冷卻至少部分受到一個或幾個熱交換器中的產(chǎn)物氣體(例如，吸收器塔頂流)的影響。至于冷卻的程度，通?？紤]原料氣可以被冷卻至各種溫度。然而，特別優(yōu)選的是原料流將被冷卻至剛剛高于氣體水合點的溫度。冷卻的原料氣流然后被送入分離器，其中至少原料氣中含有的部分水從冷卻原料流中被除去，形成部分脫水原料氣。
這樣形成的部分脫水原料氣然后被進一步處理除去更高的碳氫化合物(例如，C6+)，然后仍進一步在脫水單元(所有已知的氣體脫水單元都適用)中脫水。例如，可以采用乙二醇或分子篩進行進一步脫水。原料的脫水是特別有利的，因為吸收過程可以在相當?shù)偷臏囟认逻M行。此外，在非常干燥狀態(tài)下產(chǎn)生產(chǎn)物氣體和二氧化碳能消除產(chǎn)物氣體的任何下游脫水。
在更進一步優(yōu)選的方面，特別是原料氣壓力和/或二氧化碳含量比較高時，預期可以在膜分離器中進一步分離脫水原料氣，產(chǎn)生富含二氧化碳的滲透，其可用于增大油回采量或脫水單元的再生氣以及用于下游溶劑吸收的非滲透。然而，當原料氣中的二氧化碳含量小于50％，最典型為至少10至45％時，可以不需要使用膜分離器。在使用膜分離器特別優(yōu)選考慮的結(jié)構(gòu)中，在第一熱交換器中，其中由產(chǎn)物氣體提供冷卻效能(例如吸收器塔頂流)，和第二熱交換器中，其中由膨脹的富溶劑進一步提供冷卻，冷卻干燥的非滲透。膜分離技術(shù)對該分離具有吸引力，因為使用高井頂氣(wellhead gas)壓力作為分離的驅(qū)動壓力進行處理。傳統(tǒng)的膜分離器，例如纖維素乙酸酯膜，為在滲透流中損失甲烷最少地除去二氧化碳提供足夠的選擇。
因此，應(yīng)特別意識到適宜的吸收器能在比較高的壓力下進行操作，特別預期在至少500psi的高壓，典型地至少在1000psi，更典型地在至少3000psi，最典型地是在至少5000psi。因此應(yīng)意識到預期的吸收器可以在氣相超臨界區(qū)域進行操作。這里使用的“在氣相超臨界區(qū)域操作”指的是如果不是全部原料氣，至少在一部分原料氣處于超臨界狀態(tài)的條件下操作吸收器。此外，通過在氣相超臨界區(qū)域操作吸收過程，典型地避免了碳氫化合物冷凝，目前這在迄今已知的方法中是一個重要的問題。在更進一步預期的方面中，吸收器的類型不需要限制到特定的結(jié)構(gòu)，于此認為所有已知的吸收器結(jié)構(gòu)在這里都適用，然而，特別優(yōu)選的接觸設(shè)備包括填充床或盤結(jié)構(gòu)。
關(guān)于預期的吸收器中使用的溶劑，應(yīng)意識到所有的物理溶劑和它的混合物都是適合的。本領(lǐng)域有很多已知的物理溶劑，示例性的優(yōu)選物理溶劑包括碳酸丙二酯、磷酸三丁酯、正甲基吡咯烷酮、聚乙二醇二甲醚和/或各種聚乙二醇二烴基醚?；蛘?，可以使用其它溶劑包括具有相似性質(zhì)的增強叔胺(例如哌嗪)作為物理溶劑。
因此，吸收器將提供減少酸性氣體，特別是減少二氧化碳的產(chǎn)物氣體。此外，應(yīng)意識到由于吸收器接收冷卻以及脫水的原料氣，產(chǎn)物氣將典型地符合所有或幾乎所有銷售氣體要求以及通過高壓管道運輸?shù)囊?。?yīng)進一步特別意識到在吸收器中形成的富溶劑可以在比較高的壓力下離開吸收器底部(例如，至少500psi，更典型地在1000至3000psi之間)，因此，可以被利用提供功(work)(例如，用于產(chǎn)生電能)和/或在分離過程中冷卻各種流。
在特別優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，使用第一水輪機降低富溶劑的壓力以產(chǎn)生機械或電能，然后減壓的富溶劑在分離器中分離成含碳氫化合物的第一再循環(huán)流和第一富溶劑，其隨后(任意)在增大油回采量應(yīng)用中被用作冷卻劑來冷卻二氧化碳流(其中從原料氣中產(chǎn)生二氧化碳)。當使用第二水輪機進一步壓縮第一富溶劑從而進一步產(chǎn)生機械或電能時，含有碳氫化合物的第一再循環(huán)流優(yōu)選再循環(huán)到吸收器中。然后進一步減壓的富溶劑流在熱交換器中(優(yōu)選為吸收器的側(cè)冷卻器)用作冷卻劑，其在吸收器中冷卻半富溶劑，以保持吸收器在理想的溫度。當經(jīng)過熱交換器后，然后進一步減壓的富溶劑流在第二分離器中被分離成第二富溶劑和被再循環(huán)到吸收器中的第二含碳氫化合物的再循環(huán)流。從第二分離器中，富溶劑流通過JT閥進一步被降壓，然后在第三分離器中分離成第三富溶劑和被再循環(huán)到吸收器中的第三含碳氫化合物的再循環(huán)流。然后第三減壓富溶劑進一步被減壓至常壓，產(chǎn)生用于冷卻原料氣、保持吸收器具有理想的底部溫度的制冷。
由減壓富溶劑提供制冷，在多數(shù)情況下不需要補充制冷(特別是在高原料壓力下操作中)。如果需要額外的制冷，可以通過再循環(huán)氣冷卻器和JT閥產(chǎn)生的JT冷卻內(nèi)部得到，或來自具有制冷劑的交換器中的外部來源。此外，特定的熱交換器順序可依據(jù)原料氣、溶劑循環(huán)和二氧化碳液化效能要求改變。例如，第一減壓富溶劑可以被用于冷卻原料氣，而不是二氧化碳流，第二減壓富溶劑可以被用于冷凝二氧化碳流而不是側(cè)冷卻器，第三減壓富溶劑冷卻劑可以被用于冷卻側(cè)冷卻器而不是冷卻原料氣。因此，在優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，具有理想的熱物理性質(zhì)的貧溶劑在較高的溫度下形成，這增強了吸收過程的流體動力學性能，盡可能最低溫度的富溶劑能使溶劑含有二氧化碳的容量最大。因此預期的方法將比目前已知的基于溶劑的除去酸性氣體的方法產(chǎn)生較低的溶劑循環(huán)，較低甲烷和碳氫化合物損失，較低能量消耗。
可以在各種結(jié)構(gòu)中進行富溶劑閃蒸，通?？紤]所有已知的結(jié)構(gòu)在這里都適用。然而，典型優(yōu)選的是，富溶劑(在提供功和/或冷卻后)進一步降低壓力直至足夠釋放至少80％(更典型地為至少90％，最典型地為至少95％)溶解二氧化碳為止。然后在分離器中從貧溶劑中分離出這樣產(chǎn)生的二氧化碳(典型地在常壓和低于常壓下操作)。應(yīng)特別意識到這樣產(chǎn)生的二氧化碳流含有超過90％的二氧化碳，更典型地是至少95％。因此這樣形成的二氧化碳流特別適合在增大油回采量中使用。
在本發(fā)明主題更進一步考慮的方面中，來自分離器的貧溶劑通過JT閥進一步降低壓力，被送入真空分離器中，優(yōu)選的真空分離器在大約1至10psia之間的壓力下進行操作，這可以通過液封的真空泵產(chǎn)生。來自貧溶劑的殘留的二氧化碳(典型地具有至少95％的純度)在真空分離器中被除去，也可以在增大油回采量中被使用，如圖3和4中所示。然后物理溶劑在氣提氣輔助的深真空條件下被再生，通過貧溶劑泵被再循環(huán)到吸收器中。在特別優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，真空分離器可以使用貧氣(例如，一部分產(chǎn)物氣)作為氣提氣產(chǎn)生超貧溶劑。然而，在可選擇的結(jié)構(gòu)中，除了產(chǎn)物氣的各種氣也是適宜的，包括來自設(shè)備中其它流的氣體，甚至包括氮氣或空氣。應(yīng)進一步意識到，在這種結(jié)構(gòu)中結(jié)合氣體氣提塔使用真空分離器產(chǎn)生非常貧的溶劑，能產(chǎn)生具有典型小于1000ppmv濃度的CO2的處理氣。
因此，預期的結(jié)構(gòu)將提供高壓的管道品質(zhì)氣體以及二氧化碳液流，其能被用于增大油回采量，其中通過富溶劑的連續(xù)降壓制冷。在特別優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，預期的酸性氣體除去設(shè)備可以在沒有外部制冷，以及很高的壓力下進行操作，這樣的結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生制冷，其被用于冷凝二氧化碳以進一步在增大油回采量中使用。除了提供用于除去來自吸收器的吸收熱的制冷劑，連續(xù)的降壓將使含有甲烷和碳氫化合物的閃蒸蒸氣返回到吸收器中，其在再循環(huán)過程中基本上全部被回收。此外，使用來自吸收器的產(chǎn)物氣和常壓下的減壓溶劑冷卻到吸收器中的原料氣，以保持吸收器底部理想的低溫范圍。因此預期熱交換結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非常接近等溫線或遞減溫度曲線的吸收器溫度曲線，這導致了增強塔的流體動力學性能以及吸收效率的有利的物理特性。
在特別優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，原料氣含有天然氣，應(yīng)意識到產(chǎn)物氣含有原料氣中存在的至少90％，更典型地至少95％，最典型地至少99％的天然氣。不希望被任何理論或假設(shè)所限制，預期通過提供至少一個，更優(yōu)選地為三個返回到吸收器中的含有碳氫化合物的再循環(huán)流，和/或通過在等溫或頂部-底部遞減的熱量梯度下操作吸收器得到產(chǎn)物氣中這樣相對較高的天然氣回收率。適宜的再循環(huán)氣體壓縮機是所有能將第一和第二含有碳氫化合物的再循環(huán)氣流壓縮至等于或大約為冷卻及脫水原料氣壓力的壓縮機。相似的，預期貧溶劑泵將提供適于將貧溶劑引入吸收器的溶劑壓力。
因此，與高二氧化碳分壓、使用胺或其它物理溶劑或膜的傳統(tǒng)二氧化碳除去方法相比，預期根據(jù)本發(fā)明主題的結(jié)構(gòu)將顯著減少整體能量消耗以及資本費用。此外，預期的結(jié)構(gòu)和方法通常不需要外部熱源或制冷，從而將一步降低能量消耗。更進一步，增大油回采量方案經(jīng)常面臨原料氣中二氧化碳濃度的增加，典型地是從10％增至高達60％。預期的結(jié)構(gòu)和方法能通過基本相同的溶劑循環(huán)適應(yīng)這些改變。
預期的結(jié)構(gòu)的進一步改進在于，由于在低溫下操作和物理溶劑中少水，該方法通常是非腐蝕方法。相反，傳統(tǒng)的除去二氧化碳的胺單元通常操作和維護更加復雜，這樣的方法容易被腐蝕，在操作過程中經(jīng)常需要注入防沫劑和防腐蝕劑。更進一步，預期的物理溶劑方法的另一改進在于，不象胺方法，溶劑循環(huán)率對增加二氧化碳分壓不太敏感，因為富溶劑中二氧化碳的含量僅僅隨著原料氣中二氧化碳濃度增加而增加。在胺單元設(shè)計中，胺循環(huán)率隨著二氧化碳含量增加將呈線性增加。
與已知的胺處理方法相比，預期的物理溶劑方法的另一改進在于，其簡單性和抗凍性，因此需要較少的象蒸汽鍋爐這樣的維持設(shè)施和實用系統(tǒng)。例如，預期的操作高二氧化碳含量的原料氣結(jié)構(gòu)可以不需要任何冷卻效能，由于從富溶劑中閃蒸二氧化碳將提供需要的冷卻和再生。發(fā)明者進一步預期操作具有真空再生的設(shè)備可得到含量非常低的殘留二氧化碳。
因此，已經(jīng)公開了用于增強除去二氧化碳的結(jié)構(gòu)和方法的特定實施例和應(yīng)用。然而，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的是，除了這些已經(jīng)描述以外的更多改進是可能的，沒有背離這里的發(fā)明構(gòu)思。因此本發(fā)明主題，除了在下面提出的權(quán)利要求的精神之外不應(yīng)被限制。此外，在用于解釋說明書和提出的權(quán)利要求時，所有的術(shù)語應(yīng)該以與說明書一致的盡可能最寬的方式解釋。特別的，術(shù)語“包括”應(yīng)被解釋為指的是非專有方式的元件、組分或步驟，表示引用的元件、組分或步驟可以存在、或利用、或與其它沒有被特別提及的元件、組分或步驟結(jié)合。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，包括接收壓力至少為400psig、含有至少5mol％二氧化碳的原料氣的吸收器，其中可以在等溫或從頂部-底部遞減的熱量梯度下操作吸收器，其中吸收器采用物理溶劑，至少從原料氣中部分除去酸性氣體。
2.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中吸收器產(chǎn)生半富溶劑和富溶劑，其中通過至少部分膨脹的富溶劑冷卻該半富溶劑。
3.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中吸收器產(chǎn)生至少進行兩步膨脹的富溶劑，其中一步的膨脹產(chǎn)生功，其中另一步的膨脹為吸收器產(chǎn)生的半富溶劑和二氧化碳產(chǎn)品中的至少一個提供制冷。
4.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中吸收器產(chǎn)生至少進行三步膨脹的富溶劑，其中至少三步的膨脹分別產(chǎn)生至少三個再循環(huán)流，并且至少三個再循環(huán)流被送入吸收器中。
5.權(quán)利要求4的設(shè)備，其中至少三個再循環(huán)流被壓縮形成壓縮再循環(huán)流，其中由壓縮再循環(huán)流的Joule-Thomson冷卻提供進一步制冷。
6.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中通過至少部分膨脹的富溶劑冷卻原料氣。
7.權(quán)利要求6的設(shè)備，其中通過吸收器塔頂產(chǎn)物進一步冷卻原料氣。
8.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中在大約1psia至10psia之間壓力下從物理溶劑中除去至少部分酸性氣體。
9.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中原料氣具有大約400psig至大約3000psig之間的壓力，其中原料氣至少部分被脫水。
10.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中原料氣中酸性氣體的含量在大約10mol％至大約75mol％之間。
11.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中原料氣含有天然氣。
12.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中在吸收器底部溫度為大約-25°F至大約-45°F時操作。
13.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中吸收器產(chǎn)生富溶劑，其膨脹而為二氧化碳產(chǎn)品提供制冷。
14.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中原料氣具有至少1000psig的壓力，其中使用膜分離器從原料氣中至少除去部分酸性氣體。
15.一種設(shè)備包括接收至少含有5mol％酸性氣體、壓力至少為400psig的天然氣的吸收器；在吸收器中至少吸收一部分酸性氣體形成半富溶劑的物理溶劑；流體地結(jié)合到吸收器的冷卻器，其接收和冷卻半富溶劑，提供冷卻的半富溶劑返回吸收器，其中冷卻的半富溶劑進一步吸收至少另一部分酸性氣體形成富溶劑；以及其中通過膨脹富溶劑至少部分冷卻天然氣和半富溶劑。
16.權(quán)利要求15的設(shè)備，其中冷卻天然氣和半富溶劑在吸收器中提供等溫或頂部-底部遞減的熱量梯度。
17.權(quán)利要求15的設(shè)備，其中膨脹富溶劑提供至少一個含碳氫化合物的再循環(huán)流，其中至少一個含碳氫化合物的再循環(huán)流被送回吸收器。
18.權(quán)利要求17的設(shè)備，其中該至少一個再循環(huán)流被壓縮形成壓縮再循環(huán)流，其中由壓縮再循環(huán)流的Joule-Thomson冷卻提供進一步制冷。
19.權(quán)利要求17的設(shè)備，其中富溶劑的進一步膨脹至少從溶劑中釋放部分酸性氣體，其中在大約1psia至大約10psia的壓力下進一步的真空氣提產(chǎn)生貧溶劑。
20.權(quán)利要求15的設(shè)備，其中天然氣具有至少大約1000psig的壓力，其中使用膜分離器至少從天然氣中除去部分酸性氣體。
21.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中在再循環(huán)氣冷卻器排出時形成碳氫化合物液流，其中當減少一些再循環(huán)氣時，碳氫化合物液流作為液體產(chǎn)品被回收。
22.權(quán)利要求17的設(shè)備，其中在再循環(huán)氣冷卻器排出時形成碳氫化合物液流，其中當減少一些再循環(huán)氣時，碳氫化合物液流作為液體產(chǎn)品被回收。
全文摘要
一種設(shè)備，包括接收壓力至少為400psig以及含有至少5mol％二氧化碳的原料氣(10)的吸收器(105)，其中吸收器(105)可以在等溫或從頂部－底部遞減的熱量梯度下進行操作，其中吸收器(105)采用物理溶劑，至少從原料氣(10)中部分除去酸性氣體。通過富溶劑(21)在吸收器(105)中產(chǎn)生膨脹，這種結(jié)構(gòu)有利地提供了冷卻(108)，其中生成的并被再循環(huán)到吸收器(105)的半富溶劑(13)和原料氣(10)兩者都通過富溶劑(21)膨脹冷卻。
文檔編號C10L3/10GK1668364SQ02829613
公開日2005年9月14日 申請日期2002年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月17日
發(fā)明者J·麥 申請人:弗勞爾公司