專利名稱：改進(jìn)酸性氣體脫除的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明領(lǐng)域?yàn)閺牟煌瑲怏w流中脫除酸性氣體。
背景技術(shù)：
從不同氣體流中脫除酸性氣體，尤其是從天然氣中脫除二氧化碳，隨著不同氣體流中酸性氣體含量的增加而成為越來(lái)越重要的工藝。例如，用增強(qiáng)油回收法而得的天然氣中二氧化碳濃度一般會(huì)從10％增加到約60％?，F(xiàn)有技術(shù)中有許多已知的方法脫除酸性氣體，所有的或者幾乎所有的方法都可劃歸如下三種類型中的一種。
在第一種類型中，可利用一個(gè)或多個(gè)膜從氣態(tài)進(jìn)料流中物理分離酸性氣體。典型的膜系統(tǒng)包括預(yù)處理滑架和一系列膜組件。膜系統(tǒng)通常非常適用于對(duì)不同氣體體積和產(chǎn)品氣體標(biāo)準(zhǔn)的處理。而且，膜系統(tǒng)相對(duì)緊湊，因此使膜系統(tǒng)對(duì)海上氣體處理來(lái)說(shuō)是特別可行的選擇。然而，膜系統(tǒng)易受進(jìn)料氣體中重?zé)N類物質(zhì)含量的損害。而且，脫除二氧化碳到相對(duì)低含量一般要求多階段膜分離器和各階段間的再壓縮，這些相對(duì)來(lái)說(shuō)比較昂貴。
在第二種類型中，用一種化學(xué)溶劑與酸性氣體反應(yīng)以形成酸性氣體絡(luò)合物(典型為非共價(jià)絡(luò)合物)。在涉及酸性氣體與溶劑之間的化學(xué)反應(yīng)的方法中，原料氣一般用如US3,563,695所描述的弱無(wú)機(jī)酸的堿性鹽溶液進(jìn)行洗氣，或者用如US2,177,068所描述的有機(jī)酸或堿的堿性溶液進(jìn)行洗氣。這些化學(xué)反應(yīng)過(guò)程普遍需要熱量再生和化學(xué)溶劑的冷卻，而且經(jīng)常涉及大量化學(xué)溶劑的再循環(huán)。不僅如此，吸收不斷增加的酸性氣體的化學(xué)溶劑所需的用量通常會(huì)顯著地增加，因此，當(dāng)進(jìn)料氣體中酸性氣體含量隨著時(shí)間增加時(shí)，使得化學(xué)溶劑的使用成為問(wèn)題。
在第三種類型中，使用物理溶劑從進(jìn)料氣中脫除酸性氣體，其中有大量的酸性氣體與溶劑反應(yīng)。酸性氣體的物理吸收主要依賴于對(duì)要被除去的特定酸性氣體(如CO2或H2S)氣態(tài)組分使用具有選擇性溶解度的溶劑，而且更進(jìn)一步依賴于溶劑的壓力和溫度。例如，甲醇可被用作低沸點(diǎn)有機(jī)物理溶劑，如US2,863,527中的示例。但是，冷卻所需的能量輸入相對(duì)高，而且該工藝一般表現(xiàn)出比設(shè)想要多的甲烷和乙烷吸收，因而為再壓縮和回收需要大量的能量輸入。
作為替換，可在環(huán)境溫度或稍低于環(huán)境溫度下操作物理溶劑，包括如US2,926,751所描述的碳酸丙烯酯和US3,505,784所描述的N-甲基吡咯烷酮或乙二醇醚。雖然這些溶劑可減少冷卻要求，但大多數(shù)基于碳酸丙烯酯的吸收過(guò)程僅限于小于1000psi的吸收壓力(即次臨界壓力)。更進(jìn)一步的已知方法中，物理溶劑還可包括如US2,649,166所公開(kāi)的聚乙二醇醚和特別指出的二甲氧基四甘醇，或如US3,773,896所描述的N-取代嗎啉。雖然使用物理溶劑避免了至少某些與化學(xué)溶劑和膜有關(guān)的問(wèn)題，但也引起許多新困難。其中，從高壓進(jìn)料氣體中脫除二氧化碳常被限制于次臨界壓力。而且，隨著水含量增加，溶劑環(huán)路中可能會(huì)出現(xiàn)冷凍，因此需要相對(duì)高的溫度，從而降低了吸收過(guò)程的效率。另一方面，物理溶劑一般需要蒸汽或外部加熱來(lái)使溶劑再生，以便生成適合于脫除酸性氣體到ppm級(jí)別的極貧溶劑。
因此，盡管現(xiàn)有很多裝置和方法可從進(jìn)料氣中脫除酸性氣體，但是所有的或幾乎所有的裝置和方法都有這樣或那樣的缺點(diǎn)。所以，仍然還存在提供改善酸性氣體脫除的方法和裝置的必要。
發(fā)明簡(jiǎn)述本發(fā)明針對(duì)從進(jìn)料氣流中脫除酸性氣體成分的設(shè)備的裝置和方法，其中該進(jìn)料氣流包含至少5mol％的二氧化碳并且具有至少1000psi的壓力。
本發(fā)明主題的一個(gè)方面是，一個(gè)含有吸收器的設(shè)備(plant)，該吸收器在氣相超臨界區(qū)域操作而且接收包含至少5摩爾％二氧化碳的脫水進(jìn)料氣，其中物理溶劑吸收吸收器中至少部分二氧化碳以形成含有至少95摩爾％二氧化碳的二氧化碳流。
該裝置中的進(jìn)料氣優(yōu)選冷卻到進(jìn)料氣水合點(diǎn)以上的溫度以除去大部分的水含量，該冷卻進(jìn)料氣然后在進(jìn)入吸收器之前于脫水單元中脫水。進(jìn)一步優(yōu)選進(jìn)料氣(例如天然氣)壓力為約3000psig到約5000psig。
尤其優(yōu)選的物理溶劑包含碳酸丙烯酯，據(jù)預(yù)期，吸收器由降壓的物理溶劑形成富溶劑，因此對(duì)二氧化碳流提供冷卻，還提供進(jìn)料到吸收器的一級(jí)烴循環(huán)流。在其它方面，降壓的富溶劑被進(jìn)一步降壓，從而對(duì)吸收器中的溶劑提供冷卻，而且還提供進(jìn)料到吸收器的二級(jí)烴循環(huán)流。然后，進(jìn)一步降壓的富溶劑可被放出，并在分離器中被分離成貧溶劑和二氧化碳流。
在烴循環(huán)流生成處，預(yù)計(jì)該烴循環(huán)流將在壓縮機(jī)中被壓縮到吸收器的壓力，然后該壓縮的合并循環(huán)流可與脫水的進(jìn)料氣混合。優(yōu)選裝置中的貧溶劑可用汽提氣在真空汽提單元來(lái)處理，因而為吸收器再生物理溶劑，而且還生成燃料氣體，同時(shí)，吸收器中的產(chǎn)物氣體可冷卻進(jìn)料氣。并不局限于本發(fā)明主題，更進(jìn)一步優(yōu)選產(chǎn)物氣體中包含至少99％的天然氣，而且二氧化碳流被用于增強(qiáng)油回收法中。
如果產(chǎn)物氣體要求非常低的酸氣標(biāo)準(zhǔn)，則考慮在優(yōu)選裝置中的貧溶劑包含從真空汽提塔中出來(lái)的至少兩種物流。部分汽提的溶劑是在汽提塔的上半部生成，并被泵送到吸收器的中間部位；從汽提塔下半部出來(lái)的過(guò)度汽提(ultra stripped)的貧溶劑被冷卻且泵送到吸收器的頂部。該過(guò)度汽提的貧溶劑裝置能生產(chǎn)出滿足ppm級(jí)別酸性氣體標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)物氣體，而該級(jí)別酸氣在以前只能通過(guò)熱再生的溶劑而獲得。
因此，本發(fā)明主題的另一方面，氣體處理設(shè)備可含有一種吸收器，該吸收器接收壓力至少為1000psi而且包含至少5摩爾％二氧化碳的進(jìn)料氣。其中吸收器采用物理溶劑來(lái)生產(chǎn)富溶劑和至少部分地消耗了二氧化碳的產(chǎn)物氣體。合適的設(shè)備還可進(jìn)一步包括對(duì)富溶劑減壓的一級(jí)渦輪機(jī)和從減壓富溶劑中分離一級(jí)烴成分的一級(jí)分離器，從而生產(chǎn)一級(jí)烴循環(huán)流和一級(jí)富溶劑；二級(jí)渦輪機(jī)進(jìn)一步對(duì)一級(jí)富溶劑減壓，而冷卻器利用進(jìn)一步減壓的一級(jí)富溶劑來(lái)冷卻物理溶劑，以維持吸收器的底部溫度在想要的溫度范圍。在該裝置中，優(yōu)選進(jìn)一步被減壓的一級(jí)溶劑在二級(jí)分離器中被分離，該分離器從進(jìn)一步被減壓的一級(jí)溶劑中分離二級(jí)烴成分，從而生產(chǎn)二級(jí)烴循環(huán)流和二級(jí)富溶劑，并且其中一級(jí)和二級(jí)烴循環(huán)流進(jìn)入吸收器。
由此，設(shè)備運(yùn)行的方法可包括如下一個(gè)步驟，其中提供吸收器來(lái)接收壓力至少為1000psi且含有酸性氣體的進(jìn)料氣體。在另一步驟中，將至少部分酸性氣體用物理溶劑從進(jìn)料氣體中脫除，從而生成產(chǎn)物氣體和富溶劑；在另一步驟中，富溶劑的壓力被降低，以形成被進(jìn)料到吸收器中的烴循環(huán)流，因而生成減壓富溶劑。在又一步驟中，減壓富溶劑被用來(lái)冷卻物理溶劑，從而維持吸收器的底部溫度在想要的溫度范圍并且形成熱減壓富溶劑；在另一步驟中，熱減壓富溶劑被分離成含有至少部分酸性氣體的物流，從而形成貧溶劑。在另一步驟中，該貧溶劑被減壓到真空汽提塔中，在此生成部分汽提的貧溶劑和過(guò)度汽提的貧溶劑，這兩者進(jìn)料到吸收器的兩個(gè)不同位置。汽提塔的塔頂氣體可用作設(shè)備燃料氣。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是根據(jù)本發(fā)明主題的示范裝置的示意圖。
圖2是典型的過(guò)度抽提的貧溶劑工藝的示意圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)酸性氣體可從高壓和二氧化碳含量至少為5摩爾％的進(jìn)料流中被脫除，使用的方法和裝置包含一個(gè)吸收器，該吸收器在氣相超臨界區(qū)域運(yùn)行并接收含有至少為5摩爾％二氧化碳的脫水進(jìn)料氣體，其中物理溶劑在吸收器中吸收至少部分二氧化碳以形成含有至少95摩爾％二氧化碳的二氧化碳流。
在如圖1中所描述的優(yōu)選的構(gòu)造中，設(shè)備含有進(jìn)料冷卻器100，其可將進(jìn)料氣體1從100°F冷卻到60°F，剛好在進(jìn)料氣體水合點(diǎn)以上。冷卻器100的冷源由產(chǎn)物氣體10提供(即經(jīng)管線44離開(kāi)冷卻器的吸收器塔頂氣體流)，一般為-20°F。冷卻的進(jìn)料氣體2中的水是在進(jìn)料氣體分離器101經(jīng)由管線5被脫除的(任選的H2S脫除床可提供額外的H2S脫除)。這種部分脫水和冷卻的進(jìn)料氣體4于在高壓(例如進(jìn)料氣體壓力)操作下的脫水單元102中進(jìn)一步干燥。脫水進(jìn)料氣體6在冷卻器100中被進(jìn)一步冷卻到約30°F并經(jīng)由管線7與合并循環(huán)流8混合(見(jiàn)下文)，然后經(jīng)由管線9進(jìn)料到吸收器103的底部。側(cè)冷卻器泵104將富溶劑從氣體進(jìn)料盤上面的位置經(jīng)由管線13和14泵送到冷卻富溶劑的側(cè)冷卻器105。冷卻的富溶劑經(jīng)由管線15返回到吸收器。
特別優(yōu)選側(cè)冷卻器105的冷卻劑源來(lái)自閃蒸的富溶劑流20(進(jìn)一步減壓的富溶劑流)，其來(lái)自二級(jí)水輪機(jī)109。然而，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到也可以由外部冷源(例如經(jīng)由物流42)來(lái)補(bǔ)充冷卻。因此，配置適當(dāng)?shù)睦鋮s器來(lái)維持恒定的吸收器底部溫度(例如10到40°F)以有效地吸收酸性氣體。一級(jí)水輪機(jī)106將吸收器底部壓力降低到350psig至700psig，因而將富溶劑12冷卻到5°F至35°F，生成減壓富溶劑流16。來(lái)自一級(jí)分離器107的閃蒸烴蒸氣(一級(jí)烴循環(huán)流17)經(jīng)由循環(huán)壓縮機(jī)111被回收到吸收器103中。從一級(jí)分離器107出來(lái)的閃蒸溶劑(一級(jí)富溶劑18)被來(lái)自分離器113的二氧化碳蒸氣28在冷卻器108中冷卻。任選的額外的冷卻可由外部冷源經(jīng)由物流40來(lái)提供。管線19中的溶劑被冷卻到約0°F到30°F，進(jìn)一步用二級(jí)水輪機(jī)109減壓到約150～300psig，同時(shí)將一級(jí)富溶劑18冷卻到約-2°F至28°F，因此形成深度減壓的富溶劑流20。深度減壓的富溶劑流20然后用于提供側(cè)冷卻器105的冷卻需求。離開(kāi)側(cè)冷卻器105后，富溶劑流24在二級(jí)分離器110中被分離，而從二級(jí)分離器110出來(lái)的閃蒸烴蒸氣(二級(jí)烴循環(huán)流25)經(jīng)由循環(huán)壓縮機(jī)111被回收到吸收器中。循環(huán)壓縮機(jī)111放出物流8(即合并循環(huán)流)到冷卻器121，然后與來(lái)自管線7的冷卻和脫水的進(jìn)料氣體混合，形成合并進(jìn)料流9并被進(jìn)料到吸收器103。
從二級(jí)分離器110出來(lái)的閃蒸溶劑(二級(jí)富溶劑26)由JT閥112減壓到管線27并在于大氣壓下操作的分離器113中被分離。從分離器113(在-23°F到0°F操作)出來(lái)的物流28中的閃蒸蒸氣(二氧化碳流)將含有95％以上的CO2。物流28中的制冷劑在冷卻器108中被回收。升溫的閃蒸蒸氣經(jīng)由管線22被用于增強(qiáng)油回收，從分離器113出來(lái)的貧(閃蒸)溶劑液體29由JT閥114減壓到物流30。
真空分離器115在真空度為0.7到7.0psia之間操作。真空度是由液封真空泵118維持。管線32和36中的排出氣體含有95％以上的CO2，這可用于增強(qiáng)油回收。從真空分離器115出來(lái)的閃蒸溶劑液體經(jīng)由管線31被送到在0.4～6.7psia下操作的汽提塔(該汽提氣體主要含有甲烷，可從吸收器中的已處理氣體流中提取)。汽提氣體33(貧氣體)的用量一般小于總進(jìn)料氣體的0.5％。從汽提塔116出來(lái)的汽提后的氣體會(huì)含有約30％到50％的CO2，而且在由燃料氣體壓縮機(jī)119壓縮到燃料壓力后可被用作燃料氣體34。從汽提塔116出來(lái)的汽提后的貧溶劑35會(huì)在溶劑中含有0.1～0.02摩爾％的CO2，其被泵到吸收器壓力(優(yōu)選壓力在1000～4000psig之間)，然后經(jīng)管線37再引入到吸收器103。一級(jí)和二級(jí)水輪機(jī)106和109產(chǎn)生的動(dòng)力可用于提供貧溶劑泵117、真空泵36和燃料氣體壓縮機(jī)119所需要的部分動(dòng)力。
如果產(chǎn)物氣體要求達(dá)到ppm級(jí)別酸性氣體標(biāo)準(zhǔn)，則可使用圖2所示的過(guò)度汽提溶劑裝置。該裝置一般基于圖1所示的示范裝置，包括一個(gè)高級(jí)汽提塔裝置，其可為酸性氣體吸收生產(chǎn)超貧溶劑。汽提塔一般具有上半部分200和下半部分116，二者被收集盤201所隔開(kāi)。汽提部分200產(chǎn)生部分汽提的、收集到收集盤201中的溶劑。物流201一般占總?cè)軇┝鞯?0％到80％，其由貧溶劑泵203從收集盤201中抽出，并進(jìn)料到吸收器103的中間部位。殘余物流211一般占總?cè)軇┝鞯?0％到50％，其在熱交換器203中用進(jìn)料氣體流9一般被加熱到約55°F。進(jìn)料氣體在熱交換器203中冷卻生成一般在-10°F到20°F的物流214。由于氣體在脫水單元102已經(jīng)被干燥，所以在所有或幾乎所有情況下水的冷凍都不成問(wèn)題。因此，應(yīng)當(dāng)特別注意到的是集成汽提塔產(chǎn)生進(jìn)料到吸收器不同部位的兩個(gè)汽提溶劑流，從而通過(guò)在下半段汽提部分保持蒸氣與液體的高比率而生成極貧溶劑。
關(guān)于合適的進(jìn)料氣體，預(yù)期許多的天然和合成進(jìn)料氣體都適合。但是，特別優(yōu)選包括天然氣的進(jìn)料氣體，尤其是二氧化碳含量為至少約5摩爾％的天然氣，更典型的是至少約10摩爾％，最典型的是至少約20摩爾％。因此，尤其合適的進(jìn)料流包括來(lái)自油田，例如阿拉斯加PrudhoeBay和挪威Orman Lange的天然氣進(jìn)料流。同樣，合適的進(jìn)料氣體的酸性氣含量(尤其是二氧化碳含量)可能不同，而且會(huì)主要依賴于進(jìn)料氣體的來(lái)源。但是，一般優(yōu)選酸性氣體含量至少約為5摩爾％，更典型的是至少約10摩爾％，最典型的是至少約20摩爾％。典型的進(jìn)料流組成列于下表1中。
表1
而且，也應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到預(yù)期的進(jìn)料氣體的壓力可能變化很大，合適的壓力會(huì)在大氣壓和幾千psi之間的范圍。然而特別優(yōu)選進(jìn)料氣體壓力至少為1000psig，更典型的是至少2000psig，尤其更典型的是至少約3000psig，最典型的是至少約5000psig。不僅如此，雖然一般普遍認(rèn)為至少部分進(jìn)料氣體的壓力取決于油井所含氣體的壓力，但也應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，壓力也可根據(jù)需要通過(guò)一個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)來(lái)增加。
在進(jìn)一步的預(yù)期方面，進(jìn)料流在進(jìn)入吸收器之前被冷卻，并且特別優(yōu)選進(jìn)料流的冷卻至少部分由熱交換器中的產(chǎn)物氣體(即吸收器頂部流)來(lái)實(shí)施?？紤]到冷卻程度，一般估計(jì)進(jìn)料流可被冷卻到不同溫度。但是，普遍優(yōu)選進(jìn)料流可被冷卻到恰好在氣體水合點(diǎn)以上的溫度。因此，冷卻的進(jìn)料氣體流可進(jìn)料到分離器，在該分離器內(nèi)進(jìn)料氣體中的至少部分水分可從冷卻的進(jìn)料流脫除而形成部分脫水進(jìn)料氣體。所形成的部分脫水進(jìn)料氣體然后在脫水單元可被進(jìn)一步脫水，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到現(xiàn)有的所有氣體脫水單元都可適用。例如，進(jìn)一步的脫水可通過(guò)用乙二醇或分子篩來(lái)實(shí)施。在進(jìn)一步優(yōu)選的方面，預(yù)期脫水進(jìn)料氣體可在進(jìn)入吸收器之前被進(jìn)一步冷卻。在特別優(yōu)選的設(shè)想裝置中，脫水的進(jìn)料氣體在熱交換器中被冷卻，其中由產(chǎn)物氣體(即吸收器頂部流)提供制冷。因?yàn)槲者^(guò)程可以在非常低溫度(例如吸收器內(nèi)為-20°F到40°F)下運(yùn)行而溶劑循環(huán)中無(wú)水冷凍出來(lái)，所以進(jìn)料氣體的脫水尤其有用。在為將酸性氣體脫除到非常低水平的優(yōu)選設(shè)想裝置中，脫水的氣體可用來(lái)自過(guò)度汽提工藝的部分汽提的貧溶劑來(lái)進(jìn)一步冷卻。而且，吸收器底部在低溫下運(yùn)行能使吸收器在減少溶劑循環(huán)情況下操作，因而增加效率。
進(jìn)一步優(yōu)選的裝置可能會(huì)額外包括硫脫除單元(例如經(jīng)過(guò)凈化床或帶有具體某種針對(duì)硫的溶劑的附加吸收器)，特別設(shè)計(jì)的硫脫除單元可至少脫除進(jìn)料氣體(例如在吸收器上流部位)中含有的部分硫化氫?；蛘撸眠^(guò)度汽提裝置(見(jiàn)上文)，該過(guò)程能生產(chǎn)具有非常低酸性氣體含量的處理氣體而無(wú)需硫脫除單元的幫助。
因此，應(yīng)當(dāng)特別注意到合適的吸收器是在相對(duì)高的壓力下操作，尤其預(yù)期的高壓為至少1000psi，典型的是至少2000psi，更典型的是至少3000psi，最典型的是至少5000psi。因此，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到設(shè)想的吸收器將會(huì)在氣相超臨界區(qū)域運(yùn)行?！霸跉庀喑R界區(qū)域運(yùn)行”在這里指在如下條件下運(yùn)行吸收器其中至少部分進(jìn)料氣體(如果不是全部進(jìn)料氣體)將會(huì)處于物理的液相和氣相不存在的超臨界狀態(tài)。而且，通過(guò)在氣相超臨界區(qū)域運(yùn)行吸收過(guò)程，通常可避免烴類的冷凝，而這在迄今已有的工藝中通常是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。在進(jìn)一步的設(shè)計(jì)情況中，吸收器的類型不必受某種具體構(gòu)造的限制，所有已知的吸收器構(gòu)造都適合在這兒使用。但是，特別優(yōu)選包括填充床或盤構(gòu)造的接觸設(shè)備。
關(guān)于設(shè)計(jì)的吸收器中所用的溶劑，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到所有的物理溶劑及其混合物都是合適的?，F(xiàn)有技術(shù)中有無(wú)數(shù)的物理溶劑，作為示范優(yōu)選的物理溶劑包括碳酸丙烯酯、磷酸三丁酯、常規(guī)的甲基吡咯烷酮、聚乙二醇二甲醚和/或各種聚乙二醇二烷基醚?？晒┻x擇的其它溶劑包括改性叔胺(例如哌嗪)或使用其它的能與物理溶劑有類似性能的溶劑。
因此，吸收器將提供減少了酸性氣體尤其是減少了二氧化碳的產(chǎn)物氣體。而且，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，由于吸收器接收冷卻且脫水的進(jìn)料氣體，產(chǎn)物氣體一般會(huì)符合所有或幾乎所有的通過(guò)高壓管道輸送的市售氣體標(biāo)準(zhǔn)和要求，或者作為L(zhǎng)NG設(shè)備的進(jìn)料氣體。尤其應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步了解的是，吸收器中的富溶劑會(huì)以相對(duì)高壓力離開(kāi)吸收器底部(例如至少1000psi，比較典型的是在2000到5000psi之間)，因此可用于做功(例如產(chǎn)生電能)和/或冷卻分離過(guò)程的不同物流。在特別優(yōu)選的裝置中，富溶劑是在壓力下使用一級(jí)水輪機(jī)放出以產(chǎn)生機(jī)械能或電能，減壓的富溶劑然后在分離器中被分離成含烴的一級(jí)循環(huán)流和一級(jí)富溶劑，其隨后可作為冷卻劑來(lái)制冷二氧化碳流(其中二氧化碳由進(jìn)料氣體產(chǎn)生)。含烴的一級(jí)循環(huán)流優(yōu)選循環(huán)到吸收器，而一級(jí)富溶劑被二級(jí)水輪機(jī)進(jìn)一步減壓以再產(chǎn)生機(jī)械能和電能。該進(jìn)一步減壓的富溶劑然后在熱交換器中(優(yōu)選吸收器的側(cè)冷卻器)被用作制冷劑，在吸收器中冷卻富溶劑從而保持想要的吸收器底部溫度。經(jīng)過(guò)熱交換器后，該進(jìn)一步減壓的富溶劑流在二級(jí)分離器中被分離成二級(jí)富溶劑和循環(huán)到分離器的二級(jí)含烴循環(huán)流。因此，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到富溶劑流用于在富溶劑閃蒸和再生之前生產(chǎn)至少一個(gè)使用高壓的作功和/或冷卻。
富溶劑的閃蒸可在不同裝置中實(shí)施，一般估計(jì)所有現(xiàn)有的裝置都適合在此使用。然而，一般優(yōu)選富溶劑(提供作功和/或冷卻之后的)在壓力下進(jìn)一步放出，直到足夠釋放出至少80％(比較典型的為至少90％，最典型為至少95％)溶解的二氧化碳的壓力。這樣生產(chǎn)的二氧化碳然后在分離器中(一般在常壓下操作)從貧溶劑中分離。尤其應(yīng)當(dāng)了解的是，這樣生成的二氧化碳流的二氧化碳含量超過(guò)90％，比較典型的為至少95％。所以，由此形成的二氧化碳流尤其適用于增強(qiáng)油回收法。
在本發(fā)明主題進(jìn)一步的預(yù)期方面中，從分離器中出來(lái)的貧溶劑在壓力下經(jīng)JT閥進(jìn)一步被放出并進(jìn)料到真空分離器中。優(yōu)選的真空分離器在約0.7～7.0psia之間的壓力下操作，該壓力由液封真空泵產(chǎn)生。貧溶劑中的殘余二氧化碳(一般純度至少為95％)在真空分離器中被脫除，也要如圖1所示用于增強(qiáng)油回收法。然后物理溶劑在汽提塔中再生并經(jīng)貧溶劑泵循環(huán)回吸收器。在特別優(yōu)選的構(gòu)造中，汽提塔利用貧氣體(例如部分產(chǎn)物氣體)作為汽提氣體來(lái)生產(chǎn)燃料氣體。但是，在可替換構(gòu)造中，除了產(chǎn)物氣體外的各種氣體也是合適的，這包括在本設(shè)備內(nèi)來(lái)自其它物流的氣體和甚至氮?dú)饣蚩諝?。進(jìn)一步應(yīng)當(dāng)了解到，在該構(gòu)造中使用真空分離器和氣體汽提塔相結(jié)合能生產(chǎn)出CO2濃度一般小于1000ppmv的極貧溶劑。
在進(jìn)一步預(yù)想的方面，尤其是在氣體要被處理到ppm級(jí)別酸性氣體標(biāo)準(zhǔn)的場(chǎng)合，過(guò)度汽提溶劑構(gòu)造可包括至少包含被收集盤隔開(kāi)的兩部分的高級(jí)汽提塔，其生產(chǎn)出部分汽提溶劑和過(guò)度汽提溶劑，這兩者分別被進(jìn)料到吸收器的不同位置。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步了解到，在該構(gòu)造中使用真空分離器和過(guò)度汽提塔相結(jié)合能生產(chǎn)出CO2濃度一般小于100ppmv的超貧溶劑。
因此，在特別優(yōu)選的構(gòu)造和進(jìn)料氣體含有天然氣的場(chǎng)合，應(yīng)當(dāng)理解產(chǎn)物氣體含有至少90％，比較典型為至少95％，最典型為至少99％天然氣的進(jìn)料氣體。雖然并不希望被任何理論和假設(shè)所束縛，預(yù)期產(chǎn)物氣體中相對(duì)如此高的天然氣回收是由提供至少一個(gè)，更優(yōu)選兩個(gè)含烴循環(huán)流返回到吸收器而完成的。因此，所產(chǎn)生二氧化碳流的純度相對(duì)高，而由此形成的二氧化碳流典型地將含有至少90％，更典型地為至少95％的CO2。
適合的循環(huán)氣體壓縮機(jī)是能夠?qū)⒁患?jí)和二級(jí)含烴循環(huán)氣體流壓縮到等于或相當(dāng)于冷卻并脫水過(guò)的進(jìn)料氣體壓力的所有壓縮機(jī)。與此類似，估計(jì)貧溶劑泵將為把貧溶劑引到吸收器中而提供合適的溶劑壓力。
因此，一個(gè)設(shè)備可包含接收進(jìn)料氣體的吸收器，該進(jìn)料氣體壓力至少為1000psi并且含有至少5摩爾％的二氧化碳，其中吸收器應(yīng)用物理溶劑來(lái)產(chǎn)生一種富溶劑和一種至少部分消耗了二氧化碳的產(chǎn)物氣體。設(shè)想的設(shè)備可進(jìn)一步含有將富溶劑減壓的一級(jí)汽輪機(jī)和將一級(jí)烴成分從減壓的富溶劑中分離的一級(jí)分離器，由此產(chǎn)生一級(jí)烴循環(huán)流和一級(jí)富溶劑，二級(jí)汽輪機(jī)進(jìn)一步對(duì)一級(jí)富溶劑減壓，冷卻器利用進(jìn)一步減壓的一級(jí)溶劑來(lái)冷卻物理溶劑以保持吸收器的底部溫度在想要的溫度范圍，其中進(jìn)一步減壓的一級(jí)溶劑在二級(jí)分離器中被分離，該分離器從進(jìn)一步減壓的一級(jí)溶劑中分離出二級(jí)烴成分，由此而生成二級(jí)烴循環(huán)流和二級(jí)富溶劑，其中的一級(jí)和二級(jí)烴循環(huán)流返回到吸收器。
關(guān)于進(jìn)料氣體、吸收器、物理溶劑、二氧化碳流和其它各種組分，上面所討論的相同的考慮因素都適用。因此尤其期望進(jìn)料氣體至少被產(chǎn)物氣體部分地脫水和冷卻，且在進(jìn)入吸收器之前在脫水單元被進(jìn)一步脫水。不僅如此，預(yù)期的一級(jí)富溶劑可被用作制冷劑來(lái)冷卻二氧化碳流，而預(yù)期的二級(jí)富溶劑可被進(jìn)一步減壓以脫除至少部分二氧化碳，從而形成貧溶劑(其可在一個(gè)真空分離器中被進(jìn)一步加工，該真空分離器利用貧氣體且生成燃料氣體，從而再生物理溶劑)。特別預(yù)期的物理溶劑包括碳酸丙烯酯，尤其優(yōu)選二氧化碳被用于增強(qiáng)油回收法。
因此，設(shè)備運(yùn)行的方法可包括如下一個(gè)步驟，其中提供吸收器來(lái)接收壓力至少為1000psi且含有酸性氣體的進(jìn)料氣體。在另一步驟中，將至少部分酸性氣體用物理溶劑從進(jìn)料氣體中脫除，從而生成產(chǎn)物氣體和富溶劑；在另一步驟中，富溶劑的壓力被減少以形成烴循環(huán)流并被進(jìn)料到吸收器，同此生成減壓富溶劑。在另一步驟中，減壓富溶劑被用來(lái)冷卻物理溶劑，從而維持吸收器的底部溫度在想要的溫度范圍并且形成熱減壓富溶劑；在另一步驟中，熱減壓富溶劑被分離成含有至少部分酸性氣體的物流，從而形成貧溶劑。
關(guān)于進(jìn)料氣體、吸收器、物理溶劑、二氧化碳流和其它各種組分，上面所討論的相同的考慮因素都適用。因此尤其期望進(jìn)料氣體壓力在約3000psi到約5000psi之間。預(yù)期的酸性氣體尤其包括二氧化碳，物理溶劑包括碳酸丙烯酯。進(jìn)一步預(yù)期的方面，將貧溶劑在真空分離器中用貧氣體處理，因而生成燃料氣體和再生的物理溶劑。
因此，與使用胺、其它物理溶劑或膜的傳統(tǒng)高進(jìn)料氣體壓力的CO2脫除工藝相比，可預(yù)期到根據(jù)本發(fā)明主題的構(gòu)造會(huì)極大地減少總能量消耗和資本花費(fèi)。不僅如此，該預(yù)期的構(gòu)造和工藝一般將不再需要熱源，因此可進(jìn)一步降低能耗。更進(jìn)一步說(shuō)，增強(qiáng)油回收工程將會(huì)頻繁地遇到進(jìn)料氣體中CO2濃度增加，一般從10％增高到60％。預(yù)期的構(gòu)造和工藝能夠適應(yīng)這些改變而具有基本上相同的溶劑循環(huán)。
而且，由于是在低溫下操作以及物理溶劑中含水少，預(yù)期的構(gòu)造一般會(huì)提供非腐蝕工藝。與此相反，傳統(tǒng)的脫除二氧化碳的胺裝置通常操作和維持比較復(fù)雜，這是因?yàn)檫@些工藝易于腐蝕且在操作期間經(jīng)常需要抗泡沫和抗腐蝕注入。進(jìn)一步說(shuō)，與胺方法不同，所設(shè)想的物理溶劑方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是溶劑循環(huán)速率對(duì)CO2分壓增加不敏感(例如要處理含有20％CO2的100MMSCFD氣體所要求的物理溶劑速率基本上與要處理含有60％CO2的100MMSCFD氣體所要求的相同。CO2在溶劑中的負(fù)載僅僅隨著進(jìn)料氣體中CO2濃度的增加而增加。在胺工藝設(shè)計(jì)中，由于CO2在富胺溶劑中的負(fù)載必須得到維持，因此胺的循環(huán)速率會(huì)增加大約3倍)。
與現(xiàn)有的胺處理方法相比，所設(shè)想的物理溶劑方法還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是其簡(jiǎn)單和抗冷凍，因此需要少量的支持性的裝置區(qū)外設(shè)施和應(yīng)用系統(tǒng)，如蒸汽鍋爐。例如，所設(shè)想的構(gòu)造典型地僅需要制冷，而且，如果殘余CO2含量在5～10psia之間，本發(fā)明人預(yù)計(jì)設(shè)備的運(yùn)行就不用熱油系統(tǒng)使溶劑再生。不僅如此，當(dāng)在相對(duì)高CO2進(jìn)料氣體下操作時(shí)，溶劑冷卻所要求的制冷就可被完全去掉，這是因?yàn)閬?lái)自溶劑再生中CO2的閃蒸會(huì)提供所必要的冷卻。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是可進(jìn)行處理來(lái)滿足LNG設(shè)備要求的進(jìn)料氣體標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)要求CO2在50ppmv范圍，H2S在4ppmv范圍。本發(fā)明描述的過(guò)度汽提設(shè)備所包括內(nèi)容可直接應(yīng)用。
由此，對(duì)提高酸性氣體脫除的構(gòu)造和方法的具體實(shí)施方案和應(yīng)用在此進(jìn)行了公開(kāi)。然而明顯地，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，除那些已經(jīng)公開(kāi)的技術(shù)之外的許多變化都是可能的，且未超出此處的本發(fā)明概念。因此，除附錄的預(yù)期權(quán)項(xiàng)外，本發(fā)明主題不受到限制。而且，在理解說(shuō)明書和預(yù)期的權(quán)項(xiàng)時(shí)，所有的字詞都應(yīng)當(dāng)在與上下文一致的情況下盡可能的被理解成最廣泛的含義。具體而言，“含有”和“包含”這兩個(gè)詞應(yīng)當(dāng)理解為非限定性地涉及元素、成分或步驟，表明所涉及的元素、成分或步驟可以與其它并未在此特意涉及的元素、成分或步驟一同存在或使用或結(jié)合。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，其包含在氣相超臨界區(qū)域操作并且接收包含至少5摩爾％二氧化碳的脫水進(jìn)料氣體的吸收器，其中物理溶劑在吸收器中吸收至少部分二氧化碳而形成含有至少95摩爾％二氧化碳的二氧化碳流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中進(jìn)料氣體被冷卻到進(jìn)料氣體水合點(diǎn)以上的溫度，其中冷卻的進(jìn)料氣體在進(jìn)入吸收器之前在一個(gè)脫水單元中脫水。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中進(jìn)料氣體壓力為至少3000psi。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中進(jìn)料氣體包含天然氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中物理溶劑包含碳酸丙烯酯。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中吸收器生成富溶劑，富溶劑被減壓，因此對(duì)二氧化碳流提供冷卻，還提供被進(jìn)料到吸收器的一級(jí)烴循環(huán)流。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其中減壓的富溶劑被進(jìn)一步減壓，因此對(duì)吸收器中溶劑提供冷卻，還提供被進(jìn)料到吸收器的二級(jí)烴循環(huán)流。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的設(shè)備，其中被進(jìn)一步減壓的富溶劑被放出，并在分離器中被分離為貧溶劑和二氧化碳流。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的設(shè)備，其中用壓縮機(jī)壓縮一級(jí)和二級(jí)烴循環(huán)流，其中被壓縮的一級(jí)和二級(jí)烴循環(huán)流與脫水的進(jìn)料氣體合并。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其中貧溶劑用貧氣體在真空分離器中處理，由此為吸收器再生物理溶劑，而且還生成燃料氣體。
11.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中吸收器產(chǎn)生產(chǎn)物氣體，而且進(jìn)料氣體由產(chǎn)物氣體冷卻。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的設(shè)備，其中進(jìn)料氣體包含天然氣，而且產(chǎn)物氣體含有至少99％的天然氣。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中二氧化碳流被用于增強(qiáng)油回收。
14.一種設(shè)備，含有接收壓力至少為1000psi且至少含有5摩爾％CO2進(jìn)料氣體的的吸收器，其中吸收器采用物理溶劑來(lái)生產(chǎn)富溶劑和至少已經(jīng)部分脫除二氧化碳的產(chǎn)物氣體；用于減壓富溶劑的一級(jí)渦輪機(jī)和從減壓富溶劑中分離一級(jí)烴成分的一級(jí)分離器，由此產(chǎn)生一級(jí)烴循環(huán)流和一級(jí)富溶劑；用于進(jìn)一步減壓一級(jí)富溶劑的二級(jí)渦輪機(jī)和應(yīng)用進(jìn)一步減壓的一級(jí)溶劑來(lái)冷卻物理溶劑從而維持吸收器底部溫度在想要的溫度范圍的冷卻器；其中進(jìn)一步減壓的一級(jí)溶劑在二級(jí)分離中分離，該二級(jí)分離器從進(jìn)一步減壓的一級(jí)溶劑中分離二級(jí)烴成分，由此產(chǎn)生二級(jí)烴循環(huán)流和二級(jí)富溶劑，并且其中一級(jí)和二級(jí)烴循環(huán)流被進(jìn)料到吸收器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中進(jìn)料氣體至少被部分脫水。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的設(shè)備，其中進(jìn)料氣體是被產(chǎn)物氣體冷卻并且在進(jìn)入吸收器之前在脫水單元被脫水。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中一級(jí)富溶劑被用作冷卻二氧化碳流的制冷劑。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中二級(jí)富溶劑被進(jìn)一步減壓以除去至少部分二氧化碳，因此形成貧溶劑。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的設(shè)備，其中貧溶劑在真空分離器中被進(jìn)一步加工，該真空分離器應(yīng)用貧氣且生成燃料氣體，因此再生物理溶劑。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的設(shè)備，其中物理溶劑包含碳酸丙烯酯。
21.根據(jù)權(quán)利要求18的設(shè)備，其中二氧化碳流被用于增強(qiáng)油回收。
22.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其進(jìn)一步包含具有被收集盤隔開(kāi)的至少兩個(gè)汽提段的汽提塔，其中汽提塔再生物理溶劑。
23.一種設(shè)備運(yùn)行方法，包括提供接收壓力至少為1000psi且含有酸性氣體的進(jìn)料氣體的吸收器；用物理溶劑從進(jìn)料氣體中脫除至少部分酸性氣體，由此生成產(chǎn)物氣體和富溶劑；降低富溶劑的壓力以形成進(jìn)料到吸收器的烴循環(huán)流，由此產(chǎn)生減壓的富溶劑；利用減壓的富溶劑冷卻物理溶劑，由此維持吸收器底部溫度在想要的溫度范圍并形成熱的減壓富溶劑；將熱的減壓富溶劑分離為含有至少部分酸性氣體的物流，由此形成貧溶劑。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中進(jìn)料氣體的壓力在約3000psi到約5000psi之間。
25.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中酸性氣體為二氧化碳。
26.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中物理溶劑包括碳酸丙烯酯。
全文摘要
一種包含吸收器(103)的設(shè)備，其在氣相超臨界區(qū)域操作并且從進(jìn)料流(9)中以進(jìn)料流(10)的高回收率脫除酸性氣體，同時(shí)生成高純度酸性氣體流(36)。特別優(yōu)選的設(shè)備包括氣體凈化設(shè)備，該氣體凈化設(shè)備接收含至少5摩爾％二氧化碳且壓力至少為3000psi的進(jìn)料氣體。
文檔編號(hào)C10L3/10GK1627980SQ02829133
公開(kāi)日2005年6月15日 申請(qǐng)日期2002年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月15日
發(fā)明者J·馬克, C·格雷哈姆, R·尼爾森 申請(qǐng)人:弗勞爾公司