專利名稱：從天然氣物流中脫除污染氣體組分的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種從天然氣物流中脫除污染氣體組分如二氧化碳(C02)和硫化氫(H2S)的方法。
技術(shù)背景從天然氣物流中脫除污染氣體組分的各種方法是已知的。所述方 法可以基于物理和/或化學(xué)分離技術(shù)。物理分離技術(shù)應(yīng)用各種污染組分 沸點(diǎn)、冷凝點(diǎn)和/或冷凍點(diǎn)的不同，在分餾塔中選擇性地脫除這些組分 中的一種或多種，或者應(yīng)用密度的不同在離心或旋風(fēng)分離器中分離出 不同密度的組分?；瘜W(xué)技術(shù)可以采用選擇吸咐或催化反應(yīng)使污染組分 轉(zhuǎn)化為可容易分離的組合物。從天然氣中脫除硫化氫和二氧化碳的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)是基于溶劑吸收的 胺處理。在此方法中，污染組分被結(jié)合于含水溶液中的分子如二乙醇 胺上。干凈的烴氣體不被吸收，并且出現(xiàn)在產(chǎn)品氣體物流中。使含有 所吸收的污染物的溶液循環(huán)，并被加熱升溫約IOO"C以驅(qū)除氣體，然后所述氣體在廢物流中收集。在該方法中，主要的費(fèi)用因素是廢氣再 生所需的能量、溶劑損失以及廢氣在接近常壓條件下再生使得如再注 入的任何過程均需要進(jìn)行壓縮的事實(shí)。對(duì)于任何氣體純化方法來說，操作費(fèi)用需要占所產(chǎn)生的清潔氣體 價(jià)值相對(duì)較小的份額。如果氣體物流中含有大量的污染物，具有大的 氣液接觸系統(tǒng)的胺裝置將會(huì)相當(dāng)大、昂貴和不經(jīng)濟(jì)。已知的氣體分離離心機(jī)在每分鐘約50， 000轉(zhuǎn)(RPM)下旋轉(zhuǎn)，以分 離密度僅有微小差別的氣體餾分。這些快速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)已知為超離 心機(jī)，其具有有限的分離效率，并且只能處理有限的氣體通量。當(dāng)通 過離心機(jī)來純化含有大量污染物的大量天然氣物流時(shí)，則需要大量的 帛心機(jī)或超離心機(jī)，這使得離心分離不太經(jīng)濟(jì)。 US專利4,994, 097、 5， 221， 300和5,902, 224以及由J. J. H. Brouwers在雜志Experimental Thermal and Fluid Science 26 (2002) 的第325—334頁發(fā)表的論文"Phase separation in centrifugal fields with emphasis on the rotational particle separator" 均公開了用于從氣體混合物中分離固體雜質(zhì)的離心機(jī)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種以有效且經(jīng)濟(jì)的方式從天然氣物流 中脫除污染氣體組分如二氧化碳和/或疏化氬的方法，即使所述天然氣 包含大量污染氣體組分時(shí)也是如此。本發(fā)明的方法用于從污染的天然氣物流中脫除污染氣體組分如 C02和/或H2S，包括-在膨脹機(jī)中膨脹所述污染氣體物流，從而得到膨脹氣體物流；-使膨脹氣體物流中的至少部分污染物液化，以在貧含污染物的氣 相中形成富含污染物的液相的分散體；和-在離心分離器中使至少部分富含污染物的液相與貧含污染物的 氣相分離，其中所述離心分離器包含在旋轉(zhuǎn)管內(nèi)平行于旋轉(zhuǎn)管的旋轉(zhuǎn) 軸設(shè)置的平行通道束。任選地，貧含污染物的氣體物流在壓縮機(jī)中再壓縮。當(dāng)膨脹機(jī)是 透平膨脹機(jī)且壓縮機(jī)為透平壓縮機(jī)時(shí)，透平膨脹機(jī)和透平壓縮機(jī)可以 包括安裝在同一軸上的轉(zhuǎn)子。在本文所附的權(quán)利要求、實(shí)施例、摘要以及如下參考附圖的優(yōu)選 實(shí)施方案的詳細(xì)描述中更詳細(xì)地描述了本發(fā)明方法的這些和其它特 征、優(yōu)點(diǎn)和實(shí)施方案。


圖1描述了用于本發(fā)明方法的包含兩個(gè)串聯(lián)的通道式離心分離器 的冷卻和分離組件。圖2以更大規(guī)模描述了圖1的一個(gè)通道式離心分離器。 圖2A-2D描述了在圖2的分離器中通道的各種形狀。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明涉及應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)通道式離心分離器2,3以有效的方式 從包含甲烷(OU、乙烷、丙烷、丁烷和/或冷凝物的天然氣物流中分 離出污染氣體組分如0)2和/或H2S，即使含有大量污染物(25-75wtW 的天然氣物流進(jìn)行純化時(shí)也是如此。圖1描述了按照本發(fā)明使污染的天然氣物流在透平膨脹機(jī)1中冷 卻，從而得到具有一定溫度和壓力的膨脹氣體物流，其中在所述溫度 和壓力下，主要含污染組分如0)2和/或H2S的相達(dá)到其露點(diǎn)條件。代 替透平膨脹機(jī)，也可以應(yīng)用任何其它類型的膨脹機(jī)使污染的天然氣物 流膨脹，例如縮擴(kuò)噴嘴、閥、節(jié)流孔或多孔塞。將來自膨脹機(jī)1的膨脹氣體物流提供給分段的離心分離器2。在 膨脹機(jī)1的出口和分離器2的入口之間，膨脹氣體物流的停留時(shí)間使至少部分污染物通過成核和凝結(jié)的組合而液化。因此在離心分離器2 的上游形成富含污染物的液相在貧含污染物的氣相中的分散體。膨脹機(jī)和離心分離器之間的停留時(shí)間優(yōu)選為0. 5-5秒，從而允許富含污染 物的相充分成核，之后使液滴充分凝結(jié)形成微米級(jí)直徑的液滴。分散 體的形成合適地在連接膨脹機(jī)l與離心分離器2的保溫管道中進(jìn)行。在離心分離器2中，至少部分富含污染物的液相與貧含污染物的 氣相分離。因此，得到了純化的天然氣物流(CH,)和液化的污染物物流 線和/或H2S)。在圖l所示的實(shí)施方案中，在第二段的離心分離器3中從純化后 的天然氣物流中脫除進(jìn)一步的污染物。圖1還描述了每一段離心分離器2， 3包含旋轉(zhuǎn)管4， 5。管子4， 5 安裝在同一軸6上，其繞中心旋轉(zhuǎn)軸7旋轉(zhuǎn)。每一個(gè)離心分離器2，3 包含外部的液化污染物出口 8,9和中心的純化天然氣出口 10， 11。所 述出口可以接近每一個(gè)旋轉(zhuǎn)管4，5的下游端和/或接近上游端設(shè)置。在 圖l的實(shí)施方案中，出口接近每一個(gè)旋轉(zhuǎn)管4，5的下游端設(shè)置。第一離心分離器2的中心純化天然氣出口 IO通過再壓縮透平12、 任選的段間冷卻器(圖中未示出)以及透平膨脹機(jī)14，將0)2和/或H2S含量減少了的部分純化天然氣物流進(jìn)料至第二離心分離器3的入口。圖1還給出了再壓縮透平15和冷卻器16與第二離心分離器3的 中心純化天然氣出口 ll相連，及膨脹和再壓縮透平1、 12、 14和15 被安裝在同一軸17上。在正常操作過程中，第一和第二離心分離器2和3的軸6和管子 4和5繞中心旋轉(zhuǎn)軸7旋轉(zhuǎn)，通常旋轉(zhuǎn)速度為每分鐘500-5, 000轉(zhuǎn) (RPM)，優(yōu)選為500-1， 500 RPM。該速度通常比超離心機(jī)的速度小10%。 電動(dòng)機(jī)或其它發(fā)動(dòng)機(jī)可以使軸6旋轉(zhuǎn)。替代地，進(jìn)料至離心分離器2 和3的氣體物流可以被一個(gè)或多個(gè)渦流形成葉片所誘導(dǎo)而產(chǎn)生渦流， 從而進(jìn)入離心分離器2和3的渦流氣體誘使分離器2和3繞中心旋轉(zhuǎn) 軸7以500-5， 000 RPM的理想旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)。圖2和圖2A-2D更為詳細(xì)地描述了第一離心分離器2的構(gòu)造，其 與第二離心分離器3的構(gòu)造相同。圖2示意性給出了在中心軸6和旋轉(zhuǎn)管4的內(nèi)表面之間存在有環(huán) 形空間18。該環(huán)形空間18填充有基本沿軸向流動(dòng)的通道19的組件， 所述通道組件可以具有圖2A-2D中更詳細(xì)描述的各種形狀。圖2A-2D放大地給出了圖2的陰影片段A-D，并描述了流動(dòng)通道 19A-19D可以具有管狀、長方形或波紋形狀，并基本上與管4的旋轉(zhuǎn) 軸7共軸設(shè)置。流動(dòng)通道19A-19D有效地分隔與高通量相關(guān)的軸向湍 流和保持的徑向?qū)恿?。根?jù)流動(dòng)條件，通道19A-19D的徑向?qū)挾韧ǔ?為0. 5-5mm之間。冷凝的成核廢物通常為通道19A-19D體積的5-50%， 并且通過離心力引導(dǎo)至外通道壁，在那里形成流動(dòng)更慢的膜，其可以 通過液化污染物出口 8從旋轉(zhuǎn)管4的下游和上游端徑向收集，而至少 部分純化的天然氣物流CH4通過圖1所示的離心分離器1的中心氣體出口 io排出。按照本發(fā)明，在第一離心分離器2中進(jìn)行液化污染物C02和/或H2S 的分離之后，通過中心純化天然氣出口 10排出的純化后富含CH4的天 然氣物流在第二離心分離器3中以參考圖1所述方式進(jìn)一步分離。任 選地，通過第二離心分離器3的中心出口 ll排出的純化后天然氣物流
可以利用相關(guān)的進(jìn)一步深度切分純化過程在較小規(guī)模的胺處理器、選 擇吸收系統(tǒng)或膜分離系統(tǒng)中進(jìn)一步處理(圖中未示出)，以使純化后的天然氣物流適合于在LNG裝置中分配或液化。替代地，對(duì)于嚴(yán)重污染的天然氣物流，可以應(yīng)用笫三和任選的第 四離心分離器(圖中未示出)來純化天然氣物流，從而使它具有足夠低 的0)2和/或H2S含量。任選地，通過離心分離器2和3的外部出口 8和9排出的冷凝C02 和/或H2S物流被收集起來，然后被加熱(任選通過與冷卻器16聯(lián)合的 加熱器實(shí)施)，從而使含有大量再蒸發(fā)C02和/或H2S的再加壓廢氣物流 可用于再引入地下地層，例如含氣貯層，從而節(jié)省對(duì)壓縮機(jī)的需求。據(jù)觀察在通道19A-19D中的液化污染物可能含有少量的天然氣 (CH4)。作為補(bǔ)充， 一些C02必然終止于中心出口 11內(nèi)的純化天然氣物 流中。計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果表明，在圖1和2中所示的按照本發(fā)明的單段 離心分離器2組件每天能夠純化l-30百萬標(biāo)準(zhǔn)立方米的天然氣物流， 所述天然氣物流含有約15-40wt。/。的污染物如CO2和/或H2S，從而使純 化的氣體物流中含有少于10wt。/。的污染物。這些計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果還表明，含約40-60wt。/。污染物的類似天然 氣物流可以應(yīng)用圖1所示的兩個(gè)離心分離器2, 3序列純化至類似的純 度水平，并且含60-75wtW污染物的天然氣物流可以應(yīng)用本發(fā)明的三個(gè) 離心分離器序列純化至類似的純度水平。計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果還表明與本發(fā)明的離心分離器組件相比，傳統(tǒng) 的胺,處理器過程可以在明顯更高的操作費(fèi)用(OPBX)下達(dá)到相似程度的 綽化水平。例如，通過胺技術(shù)純化含25-75wt54C02和/或H2S的污染氣體的估 計(jì)能耗極高，其為所產(chǎn)生的清潔氣體價(jià)值的45%-200%，而本發(fā)明的離 心分離器組件的估計(jì)能耗比該值低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，為產(chǎn)生的清潔氣 體價(jià)值的0.5-2%。由于H2S具有比C02更低的露點(diǎn)壓力，因此用本發(fā)明的離心分離器
組件可以從受污染的天然氣物流中與0)2相比更容易地分離H2S。令人驚奇的是本發(fā)明的方法比使不同密度的氣相相互分離的傳統(tǒng)的胺處理分離技術(shù)和超離心分離技術(shù)更為能量有效。據(jù)觀察本發(fā)明的方法也可用于從天然氣物流中脫除除C02和H2S之外的其它污染物。這些其它污染物可以為水、固體如灰塵和砂粒以及 不同于曱烷的烴如乙烷、丙烷和丁烷。 實(shí)施例通過如下非限定性實(shí)施例更進(jìn)一 步地描述本發(fā)明的方法。在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的試驗(yàn)中，含50 w"/。甲烷和50 wt 4二氧化碳的、 溫度為303 K和壓力為150巴的60標(biāo)準(zhǔn)m7hr(80 kg/hr)天然氣物流 用焦耳-湯姆森膨脹閥膨脹至溫度226 K和壓力27巴。然后通過保溫 管道將膨脹后的氣體物流提供給離心分離器。在保溫管道中的停留時(shí) 間為1秒，并且在氣體物流進(jìn)入分離器之前，在管道中形成富含液體 二氧化碳污染物的小液滴相。離心分離器在密封室中垂直安裝。高度為262 mm，和直徑為130 mm。旋轉(zhuǎn)元件由長度為250 mm和直徑為83 mm的雙聯(lián)鋼整體圓柱體機(jī) 加工而成。對(duì)于該相對(duì)低的氣體通量，旋轉(zhuǎn)元件上的單環(huán)通道就足夠 了。但對(duì)于較高的通量來說，旋轉(zhuǎn)元件的整個(gè)徑向范圍較大，并且完 全利用基于波紋薄層鋼連續(xù)包裹的結(jié)構(gòu)而使用，從而當(dāng)繞軸纏繞時(shí)， 通道過濾器類的結(jié)構(gòu)尺寸與本實(shí)施例中描述的類似。.在圓柱體的表面上和平行于軸之處，多個(gè)溝槽通道被磨制成每個(gè) 2 mm高和2.mm寬,且中心到中心的距離為5咖，機(jī)加工類似材料的 中空?qǐng)A柱體，以形成具有相同軸長度但內(nèi)徑為83 mm和外徑為85咖 的套管。該中空?qǐng)A柱體通過如下步驟繞帶槽的圓柱體收縮包裝將通 道材料冷卻至243 K而將套管加熱至573 K。然后將后者置于前者之 上，且使二者在室溫下在水浴中急冷。含有在保溫管道中形成的富含液體二氧化碳污染物的液滴的氣體 物流通過徑向入口進(jìn)料至室入口，并進(jìn)入分離器，所述分離器通過應(yīng) 用由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的磁耦合系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)速率為500 RPM。在軸向的 溝槽通道內(nèi)，富含液體二氧化碳污染物的相在壁上形成。如此產(chǎn)生的 液滴比入口氣體的液滴大至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，并離心旋轉(zhuǎn)至壁上的出口 通道，在此處收集的液體從離心機(jī)排放至廢物收集容器。通過應(yīng)用旋 轉(zhuǎn)元件的下游和上游終端出口處的液位密封阻止氣體吸入。兩個(gè)液體 出口匯集至廢液收集容器。由于下游出口通常比上游出口壓力更低， 兩個(gè)出口管子不能在單個(gè)收集容器中匯合，因?yàn)檫@會(huì)簡單地會(huì)造成液 體循環(huán)。另外，更高壓力的液體出口會(huì)通過虹吸管引導(dǎo)，其中超出低 壓出口的過量壓力會(huì)被用于克服高于收集容器液位的液柱。正如所示 的，低壓出口被直接排放至收集容器。從離心分離器回收含90 w"/。二氧化碳和10 wt 4甲烷的34 kg/hr 廢物流和含67 wtM甲烷和33 wtX二氧化碳的46 kg/hr純化天然氣物 流。以天然氣輸入物流中的甲烷量為基準(zhǔn)，甲烷的回收率為95 wt%。
權(quán)利要求
1.一種從污染的天然氣物流中脫除污染氣體組分如CO2和/或H2S的方法，所述方法包括-在膨脹機(jī)中膨脹所述污染氣體物流，從而得到膨脹氣體物流；-使膨脹氣體物流中的至少部分污染物液化，以在貧含污染物的氣相中形成富含污染物的液相的分散體；和-在離心分離器中使至少部分富含污染物的液相與貧含污染物的氣相分離，其中所述離心分離器包含在旋轉(zhuǎn)管內(nèi)平行于旋轉(zhuǎn)管的旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置的平行通道束。
2. 權(quán)利要求1的方法，其中所述膨脹機(jī)為透平膨脹機(jī)。
3. 權(quán)利要求1或2的方法，其中所述分離的貧含污染物的氣相在 壓縮機(jī)中再壓縮。
4. 權(quán)利要求3的方法，其中所述壓縮機(jī)為透平壓縮機(jī)。
5. 權(quán)利要求2和4的方法，其中所述透平壓縮機(jī)和透平膨脹機(jī)包 括安裝在同一軸上的轉(zhuǎn)子。
6. 前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其中所述分離的貧含污染物的氣 相通過離心分離器的中心流體出口排出，并提供給第二離心分離器， 該第二離心分離器也包含在旋轉(zhuǎn)管內(nèi)基本平行于旋轉(zhuǎn)管的旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置 的平行通道束。
7. 權(quán)利要求6的方法，其中所述離心分離器安裝在共同的中心軸上。
8. 前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其中每一個(gè)離心分離器通過向旋 轉(zhuǎn)管內(nèi)加入渦流氣體物流而旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
一種從污染的天然氣物流中脫除污染氣體組分如CO₂和/或H₂S的方法，所述方法包括在膨脹機(jī)(1)中膨脹所述污染的氣體物流，從而形成富含污染物的液相和貧含污染物的氣相；使膨脹氣體物流中的至少部分污染物液化，以在所述貧含污染物的氣相中形成富含污染物的液相的分散體；和在一個(gè)或多個(gè)離心分離器(2，3)中使至少部分富含污染物的液相與貧含污染物的氣相分離，其中所述離心分離器均包含在旋轉(zhuǎn)管(4，5)內(nèi)平行于旋轉(zhuǎn)管(4，5)的旋轉(zhuǎn)軸(7)設(shè)置的平行通道(19A)束。
文檔編號(hào)C10L3/10GK101119788SQ200680004971
公開日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2006年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月17日
發(fā)明者伯特·布羅威爾斯, 瑞夫·梵威森, 麥克·希威·高羅包克 申請(qǐng)人:國際殼牌研究有限公司