CN101389913A - 在利用物理溶剂来处理包含轻质组分的气体中的低温应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分离多组分气流的方法。在提取器(6)中，多组分气流(1)和溶剂(7)在低温下接触以便生产富含没有被吸附的组分的塔顶气流(9)和富含被吸附组分的富溶剂塔底气流(8)，富溶剂塔底气流随后闪蒸蒸发(11)以便使贫溶剂(15)再生，并回收作为塔顶气流(14)的吸附组分，压缩塔顶气流将其加工成一种产品气流。再生的溶剂再循环到提取器中。

Description

在利用物理溶剂来处理包含轻质组分的气体中的低温应用

相关申请的交叉参照

本申请是于2004年3月11日提出的序列号为60/552,411的临时申请的正式申请，这里以引用的方式包括该临时申请的所有内容。

技术领域

本发明是涉及化学处理领域，尤其是涉及碳氢化合物气流的处理。特别地，本发明公开了一种利用低温提取步骤来分离碳氢化合物气流中的组分的方法和设备。

背景技术

许多诸如天然气、裂化气或者精炼厂废气这样的碳氢化合物气体包含一种或者多种轻质组分，该轻质组分会污染主气体，或者如果从主气流中将其分离出来的话，它们本身是有价值的。这样的轻质气体包括氮气、氦气和氢气。许多从经济方面考虑的因素使得从碳氢化合物气流中分离这些轻质气体是所希望的。

例如，被一种或者多种轻质组分污染的天然气是非常常见的。天然气是碳氢化合物的混合物，包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷。天然气也可能包括氮气、氦气和诸如二氧化碳和硫化氢这样的酸性气体。氮气有时候是一种天然的组分，或者可能来源于合适的地层结构中的用来使油井再生的氮气注射。天然气蓄集层中天然地存在有小部分氦气。天然气在运输和在市场上买卖前必须满足酸性气体含量、热值、露点和惰性成分总含量的一定标准。氮气含量通常限制在少于2—4％摩尔。因此必须从含有超过指定含量氮气的天然气中去除氮气，否则天然气就不能运输和在市场上买卖。

天然气作为伴生气体，其产生也和原油的生产相关。这种伴生气可能包括天然产生的氮气或者可能包括用来增强石油的回收而注射的氮气。如果要运输和在市场上买卖伴生气体的话，必须使该伴生气体满足和天然气一样的标准。

炼油厂和化工厂的气流通常包括许多诸如氮气和氢气这样的轻质组分。氢气通常包含在炼油厂装置的气流中。在一些炼油厂的作业中加入氢气，在其它的炼油厂装置的运行中产生氢气，作为副产品。通常，把氢气从炼油厂废气中分离是值得的，因为去除并回收的氢气可以在设备中循环使用或者卖掉，和炼油厂和化工厂碳氢化合物气流中的氢气相比，通常这种氢气具有更高的热值。同样地，从工厂气流中去除氮气会增加剩余的碳氢化合物气流的热值，并潜在地增加了作为燃料气流的气流的价值。

把大量的其它多种气流分离成轻质组分和重质组分可能也是所希望的。这样的气流的例子包括合成气、气化气和化工气流，所述化工气流包括诸如氢气、氮气、二氧化碳、一氧化碳、氩、甲烷、乙烷和像乙烯和丙稀这样的非饱和碳氢化合物成分。通常需要根据特定的气体来提供具有给定纯度的气流。有些气流是特定工艺不可或缺的部分，这些气流例如为那些从分馏塔到反应器的气流。这样的循环气流可以是含杂质的氢气流，在返回反应器之前和/或与补充的氢气混合之前，必须净化该氢气流。其它的气态流可以是炼油、化工或者气化工艺的副产品，并且能够将这些气态流输送给可以利用诸如氢气之类的分离轻质组分的一种或者多种工艺。例如，尽管加氢脱烃工艺可能需要加载95摩尔％的氢，但是来自乙烯裂变厂的副产品氢气流可含有75摩尔％的氢含量。附近的加氢重整工厂工艺条件的变化可能会产生99摩尔％的氢的要求，因此需要净化附近可以利用的现有的90摩尔％的氢气流。

诸如氮气或者氢气这样的轻质组分和诸如甲烷和乙烷这样的较重的组分的分离能增加最终分离气流的一种或者全部两种的价值。实现这种分离操作的现有技术包括选择性膜、诸如变压吸附这样的吸附系统，和诸如膨胀器、焦耳-汤普森(JT)或级联式制冷装置这样的利用非常低的温度(低温装置)的系统。前面提到的工艺没有利用用来吸附组分的溶剂。美国专利5141544、5257505和5375422中描述了典型的没有利用溶剂从天然气中分离氮气的低温分离工艺。

可以利用使用物理溶剂的吸附来去除较重的组分，从而把它们同轻质组分分离的方式，这种方式即为公知的Mehra工艺(tm)。在几个美国专利中描述了Mehra工艺，这些美国专利包括专利号4623371、4832718、5551952的专利，这里以参照的方式包括这些专利。这些专利描述了用于吸附/闪蒸再生装置的系统，这些系统用于从诸如甲烷或者乙烷这样的较重组分中去除诸如例如氮气或氢气这样的轻质组分。这些工艺的改进也由Thoms K Gaskin在美国专利6698237中描述，Thoms K Gaskin的改进工艺强调利用去除气体来增强闪蒸再生系统的运行。在美国专利5321952中考虑了Mehra工艺的一个变体形式，该变体利用了溶剂吸附系统闪蒸再生中的蒸汽循环。

在Mehra工艺中，通常在降低的+60到—40℉范围内的温度下，用一种循环的物理溶剂吸附较重的组分，使其离开轻质组分。降低闪蒸分离器中的富溶剂的压力使较重的组分释放出来，并使溶剂再生，以循环到吸附器中。由于液体物理溶剂的物体性质，所以可以选择液体物理溶剂，选择的液体物理溶剂的一个性质是它比从轻质组分中吸附的组分要重。物理溶剂也可以完全由多组分气流中最重的组分组成。这些最重的组分是那些在循环溶剂的闪蒸再生过程中不易挥发的组分。这些吸附工艺的特征在于包含多种组分的原料流进入加工工艺中，并且两种或者更多种气流离开该加工工艺。所述的两者或更多种气流中的每一种都富含有至少其中一种上述组分。任何增加一种或者多种现有气流的纯度，提高工艺的效率，或改进了工艺的运行成本或可靠性的工艺的改进之处，都被看作是对现有技术的技术贡献。

发明内容

本发明的一个方面涉及这样一种用于分离多组分气流中的组分的工艺，其中通过使气流与溶剂在提取器中从而产生富含至少其中一种组分的塔顶气流和富含至少一种被溶剂吸附的其它组分的溶剂塔底气流。富溶剂塔底气流随后在至少一个减压阶段闪蒸，以从溶剂中释放吸附的组分，从而使贫溶剂再生并提供一种作为塔顶气流的释放组分。可以压缩释放的组分气流来生产产品气流。根据本发明，吸附作用发生在大约—120℉或者更低的低温下。可以通过利用压力下降自动制冷的方式和/或温度级联式制冷的方式来实现降低温度，从而减少溶剂的循环流量和工艺能量的需求，所述的压力下降自动制冷的方式利用JT阀、膨胀器或液力涡轮。

通过应用吸附技术或者低温分馏技术能够分离气流组分，但是令人吃惊的是，把这些技术结合在一个在低温下应用吸附技术的系统里，超过了任何一种有效地分离组分的单个工艺的性能。

附图说明

图1展示了现有的分离气流组分的吸附方法。

图2展示了现有的分离气流组分的吸附方法，其中该工艺包括使部分塔顶气体从闪蒸分离器循环回到提取器。

图3展示了现有的分离气流组分的方法，其中该工艺包括使全部较重吸附组分中的一部分循环回到提取器。

图4示出了和图2、图3的工艺相似的用来分离气流组分的现有吸附方法，但是其提供给去除的气体一次或者多次闪蒸。

图5示出了利用热交换、JT压力下降温度降低，和再沸腾和回流分馏技术来分离气流中的组分的现有低温方法。

图6示出了根据本发明所述的分离气体组分的方法，该方法同图1的吸附方法相似，只是该方法还提供了利用包括降低压力、热交换、或低温制冷的方法来达到吸附工艺的低温运行温度的用法。

图7示出了根据本发明所述的方法，该工艺同图6的方法相似，但是该工艺还提供吸附器底部再热、多次闪蒸、将最后的的再沸塔用于溶剂闪蒸这样的功能，并结合了辅助热交换和产品再循环的技术。

图8示出了根据本发明所述的方法，该工艺同图7的方法相似，但是该方法还提供了在没有和循环溶剂接触的情况下，分离部分多组分气流的功能，以满足重质产品的性能规格。

图9示出了根据本发明所述的方法，该工艺同图8的方法相似，但是该方法还提供了下述功能，即使吸附器再沸腾，使吸附器底部再热，除去产品循环的应用，并提供辅助的热交换。

具体实施方式

当下文中辨别气流时，实际上是指明了管线，当提及材料的时候，如果没有说明，意指气流，这一点应该理解。此外，将流动控制阀、温度调节器件、泵、压缩机以及类似部件推定为与设备的主要部件按照常规的关系安装并运行，附图中示出了所述的设备主要部件，并且下文将参照本发明连续的作业方法来论述这些部件。术语“辅助装备”包括所有的这些阀门、器件、泵和压缩机以及换热器、贮料塔、冷凝器和类似部件。术语“吸附器”通常应用于气体/溶剂吸附器具上，但是，当用在利应一种物理溶剂的本发明的方法中时，它被认为是一种“提取器”。当用在这里的时候，“提取器”指本领域已知的任何使气体和溶剂接触以将部分气体吸附到溶剂中的器件。根据某些实施例，提取器可以包括诸如板材、填料、挡板和类似部件这样的内部部件，以来促进材料的传输。当在这里应用的时候，提到生产富含一种确定的组分或者多种组分的气流的工艺步骤，这是指在生成的气流中那一种或者多种组分的分数百分比，相对于其它组分而言，大于进入处理工艺的气流中的那一种或者多种组分的相对百分比。

本发明的一个方面涉及这样一种方法，该方法通过使气流与溶剂接触来分离多组分气流中的组分，从而产生富含至少其中一种组分的塔顶气流和富含至少其中一种被溶剂吸附的其它组分的溶剂塔底气流。通常这个接触步骤在提取器中进行。典型的是，溶剂吸附多组分气流中的重组分，把轻质组分作为塔顶气流留下。富含溶剂的塔底气流在至少一个减压阶段闪蒸，以释放吸附的组分，从而使溶剂再生并提供作为一种塔顶气体的吸附组分。再生过的溶剂循环回到提取器。

人们已经认识到降低的温度有时候对吸附分离技术有帮助，然而，利用的最低温度已经限制在利用丙烷制冷系统可以获得的温度，这达到大约—40℉的最低工艺吸附温度。低温工艺不需要应用溶剂来实现组分的分离，其通常在—120℉的温度或者更低的温度下运行，这取决于压缩至少其中一种较重的多组分气流组分所需的温度。本发明将这些技术组合成一个在低温下运行的基于溶剂吸附的分离工厂。作为这一结合产生的结果，得到高纯度轻质组分所需的温度不像单独利用低温技术那样低。并且，溶剂的循环速度不像和在高于低温范围以上的温度下应用以吸附为基础的技术所需要的速度那样快。协同作用的好处包括：对于轻质或者重质产品来说，在允许使用更轻的溶剂、更低的循环速度、更小的能量耗费和更小的溶剂损耗的同时，与纯粹的低温工艺相比，本发明使组分冻结的工艺倾向更小。

本发明把可用的选择有效地应用到任何一种技术组合中。可以通过减小多组分气流的压力来实现本发明的低温温度，例如可以用JT阀门来实现。也可以通过膨胀器、涡轮膨胀器或者液力涡轮来获取压力的减少。也可以利用与工艺内部气流或者离开工艺的气流热交换的方式来达到需要的低温温度；或者利用多组分气流中的压降或者也可不用该压降。为了实现更好的热交换来帮助达到所需的低温温度，也可以将压降应用在任何工艺内部气流上或者离开工艺的气流上。也可以应用制冷来达到低温温度。可以通过独立的制冷系统或者通过使部分构成工艺不可或缺的部分的气流循环来实现制冷。其它的低温方法，例如，可以将增加底部产品纯度的再沸塔应用到本发明中。独立的低温设备通常利用来自塔顶部的压缩回流来增加塔顶产品(轻质)的纯度。本发明低温和吸附技术的结合满足了轻质组分的纯度要求，从而不需要塔顶回流。

根据本发明，任何本领域的已知的吸附可选技术都可以应用到低温吸附中。这些可选技术包括：应用多个闪蒸再生步骤来代替单一步骤；应用解吸气体来从溶剂中去除多余的重质组分；应用重产品的循环来增强较重组分中较轻组分的分离，利用来自第一闪蒸的闪蒸气体，使其循环到吸附器以增强从较重组分中轻质组分的分离；在任何一个闪蒸步骤中，在利用或者不利用解吸气体或者供热(塔的再沸腾，或者在闪蒸或应用塔之前预热)的情况下，应用塔来增强分离；和利用生产的产品同原料的热交换，或者同任何内部气流或制冷系统的热交换。适用于本发明的其它吸附选择方式包括优于阀门的液力涡轮，当液体的压力减少并允许闪蒸时，该液力涡轮允许一个或者多个闪蒸或塔在等于或者低于大气压的压力力下运行，以进一步从循环溶剂中除去组分，并且把本发明中所描述的整个系统放置在可选则的一中可替代的工艺的下游，例如所述工艺为隔膜、变压吸附(psa)或者没有应用溶剂的低温系统。

随着压力的降低，本发明中溶剂的自动制冷效果比以前的系统更好，这是因为同现有技术的吸附工艺相比，本发明使用了更少的溶剂。同样地，在一些情况下，应该再次加热富溶剂来防止形成极低的温度，极低的温度可能导致一些组分冻结，或者减少在闪蒸步骤中从溶剂释放的组分的数量。

本发明中应用的溶剂可以是加到系统中的外部溶剂，或者溶剂可以是较重组分的一部分，较重组分是工艺中多组分气流的一部分。根据一个实施例，优选外部溶剂比现有技术中普遍采用的溶剂轻。外部溶剂是根据完成吸附的能力、购买成本，和需要重置的溶剂的损耗来选择的。溶剂的损耗也表明一种或者更多产品已经被溶剂污染。根据本发明的一些实施例，通常碳原子数目超过4的溶剂不合适，因为C₅₊组分可能在该工艺的条件下凝固。C₅₊和较重的溶剂普遍应用在现有技术的吸附工艺中。因为低温的原因，所以可以采用较轻的外部溶剂。可以采用诸如普通的丁烷或者异丁烷这样的C₄溶剂，这种溶剂不会产生生产或购买溶剂的损失，对分离的气体产品也没有重大的污染。因为低温，能够采用由入口气体包含的组分构成的溶剂的可能性大于现有的吸附技术。就从包括氮气、甲烷、乙烷和丙烷的天然气中排出氮气的情况而言，在一些情况下，所包括的乙烷和丙烷可以用作溶剂。在一些情况下会产生超量的溶剂(在系统中的累积)，除了排出的富含氮气的气流和富含甲烷的天然气气流外，超量的溶剂作为本发明可得到的第三种制造产品。系统是选用外部溶剂还是包含在多组分气流中的溶剂，较重组件的数量以及它们的冻结点是非常重要的。比C₅重的组分可能在本发明中出现的温度下凝固。当多组分气流冷却的时候，去除较重的组分，它们冷凝，从而在温度达到足够低，而允许凝固的情况下，在达到工艺的一部分时，允许从系统中除去这些较重的组分。

如果需要的话，为使较轻的组分回流，可以进一步分馏分离的重组分气流。因为本发明利用溶剂来净化轻质产品，而非利用回流，所以工艺的最低温度要比没有用溶剂的低温工艺高，因此，本发明更能允许在低温条件下冻结的组分的存在，这包括但不局限于C₅₊，二氧化碳和芳族物质。

总的来说，本发明的工艺方法能够应用于任何多组分气流，其中气流中不同的组分在碳氢化合物溶剂中具有不同的溶解性。一般多组分气流包括一种或者更多种碳氢化合物。通常，优选将气流中的较重组分吸附到溶剂中，产生富含重质组分的溶剂塔底气流和富含较轻组分的塔顶气流。例如，多组分气流可以包括氮气和甲烷。根据本发明，使溶剂和这样的气流接触将产生富含甲烷的溶剂气流和富含氮气中的塔顶气流。如果多组分气流包括氢气和甲烷，则使多组分气流同溶剂接触就会产生富含氢气的塔顶气流和富含甲烷的溶剂塔底气流。气流可以是更复杂的多组分气流，例如气流可以包含下述组分，所述组分为从氢气、氦气、氮气、甲烷、乙烯、乙烷、较重的饱和和不饱和碳氢化合物(例如C₃₊)以及它们的混合物中选出的成分。

通过参考附图以及接下来对附图中描述的实施例的讨论，对本发明的多个方面就会有更好的理解。对于文中没有具体论述有编号的要素的情况，可以认定这些要素同以前或者现有技术附图中相应的相同编号的要素具有同样的性质和目的。

图1展示了缺少任何气体循环步骤的现有技术的工艺方法。根据图1的工艺方法，碳氢化合物多组分气流1和品溶剂2在提取器3中逆流接触，产生塔顶气流18和富溶剂塔底气流4。富溶剂塔底气流4被引导至一个或者更多的闪蒸分离器5中。分离器的数量可以变化。根据一个实施例，只有单个闪蒸分离器5。吸附到溶剂中的组分在分离器5中被释放，形成蒸汽气流6。尽管图1中仅仅描述了一个闪蒸阶段，但可以采用多个分离器。气流6的压力通过压缩机7得以提高，产生了作为工艺产品气流的气流8。再生的贫溶剂作为液体流9离开分离器5，然后通过泵12作为气流10返回提取器3。贫溶剂气流10在进入提取器3之前，可以在溶剂冷却器11中冷却。如果进入图1工艺的多组分气流包括甲烷和氮气，例如被氮气污染的天然气，那么气流18就会富含氮气，气流8就会富含甲烷。然而，因为氮气同甲烷共同吸附进入溶剂中，所以气流8通常会被大量的氮气污染。理想情况是，使气流1与溶剂接触将会产生成分是氮气的塔顶气流18和仅仅富含被吸附的甲烷的溶剂气流4。然而，在实际的工作条件下，原料组成和运行条件会产生不符合要求的数量的氮气，这些氮气是随着所需的吸附组分，即甲烷而共同吸附到溶剂气流4中的。

图2示出了降低生产的气流被共同吸附的轻质组件污染的量的现有工艺方法。图2的工艺方法利用两个闪蒸再生分离器，中间闪蒸13和最后闪蒸5。来自中间闪蒸13的塔顶气流15通过循环压缩机16得以再压缩，并循环到提取器3中。最后闪蒸5通常在低于最先闪蒸13的运行压力下运行。因为氮气是一种比甲烷轻的轻质组分，所以优选中间闪蒸13释放共同吸附的氮气，并优选将需要的甲烷留在富溶剂14中。富含氮气的气流15再次被压缩并返回到提取器3中，优选的是在该提取器中等于或者低于多组分气流1的点处返回。这致使气流18富含更多氮气。从气流4中除去共同吸附的氮气致使最后的产品气流8含有更少的氮气。以图2为依据的工艺提供了一种高纯度的产品气流，但是该工艺需要附加的氮气压缩机16和附加的闪蒸阶段13。

图3示出了现有技术的工艺方法，其中一部分吸附/排出的组分从远处沿着工艺气流循环到提取器3中。多组分气流1同贫溶剂2在提取器3中逆流接触，产生塔顶气流18和富溶剂塔底气流4。引导富溶剂塔底气流4进入一个或者更多的闪蒸分离器5。分离器的数目可以变化。被吸附的组分作为气流6被分离器5排出。通过压缩机7压缩气流，其变成气流8。再生的贫溶剂作为液体流9离开分离器5，作为气流10通过泵12返回到提取器3中。贫溶剂气流10在再次进入提取器3之前，能够通过溶剂冷却器11冷却。如图3所描述，一部分产品气流8通过分流器20变换方向并作为气流22循环回提取器3中。一般气流22在等于或者低于原料气流1的点处进入提取器。没有参与循环的部分产品气流8，即气流21就是纯产品气流。在分离氮气和甲烷的情况下，即使气流残留的氮气含量可能已经满足产品规格要求，但是使一部分产品气流8循环是有利的。这是因为把一部分气流循环到提取器3调整了提取器底部的组成，使气流4富含更多甲烷。这是不同于图2中的方法，图2中第一闪蒸分离器的气流15可能富含氮气。如果这一富含氮气的气流包括在甲烷产品中，这一富含氮气的气流可能导致全部甲烷产品中的氮气含量超过标准规格。根据图2所描述的实施例，使富含氮气的气流15循环，以避免在甲烷产品中包含氮气。这需要一个专用的循环压缩机(在图2中示为16)。相反，在图3中，富含甲烷的气流22阻止闪蒸蒸汽由于甲烷产品中的氮气而不满足标准。该循环方法消除了对专用循环压缩机的需要，并且也能消除对第一闪蒸容器的需要。

图4示出了图3所描述的现有技术实施例的替代实施例。在这个实施例中，一部分轻的、没有被吸附的组分18通过分流器32变换方向并作为气流31被引导至闪蒸分离器5，在闪蒸分离器中采用一种解吸气体。解吸塔也能用来代替闪蒸容器，并且可以采用多个解吸塔或闪蒸分离器。轻质组分(例如氮气)的引入使更多的吸附组分(例如甲烷)从循环溶剂中解吸出来，这样通过允许更低品味贫溶剂蒸汽循环到提取器的方式来允许被吸附组分的更高的百分比吸收率。

图5示出了现有的低温工艺方法，该方法在没有采用溶剂的情况下，包括换热、JT降压、再沸腾和回流的分馏塔。在这个低温分离工艺的实施例中，多组分气流体1被分成气流5和5a。气流5在换热器1a、1b、1c中进一步分离并得以冷却，再次合并的气流5然后利用JT阀3降低压力，作为一种温度更低、压力更小的气流4离开JT阀。气流4在分流塔12的中点进入该分馏塔12，气流5a在换热器2a、2b中得以冷却，利用JT阀3a降低压力，作为一种温度更低、压力更小的气流4a离开JT阀。气流4a在等于或者高于气流4加载原料点的位置进入分馏塔12。分馏塔包括塔盘、填料，或者其它物质传输接触装置，以促进组分的分离。分馏塔的底部通过利用换热器2a、2b的回收热量而再沸腾，以提供热量，使部分底部液体蒸发，从而提供解吸气体来净化底部产品气流5。底部产品气流被分成气流6和7。在热交换器1c中再次加热气流6，然后该气流最为中等压力的重组分流体8离开系统。气流7在热交换器9中得以进一步的冷却，并通过阀10降低其压力，作为气流11离开阀10。气流11比分馏塔的原料气流4的温度低，这样可以提供冷却，以在分馏塔12的顶部部分冷凝并形成回流液体。这是通过利用内部分馏塔13来完成的。气流11作为气流14离开分馏塔，在热交换器9中部分地被加热，在热交换器1b中进一步再热，低压重产品气流15离开该工艺。分馏塔12的塔顶产品作为气流16离开分馏塔，在换热器1a中得以再热，并作为轻组分气流17离开工艺。图5中描述的多个单独的热交换器可以合并为一个热交换器。

图6示出了本发明基本组件的总体图。多组分气流1在热交换器2中冷却，作为气流3离开，通过JT阀4(或者其它器件)进一步得以冷却降压变成气流5。气流5和贫溶剂流7在提取器6中接触。原料中的轻组分作为气流9离开提取器6的顶部，然后在换热器2中再热，作为轻组分流10离开工艺。富溶剂流8离开提取器6的底部，并包含贫溶剂和多组分气流中的较重组分。上述富溶剂通过利用阀11(或者其它器件)降低压力，然后作为气流12进入闪蒸器13。闪蒸步骤使得可以将液体富溶剂分离成蒸汽流和液体流，气流14是蒸汽，气流15是液体。蒸汽流14包括较重的多组分气流组分，它在热交换器1中得以再热，作为气流16离开工艺。通过利用泵17提高气流15的压力，该气流作为溶剂流7再次进入提取器6。

图7描述了本发明的另外一个实施例，该实施例包括多次溶剂闪蒸，作为塔的最后闪蒸的再沸腾，最后的闪蒸塔的侧面再沸腾，较重的产品循环回提取器和提取器底部的再热。该实施例也包括了图6的基本组件。图7描述的工艺以能量效率更高的方式，生产出比图6的工艺所生产的纯度更高的轻质和重质的产品。要指出的是，所描述的换热器是具有多孔的板翅式盒体，然而也可以采用单独的热交换器。多组分气流1在换热器2中得以冷却，作为气流3离开换热器2。在阀4(或者其它器件)中进一步冷却并降压，作为气流5进入提取器6的中点处。贫溶剂7进入提取器的顶部，一部分循环的重质产品，气流8进入提取器的底部。贫溶剂从多组分气流中吸附重组分，使得提取器顶部的气流9成为多组分气流大体上纯净的轻组分。循环的重产品气流8使共同吸附的轻质组分从溶剂中解吸出来。这使提取器底部液体产品，富溶剂气流10主要成为溶剂组分和重质多组分气流组分。在换热器2中再次加热气流9，以回收热量。附图7中示出了可选择的压降装置11，并且如果需要额外的冷却来增强有效的热交换，可以利用该降压装置11。再热气流9作为轻质组分流12离开工艺。为了在较低压力下从溶剂中排除吸附的重组分，利用闪蒸器16、17和塔18从液体溶剂中分离汽化重组分，富溶剂气流10通过阀(或者诸如液力涡轮这样的器件)13、14、15降低压力。在附图中将富溶剂气流10示为在热交换器2中部分再热，以增强重组分从溶剂中的蒸发效果。将塔18示为具有底部再沸器和侧部再沸器，以进一步增强被吸附的重组分从溶剂中的蒸发效果，底部再沸器被表示为热交换器2的一部分，侧部再沸器是换热器19。排出的重组分蒸汽流20、21、22都包含部分重质组分，附图中示出在气体压缩机23的的第1、2、3阶段压缩这些气流。一部分压缩气体作为气流24循环到热交换器2，在热交换器2中被冷却为气流8。图7中没有示出压缩机的级间冷却器。从多组分气流中分离的重质组分作为气流25从压缩机的最后一级离开该工艺。塔18的底部液体是再生的贫溶剂，气流26。可能有过量的溶剂产生(从多组分气流中回收的)，如果是这样，它可以作为分离的重质产品气流27而排出。可选择的是，如果要求重质溶剂的组成保持溶剂的存量，则气流27代表了这一组成要求。利用泵28来提升贫溶剂的压力，溶剂作为气流29离开泵，在侧部再沸器19中得以冷却，并作为再循环的贫溶剂气流7离开侧部再沸器19而进入提取器。

图8是本发明的另外一个实施例。和热交换器2以及附加热交换器29一起的提取器6分为顶部和底部部分6t和6b。如图7中所示那样冷却多组分气流，但是热交换器29中容纳部分冷却的气流，热交换器29是提取器底部6b部分的再沸器。如图7所示降低多组分气流的压力，气流进入提取器6b部分的顶部。在图8的实施例中，重质产品的循环部分，即气流8现在进入提取器顶部部分6t的底部，来自6b的顶部流，即气流30进入提取器6t的中间点处，来自提取器顶部6t部分的富溶剂作为气流31被除去。如图7中所示的那样，使富溶剂再生并从溶剂中去除较重的成分。提取器底部部分6b没有采用溶剂。借助由新再沸器29的热量提供的解吸气从冷却的多组分气流中的液体部分，即气流5中除去轻质组分。并作为气流32离开提取器，经过必要的再热和压缩之后，变成总的重组分产品的一部分，即气流25。需要指出的是，当无需解吸6t中的溶剂以满足产品要求时，来自6b的蒸汽气流30可以直接进入6t的底部，有效地使6t和6b成为一个塔，借助管式塔盘来分离气流，除去气流31。

图9描述了同图8的实施例具有许多相似的本发明的另外一个实施例。在这个实施例中，没有使用图8的重质产品循环气流8来净化提取器6t底部的气流，这一目标是通过利用再沸器实现的，该再沸器在附图中示为换热器2的一部分，其通过气流33加料。图8的工艺的第二个变化之处是：在使来自提取器6t的富溶剂流31再生以前，在热交换器2中使其再热。此外，6b塔底气流32也分成两股气流32a和32b。象图8中那样再热气流32a。降低气流32b的压力，并且在换热器2中再热并且在气流进入重质产品压缩机之前，其在换热器34中提供辅助的溶剂冷却。

实例

这一例子对附图7、8和9中示出的本发明的工艺方法和附图2和5中示出的现有方法进行了比较，该比较是就下述能力而言的，所述能力即为处理包含甲烷和氮气的气流，以生产出惰性成分的含量满足通常的管线质量要求的甲烷气流的能力。这一比较在这样的条件下进行，从而可以对图2的吸附工艺和图5的低温工艺同如图7—9所示的结合两种技术的本发明的三种形式做一个公平的比较。现有技术和本发明的比较所采用的三个标准是：1)分离组分的能力，2)需要的压缩功率，和3)工艺中对引起冻结的污染物的承受力。为了能够正确地评价标准2，即需要的压缩功率，在每个工艺中，把纯净的甲烷产品都压缩到相同的压力。需要指出的是在图2中的现有工艺中，包括附加的闪蒸阶段，这在该工艺的实际装置中是常见的。

使用的多组分气流的构成是15％摩尔的氮、84％摩尔的甲烷和1％摩尔的乙烷，气流具有15.00MMscfd的流动速度，120℉的温度，和950psig的压力。在所有情况下，都将重质产品再压缩到935psig的压力。VM&P Naphtha(石脑油)是图2现有技术使用的溶剂。通常使用的溶剂和/或异丁烷是图7，8，9的工艺中采用的溶剂。所有这些工艺可以实现实质上相同的多组分气流的分离，生产出主要由氮气组成的轻质气流和主要由甲烷和乙烷组成的重质气流。实际完成的分离和其它的统计数值列举在下面的图表中。所有的结果是通过相似的工艺模拟技术获得的。

 

采用的过程工艺	从重质产品的原料中回收甲烷的百分数％	重质产品氮气含量，摩尔％	需要的总压缩功率	需要的泵功率
					图2(现有技术)	98.51	3.02	2837	948
图5(现有技术)	99.40	3.10	2085	-
					图7(本发明)	99.56	2.94	2486	61
图8(本发明)	99.44	3.12	1744	61
					图9(本发明)	99.86	2.99	1741	43

所有的工艺通过重质产品中所示的相似的氮气含量实现相似的甲烷纯度。图2具有最低的甲烷回收率，图9最高，图5，7，8相似。高的回收率不仅表明更多的有价值的甲烷可以作为产品利用，而且氮气产品，或者排放到大气中，也是一种比较纯净的产品。更高的回收率和纯度增加了价值。在图9的情况中，氮气产品的纯度达到99％摩尔。图9还具有实现所示的分离的最低压缩和运行总功率或最小能量耗费。如图9所描述的本发明的实施例在耗费最低能量情况下实现了最好的分离效果。图7和图8所描述的本发明的实施例也有优点。相对于现有技术，图8的实施例以非常低的能费，和比图9所需的更少的设备实现了好的分离效果。图8的实施例对多组分气流中的二氧化碳的含量也有很大的承受度。图2可以容纳无限量的二氧化碳(CO₂)，图5可以容纳原料中大约1500ppmv的CO₂，而不会使二氧化碳在工艺中冻结。图7和9能够容纳多组分气流中的大约1000—1500ppmv的CO₂，而不会使其冻结。但是图8的工艺可以容纳5000ppmv或者更多的CO₂。如果乙烷的含量是2％，则可以承受大约1％的二氧化碳，并且随着乙烷含量增高，可以承受2％的二氧化碳。二氧化碳的承受度使氮气/甲烷分离工厂可以在没有安装在分离装置上游的二氧化碳移除设备的情况下运行。造成图8工艺中二氧化碳承受度的原因是工艺中的最低运行温度—180℉。其它工艺的最低温度如下：图2：—25℉，图5：—253℉，图7：—200℉，图9：—193℉。造成图8工艺中二氧化碳承受度的第二个原因是在该工艺中二氧化碳除去得非常早，包括大部分二氧化碳的塔6t底部的气流没有任何附加的压力或者温度降低。图7的实施例相对于其它的工艺也有不同的优点。在这个实施例中，大量包含在多组分气流(如果天然气是原料—如果纯净的气体是原料，然后乙醇、乙烷、丙稀等)中的任何已烷、丙烷或者丁烷被加入到溶剂总量中，这样这些成分可以作为第三种产品从工艺中分离出来，这在没有增加更多设备的条件下实现了多组分气流的附加的看一种分离。这也消除了工艺中对任何溶剂成分的需要。当溶剂由原料组分组成时，由于循环的溶剂通常具有较低的摩尔质量，所以有时气体中入口组分溶剂组成的应用也能够减少能量损耗。

目前工艺的实施例表明现有技术吸附工艺结合低温工艺是如何实现综合作用的，其中，实现的性能超过了任何单个的工艺的能力，实现了原料组分的高度分离，最小的能量耗费并可以承受原料中的杂质。

根据目前公开的内容，可以在无需过度的试验的情况下，实现和实施这里披露的所有方法和设备。虽然根据具体的实施例对本发明的方法进行了描述，但是显然在不脱离本发明的构思、精神和范围的情况下，本领域的技术人员可以变更这里描述的方法、设备以及方法的步骤或者一系列步骤。所有这些对本领域的技术人员而言显而易见的类似替代方式或者改进方式都被认为是落在在后的临时权利要求限定的本发明的精神、范围和构思范围内。

本领域技术人员应当认识到：在这里通过使多组分气流和溶剂在—120℉或者更低的温度下在提取器中接触，来产生富含至少一种没有被吸附的组分气体的塔顶气流和富含至少一种被吸附组分气体的富溶剂塔底气流来分离多组分气流的方法和设备。在至少一个降压阶段闪蒸蒸发富溶剂塔底气流来再生贫溶剂并生产富含至少一种吸附组分气体的塔顶气流；并使再生的贫溶剂循环到提取器。根据一个实施例，多组分气流包含至少一种碳氢化合物。根据一个实施例，多组分气流包含从包括氢气、氮气、氦气、氩气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷、较重的饱和和不饱和碳氢化合物及其混合物的一组物质中选出的一种或者多种组分。根据一个实施例，没有被吸附的组分气体包括氢气。根据一个实施例，产品气流包括甲烷。根据一个实施例，溶剂是多组分气流的其中一种成分。根据一个实施例，溶剂是一种加到工艺中的外部溶剂。根据一个实施例，溶剂是从由比C₅轻的石蜡族组成的溶剂中选出的物质。根据一个实施例，通过下面的一种或者多种手段将多组分气流冷却到—120℉或者更低的温度，所述手段包括热交换、制冷和降压自动制冷。根据一个实施例，降压自动制冷是通过利用下面的一个或者多个器件来实现的，所述的器件包括JT阀、气体膨胀器、气体涡轮膨胀机、喷嘴、液力涡轮或者其它合适的手段。根据一个实施例，溶剂降压是通过利用下面的一个或者多个器件来实现的，所述的器件包括阀门、喷嘴、液力涡轮或者其它合适的手段。根据一个实施例，来自第一闪蒸器的蒸汽作为解吸气循环到提取器中。根据一个实施例，一部分重质组分作为解吸气循环到提取器中。根据一个实施例，利用一部分轻质组分进一步净化闪蒸器或者塔中的贫溶剂。根据一个实施例，再沸腾提取器。根据一个实施例，在提取器底部闪蒸之前对其进行加热。根据一个实施例，利用塔来使溶剂再生，并且塔配置了一个或多个再沸器。根据一个实施例，塔的再沸器的所有热量是通过和工艺中的其它气流进行热交换而提供的。根据一个实施例，最后的闪蒸作业在低于大气压的压力下运行。根据一个实施例，最后闪蒸是一个塔。根据一个实施例，在工艺中累积过量的溶剂并作为工艺的分离产品排出。根据一个实施例，预先处理多组分气体，去除可能凝结或者否则会对工艺产生不利影响的杂质，所述杂质包括但不限于水、二氧化碳和重质碳氢化合物。根据一个实施例，多组分气流包括大约2％或者更多的二氧化碳，但二氧化碳在系统中不形成固体。根据一个实施例，采用其它技术来局部地净化多组分气流，所述技术包括但不限于隔膜、变压吸附、分子筛和反应器。根据一个实施例，在冷却并抽出多组分气流时，当达到在工艺中可能冻结的原料组分的冻凝温度之前，将上述原料组分作为液相进行分离。根据一个实施例，在进入最先的反应器前，在容器或者塔中分离一部分重质组分。根据一个实施例，最后的重质组分分离塔配备了一个或者多个再沸器。根据一个实施例，随着回收的重质组分压力下降或者不下降，利用分离的重质组分进行热交换。根据一个实施例，降低一种或者多种工艺气流的压力，以便通过热交换实现系统的辅助低温冷却。根据一个实施例，最初分离的蒸汽产品传输到提取器中。根据一个实施例，提取器具有促进物质传输的内部构件。根据一个实施例，多组分气流和溶剂是逆流接触的。根据一个实施例，一部分重质产品是在塔底部分离的，塔的顶部部分是使用溶剂的提取器部分。在顶部和底部部分的富溶剂是利用管状塔盘或其它器件去除的。

Claims (35)

1.一种分离多组分气流的方法，该方法包括：

在大约—120℉或者更低的温度下，使多组分气流和溶剂在提取器中接触，以生产富含至少一种没有被吸附的组分的塔顶气流和富含至少一种被吸附组分的富溶剂塔底气流；

在至少一个降压阶段闪蒸蒸发富溶剂塔底气流，以使贫溶剂再生，并生产富含至少一种吸附组分的塔顶气流；

使再生的贫溶剂循环到提取器中。

2.如权利要求1所述的方法，其中多组分气流包含至少一种碳氢化合物。

3.如权利要求1所述的方法，其中多组分气流包含一种或者多种从由氢气、氮气、氦气、氩气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷、饱和和不饱和C₃₊碳氢化合物及其混合物构成的组中选出的组分。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述的至少一种没有被吸附的组分包括氮气。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述的至少一种没有被吸附的组分包括氢气。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述的至少一种被吸附的组分包括甲烷。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述溶剂是多组分气流组分中的其中一种。

8.如权利要求1所述的方法，其中溶剂是外部溶剂。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述溶剂是从由比C₅轻的石蜡族构成的溶剂组中选出的。

10.如权利要求1所述的方法，其中利用冷却方法将多组分气体冷却到大约120℉或者更低的温度，所述的冷却方法是从下述一组方法中选出的方法，这组方法包括：热交换、制冷和降压自动制冷。

11.如权利要求10所述的方法，其中多组分气流是利用从由JT阀、气体膨胀器、燃气涡轮膨胀器、喷嘴、液力涡轮或者它们的结合组成的器件组中选出的降压自动制冷器件来冷却的。

12.如权利要求1所述的方法，其中至少一个降压阶段包括从由阀门、喷嘴、液力涡轮组成的器件组中选出的一种或者多种器件。

13.如权利要求1所述的方法，该方法包括不只一个降压阶段，并且该方法还包括：使部分第一降压阶段的塔顶气流作为解吸气体循环到提取器中。

14.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：使部分富含至少一种吸附组分的塔顶气流作为解吸气体循环到提取器中。

15.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：利用部分富含至少一种没有被吸附的组分的塔顶气流来进一步净化贫溶剂。

16.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：使富溶剂塔底气流再沸腾。

17.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：在闪蒸蒸发所述气流以前，加热富溶剂塔底气流。

18.如权利要求1所述的方法，其中至少一个降压阶段配置了一个或者多个再沸器的塔。

19.如权利要求18所述的方法，其中塔式再沸器的热量是通过与方法工艺中的其它气流进行热交换而提供的。

20.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：在大气压下闪蒸蒸发富含至少一种吸附组分的顶部气流。

21.如权利要求20所述的方法，其中所述闪蒸蒸发发生在塔中。

22.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：获取在方法中累积的作为方法的一种产品的过量溶剂。

23.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：预处理多组分气流来去除在运行温度下可能冻结的杂质。

24.如权利要求23所述的方法，其中所述的杂质包括水、二氧化碳或者重质碳氢化合物。

25.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：采用从由隔膜、变压吸附、分子筛和反应器组成的组中选出的一种方法对多组分气流进行处理。

26.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：冷却多组分气流，并在达到所述组分的冻结温度之前，去除多组分气流中可能冻结的组分。

27.如权利要求1所述的方法，其中多组分气流包括重质组分，并且该方法进一步包括：在重质组分接触多组分气流提取器之前，分离容器中的一部分重质组分。

28.如权利要求27所述的方法，其中所述的容器配置有一个或者多个再沸器。

29.如权利要求27所述的方法，该方法进一步包括：利用分离的重质组分进行热交换。

30.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：减少一股或多股气流的压力来通过热交换提供对工艺的附加冷却。

31.如权利要求27所述的方法，该方法进一步包括：加热分离的重质组分，以产生蒸汽，将所述的蒸汽输送到提取器中。

32.如权利要求1所述的方法，其中所述提取器是一种塔，该塔具有促进物质传输的内部构件。

33.如权利要求1所述的方法，其中多组分气流和溶剂是逆流接触的。

34.如权利要求1所述的方法，其中在塔底部分离部分重质产品，塔的顶部是使用溶剂的提取器部分，并且其中在顶部和底部部分之间利用管状塔盘或其它器件去除富溶剂。

35.如权利要求1所述的方法，其中多组分气流包含大于约2％的二氧化碳，并且其中在该方法中二氧化碳不形成固体。

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