CN101535447B - 基于烃的硫溶剂体系和方法 - Google Patents

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Abstract

用于从各种气体、且特别是井酸性气体中除去元素硫的预期的布置和方法，采用了将硫溶解以形成富溶剂并随后通过加氢处理使其再生的烃溶剂。由此，将硫以H2S从富溶剂中除去，其可以随后进行处理(例如在Claus单元或吸收单元中)，同时将再生的溶剂送回到井和相关的生产管路。

Description

基于烃的硫溶剂体系和方法
本申请要求2006年8月31日提交的、本申请人的共同待审美国临时专利申请60/824253的优先权。
发明领域
本发明的领域是从气体中除去硫，且特别是从气井和相关气体输送系统的酸性气体中除去元素硫。
发明背景
酸性气体经常含有大量的溶解的元素硫，其趋于在运输期间在多个位置中沉淀，包括井串、气体收集系统、和下游气体处理与气体加工设备中。为了避免这样的问题，可以将烃油注入井串或收集系统中以使硫溶解于烃液体相中且由此防止元素硫的沉淀。最常见地，使用芳族溶剂(例如烷基萘)作为溶剂，因为它们通常比石蜡或脂环烃显示更高的硫溶解性。该体系的典型实例描述于US 4,322,307。
加载硫的芳烃溶剂的再生通常通过使该富溶剂与包含胺(例如乙基胺)的水溶液接触来实现。这种体系中，硫被转化为多硫化物并迁移到水相中，由此使烃溶剂再生，随后将其再循环。随后通过蒸馏使含有胺和多硫化物/硫的水溶液再生，由此以塔顶产物提供胺水溶液和以塔顶产物提供不纯的、熔融的元素硫。例如，US 5,242,672描述了典型的再生单元。虽然这种体系通常在酸性气体中实现了期望的硫减少，当时仍存在许多困难。除了其它情形之外，采用胺溶液的溶剂再生需要用于加热和泵送的大量能量。另外，且取决于特定酸性气体，胺溶液的化学稳定性可能比期望的更差，且要求稳定剂和/或胺的更换。另外，从这种再生中获得的多硫化物和/或硫可以至少在一些情形下需要额外的处理以提供期望的终产物。
替换地，可以采用二烷基二硫化物作为硫溶剂，例如如US 3,531,160中所述。这种体系中，借助于蒸馏和/或通过采用溶剂(例如酮类或烃类)的沉淀除去溶解的硫以使溶剂再生。对于高温高压井来说，烷基硫化物或二烷基二硫化物可能是胺活化的，如US 4,248,817或4,290,900中所述。溶剂再生经常通过溶解的硫的沉淀来实现。这种体系提供了优于基于石蜡或脂环烃的硫溶解体系的一些优点，但是，存在其它缺点。例如，溶剂再生经常不是定量的且，活化时，溶解可能随时间流失而退化和丧失性能，特别是在相对苛刻的深井气体生产条件下。由此，通常必须加入新的溶剂以保持期望的性能。另外，至少一些这种体系中的再生仍需要大量能量。
由此，虽然许多硫溶剂体系的方法是本领域中公知的，但是全部或者几乎全部存在一种或多种缺点。由此，仍存在对于提供改进体系和方法用于硫溶剂体系的需求。
发明概述
本发明涉及从用于溶解和/或防止井和相关管路设备中硫沉积物的溶剂中除去硫的构造和方法。依据本发明主题的构造和方法中，将富硫溶剂加氢处理，由此使溶剂再生和制得随后可以在下游过程中进一步浓缩和/或在Claus单元中转化为元素硫的H2S。最优选地，该溶剂为烃溶剂且包括脂环烃、链烷烃、和/或芳烃。
本发明主题的一方面中，气体生产装置包括与分离器流体连接的井，其中配置该分离器以使井输出分离为气体部分和富溶剂部分。加氢器与分离器流体连接，其被配置以处理富溶剂，由此容许生产H2S和再生的溶剂，且配置循环回路以容许再生的溶剂进料到井的顶端位置、井的底孔位置、和/或传送井输出的管路或其它导管中的至少一个位置，由此容许形成富溶剂部分。
最优选地，预期的装置进一步包括处理单元，其与加氢器流体连接且其被配置以生产富氢的循环流和富H2S的酸性气流(例如采用膜分离单元、基于溶剂的吸附单元、和变压吸附单元的分离器)，其中至少一些方面中进一步使Claus单元与加氢器流体连接或处理单元且其被配置以接收富H2S的酸性气流和生产元素硫。依据溶剂，也预期该装置包括脱氢器，其与加氢器流体连接且其被配置以使至少一部分再生的溶剂脱氢。仍进一步，预期可以提供支管，其容许使来自加氢器下游位置的一部分再生溶剂在加氢器上游位置进料到井输出或者直接进料到加氢器，由此控制加氢器温度。
由此，且在本发明主题的另一方面中，也预期了从井输出中除去硫的方法，其中将再生的溶剂进料到井的顶端位置、井的底孔位置、和传送气井输出的管路中的至少一个位置，由此形成包含溶解的硫的混合井输出。将该混合井输出分离为富溶剂部分和气体部分，并随后加氢处理气体部分以形成H2S产物和再生的溶剂。
最优选地，该溶剂包括脂环烃、链烷烃、和芳烃中的至少一种，且在保持富溶剂的去饱和且将至少一部分溶解的硫转化为H2S的条件下进行加氢处理的步骤。期望或者必要时，可以使再生的溶剂去饱和，和/或可以在Claus单元中将H2S产物转化回元素硫。仍进一步，通常优选至少一部分再生的溶剂用作加氢处理步骤中的循环进料。
由此，且从不同观点来看，再生富硫溶剂的方法，其溶解的硫浓度为至少2wt％(其中从气井中提供该富硫溶剂)，包括步骤：加氢处理该富溶剂以形成H2S产物和再生的溶剂。优选地，将H2S产物进一步处理以生产富氢的循环流和富H2S的酸性气流，且将至少一部分再生的溶剂进料到井的顶端位置、井的底孔位置、和传送井输出的管路中的至少一个位置，由此形成富溶剂。特别优选的方法中，在保持富溶剂的去饱和且将至少一部分溶解的硫转化为H2S的条件下进行加氢处理。
由本发明优选实施方式的如下详细说明，与附图一道来看，本发明的各种目的、特征、方面和优点将变得更明显。
附图说明
图1为依据本发明主题的示例性装置配置的示意图。
详细说明
本发明者已发现，可以在其中使加载硫的富溶剂(典型地为烃溶剂)在将硫转化为硫化氢的氢化反应中再生的体系中从硫溶剂中简单地且有效地除去硫。由此形成的硫化氢从加氢处理的溶剂中除去并在下游硫装置中转化为元素硫(或者否则进行处理)，同时将再生的溶剂循环到井和相关管路中。最优选地，在容许硫转化为硫化氢同时溶剂保持不受影响的条件(典型地低温和/或低压)下进行氢化反应。期望地，可以使至少一部分由此再生的溶剂进行脱氢反应以恢复或调节去饱和度或芳香度。
图1描述了硫溶液化系统100的示例，其中将无硫或除去硫的烃油以足以降低、抑制、和/或甚至消除元素硫沉积的数量注入井柱(well string)、流线(flow line)、和/或收集系统中。此时，装置100包括产生井输出112的生产井110。将再生的溶剂144进料到井顶部144A、底孔144B、和/或管路设备144C时，井输出包括产生的水、酸性气体、和具有溶剂的硫的溶剂(即富溶剂)。将井输出112引入三相分离器120，其将井输出分离为产生的水124、酸性气体122、和富溶剂126。
将富溶剂126进料到加氢器130中，典型地与从加氢器下游位置中获得的支路流138(包括再生的溶剂)一起。加氢器130接收氢流132且产生H2S产物流134，将H2S产物流134引入其中将氢循环流152与H2S产物流154分离的处理单元150中。富H2S的流154离开处理单元150作为进料进入Claus装置160。随后将大部分再生的溶剂136进料到任选的缓冲罐或储罐140，同时将相对少的支路流137引回到加氢器130用于放热反应的温度控制。最优选地，选择支路流137的数量，使得加氢器在有效地由硫生成H2S、但不会显著降低(不超过10％，更优选不超过5％)溶剂的去饱和度的温度下操作。当溶剂去饱和相对明显时和/或当期望相对高的去饱和度时，可以增加脱氢单元170，其中使至少一部分再生的溶剂136(例如，借助于流137)去饱和。随后可以将由此产生的去饱和流作为流174进料到储存器140和/或加氢器130。可以将尾气172引入燃料燃烧器，同时过量的再生溶剂142可以作为商品出售。
关于适宜的井系统，预期其中存在硫沉积问题的所有井和相关装置(例如管路、歧管等)适用于和本文中给出的教导一起使用。但是，特别优选井是高温高压气井和/或油井。由此，井产物组成、压力、和温度可以相当大地变化。例如，井产物压力可以为10～5000psig、且更典型地为50～2000psig，和温度为50～300°F、且更典型地为50～200°F。井产物典型地包括产生的水、加载硫的烃溶剂、和酸性气体，且优选地在三相分离器中进行分离。依据特定配置和井产物组成，也可以采用两相分离器、脱水器、和/或其它装置。一旦与水和/或烃油分离，就将酸性气体送到一个或多个气体处理和加工单元(未显示)，同时将产生的水进行处理用于抛弃或其它应用(未显示)。当井产物具有相对高压力(例如高于300psig)时，应当理解，可以采用一个或多个减压装置以发挥作用，且当井产物的温度相对高(例如高于200°F)时，热容量可以用于生产设备之内的一个或多个交换器。
关于硫溶剂，通常预期所有溶解硫沉积物的溶剂适用于本文中的应用。但是，特别优选的方面中，该溶剂为烃油。进一步理解，烃油的特定性能并不是关键的，但是通常优选该烃溶剂是脂环烃、链烷烃、芳烃、或其混合物(最优选地，由于高硫溶解性，该烃油为芳族烃油)。该溶剂可以源于共同产生的油(典型地规范精制)，或者可以从外部来源或者作为补充油从相同或其它位置中的其它精炼操作中提供。另外，较少优选的方面中，该烃油也可以包括活化剂(特别是在烃油馏分包括烷基硫化物或二烷基二硫化物时)。
烃油循环速率典型地至少取决于预期的硫沉积物的数量、酸性气体的硫含量、溶剂中硫的溶解性、和井与管路装置中的温度与压力条件。贫溶剂不必定量地除去硫，且可以包含小于1wt％、更典型地小于0.5wt％、甚至更典型地小于0.1wt％、和最典型地小于100ppm的残留硫含量。也应当理解，溶剂中可以存在元素硫之外的何种硫化合物，且特别地预期的硫化合物包括硫醇和COS。类似地，加载硫的富溶剂中硫的含量典型地变化，但是最典型地为至少2wt％、更典型地为至少3wt％、甚至更典型地为至少5wt％、且最典型地为至少10wt％。由此，应当理解，也可以将富溶剂或其一部分再循环几次，直到在溶剂中达到期望的硫饱和度。
随后将加载硫的烃溶剂送到加氢器，其中将其加热并与氢接触，由此将实质上全部(例如至少70％、更典型地至少85％、最典型地至少95％)硫化合物转化为H2S。富溶剂的加热可以采用与加氢器出口、或其它传统加热方式热连接的交换器来进行。类似地，放热反应的热控制优选地通过用于稀释加氢器进料流的烃循环流的使用来实现(循环流可以采用与井产物或设备之内的其它流的热交换来进一步冷却)。如需要，可以以传统方式将补充氢加到溶剂和/或加氢器中。
关于适宜的加氢处理反应器，应当理解大多数可商购获得的反应器配置、催化剂、和条件适用于本文中的应用。但是，特别优选的方面中，且特别是在芳族油用作烃溶剂用于除去元素硫时，应当指出，配置加氢处理反应器以在低到足以减少或者甚至消除芳族油的饱和化的压力和温度下操作。为了控制氢化中的反应热，通常优选将处理过的油的循环流与加载硫的溶剂混合，如图1中所示。流的特定体积取决于各种变量，包括硫含量、催化剂类型和反应器中压力等，且本领域普通技术人员无需过度的实验就能够确定适宜的流量比。
优选实施方式中，随后将来自加氢器H2S富气送到气体处理单元，由此从H2S产物中回收至少一些氢。该回收可以采用氢选择膜、基于溶剂的工艺、和/或变压吸附工艺来进行。不管处理方式，仍将H2S产物送到硫装置(典型地Claus装置或类似配置)或者其它目的地(例如包括酸性气体的工艺流出物)，用于生产元素硫和/或回收H2S，同时将气体处理单元中剩余的脱硫H2富流返回到加氢器或者用于燃烧过程。
优选地，将加氢器中再生的溶剂再循环到气井和相关管路装置中，且期望地，可以装配缓冲罐或储罐以容纳过剩的再生溶剂。最优选的方面中，将至少一部分再生溶剂返回进料到加氢器或加氢器进料用于温度控制，如上所述。另外，或者替换地，也可以将至少一部分再生溶剂进料到脱氢反应器以获得或者保持溶剂中期望的去饱和度和/或芳香度。该反应器中的含氢的尾气可以进料到加氢器、分离单元、和/或燃烧器。
由此，已公开了基于烃的硫溶剂体系的具体实施方式和应用。但是，对于本领域技术人员来说显而易见的是，除了已描述的那些之外，更多的改进是可能的，并不背离本文中的发明原理。由此，本发明主题并不受到显示，除非在所附权利要求的精神之内。另外，解释说明书和权利要求书二者时，应当以与上下文相一致的最宽可能的方式来解释所有术语。特别地，术语“包括”应当解释为以非排除的方式提到要素、组分、或步骤，表示引用的要素、组分或步骤可以存在、或者利用、或者与未清楚引用的其它要素、组分、或步骤组合。另外，当参考文献(将其引入作为参考)中术语的定义或使用与本文中提供的该术语的定义不一致或相反时，本文中提供的该术语的定义适用且参考文献中该术语的定义不适用。

Claims (20)

1.一种气体生产装置，包括： 
与分离器流体连接的井，其中配置该分离器以使所述井输出分离为气体部分和富溶剂部分； 
与分离器流体连接的加氢器，其被配置以处理富溶剂，由此容许生产H2S产物和再生的溶剂；和 
循环回路，其被配置以容许再生的溶剂进料到井的顶端位置、井的底孔位置和传送井输出的管路中的至少一个位置，由此容许形成富溶剂部分。 
2.权利要求1的生产装置，进一步包括处理单元，其与加氢器流体连接且其被配置以生产富氢的循环流和富H2S的酸性气流。 
3.权利要求2的生产装置，其中该处理单元包括选自膜分离单元、基于溶剂的吸附单元和变压吸附单元的分离器。 
4.权利要求2的生产装置，进一步包括Claus单元，其与处理单元流体连接且其被配置以接收富H2S的酸性气流和生产元素硫。 
5.权利要求1的生产装置，进一步包括Claus单元，其与加氢器流体连接且其被配置以接收H2S产物和生产元素硫。 
6.权利要求1的生产装置，进一步包括脱氢器，其与加氢器流体连接且其被配置以使至少一部分再生的溶剂脱氢。 
7.权利要求1的生产装置，其中再生的溶剂包括脂环烃、链烷烃和芳烃中的至少一种。 
8.权利要求1的生产装置，进一步包括支管，其被配置以容许使来自加氢器下游位置的一部分再生溶剂在加氢器上游位置进料到井输出或者直接进料到加氢器。 
9.权利要求1的生产装置，进一步包括缓冲罐或储罐，其与加氢器和循环回路流体连接。 
10.权利要求1的生产装置，其中配置循环回路以容许再生的溶剂进料到井的顶端位置、井的底孔位置和传送井输出的管路中的至少两个位置。 
11.一种从权利要求1所述的生产装置的气井输出中除去硫的方法，包括： 
将再生的溶剂进料到井的顶端位置、井的底孔位置和传送气井输出的管路中的至少一个位置，由此形成包含溶解的硫的混合井输出； 
将该混合井输出分离为富溶剂部分和气体部分；和 
加氢处理富溶剂部分，由此形成H2S产物和再生的溶剂。 
12.权利要求11的方法，其中该溶剂包括脂环烃、链烷烃和芳烃中的至少一种。 
13.权利要求11的方法，其中在保持富溶剂的去饱和且将至少一部分溶解的硫转化为H2S的条件下进行加氢处理。 
14.权利要求11的方法，进一步包括步骤：使至少一部分再生的溶剂去饱和。 
15.权利要求11的方法，进一步包括步骤：在下游Claus单元中将H2S产物转化为元素硫。 
16.权利要求11的方法，其中至少一部分再生的溶剂用作加氢处理步骤中的循环进料。 
17.一种再生富硫溶剂的方法，其溶解的硫浓度为至少5wt％，其中在分离器上游形成并从权利要求1所述的生产装置的气井中提供该富硫溶剂，该方法包括步骤：加氢处理该富硫溶剂，由此形成H2S产物和再生的溶剂。 
18.权利要求17的方法，其中将H2S产物进一步处理以生产富氢的循环流和富H2S的酸性气流。 
19.权利要求17的方法，其中将至少一部分再生的溶剂进料到井的顶端位置、井的底孔位置和传送井输出的管路中的至少一个位置，由此形成该富硫溶剂。 
20.权利要求17的方法，其中在保持该富硫溶剂的去饱和且将至少一部分溶解的硫转化为H2S的条件下进行加氢处理。 
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