CN107208965B - 用于处理含烃流体的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种系统，所述系统用于液化含有至少50体积％甲烷的输入气态流体，所述系统目的在于得到含有至少58体积％甲烷的输出液化流体。本发明还提供一种液化气态流体的方法，所述方法包括：‑提供含有至少50体积％甲烷的输入气态流体；‑将所述输入气态流体的压力增大至10‑50巴；‑通过增加的压力对所述输入气态流体进行预处理，所述预处理包括使用膜滤器，将所述气态流体过滤得到具有10‑50巴的压力、0℃‑50℃的温度、低于2体积％的二氧化碳含量、低于10ppm的水含量和至少85体积％的甲烷含量的滞留物；‑液化所述预处理的流体，所述液化包括将所述流体低温冷却至温度为‑100℃至‑140℃、压力为10‑50巴且甲烷含量至少为85体积％；‑将所述液化的流体闪蒸到容器中，在压力为1‑10巴、温度为‑120℃至‑160℃且甲烷浓度至少为85体积％的条件下，从所述容器的第一容器水平位处回收液体流体至储存装置中，并在低于所述第一容器水平位的第二容器水平位处回收包含固态CO2和水冰的浆料流。

Description

用于处理含烃流体的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于处理输入含烃流体的系统和方法，特别是一种液化输入含烃流体的系统和方法。
背景技术
处理含烃流体，特别是用于液化含烃气体的许多系统和方法通常是已知的。通常使用的是包含高度纯化气体的输入流体流。这样的输入流体流通常是干燥后的，即已经去除了水蒸气。此外，二氧化碳经常在单独的阶段中被去除。
然而，在许多情况下，需要液化的初始气体有很多来源。例如，天然气可能来自不同的井。另一个例子是沼气，其除甲烷以外通常还有许多不同附加化合物。
在1959年，US2900797已经描述了常规气态酸性组分和常规气态烃的分离。根据其描述，一方面，该发明涉及含有二氧化碳的甲烷流的净化。另一方面，该发明涉及从天然气中去除二氧化碳。含有甲烷作为主要成分的各种常规气态烃物流也含有常规酸性组分，如二氧化碳，其含量需要将这些常规气态酸性组分从气态物流中分离。根据该公开的方法在实践中操作复杂。
根据摘要，2013年的WO2014166925描述了液化被污染的含烃气态物流的方法，该方法至少包括以下步骤：
(a)提供被污染的含烃气态物流；
(b)在第一热交换器中冷却被污染的含烃气态物流，从而获得冷却的被污染的含烃物流；
(c)在膨胀机中将冷却的被污染的含烃物流冷却，从而获得部分液化物流；
(d)在分离器中分离部分液化物流，从而获得气相物流和液相物流；
(e)将步骤(d)中获得的液相物流进行膨胀，从而获得多相物流，所述多相物流至少包含气相、液相和固相；
(f)在分离器中分离多相物流，从而获得气相物流和浆料物流；
(g)将固/液分离器中的浆料物流分离，从而获得液态烃物流和浓缩浆料物流；
(h)使步骤(d)中获得的气相物流(80)通过第一热交换器从而获得加热的气态物流；和
(i)压缩加热的气态物流，从而获得压缩气态物流；和
(j)将步骤(i)中获得的压缩气态物流与步骤(a)中提供的被污染的含烃气态物流混合。
因此，该领域正在全力运行，并仍在寻求流程优化。
用于液化气体，特别是包含大量甲烷的气体的系统通常被设计为可用于大型工业规模的操作。例如，沼气通常以分散的方式生产。因此，特别需要一种能够提供设计自由度，特别是设计规模的气体处理和液化系统。
发明内容
现有技术的缺点是所提供的系统通常不能或难以整合。一些系统需要大型基础设施。一些或其他系统所需的耗能部件需要相对高的电功率。其他气体处理系统不能满足液化系统入口处所要求的严格气体规格。本系统提供了简单的实施方式。
因此，本发明的一个方面是提供可在已知系统旁边使用或补充使用再或附加地使用的替代系统。这有利地至少部分地消除了上述一个或多个缺点。
因此，本发明提供了根据权利要求1所述的方法。
在一种实施方式中，倾析装置具有得到1-10巴的压力的所述流体的减压器出口，倾析装置入口与所述减压器出口流体连通并开设于容器中，所述倾析装置用于从所述容器中，在倾析装置出口处，得到压力为1-10巴、温度为-120℃至-150℃、甲烷浓度至少为98体积％的所述液化流体。
在该方法的一种实施方式中，所述预处理包括使用膜过滤，将所述气态流体过滤得到具有10-50巴的压力、0℃-50℃的温度、低于1体积％的二氧化碳含量、低于10ppm的水含量和至少95体积％的甲烷含量的滞留物。
在一种实施方式中，所述液化包括将所述流体低温冷却至温度为-100℃至-140℃，压力为10-50巴以及甲烷含量为至少95体积％。
在一种实施方式中，将所述液化流体闪蒸到容器中包括在压力为1-10巴、温度为-120℃至-150℃且甲烷浓度至少为98体积％的条件下，从所述容器的第一容器水平位置处回收液体流体至储存装置中，并在低于所述第一容器水平位置处的第二容器水平位置处回收包含固态CO2和水冰的浆料流。
该系统和方法能够以相当高的纯度生产液化气，特别是液化甲烷。
膜气分离和低温三相分离这两个单元操作分别已知，但在不同的工艺条件下且并不集成在一个工艺中，该系统通过这两个单元操作的工艺集成，提供了简单的实施方式。更具体地，将来自低温三相分离器的闪蒸气体用作一个或多个膜组件中的外部吹扫气体。吹扫气体，也被称为净化气体，可以增强膜中的气体分离。事实上，本工艺集成使来自膜滞留物出口的处理气，通过冷回收交换器，直接提供给标准气体液化器的入口，成为可能。
在本申请中，压力是指绝对压力。在这种情况下，最好使用“巴”来表示“巴”。因此，在本申请中使用的压力是指绝对压力。
在该系统和方法的一种实施方式中，接收所述输入气态流体的压力为1-30巴，温度为0℃-50℃。
在该系统和方法的一种实施方式中，提供所述输出流体的压力为2-10巴，温度小于-120℃。
在一种实施方式中，回收所述液态流体在所述第一容器水平位置或其上方完成。
容器中的过程与倾析过程相当，其中，液体中的固态颗粒沉入容器的底部，而在容器中的较高水平位置，不含有固态颗粒的液体被去除或倒出。这也称为三相分离器。已经发现，相对强烈的蒸发冷却流体与倾析相结合能有效地去除例如水冰和干冰，而不会导致堵塞。这里，冷却主要是通过部分蒸发液体来实现的，即所谓的闪蒸冷却。由于三相分离器中的低温条件，闪蒸蒸气主要由甲烷和氮气组成，还有极低浓度的CO2，水和其他污染物。
此外，当倾析闪蒸气流和/或存储装置的蒸发气体返回，并将其用于例如预冷却和/或作为膜过滤中的吹扫气体时，提供了越来越有效的能量使用和/或过程有效性。并且操作简单。
含有甲烷的流体常常被水、二氧化碳和其他成分污染。例如，沼气具有高浓度的污染物并且组成不同，即便在一套装置中也是如此。这使得沼气通常成为不太受欢迎的燃料气体。本系统和方法提供了处理例如沼气的稳定的、可扩展和/或能量有效的升级。
在一种实施方式中，该系统还包括存储装置，所述存储装置具有与所述倾析装置出口连接的存储装置入口、用于输出液化流体的存储装置出口。
在一种实施方式中，所述存储装置还包括用于从存储装置中蒸发出气体的蒸发气体出口。
在一种实施方式中，倾析装置还包括容器，所述容器具有第一容器端和与所述第一容器端相对的第二容器端，使用时所述第一容器端为上端且所述第二容器端为下端，所述倾析装置入口包括开设在所述容器内的倾析装置入口端，所述倾析装置入口端与所述第一容器端间隔设置并与所述第二容器端间隔设置。
在一种实施方式中，浆料残留物出口开设在所述第二容器端处或在所述第二端附近。
在一种实施方式中，倾析装置出口开设在靠近所述倾析装置入口端的水平位置处的容器壁附近。
在一种实施方式中，容器包括设置在所述倾析装置入口端的水平位置与所述第一容器端之间的挡坝，所述倾析装置出口开设在所述挡坝处，以回收从所述挡坝溢流的液化流体。
在一种实施方式中，容器还包括用于闪蒸气体的闪蒸气体出口，所述闪蒸气体出口位于所述第一容器端处或所述第一容器端附近。
在一种实施方式中，闪蒸气体出口与选自所述液化装置中的预冷器、用于去除渗透物的所述膜分离器的渗透侧、以及所述压缩装置入口中的至少一者流体连通，以形成流体连接，所述预冷器用于在将所述流体通到所述低温冷却器之前预冷却所述流体。
在一种实施方式中，闪蒸气体出口与所述液化装置中的预冷器的入口流体连通，预冷器用于在将所述流体通到所述低温冷却器之前预冷却所述流体，将所述闪蒸气体随后通到至少一个所述膜分离器的渗透侧以去除渗透物，并且将所述闪蒸气体与渗透物混合后通到所述压缩装置入口。
在一种实施方式中，存储装置的蒸发气体出口与选自所述液化装置中的预冷器、用于去除渗透物的所述膜分离器的渗透侧、以及所述压缩装置入口中的至少一者流体连通，以形成流体连接，所述预冷器用于在将所述流体通到所述低温冷却器之前预冷却所述流体。
在一种实施方式中，蒸发气体出口与所述液化装置中的预冷器的入口流体连通，所述预冷器用于在将所述流体通到所述低温冷却器之前预冷却所述流体，将所述蒸发气体随后通到至少一个所述膜分离器的渗透侧以去除渗透物，并且将所述蒸发气体随后通到所述压缩装置入口。
在该方法的一种实施方式中，将包含气相、液相和固相的闪蒸流体在所述液态流体的液面下方释放到所述容器中。
在该方法的一种实施方式中，输入流体为沼气。
在该方法的一种实施方式中，来自所述预处理装置的流体含有至少0.1体积％的CO2。
在该方法的一种实施方式中，从所述容器中回收浆料残留物流。特别地，该物流含有至少50重量％的固态CO2颗粒。
在该方法的一种实施方式中，从所述容器中回收闪蒸气流。特别地，从所述第一容器水平位置以上，回收所述闪蒸气流。
在一种实施方式中，从所述存储装置中回收蒸发气流，并且在可用的条件下，例如在所述流体进行所述低温冷却之前，将所述闪蒸气流、所述蒸发气流或其组合与所述流体进行热交换接触。
在该方法的一种实施方式中，以较低压力或在所述膜过滤的渗透侧，将所述闪蒸气体、所述蒸发气体或其混合物作为吹扫气体通到所述膜过滤中。
在该方法的一种实施方式中，将所述浆料残留物流被加热、熔化和蒸发，并随后与所述输入流体合并。
在一种实施方式中，该方法和系统需要用于蒸发气体、闪蒸气体、输入气态流体和浆料流的压缩装置。
预处理装置包括膜分离器。在一种实施方式中，合适的膜分离器和膜在RichardW.Baker,Ind.Eng.Chem.Res.2002,41,1393-1411的文章“Future Direction of MembraneGas Separation”中有所讨论。由于其完备的阐述，这篇文章被引用作为参考。在一种实施方式中，膜分离器包括至少两个膜装置，其功能性地串联耦合以用于两个阶段。两个膜装置可以不同。在一种实施方式中，膜过滤基于由聚合物(例如聚酰亚胺)制成的“中空纤维型”。存在于气体(甲烷、二氧化碳、氮气、水和其他)中的组分基于“溶液-扩散”过程通过非常薄的选择层进行渗透。膜分离的选择性是组分的不同渗透性的结果。
该系统可以包括压缩装置，用于压缩所述输入气态流体，使所述输入气态流体在压缩装置出口的压力为10-50巴。通常，压缩装置包括第一压缩机，中间冷却器和第二压缩机。这种配置和适宜的压缩机是本领域技术人员已知的。
三相分离器或倾析装置包括减压器。倾析装置还包括倾析装置入口。在该系统中，倾析装置入口与所述减压器出口流体连通。倾析装置还包括倾析装置出口。倾析装置还包括浆料残留物出口，用于得到包含固态CO2和水冰的浆料流。倾析装置还包括容器。倾析装置入口在容器的一端或其附近进入容器。浆料残留物出口设置在容器中远离倾析装置入口的位置。在一种实施方式中，倾析装置入口在容器的一端或其附近进入容器。使用时，该一端是容器的上端或上部。在一种实施方式中，浆料残留物出口被设置在容器的相对端或其附近，使用时它作为容器的下端或下部。
在一种实施方式中，容器壁是绝缘的。特别地，容器或容器的至少一部分形成杜瓦瓶(Dewar)的至少一部分。
倾析装置入口延伸至容器中。因此它进入容器。倾析装置入口具有倾析装置入口端。在一种实施方式中，其与容器壁间隔地开设。
倾析装置出口开设在所述容器的一端和相对端之间。在一种实施方式中，倾析装置出口设置在容器壁附近。在一种实施方式中，倾析装置出口开设在倾析装置入口端附近。
容器还包括所述容器中的顶部空间室或蒸气空间室。顶部空间室位于容器的一端。使用时它代表容器的上端或上部。一种实施方式中的倾析装置入口进入顶部空间室。顶部空间室包括开设在相对端的顶部空间室出口端。顶部空间室允许闪蒸气体以最小量，或不夹带固态颗粒或液滴地离开容器。一种实施方式中的倾析装置入口端开设在顶部空间室出口端或其附近。
在一种实施方式中，倾析装置包括开设在顶部空间室的气体入口。
在一种实施方式中，倾析装置还包括开设在顶部空间室的气体出口。来自气体出口的气体被称为闪蒸气体。
在一种实施方式中，容器还包括内部液体溢流坝或挡坝，其位于所述倾析装置入口端附近，等于或高于所述倾析装置入口端的水平位置，所述溢流坝中开设有倾析装置出口。
在一种实施方式中，容器包括在浆料残留物出口附近具有最窄横截面的锥形部件。在一种实施方式中，倾析装置入口端开设在锥形部件的最大横截面上方。锥形部件允许沉降颗粒，特别是较大直径的，朝向倾析装置浆料残留物出口移动。
操作时，在一种实施方式中，倾析装置首先部分地填充有液体，直到填充至顶部空间出口端。在一种实施方式中，容器通过所述倾析装置入口被填充至倾析装置入口端的上方的水平位置。在一种实施方式中，使用系统或方法输入流体的启动流来填充容器。
该系统还可以包括控制子系统。在一种实施方式中，控制子系统包括一系列控制单元。控制单元功能性地耦合到至少一个传感器，所述传感器用于测定选自压力、温度、流量、液位及其组合中任意的物理参数。控制单元进一步功能性地耦合到选自阀、压缩机、加热器和减压器中的至少一者。
对于所描述的装置，由于“流体耦合”，出口与另一装置的入口“流体连通”。这通常意味着一条设备的线路连接到另一设备的线路，并且流体，即气体或液体，可以通过连接的线路从一个设备流到另一个设备。应当清楚的是，这种连接并不是直接的连接。例如，可以包括阀门，允许线路关闭。其他的设备也可以包括在线路中。
液化装置包括也称为“低冷器”的低温冷却器。通常这种低温冷却器用于将输入流体冷却并冷凝至温度为-70℃至-200℃的输出流体流。这种低温冷却器可被设计为可以提供具有高达15巴压力的输出流体。在本发明中，特别地，低温冷却器用于提供输出温度为-80℃至-150℃且压力为5-30巴的流体。在本领域中，术语“低温”通常是指低于-150℃(或低于约120K)的温度。在科学界中，当低于-180℃(93.15K)时，通常使用“低温”。这是“永久气体”的沸点。
在工程中，当使用装置或设备或部件允许气体在上述参考条件下被处理时，通常使用“低温”。这并不总是意味着这些设备或部件实际上在这样的低温下被使用。
在本发明中，使用了广泛的定义。
已经发现特别有用的合适的低温冷却器是使用斯特林循环的低温冷却器。这些类型的低温冷却器也被称为斯特林气体液化器。一个实例是德国工业公司(DH IndustriesB.V.)的商品名为Stirling Cryogenics的斯特林气体液化器。
在一种实施方式中，本发明提供了一种对输入气态流体(如沼气)进行升级的集成方法，通过随后的压缩，膜气体处理，然后液化，减压和随后的气液分离以及通过三相分离器将固态杂质去除，三相分离器也称为倾析-闪蒸容器或倾析装置。
在一种实施方式中，由热输入产生的来自储存罐的蒸发气体可以与来自倾析装置的三相分离器的闪蒸气体组合。然后可以使低压混合物流返回进料。通过这种方式，来自储存罐的蒸发气体可以直接进入进料压缩装置，而无需使用专用的、额外的蒸发气体压缩机。这种蒸发式气体压缩机由于其能够处理低温温度而设计昂贵。它允许在系统中仅使用一个压缩机，即在压缩装置中压缩输入气态液体。
在一种实施方式中，来自三相分离器的固相中含有污染物的液固(浆料)底部物流或浆料残留输出物可以被熔化，蒸发，在需要的情况下，还可以过热，然后与输入流体(如进料沼气)组合。
闪蒸气体的再循环可能导致循环中的高氮含量，高氮含量在LNG设备中是常见现象。这可能对液化效率产生负面影响。因此，可以包括渗流，这可以限制氮的积累。一种实施方式中的富氮渗流可用作燃气发动机或其他燃气消耗器的燃料气体。
在一种实施方式中，液化在等于或略低于膜分离器的滞留物出口的压力下进行。在一种实施方式中，以这种方式，可以使液化的温度最大化。以这种方式，可以降低污染物冻结的风险。更高的压力也可以提高液化过程的效率。
在一种实施方式中，在与蒸发气体混合的实施方式中，闪蒸气体的再循环可以通过将循环气体通到膜进料气体压缩机的吸入口进行。再循环的干燥且冷的闪蒸气体必须在与相对湿的沼气体混合之前加热，因此再循环可以包括在低温冷却器进行冷回收。
闪蒸气体可以具有较低的压力并且可以是干燥的且具有非常低的CO2含量。在一种实施方式中，闪蒸气体被用作膜分离器的一个或多个膜的渗透侧的吹扫气体。因此，闪蒸气体或吹扫气体可以稀释渗透物，并且可以显著降低低压渗透侧的污染物如水和CO2的分压。这种稀释可以提高穿过膜的驱动力，并且改善通过膜到渗透侧的CO2和水的通量。用作吹扫气体的闪蒸气还可以降低产物气体的共渗。膜分离器出口的较低浓度的CO2和水可以降低冻结的风险，并且还可以进一步进行低温冷却。这样可以显著提高液化装置的液化效率。
本发明还涉及用于处理含有至少50体积％甲烷的输入气态流体的系统，所述系统提供含有至少98体积％甲烷的输出流体，所述系统包括：
-压缩装置，所述压缩装置用于压缩所述输入气态流体，以使所述输入气态流体在压缩装置出口的压力为10-50巴，所述压缩装置包括用于接收所述输入流体的压缩装置入口；
-预处理装置，所述预处理装置包括用于从所述输入流体分离出CO2和水的膜分离器，所述预处理装置包括与所述压缩装置出口流体连通的预处理装置入口，所述预处理装置用于将所述流体在预处理装置出口得到具有10-50巴的压力、0℃-50℃的温度、低于2体积％的二氧化碳含量、低于10ppm的水的体积含量和至少为95体积％的甲烷含量的滞留物；
-液化装置，所述液化装置包括与所述预处理装置出口流体连通的液化装置入口，所述液化装置包括低温冷却器，所述低温冷却器用于将所述流体在液化装置出口处冷却和凝结至温度为-100℃至-140℃、压力为10-50巴且甲烷含量至少为95体积％；以及
-倾析装置，所述倾析装置包括减压器，所述减压器具有与所述液化装置出口流体连通的减压器入口，并且还具有得到1-10巴的压力的所述流体减压器出口，倾析装置入口与所述减压器出口流体连通并开设与容器中，所述倾析装置用于从所述容器中，在倾析装置出口处，得到压力为2-10巴、温度为-120℃至-150℃且甲烷浓度至少为98体积％的所述液化流体，所述倾析装置还包括在所述容器中的浆料残留物出口，浆料残留物出口用于得到包含固态CO2和水冰的浆料流。
本发明还涉及一种处理气态流体的方法，所述方法包括：
-提供含有至少50体积％甲烷的输入气态流体；
-将所述输入气态流体的压力增大至10-50巴；
-通过增加的压力对所述输入气态流体进行预处理，所述预处理包括使用膜过滤，将所述气态流体过滤得到具有10-50巴的压力、0℃-50℃的温度、低于2体积％的二氧化碳含量、低于10ppm的水含量和至少95体积％的甲烷含量的滞留物；
-液化所述预处理的流体，所述液化包括将所述流体低温冷却至温度为-100℃至-140℃、压力为10-50巴且甲烷含量为至少95体积％；
-将所述液化流体闪蒸到容器中，在压力为2-10巴，温度为-120℃至-150℃且甲烷浓度至少为98体积％的条件下，从所述容器的第一容器水平位置处回收液体流体至储存装置中，并在低于所述第一容器水平位置的第二容器水平位置处回收包含固态CO2和水冰的浆料流。
本发明进一步地或可替代地涉及一种用于液化含有至少50体积％甲烷的输入气态流体的系统，所述输入流体的压力为1-30巴，温度为0-50℃，所得输出液化流体含有至少98体积％甲烷，压力为2-10巴，温度低于-120℃，所述系统包括：
-预处理装置，所述预处理装置包括用于从所述输入流体分离至少一种不是甲烷的气体的膜分离器，所述预处理装置包括与所述压缩装置出口流体连通的预处理装置入口，所述预处理装置用于将所述流体在预处理装置出口得到具有10-50巴的压力、0℃-50℃的温度且至少为95体积％的甲烷含量的滞留物；
-液化装置，所述液化装置包括与所述预处理装置出口流体连通的液化装置入口，所述液化装置包括低温冷却器，所述低温冷却器用于将所述流体在液化装置出口处冷却和冷凝至温度为-100℃至-140℃、压力为10-50巴且甲烷含量至少为95体积％；以及
-倾析装置，所述倾析装置包括减压器，所述减压器具有与所述液化装置出口流体连通的减压器入口，并且还具有得到2-10巴的压力的所述流体的减压器出口，倾析装置入口与所述减压器出口流体连通，倾析装置用于从所述容器中，在倾析装置出口处，得到压力为2-10巴、温度为-120℃至-150℃且甲烷浓度至少为98体积％的所述液化流体，所述倾析装置还包括在所述容器中的浆料残留物出口，所述浆料残留物出口用于得到包含非甲烷的固态颗粒的浆料流。
本发明还提供了根据本发明的方法获得的液化天然气。
本发明还提供了根据本发明的系统获得的液化天然气。
在本文中，术语“基本上”，如“基本组成”，是本领域技术人员可以理解和清楚的。术语“基本上”还可以包括“都”，“完全”，“全部”等具体情况。因此，在实施方式中，形容词“基本上”也可以被去除。在适用的情况下，术语“基本上”还可以涉及90％或更高，例如95％或更高，特别是99％或更高，甚至更特别是99.5％或更高，包括100％。术语“包括”还包括“包括”代表“由...组成”的具体情况。
术语“功能性地”是本领域技术人员可以理解和清楚的。术语“基本上”以及“功能性地”也可以包括具有“都”，“完全”，“全部”等具体情况。因此，在实施方式中，形容词“功能性地”也可以被去除。术语“功能性地”旨在涵盖所涉及特征的偏差，使得在特征与本发明涉及的其它特征结合的功能使用中，特征的组合能够操作。
此外，本文描述的和权利要求中的术语第一，第二，第三等用于区分相似的要素，而不一定用于描述顺序或时间顺序。应当理解的是，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文描述的本发明的实施方式能够以不同于本文所描述或示出的其它顺序进行操作。
本文中描述的装置或设备是在操作期间的。如本领域技术人员清楚的，本发明不限于操作方法或操作装置。
应当注意的是，上述实施方式说明并不限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计许多可选的实施方式而不超出所附权利要求的范围。在权利要求中，括号之间的任何附图标记不应被解释为对权利要求的限制。使用动词“包含”及其动词变化并不排除除了权利要求中所述的要素或步骤之外的要素或步骤。要素之前的冠词“一个”或“一个”不排除存在多个这样的要素的情况。本发明可以通过包括几个不同元件的硬件，以及借助于合适的编程计算机来实现。在列举若干装置的装置或设备的权利要求中，这些装置中的几个可以由同一个硬件来实现。在相互不同的从属权利要求中记载某些方式的事实并不表示这些方式的组合不能被有利地使用。
本发明还适用于包括简述中描述的和/或附图中所示的一个或多个特征的装置或设备。本发明还涉及包括简述中描述的和/或附图中所示的一个或多个特征的方法或过程。
本专利中讨论的各个方面可以被组合以获得额外的优势。此外，一些特征可以构成一个或多个分区应用程序的基础。
附图说明
现在将仅通过示例的方式来描述液化系统的实施方式，参考所附的示意图，其中对应的附图标记表示相应的部分，并且其中：
图1高度示意性地示出了集成气体处理和液化系统的实施方式；
图2更详细地示出了液化系统。
附图不需要按比例绘制。
具体实施方式
图1高度抽象地示意性地描绘了根据本发明的一个方面的系统。该系统包括压缩装置2、预处理装置3、液化装置4、倾析装置5、存储装置6。在一个实施方式中，其还包括熔化调节装置7。这些装置可以包括另外的装置和连接关系，将在讨论更详细地示出了系统的图2时进行解释。
压缩装置2包括用于接收所述输入流体的压缩装置入口21，以及压缩装置出口22。
预处理装置3包括预处理装置入口23和预处理装置出口24。
液化装置4包括液化装置入口25和液化装置出口26。
倾析装置5包括倾析装置入口27、倾析装置出口30、浆料残留物出口31和用于闪蒸气体的闪蒸气体出口32。
存储装置6包括存储装置入口33、存储装置出口35和蒸发气体出口36。在存储装置中，液体可以预热，少量的气体会在存储装置中形成。这种气体被称为蒸发气体。
蒸发气体和闪蒸气体都相对洁净和低温。在图1的系统中，这两种气体流是在系统中使用的逆流。因此，它们在系统或方法中在上游得以引导和使用。例如，如图1所示，首先将气体用作预冷却输入气体进入液化装置5。接下来，将仍相对洁净的气体引导到预处理装置3的上游。在那里可以用作膜分离器的吹扫气体(如图2所示)。
图2更详细地示出了图1的示意系统结构。图1的装置用虚线表示。图2解释了图1的每个装置可以包括各种装置或控制器的设备。在图2中，装置包括一些阀(具有触摸顶点的两个相等的三角形)，但阀也可以在装置之间提供。
图2中的压缩装置2包括一个压缩机37和用于冷却来自压缩机37的出口气体的空气冷却器13。在一种实施方式中，压缩装置包括第一和第二压缩级以及压缩级之间的中间冷却器。本实施方式中的压缩装置还包括压力控制器20。该压力控制器控制压缩机37的操作，例如转速，并且在压缩装置出口22具有压力传感器。这样是为了给预处理装置3提供适当的压力。
预处理装置3在图2的实施方式中包括三个膜分离器8，8'和8”。膜分离器8和8'串联设置。首先将压缩后的输入气体通到膜分离器8。将膜分离器8的滞留物通到第二膜分离器8'。在此将膜分离器8'的滞留物通到预处理装置出口24。
将第一膜分离器8的渗透物通到第三膜分离器8”。将第三膜分离器8”的滞留物再循环到压缩装置入口21。从系统中去除渗透物。它具有丰富的二氧化碳，可以在独立的系统中得以液化，释放到大气中。可以将第二膜分离器8'的渗透物再循环到压缩装置入口21。它也可以或者替代地作为排出气体排出系统，例如作为燃料气体或用于发电。
液化装置4在该实施方式中包括预冷器14。这种预冷器14在这里是使用闪蒸气体和/或来自闪蒸气体出口32或蒸发气体出口36的蒸发气体的热交换器。液化装置4进一步包括低温冷却器9。
图2的实施方式中的倾析装置5首先包括减压装置10，用于使闪蒸气体进入倾析装置入口28。倾析装置包括倾析器11，该倾析器包括容器12，在该容器内，倾析装置入口28开设在倾析装置入口端。容器12还包括用于释放闪蒸气体的闪蒸气体出口32。容器12还包括倾析装置出口30，浆料残留物出口31。这里，浆料残留物出口31设置有阀，例如基于时间的阀。应当注意的是，在常规操作条件下，冰和干冰的量与例如甲烷的量相比相对较低。
操作时，系统可以如下操作。输入气态流体通常含有至少50体积％的甲烷，压力为1-30巴，温度为0℃-50℃。首先，增加输入流体的压力到10-50巴。通过使用中间冷却器，温度通常不会显著增加。通常，温度将保持在0℃-50℃。
接下来，使用膜过滤对流体进行预处理步骤。在此，大部分的水和二氧化碳得以去除。已经发现在这一阶段去除这些组分大大地提高了工艺效率。二氧化碳含量通常低于2体积％，特别是低于1体积％。含水量通常低于10ppm(体积)。在预处理出口处，甲烷含量通常为至少85体积％，特别是至少95体积％。事实上，预处理装置或膜装置包括流体连通到液化装置入口的处理气体的入口和出口。此外，预处理装置包括用于闪蒸气体/吹扫气体的入口和用于闪蒸气体/吹扫气体的出口。这通到膜的渗透侧。
接下来，流体将得到液化。这里使用低温冷却器，例如斯特林低温冷却器。现在大部分的水和二氧化碳已经得以去除，这样可以在没有有害影响的情况下高效地得以完成。通常，冷却和冷凝所述流体在温度为-100℃至-140℃，压力为10-50巴下进行。
接下来，对液化加压流体进行倾析步骤。将流体闪蒸到容器中。通常，流体在已存在的液体甲烷的水平以下得以释放。由于低温，冰和二氧化碳将显示出最小的絮凝作用，并沉淀到流体闪蒸进入的容器的底部。纯化的甲烷在位于或低于液位下得以回收。在容器底部或附近，大量冰和干冰的浆料将得以收集并去除。请注意，这个流将相对有限。现在，流体将具有2-10巴(取决于入口压力)的压力，-120℃至-150℃的温度和至少85体积％，特别是至少98体积％的甲烷浓度。
以下的表示出了由本发明的系统得到的输入气体和输出气体的典型值。当没有来自循环回路的闪蒸气体和蒸发气体流出时，N2和O2的含量会更高。
表：用于将沼气处理和液化装置综合的系统的典型气体组成的实例，沼气原料来自厌氧消化器
作为输入流体的沼气 预处理装置出口的气体 存储装置中的液化气
CH4 55-70mol％ 90-99mol％ 98-99mol％
CO2 30-45mol％ 0.1-2.0mol％ 0.05mol％
N2 0.2mol％ 0.4mol％ 0.4mol％
O2 <0.1mol％ <0.2mol％ <0.2mol％
H2O Saturated 1-3ppm mol <1ppm mol
硅氧烷 <15mg/Nm3 <15mg/Nm3 <100ppb mol
实验例
本实验是在用于科学研究的生物质-沼气池进行的，其产生约50Nm3/小时的粗沼气。沼气通常由热电联产单位转换成电力。实验采用标准的20英尺容器，采用3级膜系统将沼气浓缩注入天然气网格。该单元设计为产生含有约2mol％CO2，且在压力为15巴时具有约-70℃的水的露点的滞留物输出流。
第一阶段
首先，通过增加第四膜级来改变标准膜单元，使出口物流中的CO2浓度降低至0.1mol％(1000ppm)，同时具有约3％的氮和96mol％(生物)甲烷。该物流通过标准的1筒斯特林低温冷却器在15巴的压力下被液化。随后在3相分离器中将液体甲烷降至3巴的压力。固态CO2沉降在三相分离器的锥形底部，通过Storz内窥镜可见。通过短暂打开底部阀，可以从容器中去除固态CO2，该过程是通过安装在内窥镜上的照相机记录的。来自三相分离器的闪蒸气体具有极低的<50ppm的CO2浓度。该物流通过改进的CNG压缩机再循环到进料中，且压缩机的转速控制了三相分离器中的压力。
所生产的清洁的液化生物甲烷(LBM)物流含有约0.06mol％的CO2。通过4流气相色谱仪ABB NGC8206测量气体组成。将上述设备(包括冷却水冷却器和蒸发器等辅助设备)安装在标准的20英尺的容器中，该容器与具有膜装置的20英尺容器相邻。
第二阶段
在实验的第二阶段期间，将先前安装的第四级膜组件移除，相当于总膜面积减少约40％。事实上恢复了标准的3级膜排列。此外，通过使闪蒸气体从低温三相分离器流入第二级膜的渗透侧，在两个容器之间进行新的工艺连接。这种所谓的吹扫气体排列得以投入使用，并且能够处理来自三相分离器的所有闪蒸气体，其在3巴的三相分离器中作为恒定压力可见，并且闪蒸气体循环(改装CNG)压缩机完全停止。标准膜单元能够将原料沼气浓缩为仅含约0.05mol％CO2的生物甲烷。这证明这种气体适用于三相分离器中只有少量固态CO2沉降的液化。
下表提供了实验结果的概况
第一阶段实验 第二阶段实验
膜单元的配置 4级 3级
闪蒸气体吹扫气排列 无 有
设置总膜面积 100％ 60％
膜单元出口(＝液化器入口)的CO2浓度 0.1mol％ 0.05mol％
闪蒸气体排列 循环至液化装置 吹扫气体至膜
闪蒸气体压缩机运行 是 否
液体生物甲烷中的CO2含量 0.06mol％ 0.05mol％
因此，在使用较小的安装的膜的第二阶段的实验中，可以移除闪蒸气体压缩机，并且在三相分离器中固态CO2较少的情况下仍然得到较低的CO2含量。
还清楚的是，上述描述和附图用以说明本发明的一些实施方式，并不限制保护范围。基于本公开，更多的实施方式对于本领域技术人员是显而易见的。这些实施方式在本发明的保护范围和本质范围内，并且是现有技术和本专利公开内容的显而易见的组合。
附图标记说明
1 液化系统
2 压缩装置
3 预处理装置
4 液化装置
5 倾析装置
6 存储装置
7 熔化调节装置
8，8'，8” 膜分离器
9 低温冷却器
10 减压器
11 倾析器
12 容器
13 空气冷却器
14 预冷器
15 加热器
16 加热器温度控制器
17 放气压力控制器
18 闪蒸气体出口压力控制器
19 送料减压器级控制器
20 膜分离器压力控制器
21 压缩装置入口
22 压缩装置出口
23 预处理装置入口
24 预处理出口
25 液化装置入口
26 液化装置出口
27 减压器入口
28 减压器出口
29 倾析装置入口
30 倾析装置出口
31 浆料残留物出口
32 闪蒸气体出口
33 存储装置入口
35 存储装置出口
36 蒸发气体出口
37 压缩机

Claims (7)

1.一种处理气态流体的方法，所述方法包括：
-提供含有至少50体积％甲烷的输入气态流体；
-将所述输入气态流体的压力增大；
-将来自于加压后的气态流体的物流液化，所述液化包括将所述物流低温冷却为具有-100℃至-140℃的温度、10-50巴的压力和至少85体积％甲烷含量的液化流体；
-将所述液化流体闪蒸到容器(12)中，
·在压力为1-10巴、温度为-120℃至-160℃且甲烷浓度至少为85体积％的条件下，从所述容器(12)的第一容器水平位处回收处理后的液态流体；
·在低于所述第一容器水平位的第二容器水平位处，从所述容器(12)中回收包含固态CO2和水冰的浆料流；并且
·在高于第一容器水平位的水平位处，从所述容器(12)中回收闪蒸气流；
其特征在于，
-将所述输入气态流体的所述压力增大至10-50巴；
-在将来自于加压后的气态流体的物流液化之前，通过增加的压力对所述气态流体进行预处理，所述预处理包括使用膜滤器，将所述气态流体过滤得到具有10-50巴的压力、0℃-50℃的温度、0.1-2体积％的二氧化碳含量、低于10ppm的水含量和至少85体积％的甲烷含量的滞留物，所述滞留物为来自于所述加压后的气态流体的物流并且得到液化；
-在所述膜滤器的渗透侧，将所述闪蒸气流作为吹扫气体通至所述膜滤器；
-从所述容器(12)中回收所述处理后的液体至存储装置(6)中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述闪蒸流体在所述液态流体的液面下方释放到所述容器中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述输入流体为沼气。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述容器中回收的浆料残留物流含有至少50重量％的固态CO2颗粒。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述存储装置中回收蒸发气流，并且在所述流体进行所述低温冷却之前，将所述闪蒸气流、所述蒸发气流或它们的组合与所述流体进行热交换接触。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，以较低压力且在所述膜滤器的渗透侧，将所述蒸发气体或将所述蒸发气体和所述闪蒸气体的混合物作为吹扫气体通至所述膜滤器。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述浆料残留物流加热、熔化和蒸发，并随后与所述输入气态流体合并。
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