JP2005538916A - 水素含有ガスからの水素と炭化水素液体の共回収 - Google Patents

水素含有ガスからの水素と炭化水素液体の共回収 Download PDF

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Abstract

圧縮機１２０と膨張機１６０間の原料ガス１１０の圧力差を利用して原料ガスを冷却し、一成分の少なくとも一部を凝縮させて取り出し、部分的に減損した原料ガスを生成させ、次いでそこから他の成分を取り出すことができる。特に好ましい態様では、原料ガスはＣ２〜Ｃ５炭化水素と水素を含み、炭化水素は冷却機中で凝縮し、水素は圧力スイング吸着ユニット１８０を用いて取り出される。

Description

本出願は、２００１年１２月１７日出願の米国特許仮出願番号第６０／３４２，２６２号の優先権を主張するものであり、参照として本明細書に組み込まれている。
本発明の分野はガス加工処理である。
多くの工業プロセス、特に精製や加工装置のプロセスは、水素と炭化水素を含むガス状流を多量生成する。いくつかの知られたプロセスでは、それらの流れからの水素と炭化水素は燃料として利用されるが、他の知られたプロセスは水素回収ステップを含み（例えば水素ＰＳＡユニットを用いることによって）、次いで得られる水素の少ない炭化水素含有流は燃料として使用される。しかし、知られたプロセスのすべてまたは大部分は、炭化水素、特に炭化水素液体をエネルギー効率の良いプロセスで炭化水素含有ガスから回収できるとはいえない。したがって、炭化水素、特に炭化水素液体を水素含有ガスから取り出す改善された形態および方法がやはり必要である。
本発明は、圧縮機と膨張機間の原料ガスの圧力差を利用して原料ガスを冷却し、原料ガスの一成分の少なくとも一部を凝縮させて取り出し、それによって部分的に減損したガスを生成させ、圧力スイング吸着ユニットを使用して部分的に減損した供給ガスから第２の成分を取り出す方法および形態を目的とする。
本発明の主題の一態様において、装置は、第１成分および第２成分を含む原料ガスを（好ましくは約４７０ｐｓｉａ〜約５１０ｐｓｉａの圧力に）圧縮し、それによって第１の圧力を有する圧縮された原料ガスを形成する圧縮機を含む。冷却機は圧縮原料ガスを圧縮原料ガス中の第１成分の少なくとも一部が凝縮する十分な温度まで冷却し、第１分離機は冷却された圧縮原料ガスを第１の蒸気部および第１の液体部に分離し、蒸気部は膨張機中で第２圧力（好ましくは約３８０ｐｓｉａ〜４２０ｐｓｉａの圧力）に膨張して膨張した流れを形成する。第２分離機は膨張した流れを第２液体部および第２蒸気部に分離し、第２蒸気部は冷却機中で圧縮原料ガスを冷却する。
特に好ましい装置は、第２蒸気部を受容して原料ガスから第２成分を取り出す圧力スイング吸着ユニット（最も好ましくは水素圧力スイング吸着ユニット）をさらに含み、第１液体部を第２分離機に送って、第２液体部が主として第２成分を含むことが特に意図されている。さらに他の好ましい装置では、圧縮機および膨張機は互いに機械的に連結され、第１成分はＣ２〜Ｃ５炭化水素を含み、第２成分は水素を含む。
すなわち、意図している装置では、圧縮機と膨張機間の原料ガスの圧力差を利用して原料ガスの第１成分の少なくとも一部が凝縮するのに十分な温度まで原料ガスを冷却し、それによって部分的に減損したガスを生成させ、圧力スイング吸着ユニットを用いて部分的に減損した原料ガスから第２成分を取り出す。その装置の特に好ましい圧力差は約７０ｐｓｉａ〜約１３０ｐｓｉａであり、第１成分はＣ２〜Ｃ５炭化水素を含み、第２成分は水素を含む。部分的に減損した原料ガスは、原料ガスの冷却用冷媒として使用することがさらに好ましい。
したがって、第１成分と第２成分を原料ガスから分離する方法は、原料ガスを圧力Ｐ０から圧力Ｐ１に圧縮し、さらに圧力Ｐ１からＰ２へ圧縮する一つのステップを含む。他のステップにおいて、原料ガスを圧力Ｐ２で原料ガスの第１成分の少なくとも一部を凝縮させるのに十分な温度まで冷却し、さらに他のステップにおいて、第１分離機中で冷却された原料ガスを第１蒸気部と第１成分を含む第１液体部に分離し、第１蒸気部を膨張機中で圧力Ｐ１に膨張させて、それによって冷却された膨張生成物を生成する。次いで、冷却された膨張生成物を第２分離機中で第２成分を含む第２蒸気部と第１成分を含む第２液体部に分離し、第２蒸気部は原料ガス冷却用の冷却を提供する。
本発明の様々な目的、特徴、態様、および利点は、付随する図面と共に本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明からより明らかになろう。図中、同じ数字は同じ要素を表す。
発明者は、（例えば圧縮機と膨張機の間の）原料ガスの圧力差を利用して原料ガス中の一成分の少なくとも一部を取り出し、部分的に減損した原料ガスを生成させ、次いでさらなる加工処理ステップ（例えば圧力スイング吸着ユニットを用いて）で、そこから他の成分を取り出すことができることを発見した。
特に意図している一態様において、水素と炭化水素を含むガスを第１圧力Ｐ１に圧縮する。圧縮されたガスを続いてさらに第２圧力Ｐ２に圧縮する。圧縮されたＰ２のガスは分離機中でＰ１に膨張し、ΔＰ（Ｐ２とＰ１の間の圧力差）は、ガス流中の炭化水素の少なくとも一部を液化するのに十分である。分離機は、液化した炭化水素をＰ１で残る圧縮ガスから分離し、次いで水素ＰＳＡユニットに送って水素を残る圧縮ガスから回収する。
全体的にＰ１は大気圧以上の任意の圧力とすることができるが、Ｐ１は少なくとも５０ｐｓｉａであることが好ましく、より一般的には少なくとも１００ｐｓｉａ、最も一般的には約２００ｐｓｉａ〜約７００ｐｓｉａである。同様に、Ｐ２は一般に約４００ｐｓｉａ〜約８００ｐｓｉａの範囲であり、Ｐ２＞Ｐ１である。数字に関連して本明細書に使用される用語「約（ａｂｏｕｔ）」は、数字およびその数字の偏差＋／−１０％の範囲を表す。例えば、用語「約４００ｐｓｉａ」は３６０ｐｓｉａ（含まれる）〜４４０ｐｓｉａ（含まれる）の範囲を表す。
本発明の主題による例示的形態１００は図１に描かれており、約６５ｐｓｉａの圧力を有する原料ガス１１０は圧縮機１２０中で４段階を経て圧力Ｐ１（約４００ｐｓｉａ）に圧縮され、第５段階１２０’で圧力Ｐ２（約４９０ｐｓｉａ）に圧縮される。次いで圧縮されたガス１１２は冷却機１４０中で約１０４°Ｆから約４５°Ｆの温度に冷却されて冷却された圧縮原料ガス１１４を形成し、それによって冷却された圧縮原料ガス中に含まれる炭化水素が少なくとも部分的に液化される。液化炭化水素１１６Ｂは第１分離機１５０Ａ中で冷却された圧縮原料ガスから取り出され、第２分離機１５０Ｂへ送られる。Ｐ２で第１分離機１５０Ａを出る冷却され圧縮された蒸気部１１６Ａは膨張機１６０（駆動軸を経由して圧縮機１２０に連結している）中で膨張し、さらに冷却された圧縮蒸気部１１６Ａからの液化炭化水素１１６Ｃは第２分離機１５０Ｂ中で膨張した原料ガスから分離される。液化生成物１５４は第２分離機１５０Ｂから取り出され、圧力Ｐ１の膨張した炭化水素減損圧縮ガス１５２は冷却機１４０中で圧縮原料ガス１１２を冷却するのに使用される。水素ＰＳＡユニット１８０は炭化水素減損圧縮ガス１５２を精製し、精製された生成物１９０およびテールガス１９２を生成する。
水素（一般に２０〜５０モル％、しかし他の濃度も考えられる）および炭化水素（一般にＣ１〜Ｃ６）を含むすべてのガスが適していることが全体的に意図されている。しかし、特に好ましいガスは、水素ＰＳＡユニットからの水素含有量約５０〜６０％のテールガスである。さらに特に好ましいガスは、石油加工処理装置および／または精製装置からの低圧（すなわち１００ｐｓｉａ以下）ガスを含む。適切なガスは、水素および／炭化水素を含む２種またはそれ以上のガスの任意の比率の混合物も含むことができることを認識すべきである。さらに、原料ガスの特定の供給源によって、原料ガスは相当量の水（一般に数百ｐｐｍから飽和まで）を含むことができることを理解すべきである。したがって、意図している形態は、原料ガスに含まれる少なくとも水分を除去する乾燥機を含むことができる。好ましい形態では乾燥機は膨張機の上流にあり、最も好ましくは冷却機の上流にある。
本発明の主題による形態および方法は、水素および少なくとも１種の炭化水素を含むガス流を使用することが一般に好ましいが、第１および第２のガス状成分を含むすべてのガスが適していることを認識すべきであり、第２成分（または第２成分の少なくとも一部）はガス流が高圧Ｐ２から低圧Ｐ１へ膨張するとき液化する（圧力差液化）。したがって、代替のガスは、第１および／または第２成分としてＣＯ２、ＣＨ４、Ｏ２、Ｎ２等を含むこともできる。
原料ガスを原料ガスの圧力からＰ１へ、およびＰ１からＰ２へ圧縮することは１段または複数段で行うことができ、圧縮機の段は共通駆動軸に連結されていることが特に好ましい。しかし、知られているすべてのガス圧縮の代替の方法も考えられる。同様に、膨張機は単一段または複数段で行うことができる。しかし、膨張機は圧縮機の駆動軸に連結された単一段であることが特に好ましい。Ｐ１とＰ２の特定の値に関しては、Ｐ１およびＰ２が一般に第１および第２のガス状成分に依存することを理解すべきである。したがって、Ｐ１およびＰ２は約大気圧から数百〜数千ｐｓｉａの間、およびそれ以上の範囲であることができる。しかし、Ｐ１はＰ２よりも低いことが全体的に意図されている。
分離機に関しては、適切な分離機の能力および数は変化することができ、一般に処理される原料ガスの量に依存する。当該分野には知られている多くの分離機があり、そのすべては本明細書に示す教示に関して適切であると考えられる。Ｐ２で圧縮原料ガスを冷却する冷却機は、代替の形態に含むことができ、あるいは含まなくてもよく、（Ｐ２からＰ１へ膨張したガス以外の冷媒を使用する）代替の冷却システムで置き換えることができる。しかし、意図しているシステムおよび形態は、冷却が膨張した蒸気部で提供されるとき特に効率的に運転されることを理解すべきである。したがって、特に好ましい冷却機は圧縮原料ガスをＰ２で約０°Ｆ〜約７０°Ｆの温度、より一般的には約３０°Ｆ〜約５５°Ｆの温度、最も一般的には約４５°Ｆの温度に冷却する。適切なＰＳＡユニットの特定の形態および容量は主として原料ガスの量に依存することをさらに理解すべきである。しかし、すべての適切なＰＳＡユニットが意図している方法および形態に使用できることが考えられる。特に好ましいＳＰＡユニットは１個または複数の水素ＰＳＡユニットであり、直列または並列で運転することができる。
したがって、様々な利点が本明細書に示す形態および方法によって達成され、特に大きな利点には、燃料として、失われるであろう炭化水素液体を加工処理の生成物として回収すること、および（（ａ）液化炭化水素の除去後のガス容積減少および（ｂ）液化炭化水素の除去後の水素分圧増加によって）水素ＰＳＡユニットのサイズの縮小が含まれることを特に理解すべきである。
また、多くの電力は原料ガスの圧力（Ｐ０、一般に大気圧〜約２００ｐｓｉａ）からＰ１へ原料ガスを圧縮するのに消費されるので、炭化水素液体の回収には少量の追加エネルギー（すなわちコスト）しか必要としないことに注目すべきである。圧縮原料ガスをＰ１からＰ２へさらに圧縮するには、一般にＰ０からＰ１へ圧縮するのに必要な電力の一部（例えば、図１に示した形態では一般に約１０％）を必要とするだけである。さらに、エネルギーは膨張機で回収することができ、Ｐ１からＰ２（例えば、図１に示した形態では一般に約５％）へ圧縮するのに必要な電力がさらに低減される。
したがって、発明者は、（１）第１成分と第２成分を含む原料ガスを圧縮し、それによって第１圧力を有する圧縮原料ガスを形成する圧縮機と、（２）圧縮原料ガスを圧縮原料ガス中の第１成分の少なくとも一部を凝縮するのに十分な温度まで冷却する冷却機と、（３）冷却された圧縮原料ガスを第１蒸気部と第１液体部に分離し、第１蒸気部を膨張機中で第２圧力まで膨張させて膨張した流れを形成させる第１分離機と、（４）膨張した流れを第２液体部と第２蒸気部に分離し、第２蒸気部が冷却機中の圧縮原料ガスの冷却を提供する第２分離機とを含む装置を意図している。
その形態では、圧力スイング吸着ユニットが第２蒸気部を受容して第２成分を原料ガスから取り出し、第１液体部を第２分離機に送り、第２液体部は主として第２成分を含むことが特に好ましい。第１成分は多くの炭化水素（一般にＣ１〜Ｃ３０）を含むことが一般に考えられるが、特に好ましい第１成分はＣ２〜Ｃ５炭化水素を含み、好ましい第２成分は水素を含む。さらに、その形態では圧縮機が原料ガスを約４７０ｐｓｉａ〜約５１０ｐｓｉａの圧力に圧縮し、膨張機が圧縮原料ガスを約３８０ｐｓｉａ〜約４２０ｐｓｉａの圧力に膨張することが一般に好ましい。
したがって、他の観点から見れば、意図している装置は圧縮機と膨張機間の原料ガスの圧力差を含み、圧力差を利用して、原料ガスの第１成分の少なくとも一部が凝縮する（および取り出される）のに十分な温度まで原料ガスを冷却し、それによって部分的に減損した原料ガスを生成させ、圧力スイング吸着ユニットを用いて部分的に減損した原料ガスから第２成分を取り出す。好ましい圧力差は一般に約７０ｐｓｉａ〜約１３０ｐｓｉａであり、第１成分はＣ２〜Ｃ５炭化水素を含み、第２成分は水素を含む。
このように、水素含有ガスから水素と炭化水素を共回収する特定の実施形態および用途を開示した。しかし、当業者であれば、既に説明したこれらのもの以外に、本出願の本発明の概念から逸脱することなく多くの修正を加えることが可能であることは明らかなはずである。したがって、本発明の主題は付随する請求項の精神を除いて制限されるものではない。さらに、明細書と請求項の両方を解釈する上で、すべての用語は内容に一致する最も広義の意味に解釈されるべきである。特に、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「含んで（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、要素、成分、またはステップを非排他的に指すものと解釈すべきであり、参照した要素、成分またはステップが存在し、または使用され、または明示して参照されていない他の要素、成分、またはステップと組み合わせることが可能であることを表している。
本発明の主題による水素と炭化水素液体の回収装置を示す図である。

Claims (17)

  1. 第１成分と第２成分を含む原料ガスを圧縮し、それによって第１圧力を有する圧縮原料ガスを形成する圧縮機と、
    圧縮原料ガスを圧縮ガス中の第１成分の少なくとも一部が凝縮するのに十分な温度まで冷却する冷却機と、
    冷却された圧縮原料ガスを第１の蒸気部および第１の液体部に分離し、第１蒸気部を膨張機中で第２圧力に膨張させて膨張した流れを形成する第１分離機と、
    膨張した流れを第２液体部および第２蒸気部に分離し、第２蒸気部が冷却機中で圧縮原料ガスを冷却する第２分離機とを含む装置。
  2. 前記第２蒸気部を受容して原料ガスから第２成分を取り出す圧力スイング吸着ユニットをさらに含む請求項１に記載の装置。
  3. 前記第１液体部を第２分離機に送り、第２液体部が主として第２成分を含む請求項２に記載の装置。
  4. 圧縮機および膨張機が互いに機械的に連結している請求項３に記載の装置。
  5. 前記第１成分がＣ２〜Ｃ５炭化水素を含み、第２成分が水素を含む請求項３に記載の装置。
  6. 圧力スイング吸着ユニットが水素圧力スイング吸着ユニットを含む請求項５に記載の装置。
  7. 前記圧縮機が原料ガスを約４７０ｐｓｉａ〜約５１０ｐｓｉａの圧力に圧縮し、前記膨張機が圧縮原料ガスを約３８０ｐｓｉａ〜約４２０ｐｓｉａの圧力に膨張させる請求項１に記載の装置。
  8. 圧縮機と膨張機間の原料ガスの圧力差を使用して、原料ガスの第１成分の少なくとも一部が凝縮するのに十分な温度まで原料ガスを冷却し、それによって部分的に減損した原料ガスを生成させ、圧力スイング吸着ユニットを用いて、部分的に減損した原料ガスから第２成分を取り出す装置。
  9. 前記圧力差が約７０ｐｓｉａから約１３０ｐｓｉａである請求項８に記載の装置。
  10. 前記第１成分がＣ２〜Ｃ５炭化水素を含み、前記第２成分が水素を含む請求項９に記載の装置。
  11. 前記部分的に減損した原料ガスを原料ガスの冷却用冷媒として使用する請求項１０に記載の装置。
  12. 前記圧力スイング吸着ユニットが水素圧力スイング吸着ユニットである請求項１０に記載の装置。
  13. 前記原料ガスを圧力Ｐ０から圧力Ｐ１に圧縮し、さらに前記原料ガスを圧力Ｐ１からＰ２へ圧縮すること
    前記原料ガスを圧力Ｐ２で原料ガスの第１成分の少なくとも一部を凝縮させるのに十分な温度まで冷却すること、
    前記冷却された原料ガスを、第１分離機中で第１蒸気部と第１成分を含む第１液体部に分離し、第１蒸気部を膨張機中で圧力Ｐ１に膨張させ、それによって冷却された膨張生成物を生成させること、
    前記冷却された膨張生成物を第２分離機中で第２成分を含む第２蒸気部と第１成分を含む第２液体部に分離し、前記第２蒸気部が原料ガスを冷却するための冷却を提供する、第１成分と第２成分を原料ガスから分離する方法。
  14. 圧力Ｐ０が約大気圧〜約２００ｐｓｉａである請求項１３に記載の方法。
  15. 圧力Ｐ１が約２００ｐｓｉａ〜約７００ｐｓｉａである請求項１４に記載の方法。
  16. 圧力Ｐ２が約４００ｐｓｉａ〜約８００ｐｓｉａである請求項１５に記載の方法。
  17. 前記第１成分がＣ２〜Ｃ５炭化水素を含み、前記第２成分が水素を含む請求項１３に記載の方法。
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