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Description
本出願は2002年12月12日に出願され、参照により本願に組み入れた米国特許仮出願第60/433,257号の利益を主張する。
本発明は原料ガスからの酸性ガスの除去に関し、より特には二酸化炭素および硫化水素含有量の高い原料ガスからの酸性ガスの除去に関する。
種々のガス源の酸性ガス含有量は比較的高いか、今後も増えるので、種々のガス流からの酸性ガス除去、特に、天然ガス流からの二酸化炭素の除去は一層重要なプロセスになっている。例えば、アラスカ、北アメリカ大陸、ノルウェー、東南アジア、またはメキシコ湾の種々のガス源は約20%〜約75%の二酸化炭素を含んでいる。さらに、様々なガス田からの酸性ガスもパイプラインの品質仕様を満たすために典型的には除去を必要とする著しい高濃度で硫化水素を含んでいる。
例えば、酸性ガス除去のために一般に使用されるあるプロセスでは、化学溶媒(例えば、アミン溶媒)が酸性ガス除去に使用され、これは典型的には、再生された溶媒から副産物としての硫黄に硫化水素を転換するために硫黄プラントにおいて分離された酸性ガスをさらに処理することを要する。このような酸性ガス除去および硫黄プラントの組合せは、一般にエネルギを大量消費し、コストがかかる。さらに、今日の硫黄市場の縮小では、そのように生成された硫黄の市場価値は僅かであるので廃棄され、そのような作業のコストはさらに一層増大する。
別の場合には、膜システムを用いて気体を送る流れから酸性ガスを物理的に分離させることができる。多くの場合、膜システムは種々のガス量および生成ガス仕様の処理を行うのに非常に適している。さらに、膜システムは比較的小型で概ね可動部分が無いので、そのようなシステムは海洋でのガス処理に実施可能な選択肢となっている。しかし、単段の膜分離装置の全部またはほとんどは比較的選択的でなく、故に(放出、焼却、または低カロリーガスとして使用される)メタンおよび炭化水素含有量が比較的高い二酸化炭素の浸透する流れを発生する。したがって、比較的大きなメタンおよび炭化水素の損失がこのプロセスを魅力の無い、非経済的なものにしている場合が多い。そのような損失を低減させるために、段間の再圧縮を用いた複数のステージの膜分離装置が使用されるかもしれない。しかし、そのようなシステムはエネルギを大量消費し、コストが嵩む。
さらに別の実施形態では、物理溶媒が原料ガスからの酸性ガスの除去に用いられ、これは物理溶媒の潜在的処理能力は酸性ガスの分圧とともに増大するので(ヘンリーの法則)、酸性ガスの分圧が高いガスを処理するのに特に有利である。物理溶媒を用いる場合、特定の酸性ガスの吸収は主に、使用される特定の溶媒に左右され、さらに溶媒の圧力および温度に左右される。例えば、Herbertらの米国特許第2,863,527号に例示されているように、沸点の低い有機性物理溶媒としてメタノールが使用されるかもしれない。しかし、溶媒を低温に維持するための冷媒による冷却要件は比較的に高く、多くの場合このプロセスは所望のメタンおよびエタン吸収よりも大きくなり、これにより再圧縮および回収には大きなエネルギ入力が必要となる。
典型的な物理溶媒プロセスを先行技術の図1に例示しており、これは理論上は比較的単純で、冷却用のリーンソルベントを利用して原料ガスから二酸化炭素を除去する。この溶媒は連続フラッシングによってより低い圧力に再生され、次にフラッシングされた溶媒はポンプで吸収装置に送られ、そこで溶媒は(リッチソルベント回路またはリーンソルベント回路のいずれかにおいて)外部冷却を用いて冷却される。大抵の場合、溶媒再生には蒸気または燃焼式ヒータが必要となる。
物理溶媒プロセスは一般に大量の酸性ガス除去に有利である(例えば、処理されたガスは1〜2%残留酸性ガスを含む)。しかし、酸性ガス、特に硫化水素をパイプラインのガス品質を満たすレベルまで除去することは多くの場合困難である。さらに、典型的な従来のプロセスは熱または蒸気を用いた溶媒の再生が必要であり、これは比較的に燃料を大量に消費しやすい。溶媒再生に熱を適用しない場合には、現在知られているフラッシング再生プロセスはガス処理が硫化水素用のパイプライン仕様を満たすように十分に希薄な溶媒を生成しないであろう。
このように、原料ガスから酸性ガスを除去するために種々の構成および方法が知られているが、それらの全部またはほとんどは1つまたは複数の不利を被る。特に、処理されたガスの硫化水素の濃度は多くの場合、現行の規格にとっては容認できないほど高く、さらに処理を行わない場合、処理されたガスはパイプライン仕様を満たさないことが多い。さらに、知られているプロセスはパイプラインの規格まで酸性ガス濃度を低減させるには相当量のエネルギが必要となり、炭化水素の著しい損失を被る傾向にある。したがって、酸性ガス除去のための改善された方法および構成を提供する必要性が依然として存在する。
本発明は物理溶媒を用いて原料ガスから酸性ガスを除去する構成および方法に向けられたものであり、溶媒は実質的に硫化水素を含まないストリッピングガスをバキュームストリッパに用いて超リーンソルベントに再生される。
したがって、本発明の主題の1つの特に好適な態様では、プラントは希薄な硫化水素を含む物理溶媒から超希薄な物理溶媒を生成するように構成されたバキュームストリッパを備える。意図されるプラントは実質的に硫化水素を含まないストリッピングガスをバキュームストリッパに提供する高圧フラッシング容器および/または中圧フラッシング容器をさらに備えるであろう。
さらに意図されるプラントは等温勾配または上から下に減少する温度勾配で動作し、かつ少なくとも10モル%の二酸化炭素および少なくとも500ppmの硫化水素(典型的には少なくとも部分的に脱水され、および/または少なくとも1000psigの圧力)を含む原料ガスを受ける吸収装置を備える。溶媒の硫化水素含有量に関し、希薄な硫化水素を含む物理溶媒は少なくとも100ppmの硫化水素を含み、かつ超希薄な物理溶媒は100ppm未満(および最も典型的には10ppm未満)の硫化水素を含むと一般に考えられる。実質的に硫化水素を含まないストリッピングガスは少なくとも95モル%の二酸化炭素を含むことが好ましい。
本発明の主題のさらに意図される態様では、プラントは酸性ガスがリッチソルベントから分離され、これにより希薄硫化水素を含有する物理溶媒を生成する分離装置を備えるかもしれない(酸性ガスの一部は圧縮され、層に注入される)。また、バキュームストリッパが分離装置からの酸性ガスと結合される第2の酸性ガスをさらに生成するかもしれない。
したがって、超希薄な物理溶媒の形成方法は、実質的に硫化水素を含まないストリッピングガスが高圧フラッシング容器および中圧フラッシング容器の少なくとも1つにおいて物理溶媒から分離される1つのスキップを含んでよい。別のプロセスでは、硫化水素はバキュームストリッパ内で希薄な硫化水素を含む物理溶媒から除去されて超希薄な物理溶媒を形成する。種々の構成および他の操作パラメータに関し、上記の同じ考察が適用される。
本発明の種々の目的、特徴、態様、および利点は、以下の本発明の好適な実施形態の詳細な説明からより明白となろう。
本発明者らは、原料ガスからのフラッシングされたガスを利用して二酸化炭素を除去するのにも利用される希薄な物理溶媒から硫化水素を除去する構成および方法において、酸性ガス、特に二酸化炭素が二酸化炭素および硫化水素を含んだ原料ガスから除去されることを発見した。
特に好適な構成では、真空下(典型的には約1〜10psia)でストリッパが働くことが意図され、この場合ストリッピングガスは溶剤再生プロセスにおいて高圧および中圧フラッシングから供給される。高圧および中圧フラッシングの条件ならびにフラッシングされたガスの量はフラッシングガスが主に軽質炭化水素およびいくらかの二酸化炭素を含有するが、実質的に硫化水素を含まない(すなわち、1000ppm未満、典型的には100ppm未満、およびより典型的には10ppmv未満)ように好適には選択されることがさらに好ましい。したがって、バキュームストリッパは硫化水素を含まず(すなわち、10ppm未満)、酸性ガスを希薄な硫化水素が希薄なレベルに処理するのに適したリーンソルベントを生成できることが認識されるべきである。
本願明細書で使用されるように、吸収装置において物理溶媒と共に用いられる「等温勾配」という用語は、吸収装置の上方部分の物理溶媒の温度が吸収装置の中間および下方部分の物理溶媒の温度と実質的に同一(すなわち、温度の絶対偏差が僅か10°F)であることを意味する。同様に、本願明細書で使用されるような「上から下に温度勾配が低下する」という用語は、吸収装置の上方部分の物理溶媒の温度が吸収装置の中間および/または下方部分の物理溶媒の温度よりも高いことを意味する。
本願明細書でさらに使用されるように、またカラムまたは吸収装置に関し、「上方」および「下方」という用語は相互に関連して理解されるべきである。例えば、カラムまたは吸収装置の「上方」部分からのストリームの除去または添加は、同じカラムまたは吸収装置の「下方」領域からのストリームの除去よりも、(カラムまたは吸収装置が操業中である地面と比較して)高い位置での除去または添加を意味する。別の観点からは、「上方」という用語はこのようにカラムまたは吸収装置の上半分を意味することができ、一方で「下方」という用語はカラムまたは吸収装置の下半分を意味することができる。同様に、「中間」という用語が使用される場合、カラムまたは吸収装置の「中間」部分は「上方」部分および「下方」部分に対して中間であることが理解されるべきである。しかし、「上方」、「中間」、および「下方」はカラムまたは吸収装置を指すのに用いられる場合、そのようなカラムは厳密にこれらの用語によって3つに分割されているものと理解すべきではない。
本願明細書でさらに使用されるように、数値と共に用いられるとき「約」という用語は、特に定めのない限りその数値の10%以下の絶対偏差を意味する。したがって、例えば、「約10モル%」という用語は9モル%(含む)〜11モル%(含む)の範囲を含んでいる。
図2に示したような好適な構成では、例示的なプラントは、乾燥したガス流2を形成する約−40°Fの水の露点まで原料ガス1から含水量を除去するガス脱水ユニット101(典型的にはTEGまたは分子ふるいユニット)を備える。処理された原料ガス流2が、冷媒として吸収装置のオーバーヘッドストリーム11を用いて熱交換器102においてさらに冷却(典型的には−10°F〜30°F)されて冷却処理された原料ガスストリーム5を形成し、これは分離装置103において液体流3および蒸気流7に分離することが特に好適である。流れ3は販売可能な天然ガス液体製品としてさらに回収され得るC5+成分の多くを含んでいる。C5+成分を含有しない流れ7は、結合された再循環ストリーム8と混合されて熱交換器104においてさらに冷却される流れ9を形成する。この構成では、熱交換器104は減圧されたリッチソルベント流28によって提供される冷却を使用し、典型的には−15°F〜−45°Fまで流れ9をさらに冷却し、これにより冷却された流れ10を形成する。このように冷却された流れ10は吸収装置105の下方部分に入る。
処理された原料ガス流を比較的低温(約−15°F〜約−45°F)に冷却すれば、吸収体の底部温度は、特に低い値(約0°F〜約−40°F)に維持され、これがリッチソルベントの酸性ガスの充填を有利に増大させ、かつこれにより溶媒の循環、メタンおよび/または炭化水素の損失が低減されることが特に評価されよう。側部冷却器108を用いて吸収装置105の下方部分の温度を所定の吸収温度に管理かつ/または維持することが特に好ましい。そのような構成では、(吸収装置の上方部分における酸性ガスの吸収によって生成される)セミリッチソルベント流13が側部冷却器ポンプ106(流れ14を介し)によって送られて、冷媒である水車111からのフラッシングされたリッチソルベント21を用いて側部冷却器108において冷却される。このように冷却された典型的には−10°F〜−40°Fであるセミリッチソルベント流15は、吸収装置105の下方部分に戻される。側部冷却器108用の冷媒はフラッシングされたリッチソルベント流20(減圧されたリッチソルベント流)によって水車111を経由して供給されることがさらに特に好ましい。しかし、冷却は他の種々の溶媒によって提供されてもよく、適した溶媒は内的(すなわち、プラント内で生成される)または外的(例えば、プロパンガス冷却)であってよいことが認識されるべきである。
このため、酸性ガスを効果的に吸収するためには、適した側部冷却器を操作して最適な吸収温度を維持することが有利かもしれない。したがって、そのような構成では吸収装置の中間部分が吸収装置の上方部分よりも低い温度で操作されることが好ましく、これは溶媒に酸性ガス(溶媒は典型的にはより低粘度およびより低い表面張力を呈する)が充填されている場合には特に好ましいことが理解されるべきである。
一旦吸収装置に送られると、次にセミリッチソルベント15は原料ガスから二酸化炭素をさらに吸収し、これにより第1の水車107を介して吸収装置を出て行くリッチソルベント16を形成する。第1の水車107は吸収装置の底圧を典型的には原料ガス圧の約半分に低下させ、これによりリッチソルベントを約−5°F〜−35°Fに冷却して減圧されたリッチソルベント流17を生成する。そのような構成では、酸性ガス容量を膨張かつフラッシングすることにより冷却を発生するとともに、水車が軸仕事を提供して仕事を与える(例えば、溶媒循環ポンプを駆動する)ときに、水車はエネルギー効率の高い装置を操作することが理解されるべきである。
酸性ガス流41と熱交換された後、リッチソルベント17は第1のフラッシングされた炭化水素蒸気流19を生成する分離装置110に向かってフラッシング、すなわち再循環流47およびストリッピング流48に分割される。流れ47は再循環圧縮機124によって圧縮され、吸収装置105内で回収され、流れ48は減圧されて流れ52としてバキュームストリッパ118に送られる。流れ47および流れ48の分割比に関し、流れ48は流れ19の全流の約5%〜約30%を占めることが一般に好ましい。このようにフラッシングされた溶媒流れ20は水車111によって、半分まで低減された圧力まで膨張されて膨張されたリッチソルベント流21(典型的には−20°F〜−40°F)を生成し、これは熱交換器108内のセミリッチソルベント14を冷却するのに用いられる。典型的には10°F〜−10°Fの熱交換器108からの加熱されたリッチソルベント22は、再循環流49およびストリッピング流50にさらに分割される第2のフラッシングされた炭化水素蒸気流23を生成する分離装置112において分離される。流れ49は再循環圧縮機124によって圧縮され、吸収装置105において回収され、流れ50は減圧され流れ51としてバキュームストリッパ118に送られる。流れ49および流れ50の分割比に関し、流れ50は典型的には流れ23の全流の約10%〜約50%を占めることが一般に好ましい。分離装置112からのフラッシングされた液体流24は典型的には半分に低減された圧力まで膨張JT弁113内で減圧され、これによりリッチソルベントは5°F〜−15°Fに冷却される。このようにフラッシングされた溶媒25は、再循環圧縮機124により再循環される第3のフラッシングされた炭化水素蒸気(第3の再循環流26)を生成する分離装置114内で分離される。第1および第2水車107および111からの出力を用いてリーンソルベントポンプ119、真空ポンプ120、および/または発電のための電源要件の一部が提供されることが好ましい。
分離装置114からのフラッシングされた液体27は膨張JT弁115において大気圧より高く減圧され、これによりリッチソルベントが−20°F〜−45°Fまで冷却され、次に熱交換器104において原料ガスを冷却するのに用いられる。次に、熱交換器104からの加熱された典型的には0°F〜−40°Fのリッチソルベント29は大気圧において分離装置116内で分離されてフラッシングされた酸性ガス流30を生成する。
気圧でフラッシングされた溶媒31はJT弁117を介して真空圧(典型的には約1psia〜約10psia)まで膨張されて流れ32を生成し、これは酸性ガス流33およびリーンソルベント流34を生成するバキュームストリッパ118に送られる。バキュームストリッパはフラッシングドラム112からストリッピングガス51が供給され、かつフラッシングドラム110からストリッピングガス52が各々供給される上方部分および下方部分を含んでいるのが好ましい。ストリッピング部分の数、ストリッピングガス源の数、および/またはストリッピングガスの量は原料ガスの組成に応じて変動し得ることが理解されるべきである。さらに、原料ガスの硫化水素含有量が比較的高い場合、分離装置114からのフラッシング蒸気流26の一部を用いて第3のストリッピング部分が加えられてよい。別法では、原料ガスの硫化水素濃度が比較的低い場合、フラッシング流の1つだけから供給されるストリッピングガスを用いて単一のストリッピング部分が実現可能である。このように生成された超リーンソルベント34は酸性ガスの吸収のために、圧縮された超リーンソルベント流35を介して、リーンソルベントポンプ119によって吸収装置の圧力に送られる。次に、硫化水素を含有する酸性ガス33は真空ポンプ120によって圧縮されて圧縮された酸性ガス流37を生成するかもしれない。
原油増進回収または酸性ガス注入が特に望ましい場合、意図される構成は水車107からの減圧されたリッチソルベント流17を用いて酸性ガス流41を冷却するのに用いられる熱交換器109を備えていることが好ましい。また、フラッシングされた酸性ガス33は真空ポンプ120において大気圧まで圧縮され、流れ36と結合して流れ38を生成し、圧縮機121においてさらに圧縮される。圧縮された酸性ガス流39は熱交換器122、123、および109によってその液態まで(流れ43において)冷却される。酸性ガスの凝縮によって必要になる冷却作業を補うためには、外部冷却(44)を有する任意のトリムコンデンサ124が必要になるかもしれない。次に、酸性ガス液43は原油増進回収のために再注入されるように、ポンプ125によって典型的には4000psgiで流れ46に圧送される。
したがって、原料ガス内の二酸化炭素が水車およびJT弁を用いたリッチソルベントの膨張によって、溶媒冷却のための冷却を提供するだけでなく、二酸化炭素流の液化作業も提供することが特に認識されるべきである。さらなる冷却が必要な場合(例えば、供給圧が比較的低い場合)、溶媒冷却はより高圧に圧縮する再循環ガス圧縮機124を用いたJT冷却によって供給され、熱交換器125によって冷却され、冷却された流れ8を生成するJT弁140を用いて減圧され、吸収装置に送られ得ることがさらに理解されるべきである。本発明の主題による意図される構成を含むように変形されてよいガス処理プラントの特に適した別の構成は、2002年9月17日に出願され、参照により本願に組み入れた、我々の同時係属国際特許出願PCT/US02/29810号に記載されている。
適した原料ガスに関し、非常に多くの天然および合成の原料ガスが適していると考えられる。しかし、特に好適な原料ガスには天然ガス、および特に、少なくとも約5モル%、より典型的には少なくとも約10モル%、および最も典型的には少なくとも10〜75モル%である二酸化炭素および少なくとも50ppm、より典型的には少なくとも500ppm、および最も典型的には少なくとも1%の硫化水素含有量を含んだ天然ガスが挙げられる。したがって、特に適した供給流には、アラスカ、ノルウェー、東南アジア、およびメキシコ湾などの油田およびガス田からの天然ガス供給流がある。同様に、適した原料ガスの酸性ガス含有量(特に二酸化炭素含有量)は変動してよく、主として原料ガスの供給源に左右されるであろう。酸性ガス含有量は少なくとも約5モル%、より典型的には少なくとも約10モル%、および最も典型的には少なくとも20〜75モル%であることが一般的に好ましい。典型的な原料ガス組成を以下の表1に示す:
さらに、意図される原料ガスの圧力は著しく変動するかもしれず、適した圧力は大気圧から数千psigの範囲になることが認識されるべきである。しかし、原料ガスの圧力は少なくとも400psig、より典型的には少なくとも1000psig、さらに典型的には少なくとも3000psig、最も典型的には5000psigであることが特に好ましい。さらに、原料ガス圧の少なくとも一部分は井戸に含まれるガスの圧力に起因していることが一般に考えられるが、場合によっては圧力は1つまたは複数の圧縮機によって増大されてもよいことも認識されるべきである。
本発明の主題のさらに別の態様では、意図される原料ガスは吸収装置に入る前に乾燥され冷却されることが好ましく、原料ガスの冷却は1つまたは複数の熱交換器において少なくとも部分的には生成ガス(すなわち、吸収装置の上方部分の流れ)によってもたらされることが特に好ましい。冷却の程度に関し、原料ガスは種々の温度に冷却されてよいことが一般に考えられる。次に、冷却された原料ガス流は分離装置に送られてよく、そこで原料ガスに含まれるC5+成分の少なくとも一部が冷却された原料ガス流から除去されて、部分的にC5+を含有しない脱水された原料ガスを生成する。
次に、このように生成された部分的に脱水された原料ガスをさらに処理して、より高い炭化水素(例えば、C6 +)を除去し、脱水ユニット(既知のすべてのガス脱水ユニットが使用に適している)においてさらに脱水する。例えば、さらなる脱水はグリコールふるいまたは分子ふるいを用いて実行されるかもしれない。吸収プロセスは冷凍の問題を生じることなく非常に低い温度にて実行され得るので、この原料ガスの脱水は特に有利である。さらに、生成ガスおよび二酸化炭素は生成ガスの下流での脱水を除去する非常に乾燥した状態で生成され、炭化水素の凝縮を最小に抑える。
したがって、適した吸収装置は比較的高圧で動作し、かつ特に意図される高圧は少なくとも500psi、典型的には少なくとも1000psi、さらに典型的には少なくとも3000psi、および最も典型的には5000psiであることが特に認識されるべきである。したがって、意図される吸収装置は気相の臨界超過領域において動作してよいことが認識されるべきである。本願明細書で用いられるような「気相の臨界超過領域において動作する」という用語は、原料ガスの全部ではなくとも、原料ガスの少なくとも一部分が臨界超過状態になる条件下での吸収装置の動作を意味する。さらに、吸収プロセスを気相の臨界超領域で行うことによって、従来知られているプロセスでは大きな問題となっている炭化水素の凝縮が典型的には回避される。またさらに意図される態様では、吸収装置の種類は特定の構成に限定される必要はなく、既知のすべての吸収装置構成がここでの使用に適しているとみなされる。しかし、特に好適な接触装置は充填床またはトレイ構成を含む。
意図される吸収装置において使用される溶媒に関し、すべての物理溶媒およびその混合物が適していると認識されるべきである。当該分野では非常に多くの物理溶媒が知られており、例示的な好適な物理溶媒にはプロピレンカーボネート、リン酸トリブチル、直鎖状のメチルピロリドン、ポリエチレングリコールのジメチルエーテル、および/または種々のポリエチレングリコールのジアルキルエーテルがある。別の場合には、物理溶媒として類似する挙動を有する、強化された第3アミン(例えば、ピペラジン)を含んだ他の溶媒あるいは他の溶媒または溶媒の混合物が使用されてよい。
したがって、吸収装置は、酸性ガスを含まない、特に二酸化炭素を含まない生成ガスを提供するであろう。さらに、吸収装置は冷却かつ脱水された原料ガスを受け取るので、生成ガスは典型的には高圧パイプラインを通して輸送されるための市販のガスの仕様および要件の全部またはほとんどに適合することが認識されるべきである。吸収装置において生成されたリッチソルベントは吸収装置の底部を比較的高圧(例えば、少なくとも500psi、より典型的には1000〜3000psi)で出て行き、故に(例えば、電機エネルギ生成のための)仕事および/または分離プロセス中の種々の流れの冷却を提供するために利用されてよいことがさらに特に理解されるべきである。
特に好適な構成では、リッチソルベントは第1の水車を用いて減圧されて機械的または電気的エネルギを生成し、次に減圧されたリッチソルベントは分離装置において炭化水素を含んだ第1の再循環流および第1のリッチソルベントに分離され、続いて、原油増進回収用途(この場合、二酸化炭素は原料ガスから生成される)のための二酸化炭素流を冷却するために冷媒として(任意には)使用される。炭化水素を含んだ第1の再循環流は吸収装置に向かって再循環されるのが好ましく、第1のリッチソルベントは第2の水車を用いてさらに減圧されて機械的または電気的エネルギをさらに生成する。次に、このようにさらに減圧されたリッチソルベント流は、熱交換器(好適には吸収装置の側部冷却器)において、好ましい吸収装置の温度を維持するために吸収装置内でセミリッチソルベントを冷却する冷媒として使用される。熱交換器を通過後、次にさらに減圧されたリッチソルベント流は第2の分離装置において第2のリッチソルベントおよび吸収装置に向かって再循環される第2の炭化水素を含んだ再循環流に分離される。第2の分離装置から、リッチソルベント流はJT弁によってさらに減圧され、次に第3の分離装置において第3のリッチソルベントおよび吸収装置に向かって再循環される第3の炭化水素を含んだ再循環流に分離される。次に、第3の減圧されたリッチソルベントはさらに大気圧にまで減圧されて、原料ガスを冷却するのに使用されることになる冷却を生成し、吸収装置の底部温度を好ましく低く維持する。
リッチソルベントを減圧することによって主に提供される冷却に関し、多くの場合(特に高い送り圧での操業)、冷却は必要ではないが、再循環ガス冷却器およびJT弁から生成されるJT冷却によって内部で補われてよいか、または冷媒を含んだ熱交換を用いた外部の供給源によって補われてよい。さらに、特定の熱交換器の順序は原料ガス、溶媒循環、および二酸化炭素の液化作業要件に応じて変わるかもしれない。例えば、第1の減圧されたリッチソルベントを用いて二酸化炭素流の代わりに原料ガスが冷却されてよく、第2の減圧されたリッチソルベントが側部冷却器に代わって二酸化炭素流の凝縮のために用いられてよく、吸収装置にある側部冷却器の代わりに第3の減圧されたリッチソルベントが使用されてよい。したがって、好適な構成では、リーンソルベントは吸収プロセスの流体力学的性能を増強する好ましい熱物理特性を有するより高温で生成され、リッチソルベントは溶媒の二酸化炭素保持能力を最大にする可能性のある最低温度で生成される。したがって、意図されるプロセスによって結果的には、現在知られている溶媒をベースにした酸性ガス除去プロセスに比べて、溶媒循環は低くなり、メタンおよび炭化水素の損失は抑えられ、エネルギ消費量は少なくなる。
リッチソルベントのフラッシングは種々の構成で実行されてよく、既知のすべての構成が本願明細書での使用に適していることが一般に考えられる。しかし、(仕事および/または冷却を提供後)リッチソルベントは、溶解している二酸化炭素の少なくとも70%(より典型的には少なくとも90%および最も典型的には少なくとも95%)を放出するのに十分な圧力までさらに減圧されることが典型的には好ましい。次に、このように生成された二酸化炭素はリーンソルベントから(典型的には気圧および気圧以下で動作する)分離装置において分離される。このように生成された二酸化炭素流の二酸化炭素含有量は90%超、より典型的には少なくとも95%であることが特に理解されるべきである。したがって、このように形成された二酸化炭素流は原油増進回収プロセスにおいて使用されるのに特に適している。
本発明の主題のさらに意図される態様では、分離装置からのリーンソルベントはJT弁によってさらに減圧され、真空分離装置に送られる。好適な真空分離装置は約1〜10psiaの圧力で動作し、この圧力は液封真空ポンプによって生成されてよい。リーンソルベントからの残留二酸化炭素(典型的には95%の純度)は真空分離装置において分離され、原油増進回収または酸注入において使用されてもよい。次にこの物理溶媒は、フラッシングドラムから供給されるストリッピングガスと共に深いバキュームストリッパ下で再生され、リーンソルベントポンプを介して吸収装置に向かって再循環される。特に好適な構成では、真空分離装置はストリッピングガスとして希薄なガス(例えば、生成ガスの一部)を用いて超リーンソルベントを生成することができる。しかし、別構成では、生成ガスなどの種々のガスのほか、プラント内の他の流れからのガスおよびさらには窒素または空気も適している。そのような構成ではバキュームストリッパを用いて、二酸化炭素濃度が典型的には1000ppmv未満および硫化水素濃度が4ppm未満の処理されたガスを精製することのできる非常に希薄な溶媒を生成することがさらに理解されるべきである。したがって、本願明細書で用いられるように「超リーンソルベント」という用語は、僅かに10ppmの硫化水素を、および最も典型的には僅かに4ppmの硫化水素を含有する溶媒を意味する。
したがって、意図される構成は原油増進回収において使用され得る、高圧のパイプライン品質のガスおよび二酸化炭素の液体の流れを提供し、この場合冷却はリッチソルベントの連続的な減圧から生成される。特に好適な構成では、意図される酸性ガス除去プラントは外的な冷却なしに、かつ高圧で動作してよく、そのような構成は原油増進回収においてさらに使用されるように二酸化炭素を凝縮するのに使用され得る冷却を生成するであろう。吸収装置からの吸収の熱を除去する冷媒を提供することに加えて、連続的な減圧は再循環プロセスにおいて実質的に完全に回収されるメタンおよび炭化水素を含んだフラッシング蒸気を吸収装置に戻す。さらに、吸収装置からの生成ガスおよび気圧状態の減圧された溶媒を用いて、吸収装置が吸収装置の底部を好ましい定温範囲に維持するように原料ガスが冷却される。したがって、この熱交換構成は吸収装置の温度プロファイルを等温に非常に近付けるか、または温度プロファイルを低下させるので、結果としてカラムの流体力学的性能および吸収効率を向上させる好ましい物理特性が得られると考えられる。
好適な実施形態および原料ガスが天然ガスを含んでいる場合、生成ガスは天然ガスの少なくとも90%、より典型的には少なくとも95%、および最も好適には99%が原料ガス中に存在することが理解されるべきである。任意の理論または仮説に拘束されることを望むわけではないが、そのような天然ガス中の比較的高い天然ガス回収は少なくとも1つ、およびより好適には3つの炭化水素を含んだ再循環流を吸収装置に戻すことによって、かつ/または等温または上から下に低下する温度勾配の下で吸収装置を操作することによって達成されると考えられる。適した再循環ガス圧縮機は第1および第2の炭化水素を含んだ再循環ガス流を冷却かつ脱水された原料ガスの圧力に等しい圧力か、またはほぼその圧力に圧縮することのできるすべての圧縮機である。同様に、リーンソルベントポンプはリーンソルベントを吸収装置に導くのに適した溶媒圧を提供すると考えられる。
したがって、アミンまたは他の物理溶媒あるいは膜を用いた高い二酸化炭素分圧での従来の二酸化炭素除去プロセスに比べて、本発明の主題による構成はエネルギ消費量および資本費用を全体的に縮小すると考えられる。さらに、意図される構成およびプロセスは外部の熱源または冷却を概ね必要としないので、エネルギ消費量がさらに低減される。またさらには、原油増進回収計画は、典型的には10%〜最大で60%もの原料ガス中の二酸化炭素濃度の上昇に遭遇することが多くなるであろう。意図される構成およびプロセスは本質的に同じ溶媒の循環を用いてこのような変動に対応できる。
意図される構成のさらなる利点は、このプロセスが低温で動作しかつ物理溶媒中に水が存在しないために、概ね非腐食性のプロセスであるということである。対照的に、二酸化炭素除去用の従来のアミンユニットは、そのプロセスが腐食し易く操業中に消泡剤および防食剤の注入を要することが多いので、操作および保守が一般により複雑である。またさらに、意図される物理溶媒プロセスの別の利点は、アミンプロセスとは異なり、リッチソルベント中の二酸化炭素充填量は原料ガス中の二酸化炭素濃度と共に上昇するだけなので、溶媒の循環速度は二酸化炭素の分圧の上昇に対して反応が弱いことである。アミンユニット設計では、アミン循環速度は二酸化炭素含有量の増大とともに直線的に増大される必要があろう。
意図される物理溶媒プロセスのさらに別の利点は、知られているアミン処理プロセスと比べ、その単純さおよび冷凍への抵抗性であり、これによりオフサイトでの支援および蒸気ボイラなどのユーティリティシステムの必要性は小さくなる。例えば、高い二酸化炭素原料ガスを処理する意図される構成は、リッチソルベントからの二酸化炭素のフラッシングが必要な冷却および再生を提供するので、冷却作業を必要としないかもしれない。本発明者らはストリッピングガスで支援された真空再生を用いたプラントの操業は残留する二酸化炭素および硫化水素の含有量を非常に低いレベルにすることができるとさらに考えている。
したがって、意図されるプラントは、希薄な硫化水素を含んだ物理溶媒を受け取りかつ実質的に硫化水素を含まないストリッピングガスが高圧フラッシング容器および中圧フラッシング容器の少なくとも1つによって提供されるバキュームストリッパを含むであろう。本願明細書で用いられるように「希薄な硫化水素を含んだ物理溶媒」という用語は、物理溶媒に含まれた酸性ガス(典型的には二酸化炭素)の少なくとも一部分がフラッシングプロセスにおいてそこから除去され、かつ少なくとも100ppmの硫化水素、およびより典型的には少なくとも200ppmの硫化水素を含んだ物理溶媒を意味する。ここでさらに示すように、「実質的に硫化水素を含まないストリッピングガス」という用語は、1000ppm未満、およびより典型的には10ppm未満の硫化水素を含むストリッピングガスを意味する。プラント構成が1つのみのフラッシング容器を使用している場合、そのフラッシング容器は高圧フラッシング容器または中圧フラッシング容器として動作してよいことがさらに認識されるべきである。
特に好適な構成では、希薄な硫化水素を含む物理溶媒は少なくとも100ppmの硫化水素を含み、バキュームストリッパは希薄な硫化水素を含む物理溶媒から生成され、超リーンソルベントは100ppm未満の硫化水素、および最も好適には超リーンソルベントは10ppm未満の硫化水素を含む。すべての物理溶媒(およびヘンリーの法則に従う非物理的な溶媒)が本願明細書で用いられるのに一般に適していると考えられるが、特に好適な物理溶媒にはFLUOR SOLVENTTM(プロピレンカーボネート)、NMP(直鎖状のメチルピロリドン)、SELEXOLTM(ポリエチレングリコールのジメチルエーテル)、およびTBP(リン酸トリブチル)がある。
ストリッピングガスに関し、高圧フラッシング容器および/または中圧フラッシング容器は実質的に硫化水素がない(すなわち、1000ppm、およびより典型的には10ppm未満の硫化水素を含む)容器内で蒸気部分を生成する温度および/または圧力において操作されると一般に考えられる。したがって、大半の構成では、実質的に硫化水素を含まないストリッピングガスは少なくと95モル%の二酸化炭素を含む。分離された酸性ガスは有利には隔離および/または原油増進回収のために層に再注入されることがさらに理解されるべきである。したがって、適したプラントは酸性ガスがリッチソルベントから分離され、これにより希薄な硫化水素を含んだ物理溶媒を生成し、かつ酸性ガスの一部が圧縮されて層に注入され、かつバキュームストリッパが分離装置からの酸性ガスと結合された第2の酸性ガスをさらに生成する、分離装置を備えてよい。
ここまで、改善された酸性ガス除去の構成および方法のための特定の実施形態および用途を記載した。しかし、当業者には既に記載したものに加えて、多数の変形が本願明細書に記載の本発明の概念から逸脱せずに可能であることが理解されるべきである。したがって、本発明の主題は添付の特許請求の精神を除いて、限定されるものではない。さらに、本明細書および特許請求の範囲を解釈する場合、すべての用語は本文脈に一致して可能な限り広義に解釈されるべきである。特に、「comprise」および「comprising」という用語は要素、構成成分、またはプロセスを意味するものとして非排他的に解釈されるべきであり、参照した要素、構成成分、またはプロセスは存在してよいか、使用されてよいか、あるいは明示的には参照されない他の要素、構成成分、またはプロセスと組み合わされてよいことを示す。
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