JP2020523548A - ガス状流からのヘリウム回収 - Google Patents

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Abstract

ガス状流からのヘリウムの回収は、透過流と残存流を生成するために酸性ガス除去膜をガス状流に接触させるステップと、第１の酸性ガス流とヘリウム枯渇清浄ガス流を生成するために残存流から酸性ガスの大部分を除去するステップと、第２の酸性ガス流とヘリウムリッチ流を生成するために透過流から酸性ガスの大部分を除去するステップと、ヘリウム生成物流とヘリウム枯渇流を生成するためにヘリウムリッチ流からヘリウムを除去するステップとを含む。炭化水素ガスと、酸性ガスと、ヘリウムとを含むガス状流からヘリウムを除去するためのヘリウム除去システムは、第１の酸性ガス除去ユニットを含む第１の処理ゾーンと、第２の酸性ガス除去ユニットを含む第２の処理ゾーンと、第３の処理ゾーンと、ヘリウム精製ユニットとを含む。

Description

［優先権の主張］
本願は、２０１７年６月８日に出願された米国特許出願第６２／５１６，９９９号の優先権を主張し、その内容全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は、天然ガス流などの炭化水素ガス、酸性ガス、及びヘリウムを含むガス流からヘリウムを除去することに関する。
ヘリウムは、天然ガス流から回収することができる。酸性ガスの負荷が高い天然ガス流の場合、二酸化炭素と硫化水素を除去するための従来の酸性ガス除去プロセスでは、膜プロセスが先行し、天然ガス流中の炭化水素ガス、酸性ガス、及びヘリウムを、低圧透過流と高圧残存流に分離する。低圧透過流は酸性ガスリッチであり、典型的には硫黄回収ユニットに提供される。高圧残存流は酸性ガスリーン（低濃度）であり、通常は、アミン吸収プロセスのような従来の酸性ガス除去プロセスに付され、続いてヘリウム回収プロセスに付される。したがって、ヘリウムの回収は、残存流中のヘリウムの量に従って制限される。
本開示は、炭化水素ガス、酸性ガス、及びヘリウムを含むガス流からヘリウムを回収するための方法及びシステムについて説明する。
第１の一般的な態様では、ガス流からヘリウムを回収することは、酸性ガス除去膜をガス状流と接触させることを含む。ガス状流は、炭化水素ガスと、酸性ガスと、ヘリウムとを含む。酸性ガス除去膜をガス状流と接触させると、ガス状流は透過流と残存流に分離され、透過流と残存流はそれぞれ炭化水素ガスの一部と、酸性ガスの一部と、ヘリウムの一部とを含む。透過流中のヘリウムの濃度は、残存流中のヘリウムの濃度よりも高い。
第１の一般的な態様はまた、残留流から酸性ガスの大部分を除去して、第１の酸性ガス流及びヘリウム枯渇清浄（クリーン）ガス流を生成することを含む。第１の酸性ガス流中の酸性ガスの濃度は、ヘリウム枯渇清浄ガス流中の酸性ガスの濃度よりも高い。第１の一般的な態様は、透過流から酸性ガスの大部分を除去して、第２の酸性ガス流とヘリウムリッチ流とを生成することも含む。第２の酸性ガス流中の酸性ガスの濃度は、ヘリウムリッチ流中の酸性ガスの濃度よりも高い。第１の一般的な態様は、ヘリウムリッチ流からヘリウムを除去して、ヘリウム生成物流とヘリウム枯渇流とを生成することも含む。ヘリウム生成物流中のヘリウムの濃度は、ヘリウム枯渇流中のヘリウムの濃度よりも高い。
第１の一般的な態様の実施は、以下の特徴のうちの１つ又は複数を含み得る。
酸性ガスは、二酸化炭素と硫化水素の少なくとも一方を含んでよい。
請求項１に記載の方法。
酸性ガスとヘリウムとに対する酸性ガス除去膜の透過度は、炭化水素ガスと窒素とに対する酸性ガス除去膜の透過度より高い。
ヘリウム生成物流中のヘリウムの濃度は、ガス状流中のヘリウムの濃度より高い。
ヘリウム枯渇清浄ガス流中の硫化水素の濃度は４ｐｐｍｖ又はそれ未満である。
ヘリウム枯渇清浄ガス流中の二酸化炭素の濃度は２モル％又はそれ未満である。
残存流から酸性ガスの前記大部分を除去するステップは、第２の酸性ガス除去膜を残存流に接触させるステップ、又は、液体ベースの吸収プロセス、蒸留プロセス、吸着プロセス、若しくは分子遠心分離プロセスによって残存流を処理するステップを含む。残存流から酸性ガスの大部分を除去するステップは、圧力スイング吸着プロセス又は温度スイング吸着プロセスなどの吸着プロセスを含んでもよい。残存流から酸性ガスの大部分を除去するステップは、アミン吸収プロセス、高温カリウム吸収プロセス、混合溶媒吸収プロセス、又は物理的溶媒吸収プロセスなどの液体ベースの吸収プロセスを含んでもよい。
第１の酸性ガス流は硫化水素を含み、第１の酸性ガス流を処理して硫黄とテールガスとを生成する。流加水素はテールガスから除去されてもよい。
透過流から酸性ガスの大部分を除去するステップは、透過流から二酸化炭素、硫化水素、又はその両方を除去するステップを含んでもよい。透過流から酸性ガスの大部分を除去するステップは、第３の酸性ガス除去膜を透過流に接触させるステップを含んでもよい。
脱水ヘリウムリッチ流と水流とを生成するために、ヘリウムリッチ流から水を除去してもよい。ヘリウムリッチ流から水を除去するステップは、ヘリウムリッチ流を、エチレングリコール、シリカゲル、又は分子篩に接触させるステップを含んでもよい。
精製ヘリウム生成物流を生成するために、ヘリウム生成物流を精製してもよい。ヘリウム生成物流は、少なくとも１ｍｏｌ％、５ｍｏｌ％、１０ｍｏｌ％、１５ｍｏｌ％、２０ｍｏｌ％、２５ｍｏｌ％、３０ｍｏｌ％、３５ｍｏｌ％、４０ｍｏｌ％、４５ｍｏｌ％、５０ｍｏｌ％、６０ｍｏｌ％、７０ｍｏｌ％、７５ｍｏｌ％、８０ｍｏｌ％、８５ｍｏｌ％、９０ｍｏｌ％、９５ｍｏｌ％、９８ｍｏｌ％、９９ｍｏｌ％、９９．５ｍｏｌ％、９９．９ｍｏｌ％、９９．９９ｍｏｌ％、又は、９９．９９９ｍｏｌ％のヘリウムを含んでもよい。ヘリウム生成物流を精製するステップは、ヘリウム生成物流を分子篩に接触させるステップ、ヘリウム生成物流を吸着プロセス又は分子遠心分離器プロセスに付すステップ、又は、ヘリウム生成物流を蒸留するステップを含んでもよい。ヘリウム生成物流を精製するステップは、ヘリウム生成物流を圧力スイング吸着プロセス又は温度スイング吸着プロセスなどの吸着プロセスに付すステップを含んでもよい。ヘリウム生成物流を精製するステップは、ヘリウム生成物流から炭化水素ガスを除去するステップ、ヘリウム生成物流から窒素ガスを除去するステップ、及び、ヘリウム生成物流中のヘリウムを精留するステップの少なくとも１つを含んでもよい。ヘリウムを精留するステップは、ヘリウム生成物流の極低温蒸留を含んでもよい。
ヘリウム生成物流のヘリウム濃度は、気体流のヘリウム濃度よりも高くてもよい。
ガス状流から硫黄、水、又は、両方が回収されてもよい。
ヘリウム生成物流は、ガス状流中少なくとも１０％（モル）のヘリウムを含んでもよい。
第２の一般的な態様では、炭化水素ガスと、酸性ガスと、ヘリウムとを含むガス状流からヘリウムを除去するためのヘリウム除去システムは、ガス状流を残存流と透過流に分離するように構成された第１酸性ガス除去ユニットを有する第１処理ゾーンを含む。残存流と透過流はそれぞれ、炭化水素ガスの一部と、酸性ガスの一部と、ヘリウムの一部とを含み、透過流中のヘリウムの濃度は残存流中のヘリウムの濃度より高い。ヘリウム除去システムは、第１の処理ゾーンに流体連結され、第１の処理ゾーンから残存流を受け取り残存流から酸性ガスの大部分を除去するように構成された第２の酸性ガス除去ユニットを有する、第２の処理ゾーンを更に含む。それにより、第１の酸性ガスリッチ流とヘリウム枯渇清浄ガス流が得られる。第１の酸性ガスリッチ流中の酸性ガスの濃度は、ヘリウム枯渇清浄流中の酸性ガスの濃度よりも高い。ヘリウム除去システムは、第１処理ゾーンに流体連結され、次を含む第３の処理ゾーンを更に含む。第１の処理ゾーンから透過流を受け取り、透過流から酸性ガスの大部分を除去することにより、第２の酸性ガスリッチ流とヘリウムリッチ流とを生成するように構成された第３の酸性ガス除去ユニット。第３の酸性ガス除去ユニットに流体連結され、ヘリウムリッチ流を受け取り、ヘリウムリッチ流からヘリウムの大部分を回収するように構成され、それによりヘリウム枯渇流とヘリウム生成物流とを生成するヘリウム精製ユニット。第２の酸性ガスリッチ流中の酸性ガスの濃度は、ヘリウムリッチ流中の酸性ガスの濃度よりも高く、ヘリウム生成物流中のヘリウムの濃度は、ヘリウム枯渇流中のヘリウムの濃度よりも高い。
第２の一般的な態様の実施は、以下の特徴のうちの１つ又は複数を含み得る。
第１の酸性ガス除去ユニットは酸性ガス除去膜を含み、酸性ガスとヘリウムに対する酸性ガス除去膜の透過度は、炭化水素ガスと窒素ガスに対する酸性ガス除去膜の透過度より高い。
第２の酸性ガス除去ユニットと第３の酸性ガス除去ユニットはそれぞれ独立に、液体ベースの吸収プロセスユニット、分子遠心分離ユニット、吸着プロセスユニット、又は蒸留プロセスを含んでもよい。液体ベースの吸収プロセスユニットは、アミン吸収プロセスユニット、高温カリウム吸収プロセスユニット、混合溶媒吸収プロセスユニット、又は物理的溶媒吸収プロセスを含んでもよい。吸着プロセスユニットは、圧力スイング吸着プロセスユニット又は温度スイング吸着ユニットを含んでもよい。
ヘリウム除去システムは、第３の酸性ガス除去ユニットに流体連結され、第２の酸性ガスリッチ流を受け入れるように構成された硫黄除去ユニットを含んでもよい。硫黄除去ユニットは、硫化水素を酸化して二酸化硫黄を生成し、硫化水素と二酸化硫黄を反応させて硫黄を生成するように構成されたユニットを含んでもよい。硫黄除去ユニットは、触媒転換とアミン吸収により硫化水素を除去するように構成されるユニットを含んでもよい。
第３の処理ゾーンは、第３の酸性ガス除去ユニットとヘリウム精製ユニットとに流体連結され、ヘリウムリッチ流から水を除去し、よって、脱水ヘリウムリッチ流と水流とを生成するように構成された脱水ユニットを含んでもよい。ヘリウム精製ユニットは、脱水ユニットから脱水ヘリウムリッチ流を受け取るように構成されてもよい。脱水ユニットは、エチレングリコール、シリカゲル、又は分子篩を含んでもよい。
ヘリウム精製ユニットは、ヘリウム吸収ユニット、ヘリウム吸着ユニット、分子遠心分離ユニット、又は、ヘリウム蒸留ユニットを含んでもよい。ヘリウム精製ユニットはヘリウム吸着ユニットを含んでもよく、ヘリウム吸着ユニットは分子篩を含んでもよい。ヘリウム精製ユニットはヘリウム吸着ユニットを含んでもよく、ヘリウム吸着ユニットは、圧力スイング吸着ユニット又は温度スイング吸着ユニットを含んでもよい。ヘリウム精製ユニットはヘリウム蒸留ユニットを含んでもよく、ヘリウム蒸留ユニットは極低温蒸留ユニットを含んでもよい。
本明細書で述べる主題の１つ又は複数の実施の詳細を、添付の図面及び下記の説明の中で述べる。主題の他の特徴、態様、及び利点は、下記の説明、添付の図面、及び特許請求の範囲から明らかになろう。
図１は、炭化水素ガス、酸性ガス、及びヘリウムを含むガス状流からヘリウムを回収するための例示のシステム１００を示す。
図２は、実施例１の酸性ガス除去膜の膜特性を列挙する表である。
図３は、実施例１におけるプロセス流の物質収支を列挙する表である。
図４は、炭化水素ガス、酸性ガス、及びヘリウムを含むガス状流からヘリウムを回収するための例示のシステムを示す。
図５は、実施例２の酸性ガス除去膜の膜特性を列挙する表である。
図６は、実施例２におけるプロセス流の物質収支を列挙する表である。
図７は、炭化水素ガス、酸性ガス、及びヘリウムを含むガス状流から、ヘリウムを除去するための例示の方法のフローチャートである。
本明細書は、炭化水素ガスと、酸性ガスと、ヘリウムとを含有するガス状流からヘリウムを回収するシステム及び方法について述べる。一の実施の形態でのガス状流は天然ガス流である。ガス状流中の酸性ガスの濃度とガス状流中の酸性ガスの負荷の少なくとも一方は、アミン吸収プロセスのような単一プロセスによる除去に適した最大の濃度又は負荷をそれぞれ超えていてもよい。本明細書で述べるヘリウム回収のシステム及びプロセスにより、酸性ガス含有量を、従来の酸性ガス除去プロセスで扱えるレベルまで減らすことができ、有利なことに、必要な処理能力を少なくともある程度低下させることで、酸性ガス負荷が高いガス状流からのヘリウムの回収量を低コストで増やすことが可能になる。
図１は、ガス状流からヘリウムを回収するための例示のシステム１００を示す。システム１００は、第１の処理ゾーン１０２、第２の処理ゾーン１０４、及び第３の処理ゾーン１０６を含む。第２の処理ゾーン１０４と第３の処理ゾーン１０６は、第１の処理ゾーン１０２に流体連結されている。ヘリウムが回収されることになるガス状流１０８は、第１の処理ゾーン１０２を経由してシステム１００に入る。ガス状流１０８は、炭化水素ガスと、酸性ガスと、ヘリウムや窒素ガスのような不活性ガスとを含む。一の実施の形態でのガス状流１０８は天然ガス流である。炭化水素ガスはメタンを含み、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、及び、より分子量の大きい炭化水素を含んでもよい。酸性ガスは、二酸化炭素、硫化水素、又はその両方を含む。一の実施の形態での酸性ガスの大部分は二酸化炭素である。別の実施の形態において、酸性ガスの大部分は硫化水素である。「大部分」が特定の成分であるガスは、その特定の成分を５０モル％より多く含む。実施の形態によっては、大部分が特定の成分であるガスは、その成分を、６０モル％より多く、７０モル％より多く、８０モル％より多く、９０モル％より多く、９５モル％より多く、９８モル％より多く、又は９９モル％より多く含む。実施の形態によっては、ガス状流１０８は、最大９０モル％の１種又は複数種の酸性ガス（例えば、最大９０モル％の二酸化炭素、硫化水素、又はその両方）を含むことができる。
第１の処理ゾーン１０２は、酸性ガス除去膜１１２を有する第１の酸性ガス除去ユニット１１０を含む。第１の酸性ガス除去ユニット１１０において、酸性ガス除去膜１１２はガス状流１０８と接触して、ガス状流１０８を残存流１１４と透過流１１６とに分離する。残存流１１４と透過流１１６はそれぞれ、ガス状流１０８からの炭化水素ガスの一部と、酸性ガスの一部と、ヘリウムの一部とを含む。残存流１１４は、酸性ガスとヘリウムリーン高圧流である。透過流１１６は、酸性ガスとヘリウムリッチ低圧流である。透過流１１６中の酸性ガスの濃度は、ガス状流１０８中及び残存流１１４中の酸性ガスの濃度より高い。透過流１１６中のヘリウムの濃度は、ガス状流１０８及び残存流１１４中のヘリウムの濃度より高い。
酸性ガス除去膜１１２は、酸性ガスに対するバルク除去性能を持つ酸性ガス選択膜である。実施の形態によっては、酸性ガス除去膜１１２はガラス状ポリマーを含み、ヘリウムは、酸性ガスよりも速く酸性ガス除去膜１１２を透過する。ある特定の実施の形態において、酸性ガス除去膜１１２は、ガス状流１０８からの酸性ガスの除去とヘリウムの回収とを同時に行える。酸性ガス除去膜１１２は、典型的には、酢酸セルロース、ポリイミド、及びペルフルオロポリイミドのような高分子材料を１種又は複数種含む高分子膜である。実施の形態によっては、酸性ガス除去膜１１２は促進輸送膜（ｆａｃｉｌｉｔａｔｅｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｍｅｍｂｒａｎｅ）又は担持イオン液体膜（ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｉｏｎｉｃ ｌｉｑｕｉｄ）である。酸性ガス除去膜１１２は、１段、２段、又は多段（複数段）の膜であってよい。酸性ガスとヘリウムとに対する酸性ガス除去膜１１２の透過度は、炭化水素ガス、及び、窒素ガスのような他の特定のガスに対する酸性ガス除去膜の透過度より高い。水に対する酸性ガス除去膜１１２の透過度は、典型的には、酸性ガスとヘリウムとに対する酸性ガス除去膜の透過度より高い。
第２の処理ゾーン１０４は、第１の処理ゾーン１０２に流体連結されている。第１の処理ゾーン１０２からの残存流１１４が、第２の処理ゾーン１０４で処理される。第２の処理ゾーン１０４は、第２の酸性ガス除去ユニット１１８を含む。第２の酸性ガス除去ユニット１１８は、第１の酸性ガス除去ユニット１１０から残存流１１４を受け入れ、残存流１１４から酸性ガスの大部分を除去して、第１の酸性ガスリッチ流１２０とヘリウム枯渇清浄ガス流（ｈｅｌｉｕｍ ｄｅｐｌｅｔｅｄ ｃｌｅａｎ ｇａｓ ｓｔｒｅａｍ）１２２とを生成する。第１の酸性ガスリッチ流１２０中の酸性ガスの濃度は、ヘリウム枯渇清浄ガス流１２２中の酸性ガスの濃度より高い。
一の実施の形態において、第２の酸性ガス除去ユニット１１８は、酸性ガス除去膜１１２について述べたような酸性ガス除去膜を含む。残存流１１４から酸性ガスの大部分を除去するステップは、第１の酸性ガスリッチ流１２０とヘリウム枯渇清浄ガス流１２２とを生成するために、第２の酸性ガス除去ユニット１１８内の酸性ガス除去膜に残存流１１４を接触させるステップを含む。残存流１１４から酸性ガスの大部分を除去するステップは、残存流１１４から二酸化炭素、硫化水素、又はその両方を除去するステップを含んでもよい。一の実施の形態において、第２の酸性ガス除去ユニット１１８は、アミン吸収プロセスユニットのような液体ベースの吸収プロセスユニットを含み、残存流１１４から酸性ガスの大部分を除去するステップは、第１の酸性ガスリッチ流１２０とヘリウム枯渇清浄ガス流１２２とを生成するために、液体ベースの吸収プロセスユニットで残存流１１４を処理するステップを含む。一の実施の形態において、第２の酸性ガス除去ユニット１１８は、高温カリウムプロセスユニットを含み、残存流１１４から酸性ガスの大部分を除去するステップは、第１の酸性ガスリッチ流１２０とヘリウム枯渇清浄ガス流１２２とを生成するために、高温カリウムプロセスユニットで残存流１１４を処理するステップを含む。一の実施の形態において、第２の酸性ガス除去ユニット１１８は吸着ユニットを含み、残存流１１４から酸性ガスの大部分を除去するステップは、第１の酸性ガスリッチ流１２０とヘリウム枯渇清浄ガス流１２２とを生成するために、吸着ユニットで残存流１１４を処理するステップを含む。実施の形態によっては、吸着ユニットは、圧力スイング吸着ユニットであり、圧力スイング吸着ユニットで残存流１１４を処理するステップは、残存流１１４を圧力スイング吸着プロセスに付すステップを含む。一の実施の形態において、第２の酸性ガス除去ユニット１１８は、分子遠心分離ユニットを含み、残存流１１４から酸性ガスの大部分を除去するステップは、第１の酸性ガスリッチ流１２０とヘリウム枯渇清浄ガス流１２２とを生成するために、分子遠心分離ユニットで残存流１１４を処理するステップを含む。
実施の形態によっては、第１の酸性ガスリッチ流１２０を更に処理して二酸化炭素を硫化水素から分離する（例えば、第２の処理ゾーン１０４にて）。一の実施の形態において、第１の酸性ガスリッチ流１２０は硫黄回収ユニットへ提供されて硫化水素から硫黄を回収する。硫化水素から硫黄を回収するステップは、第１の酸性ガスリッチ流１２０をクラウス法に付すステップを含んでもよい。クラウス法からのテールガスを、クラウスユニットの下流で触媒転換（ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）プロセスとアミン吸収プロセスとを用いてシェルクラウスオフガス処理（ＳＣＯＴ）プロセスに付して硫化水素の痕跡を除去し、別の流れで二酸化炭素を得てもよい。
実施の形態によっては、ヘリウム枯渇清浄ガス流１２２中の硫化水素の濃度は４体積百万分率（ｐｐｍｖ）又はそれ未満であり、ヘリウム枯渇清浄ガス流１２２中の二酸化炭素の濃度は２モル％又はそれ未満である。ある特定の実施の形態において、ヘリウム枯渇清浄ガス流１２２は、４ｐｐｍｖ又はそれ未満の硫化水素濃度、２モル％又はそれ未満の二酸化炭素濃度、又はその両方を達成するために更に処理される（例えば、第２の処理ゾーン１０４にて）。一の実施の形態において、ヘリウム枯渇清浄ガス流１２２は、水を除去するために脱水ユニットで更に処理されて、脱水ヘリウム枯渇清浄ガス流及び水流が生成される。実施の形態によっては、水を除去するためにヘリウム枯渇清浄ガス流１２２を更に処理するステップは、ヘリウム枯渇清浄ガス流１２２を、エチレングリコール又はシリカゲルに接触させるステップを含む。ヘリウム枯渇清浄ガス流１２２又は脱水ヘリウム枯渇清浄ガス流を発電に用いても、天然ガス液除去ユニット（Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ Ｌｉｑｕｉｄｓ ｒｅｍｏｖａｌ ｕｎｉｔ）又はセールスガスネットワークへ提供してもよい。
第３の処理ゾーン１０６は、第１の処理ゾーン１０２に流体連結されている。第１の処理ゾーン１０２からの透過流１１６が第３の処理ゾーン１０６で処理される。透過流１１６は、残存流１１４と並行に、又は残存流１１４に連続して処理することができる。
一の実施の形態において、第３の処理ゾーン１０６は、第３の酸性ガス除去ユニット１２４と、脱水ユニット１２６と、ヘリウム精製ユニット１２８とを含む。第３の酸性ガス除去ユニット１２４は、第２の酸性ガス除去ユニット１１８に関して述べたような酸性ガス除去ユニットであってもよく、第１の処理ゾーン１０２から透過流１１６を受け入れ、透過流１１６から酸性ガスの大部分を除去して、ヘリウムリッチ流１３０と第２の酸性ガスリッチ流１３２を生成する。第２の酸性ガスリッチ流１３２中の酸性ガスの濃度は、ヘリウムリッチ流１３０中の酸性ガスの濃度より高い。第２の酸性ガスリッチ流１３２は、第２の処理ゾーン１０４に関して述べたように、第１の酸性ガスリッチ流１２０とは別に処理しても一緒に処理してもよい。脱水ユニット１２６はヘリウムリッチ流１３０を受け入れ、ヘリウムリッチ流１３０から水を除去して、脱水ヘリウムリッチ流１３４と水流１３６を生成する。実施の形態によっては、脱水ユニット１２６は、エチレングリコール、シリカゲル、又は分子篩（モレキュラーシーブ）を含み、ヘリウムリッチ流１３０から水を除去するステップは、エチレングリコール、シリカゲル、又は分子篩を、ヘリウムリッチ流１３０に接触させるステップを含む。ヘリウム精製ユニット１２８は脱水ヘリウムリッチ流１３４を受け入れる。
一の実施の形態において、第３の処理ゾーン１０６は、第３の酸性ガス除去ユニット１２４と、ヘリウム精製ユニット１２８とを含む。即ち、第３の処理ゾーン１０６は、任意に脱水ユニット１２６を含む。第３の処理ゾーン１０６が脱水ユニットを含まない場合、ヘリウム精製ユニット１２８は第３の酸性ガス除去ユニット１２４に流体連結され、ヘリウムリッチ流１３０を第３の酸性ガス除去ユニット１２４から直接受け入れる。ヘリウム精製ユニット１２８は、ヘリウムリッチ流１３０又は脱水ヘリウムリッチ流１３４からヘリウムの大部分を回収して、ヘリウム生成物流１３８とヘリウム枯渇流１４０を生成し、両流を脱水してもよい。ヘリウム生成物流１３８中のヘリウムの濃度は、ヘリウム枯渇流１４０中のヘリウムの濃度より高い。
一の実施の形態において、ヘリウムリッチ流１３０又は脱水ヘリウムリッチ流１３４からヘリウムの大部分を回収するステップは、ヘリウムリッチ流１３０又は脱水ヘリウムリッチ流１３４を、分子篩又はＨＥＬＩＵＭ ＳＰＯＮＧＥ（商標）のような吸着材料に接触させるステップを含む。一の実施の形態において、ヘリウムリッチ流１３０又は脱水ヘリウムリッチ流１３４からヘリウムの大部分を回収するステップは、ヘリウムリッチ流１３０又は脱水ヘリウムリッチ流１３４を、吸着材料を利用した圧力スイング吸着プロセスのような吸着プロセスに付すステップを含む。一の実施の形態において、ヘリウムリッチ流１３０からヘリウムの大部分を回収するステップは、極低温蒸留プロセスのようなプロセスによってヘリウムリッチ流１３０又は脱水ヘリウムリッチ流１３４を蒸留するステップを含む。一の実施の形態において、ヘリウムリッチ流１３０又は脱水ヘリウムリッチ流１３４からヘリウムの大部分を回収するステップは、ヘリウムリッチ流１３０又は脱水ヘリウムリッチ流１３４から、炭化水素ガスと窒素ガスの少なくとも一方を除去するステップを含む。一の実施の形態において、ヘリウムリッチ流１３０又は脱水ヘリウムリッチ流１３４からヘリウムの大部分を回収するステップは、分子遠心分離ユニットでヘリウムリッチ流１３０又は脱水ヘリウムリッチ流１３４を処理するステップを含む。一の実施の形態において、ヘリウムリッチ流１３０又は脱水ヘリウムリッチ流１３４からヘリウムの大部分を回収するステップは、ヘリウムリッチ流１３０又は脱水ヘリウムリッチ流１３４中のヘリウムを精留するステップを含む。
ヘリウム生成物流１３８中のヘリウムの濃度は、ガス状流１０８中のヘリウムの濃度より高い。一の実施の形態において、ヘリウム生成物流１３８は、ガス状流１０８中のヘリウムの少なくとも１０モル％を含む。実施の形態によっては、ヘリウム生成物流１３８は、少なくとも１モル％、５モル％、１０モル％、１５モル％、２０モル％、２５モル％、３０モル％、３５モル％、４０モル％、４５モル％、５０モル％、６０モル％、７０モル％、７５モル％、８０モル％、８５モル％、９０モル％、９５モル％、９８モル％、９９モル％、９９．５、モル％、９９．９モル％、９９．９９モル％、又は９９．９９９モル％がヘリウムである。
実施の形態によっては、ヘリウム枯渇流１４０中の硫化水素の濃度は４ｐｐｍｖ又はそれ未満であり、ヘリウム枯渇流１４０中の二酸化炭素の濃度は２モル％又はそれ未満である。ある特定の実施の形態において、ヘリウム枯渇流１４０は、４ｐｐｍｖ又はそれ未満の硫化水素濃度、２モル％又はそれ未満の二酸化炭素濃度、又はその両方を達成するために、ヘリウム枯渇清浄ガス流１２２に関して述べたように更に処理してもよい（例えば、第３の処理ゾーン１０６にて）。実施の形態によっては、ヘリウム枯渇流１４０が炭化水素ガスを含む場合、ヘリウム枯渇流１４０を、ヘリウム枯渇清浄ガス流１２２とは別に又は一緒に発電に用いてもセールスガスネットワークに提供してもよい。
［実施例１］
ガス状流１０８は、高濃度の二酸化炭素を含む新鮮な原料（天然ガス）流である。即ち、ガス状流１０８は、典型的には、硫化水素浄化を必要としない。システム１００を参照すると、酸性ガス除去ユニット１１０は、ガス状流１０８から二酸化炭素の大部分を除去して、残存流１１４と透過流１１６を生成する。残存流１１４は第２の処理ゾーン１０４へ提供され、それと並行に、透過流１１６は第３の処理ゾーン１０６へ提供される。残存流１１４は第２の処理ゾーン１０４で図１に関して述べたように処理されて酸性ガスが除去され、ヘリウム枯渇清浄ガス流１２２中の二酸化炭素含有量を目標レベルまで、例えば２モル％又はそれ未満まで、浄化する。二酸化炭素リッチでガス状流１０８からのヘリウムの大部分を含む透過流１１６は、第３の処理ゾーン１０６で図１に関して述べたように処理される。ヘリウムリッチ流１３０中又は脱水ヘリウムリッチ流１３４中のヘリウムを精留してグレードのより高いヘリウム流とするステップは、第２の酸性ガス除去ユニット１１８に関して述べた１つ又は複数のプロセスによって二酸化炭素を除去するステップと、必要に応じて脱水ユニット１２６によって水を除去するステップと、炭化水素ガス、窒素ガス、又はその両方を除去するためにヘリウム精製ユニット１２８で処理するステップとを含む。
本実施例で述べるガス状流及びプロセスフローに基づき、表１（図２）に列挙する膜特性を有する第１の酸性ガス除去ユニット１１０におけるポリイミド酸性ガス除去膜（１段膜プロセス）用にＡｓｐｅｎ ＨＹＳＹＳに組み込まれた膜プロセスシミュレータを使用してシミュレーションを行った。表１に、ガス透過ユニット（ＧＰＵ：３．３４９×１０−１３ｋｍｏｌ／（ｓ・ｍ２・Ｐａ））における様々なガスの膜透過度、及びＨｅ／ガス、Ｈ２Ｓ／ガス、ＣＯ２／ガスの見出しで透過度係数比としての他のガスを基準としたヘリウム（Ｈｅ）、硫化水素（Ｈ２Ｓ）、及び二酸化炭素（ＣＯ２）に対する膜選択性を列挙する。透過度（パーミアンス）係数は、分圧差当たり時間当たり面積当たりの、膜を透過するガスの体積に等しい。表示の面積（ｍ２）は、ガス状流を処理し、残存流と透過流への分離を達成するのに必要な総膜面積である。
表２（図３）は、この実施例における全プロセス流の物質収支を、図１に示す対応符号と共に列挙する。表２に示すように、ガス状流（３００．７百万標準立方フィート毎日（ＭＭＳＣＦＤ）のガス）は、残存流（２４９．４ＭＭＳＣＦＤ）と透過流（５１．３ＭＭＳＣＦＤ）とに分離される。脱水ヘリウムリッチ流は、二酸化炭素と水を含まず（０．００モル％）、１２．２９モル％のヘリウムを含む。精製後、ヘリウム生成物流は、ヘリウムが９９．２９モル％、有機成分が０．７モル％未満、窒素が０.１モル％未満である。
図４は、ガス状流からヘリウムを回収するための例示のシステム４００を示す。システム４００は、第１の処理ゾーン４０２と、第２の処理ゾーン４０４と、第３の処理ゾーン４０６とを含む。第２の処理ゾーン４０４と第３の処理ゾーン４０６は、第１の処理ゾーン４０２に流体連結されている。ヘリウムが回収されることになるガス状流４０８は、第１の処理ゾーン４０２を経てシステム４００に入る。ガス状流４０８は、炭化水素ガス、酸性ガス、及び、ヘリウムや窒素ガスのような不活性ガスを含む。一の実施の形態において、ガス状流４０８は天然ガス流である。炭化水素ガスはメタンを含み、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、及び更に分子量の大きい炭化水素を含んでもよい。酸性ガスは、二酸化炭素、硫化水素、又はその両方を含む。一の実施の形態において、酸性ガスの大部分は二酸化炭素である。別の実施の形態において、酸性ガスの大部分は硫化水素である。実施の形態によっては、ガス状流は、最大９０モル％の一種又は複数種の酸性ガスを含む。
第１の処理ゾーン４０２は、酸性ガス除去膜４１２を有する第１の酸性ガス除去ユニット４１０を含む。第１の酸性ガス除去ユニット４１０において、酸性ガス除去膜４１２はガス状流４０８に接触して、ガス状流４０８を残存流４１４と透過流４１６とに分離する。残存流４１４と透過流４１６はそれぞれ、ガス状流４０８からの炭化水素ガスの一部と、酸性ガスの一部と、ヘリウムの一部とを含む。残存流４１４は、酸性ガスリーンでヘリウムリーンな高圧流である。透過流４１６は、酸性ガスリッチでヘリウムリッチな低圧流である。透過流４１６中の酸性ガスの濃度は、ガス状流４０８中及び残存流４１４中の酸性ガスの濃度より高い。透過流４１６中のヘリウムの濃度は、ガス状流４０８中及び残存流４１４中のヘリウムの濃度より高い。
酸性ガス除去膜４１２は、酸性ガスに対するバルク除去性能を持つ酸性ガス選択膜である。実施の形態によっては、酸性ガス除去膜４１２はガラス状ポリマーを含み、ヘリウムは、酸性ガスよりも速く酸性ガス除去膜４１２を透過する。ある特定の実施の形態において、酸性ガス除去膜４１２は、ガス状流４０８からの酸性ガスの除去とヘリウムの回収とを同時に行える。酸性ガス除去膜４１２は、典型的には、酢酸セルロース、ポリイミド、及びペルフルオロポリイミドのような高分子材料を１種又は複数種含む高分子膜である。実施の形態によっては、酸性ガス除去膜４１２は、促進輸送膜又は担持イオン液体膜である。酸性ガス除去膜４１２は、１段、２段、又は多段（複数段）の膜であってよい。酸性ガスとヘリウムに対する酸性ガス除去膜４１２の透過度は、炭化水素ガスと、窒素ガスのようなある特定の他のガスとに対する酸性ガス除去膜の透過度より高い。水に対する酸性ガス除去膜４１２の透過度は、典型的には、酸性ガスとヘリウムに対する酸性ガス除去膜の透過度より高い。
第２の処理ゾーン４０４は、第１の処理ゾーン４０２に流体連結されている。第１の処理ゾーン４０２からの残存流４１４は第２の処理ゾーン４０４で処理される。第２の処理ゾーン４０４は、第２の酸性ガス除去ユニット４１８を含む。第２の酸性ガス除去ユニット４１８は、第１の酸性ガス除去ユニット４１０から残存流４１４を受け入れ、残存流４１４から酸性ガスの大部分を除去して、第１の酸性ガスリッチ流４２０とヘリウム枯渇清浄ガス流４２２を生成する。第１の酸性ガスリッチ流４２０中の酸性ガスの濃度は、ヘリウム枯渇清浄ガス流４２２中の酸性ガスの濃度より高い。
一の実施の形態において、第２の酸性ガス除去ユニット４１８は、酸性ガス除去膜４１２に関して述べたような酸性ガス除去膜を含む。残存流４１４から酸性ガスの大部分を除去するステップは、第１の酸性ガスリッチ流４２０とヘリウム枯渇清浄ガス流４２２とを生成するために、第２の酸性ガス除去ユニット４１８内の酸性ガス除去膜に残存流４１４を接触させるステップを含む。残存流４１４から酸性ガスの大部分を除去するステップは、残存流４１４から二酸化炭素、硫化水素、又はその両方を除去するステップを含んでもよい。一の実施の形態において、第２の酸性ガス除去ユニット４１８は、アミン吸収プロセスユニットのような液体ベースの吸収プロセスユニットを含み、残存流４１４から酸性ガスの大部分を除去するステップは、第１の酸性ガスリッチ流４２０とヘリウム枯渇清浄ガス流４２２とを生成するために、液体ベースの吸収プロセスユニットで残存流４１４を処理するステップを含む。一の実施の形態において、第２の酸性ガス除去ユニット４１８は、高温カリウムプロセスユニットを含み、残存流４１４から酸性ガスの大部分を除去するステップは、第１の酸性ガスリッチ流４２０とヘリウム枯渇清浄ガス流４２２とを生成するために、高温カリウムプロセスユニットで残存流４１４を処理するステップを含む。一の実施の形態において、第２の酸性ガス除去ユニット４１８は吸着ユニットを含み、残存流４１４から酸性ガスの大部分を除去するステップは、吸着ユニットで残存流４１４を処理して、第１の酸性ガスリッチ流４２０とヘリウム枯渇清浄ガス流４２２とを生成するステップを含む。実施の形態によっては、吸着ユニットは、圧力スイング吸着ユニットであり、圧力スイング吸着ユニットで残存流４１４を処理するステップは、残存流４１４を圧力スイング吸着プロセスに付すステップを含む。一の実施の形態において、第２のガス除去ユニット４１８は分子遠心分離ユニットを含み、残存流４１４から酸性ガスの大部分を除去するステップは、第１の酸性ガスリッチ流４２０とヘリウム枯渇清浄ガス流４２２とを生成するために、分子遠心分離ユニットで残存流４１４を処理するステップを含む。
実施の形態によっては、第１の酸性ガスリッチ流４２０は、二酸化炭素を硫化水素から分離するために更に処理される（例えば、第２の処理ゾーン４０４にて）。一の実施の形態において、第１の酸性ガスリッチ流４２０は、硫化水素から硫黄を回収するために硫黄回収ユニットへ提供される。硫化水素から硫黄を回収するステップは、第１の酸性ガスリッチ流４２０をクラウス法に付すステップを含んでもよい。クラウス法からのテールガスは、硫化水素の痕跡を除去し、別の流れで二酸化炭素を得るために、クラウスユニットの下流で触媒転換プロセスとアミン吸収プロセスを用いてシェルクラウスオフガス処理（ＳＣＯＴ）プロセスに付してもよい。
実施の形態によっては、ヘリウム枯渇清浄ガス流４２２中の硫化水素の濃度は４ｐｐｍｖ又はそれ未満であり、ヘリウム枯渇清浄ガス流４２２中の二酸化炭素の濃度は２モル％又はそれ未満である。ある特定の実施の形態では、ヘリウム枯渇清浄ガス流４２２は、４ｐｐｍｖ又はそれ未満の硫化水素濃度、２モル％又はそれ未満の二酸化炭素濃度、又はその両方を達成するために更に処理される（例えば、第２の処理ゾーン４０４にて）。一の実施の形態において、ヘリウム枯渇清浄ガス流４２２は、水を除去するために脱水ユニットで更に処理されて、脱水ヘリウム枯渇清浄ガス流と水流が生成される。実施の形態によっては、水を除去するためにヘリウム枯渇清浄ガス流４２２を更に処理するステップは、ヘリウム枯渇清浄ガス流４２２をエチレングリコール又はシリカゲルに接触させるステップを含む。ヘリウム枯渇清浄ガス流４２２又は脱水ヘリウム枯渇清浄ガス流を発電に使用してもセールスガスネットワークに提供してもよい。
第３の処理ゾーン４０６は、第１の処理ゾーン４０２に流体連結されている。第１の処理ゾーン４０２からの透過流４１６が第３の処理ゾーン４０６で処理される。透過流４１６を、残存流４１４と並行して又は連続して処理できる。
一の実施の形態において、第３の処理ゾーン４０６は、硫黄除去ユニット（ＳＲＵ）４２４と、冷却器又は凝縮器ユニット４２６と、テールガス処理又は二酸化炭素除去ユニット４２８と、脱水ユニット４３０と、ヘリウム精製ユニット４３２とを含む。ＳＲＵ４２４は、第１の処理ゾーン４０２から透過流４１６を受け入れ、透過流４１６から硫黄の大部分を除去して、ガス流４３４と、硫黄リーン又は硫黄フリーのヘリウムリッチ流４３６と、硫黄溶融物４３８とを生成する。ガス流４３４は、典型的には、Ｈ２ＳやＳＯ２のような硫黄化合物又は元素硫黄蒸気を少量含み、フレアするために通気（ベント）されてもよい。冷却器又は凝縮器ユニット４２６は、高温で水蒸気飽和したヘリウムリッチ流４３６を受け入れる。冷却器又は凝縮器ユニット４２６からの水は、第１の水流４４０として第３の処理ゾーン４０６を出る。場合によっては、第１の水流４４０は、第３の処理ゾーン４０６を出る前にリザーバ４４２に集められる。冷却器又は凝縮器ユニット４２６からのヘリウムリッチ流４４４は、テールガス処理又は二酸化炭素除去ユニット４２８へ提供される。テールガス処理又は二酸化炭素除去ユニット４２８は、二酸化炭素流４４６と、精留されたヘリウム原料流であるヘリウムリッチ流４４８とを生成する。脱水ユニット４３０はヘリウムリッチ原料流４４８を受け入れ、ヘリウムリッチ流４４８から更に水を除去して、第２の水流４５０と脱水ヘリウムリッチ流４５２を生成する。実施の形態によっては、脱水ユニット４３０は、エチレングリコール、シリカゲル、又は分子篩を含み、処理されたヘリウムリッチ流４４８から水を除去するステップは、エチレングリコール、シリカゲル、又は分子篩に、処理されたヘリウムリッチ流４４８を接触させるステップを含む。実施の形態によっては、第２の水流４５０は、直接、第３の処理ゾーン４０６を出る。実施の形態によっては、第２の水流４５０は、第３の処理ゾーン４０６を出る前にリザーバ４４２に集められる。脱水ヘリウムリッチ流４５２は、ヘリウム精製ユニット４３２へ提供される。ヘリウム精製ユニット４３２は、脱水ヘリウムリッチ流４５２を処理して、ヘリウム生成物流４５４とヘリウム枯渇流４５６を生成する。
一実施の形態において、脱水ヘリウムリッチ流４５２からヘリウムの大部分を回収するステップは、脱水ヘリウムリッチ流４５２を分子篩のような吸着材料に接触させるステップを含む。一の実施の形態において、脱水ヘリウムリッチ流４５２からヘリウムの大部分を回収するステップは、脱水ヘリウムリッチ流４５２を、吸着材料を利用する圧力スイング吸着プロセスのような吸着プロセスに付すステップを含む。一の実施の形態において、脱水ヘリウムリッチ流４５２からヘリウムの大部分を回収するステップは、極低温蒸留プロセスのようなプロセスによって脱水ヘリウムリッチ流４５２を蒸留するステップを含む。一の実施の形態において、脱水ヘリウムリッチ流４５２からヘリウムの大部分を回収するステップは、脱水ヘリウムリッチ流４５２から、炭化水素ガスと窒素ガスの少なくとも一方を除去するステップを含む。一の実施の形態において、脱水ヘリウムリッチ流４５２からヘリウムの大部分を回収するステップは、分子遠心分離ユニットにおいて脱水ヘリウムリッチ流４５２を処理するステップを含む。一の実施の形態において、脱水ヘリウムリッチ流４５２からヘリウムの大部分を回収するステップは、脱水ヘリウムリッチ流４５２中のヘリウムを精留するステップを含む。
ヘリウム生成物流４５４中のヘリウムの濃度は、典型的には、ガス状流４０８中のヘリウムの濃度より高い。一の実施の形態において、ヘリウム生成物流４５４は、ガス状流４０８中のヘリウムの少なくとも１０モル％を含む。実施の形態によっては、ヘリウム生成物流４５４中のヘリウムの濃度は、少なくとも１モル％、５モル％、１０モル％、１５モル％、２０モル％、２５モル％、３０モル％、３５モル％、４０モル％、４５モル％、５０モル％、６０モル％、７０モル％、７５モル％、８０モル％、８５モル％、９０モル％、９５モル％、９９モル％、９９．５、モル％、９９．９モル％、９９．９９モル％、又は９９．９９９モル％ヘリウムである。
実施の形態によっては、ヘリウム枯渇流４５６中の硫化水素の濃度は４ｐｐｍｖ又はそれ未満であり、ヘリウム枯渇流４５６中の二酸化炭素の濃度は２モル％又はそれ未満である。ある特定の実施の形態では、ヘリウム枯渇流４５６は、４ｐｐｍｖ又はそれ未満の硫化水素濃度、２モル％又はそれ未満の二酸化炭素濃度、又はその両方を達成するために、ヘリウム枯渇清浄ガス流４２２に関して述べたように更に処理してもよい（例えば、第３の処理ゾーン４０６にて）。実施の形態によっては、ヘリウム枯渇流４５６が炭化水素ガスを含む場合、ヘリウム枯渇流４５６を、ヘリウム枯渇清浄ガス流４２２とは別に又は一緒に発電に用いても、セールスガスネットワークへ提供してもよい。
［実施例２］
ガス状流４０８は、二酸化炭素と硫化水素の両方を含む高濃度の酸性ガスを有する新鮮な原料（天然ガス）流である。即ち、ガス状流４０８は、典型的には、十分な硫化水素浄化を必要とする。システム４００を参照すると、酸性ガス除去ユニット４１０は、透過流への炭化水素の漏れを最小限に抑えるために２段の酸性ガス除去膜を有し、ガス状流４０８から酸性ガスとヘリウムの大部分を除去して、酸性ガス及びヘリウムリーンの残存流４１４と、酸性ガス及びヘリウムリッチの透過流４１６とを生成する。残存流４１４は第２の処理ゾーン４０４へ提供され、並行して、透過流４１６は第３の処理ゾーン４０６へ提供される。残存流４１４は第２の処理ゾーン４０４で図４に関して述べたように処理されて酸性ガスが除去され、ヘリウム枯渇清浄ガス流４２２中の二酸化炭素含有量と硫化水素含有量とをそれぞれ目標レベルまで、例えば２モル％又はそれ未満及び４ｐｐｍｖ又はそれ未満まで浄化する。二酸化炭素と硫化水素が濃縮され且つガス状流４０８からのヘリウムの大部分を含む透過流４１６は、第３の処理ゾーン４０６で図４に関して述べたように処理される。脱水ヘリウムリッチ流４５２中のヘリウムを精留してグレードのより高いヘリウム流とするステップは、放出前にフレア又は煙道ガスの仕様を満たすために、硫黄回収プロセス及びＳＣＯＴプロセスのようなプロセスによって二酸化炭素と硫化水素を除去するステップを含む。脱水ヘリウムリッチ流４５２中のヘリウムは、炭化水素ガス、窒素ガス、又はその両方を除去するためにヘリウム精製ユニット４３２において処理され、よってヘリウム生成物流４５４とヘリウム枯渇流４５６が生成される。
本実施例で述べるガス状流とプロセスフローに基づき、表３（図５）に列挙する膜特性を有する第１の酸性ガス除去ユニット４１０におけるポリイミド酸性ガス除去膜（２段膜プロセス）用にＡｓｐｅｎ ＨＹＳＹＳに組み込まれた膜プロセスシミュレータを使用して、両段についてシミュレーションを行った。表３に、ＧＰＵ（３．３４９×１０−１３ｋｍｏｌ／（ｓ・ｍ２・Ｐａ））における様々なガスの膜透過度と、Ｈｅ／ガス、Ｈ２Ｓ／ガス、ＣＯ２／ガスの見出しで透過度係数比としての他のガスを基準としたヘリウム（Ｈｅ）、硫化水素（Ｈ２Ｓ）、及び二酸化炭素（ＣＯ２）に対する膜選択性とを列挙する。透過度（パーミアンス）係数は、圧力差当たり時間当たり面積当たりの膜を透過するガスの体積に等しい。表示された面積（ｍ２）は、ガス状流を処理し、残存流と透過流への分離を達成するのに必要な総膜面積である。結果として得られる水流はいずれも、典型的には、更に使用する前にサワーウォータ処理が必要となる。
表４（図６）は、本実施例における全プロセス流の材料を、図４に示す対応符号と共に列挙する。表４に示すように、ガス状流４０８（３５０．８ＭＭＳＣＦＤ）は、２段の酸性ガス除去膜の両方を通過した後、残存流４１４（３０４．１ＭＭＳＣＦＤ）と透過流４１６（２１．６ＭＭＳＣＦＤ）とに分離される。ヘリウム枯渇流４５６は１００モル％窒素ガスである。精製後、ヘリウム生成物流４５４は９９．９４モル％がヘリウムであり、本質的に二酸化炭素と硫化水素を含まない。
図７は、炭化水素ガスと、酸性ガスと、ヘリウムや窒素ガスのような不活性ガスとを含むガス状流から、ヘリウムを除去するための例示の方法７００のフローチャートである。実施の形態によっては、方法７００は、図１に関して述べたようなシステム１００、又は、図４に関して述べたようなシステム４００によって実施される。ステップ７０２において、酸性ガス除去膜を、炭化水素ガスと、酸性ガスと、ヘリウムや窒素ガスを含む不活性ガスとを含むガス状流に接触させる。酸性ガス除去膜は、図１に関して述べた酸性ガス除去膜１１２、又は、図４に関して述べた酸性ガス除去膜４１２と同様であってもよい。ガス状流は、二酸化炭素、硫化水素、又はその両方のような、酸性ガスの濃度、負荷、又はその両方が高い天然ガス流とすることができる。
ステップ７０４において、酸性ガス除去膜がガス状流を残存流と透過流とに分離し、それぞれが、ガス状流からの炭化水素ガス、酸性ガス、及びヘリウムの一部を含む。透過流中の酸性ガスの濃度は、残存流中の酸性ガスの濃度より高く、透過流中のヘリウムの濃度は、残存流中のヘリウムの濃度より高い。
ステップ７０６において、酸性ガスの大部分が残存流から除去されて、第１の酸性ガス流とヘリウム枯渇清浄ガス流が生成される。残存流から酸性ガスの大部分を除去するステップは、図１の第２の処理ゾーン１０４又は図４の第２の処理ゾーン４０４に関して述べたように達成してもよい。
ステップ７０８において、透過流から酸性ガスの大部分が除去されて、第２の酸性ガス流とヘリウムリッチ流が生成される。透過流から酸性ガスの大部分を除去するステップは、図１の第３の処理ゾーン１０６又は図４の第３の処理ゾーン４０６に関して述べたように達成してもよい。
ステップ７１０において、ヘリウムリッチ流からヘリウムが除去されて、ヘリウム枯渇流とヘリウム生成物流が生成される。ヘリウムリッチ流からヘリウムを除去するステップは、図１の第３の処理ゾーン１０６又は図４の第３の処理ゾーン４０６に関して述べたように達成してもよい。
ここまで、本主題の特定の実施について述べてきた。他の実施も特許請求の範囲に含まれる。
１００、４００ システム
１０２、４０２ 第１の処理ゾーン
１０４、４０４ 第２の処理ゾーン
１０６、４０６ 第３の処理ゾーン
１０８、４０８ ガス状流
１１０、４１０ 第１の酸性ガス除去ユニット
１１２、４１２ 酸性ガス除去膜
１１４、４１４ 残存流
１１６、４１６ 透過流
１１８、４１８ 第２の酸性ガス除去ユニット
１２０、４２０ 第１の酸性ガスリッチ流
１２２、４２２ ヘリウム枯渇清浄ガス流
１２４ 第３の酸性ガス除去ユニット
１２６、４３０ 脱水ユニット
１２８、４３２ ヘリウム精製ユニット
１３０、４４４ ヘリウムリッチ流
１３２ 第２の酸性ガスリッチ流
１３４、４５２ 脱水ヘリウムリッチ流
１３６ 水流
１３８、４５４ ヘリウム生成物流
１４０、４５６ ヘリウム枯渇流
４２４ 硫黄除去ユニット（ＳＲＵ）
４２６ 冷却器又は凝縮器ユニット
４２８ テールガス処理又は二酸化炭素除去ユニット
４３４ ガス流
４３６、４４８ ヘリウムリッチ流
４３８ 硫黄溶融物
４４２ リザーバ
４４６ 二酸化炭素流
４５０ 第２の水流

Claims (41)

  1. ヘリウム回収方法であって：
    酸性ガス除去膜を、炭化水素ガスと、酸性ガスと、ヘリウムとを備えるガス状流に接触させ、よって前記ガス状流を透過流と残存流とに分離するステップであって、前記透過流と前記残存流はそれぞれ、前記炭化水素ガスの一部と、前記酸性ガスの一部と、前記ヘリウムの一部とを備え、前記透過流中の前記ヘリウムの濃度は前記残存流中の前記ヘリウムの濃度より高い、前記分離するステップと；
    第１の酸性ガス流とヘリウム枯渇清浄ガス流とを生成するために、前記残存流から前記酸性ガスの大部分を除去するステップであって、前記第１の酸性ガス流中の酸性ガスの濃度は前記ヘリウム枯渇清浄ガス流中の酸性ガスの濃度より高い、前記除去するステップと；
    第２の酸性ガス流とヘリウムリッチ流とを生成するために、前記透過流から前記酸性ガスの大部分を除去するステップであって、前記第２の酸性ガス流中の酸性ガスの濃度は前記ヘリウムリッチ流中の酸性ガスの濃度より高い、前記除去するステップと；
    ヘリウム生成物流とヘリウム枯渇流とを生成するために、前記ヘリウムリッチ流からヘリウムを除去するステップであって、前記ヘリウム生成物流中のヘリウムの濃度は前記ヘリウム枯渇流中のヘリウムの濃度より高い、前記除去するステップと；を備える、
    ヘリウム回収方法。
  2. 前記酸性ガスは、二酸化炭素と硫化水素の少なくとも一方を備える、
    請求項１に記載の方法。
  3. 酸性ガスとヘリウムとに対する前記酸性ガス除去膜の透過度は、炭化水素ガスと窒素とに対する前記酸性ガス除去膜の透過度より高い、
    請求項１又は請求項２に記載のヘリウム回収方法。
  4. 前記ヘリウム生成物流中の前記ヘリウムの濃度は、前記ガス状流中の前記ヘリウムの濃度より高い、
    請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のヘリウム回収方法。
  5. 前記ヘリウム枯渇清浄ガス流中の硫化水素の濃度は、４ｐｐｍｖ又はそれ未満である、
    請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のヘリウム回収方法。
  6. 前記ヘリウム枯渇清浄ガス流中の二酸化炭素の濃度は、２モル％又はそれ未満である、
    請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のヘリウム回収方法。
  7. 前記残存流から前記酸性ガスの大部分を除去する前記ステップは、第２の酸性ガス除去膜を前記残存流に接触させるステップ、又は、液体ベースの吸収プロセス、蒸留プロセス、吸着プロセス、若しくは分子遠心分離プロセスによって前記残存流を処理するステップを備える、
    請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のヘリウム回収方法。
  8. 前記残存流から前記酸性ガスの大部分を除去する前記ステップは、吸着プロセスを備え、
    前記吸着プロセスは、圧力スイング吸着プロセス又は温度スイング吸着プロセスである、
    請求項７に記載のヘリウム回収方法。
  9. 前記残存流から前記酸性ガスの大部分を除去する前記ステップは、液体ベースの吸収プロセスを備え、
    前記液体ベースの吸収プロセスは、アミン吸収プロセス、高温カリウム吸収プロセス、混合溶媒吸収プロセス、又は物理的溶媒吸収プロセスである、
    請求項７に記載のヘリウム回収方法。
  10. 前記第１の酸性ガス流は、硫化水素を備え、
    硫黄とテールガスとを生成するために、前記第１の酸性ガス流を処理するステップを備える、
    請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のヘリウム回収方法。
  11. 前記テールガスから硫化水素を除去するステップを備える、
    請求項１０に記載のヘリウム回収方法。
  12. 前記透過流から前記酸性ガスの大部分を除去する前記ステップは、前記透過流から二酸化炭素、硫化水素、又はその両方を除去するステップを備える、
    請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載のヘリウム回収方法。
  13. 前記透過流から前記酸性ガスの大部分を除去する前記ステップは、第３の酸性ガス除去膜を前記透過流に接触させるステップを備える、
    請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載のヘリウム回収方法。
  14. 脱水ヘリウムリッチ流と水流とを生成するために、前記ヘリウムリッチ流から水を除去するステップを備える、
    請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載のヘリウム回収方法。
  15. 前記ヘリウムリッチ流から水を除去する前記ステップは、前記ヘリウムリッチ流を、エチレングリコール、シリカゲル、又は分子篩に接触させるステップを備える、
    請求項１４に記載のヘリウム回収方法。
  16. 精製ヘリウム生成物流を生成するために、前記ヘリウム生成物流を精製するステップを備える、
    請求項１乃至請求項１５のいずれか１項に記載のヘリウム回収方法。
  17. 前記ヘリウム生成物流を精製する前記ステップは、前記ヘリウム生成物流を分子篩に接触させるステップ、前記ヘリウム生成物流を吸着プロセス若しくは分子遠心分離器プロセスに付すステップ、又は、前記ヘリウム生成物流を蒸留するステップを備える、
    請求項１６に記載のヘリウム回収方法。
  18. 前記ヘリウム生成物流を精製する前記ステップは、前記ヘリウム生成物流を吸着プロセスに付すステップを備え、
    前記吸着プロセスは、圧力スイング吸着プロセス又は温度スイング吸着プロセスである、
    請求項１７に記載のヘリウム回収方法。
  19. 前記ヘリウム生成物流を精製する前記ステップは、前記ヘリウム生成物流から炭化水素ガスを除去するステップを備える、
    請求項１６乃至請求項１８のいずれか１項に記載のヘリウム回収方法。
  20. 前記ヘリウム生成物流を精製する前記ステップは、前記ヘリウム生成物流から窒素ガスを除去するステップを備える、
    請求項１６乃至請求項１９のいずれか１項に記載のヘリウム回収方法。
  21. 前記ヘリウム生成物流を精製する前記ステップは、前記ヘリウム生成物流中の前記ヘリウムを精留するステップを備える、
    請求項１６乃至請求項２０のいずれか１項に記載のヘリウム回収方法。
  22. 前記ヘリウムを精留する前記ステップは、前記ヘリウム生成物流の極低温蒸留を備える、
    請求項２１に記載のヘリウム回収方法。
  23. 前記ヘリウム生成物流中のヘリウムの濃度は、前記ガス状流中のヘリウムの濃度より高い、
    請求項１乃至請求項２２のいずれか１項に記載のヘリウム回収方法。
  24. 前記ガス状流から硫黄を回収するステップを備える、
    請求項１乃至請求項２３のいずれか１項に記載のヘリウム回収方法。
  25. 前記ガス状流から水を回収するステップを備える、
    請求項１乃至請求項２４のいずれか１項に記載のヘリウム回収方法。
  26. 前記ヘリウム生成物流は、前記ガス状流中の前記ヘリウムの少なくとも１０％（モル）を備える、
    請求項１乃至請求項２５のいずれか１項に記載のヘリウム回収方法。
  27. 炭化水素ガスと、酸性ガスと、ヘリウムとを備えるガス状流からヘリウムを除去するためのヘリウム除去システムであって：
    第１の酸性ガス除去ユニットを備える第１処理ゾーンであって、
    前記第１の酸性ガス除去ユニットは、ガス状流を残存流と透過流とに分離するように構成され、前記残存流と前記透過流はそれぞれ、前記炭化水素ガスの一部と、前記酸性ガスの一部と、前記ヘリウムの一部とを備え、前記透過流中の前記ヘリウムの濃度は前記残存流中の前記ヘリウムの濃度より高い、前記第１の処理ゾーンと；
    前記第１の処理ゾーンに流体連結され、第２の酸性ガス除去ユニットを備える第２の処理ゾーンであって、
    前記第２の酸性ガス除去ユニットは、前記第１の処理ゾーンから前記残存流を受け入れ、前記残存流から前記酸性ガスの大部分を除去し、よって第１の酸性ガスリッチ流とヘリウム枯渇清浄ガス流とを生成するように構成され、前記第１の酸性ガスリッチ流中の酸性ガスの濃度は前記ヘリウム枯渇清浄ガス流中の酸性ガスの濃度より高い、前記第２の処理ゾーンと；
    前記第１の処理ゾーンに流体連結され、第３の酸性ガス除去ユニットと、ヘリウム精製ユニットとを備える第３の処理ゾーンであって、
    前記第３の酸性ガス除去ユニットは、前記第１の処理ゾーンから前記透過流を受け入れ、前記透過流から前記酸性ガスの大部分を除去し、よって第２の酸性ガスリッチ流とヘリウムリッチ流とを生成するように構成され、前記第２の酸性ガスリッチ流中の酸性ガスの濃度は前記ヘリウムリッチ流中の酸性ガスの濃度より高く、
    前記ヘリウム精製ユニットは、前記第３の酸性ガス除去ユニットに流体連結され、前記ヘリウムリッチ流を受け入れ、前記ヘリウムリッチ流から前記ヘリウムの大部分を回収し、よってヘリウム枯渇流とヘリウム生成物流とを生成するように構成され、前記ヘリウム生成物流中のヘリウムの濃度は前記ヘリウム枯渇流中のヘリウムの濃度より高い、前記第３の処理ゾーンと；を備える、
    ヘリウム除去システム。
  28. 前記第１の酸性ガス除去ユニットは、酸性ガス除去膜を備え、
    酸性ガスとヘリウムとに対する前記酸性ガス除去膜の透過度は、炭化水素ガスと窒素ガスとに対する前記酸性ガス除去膜の透過度より高い、
    請求項２７に記載のヘリウム除去システム。
  29. 前記第２の酸性ガス除去ユニットと前記第３の酸性ガス除去ユニットはそれぞれ独立に、液体ベースの吸収プロセスユニット、分子遠心分離ユニット、吸着プロセスユニット、又は蒸留プロセスを備える、
    請求項２７又は請求項２８に記載のヘリウム除去システム。
  30. 前記液体ベースの吸収プロセスユニットは、アミン吸収プロセスユニット、高温カリウム吸収プロセスユニット、混合溶媒吸収プロセスユニット、又は物理的溶媒吸収プロセスを備える、
    請求項２９に記載のヘリウム除去システム。
  31. 前記吸着プロセスユニットは、圧力スイング吸着プロセスユニット又は温度スイング吸着ユニットを備える、
    請求項２９に記載のヘリウム除去システム。
  32. 前記第３の酸性ガス除去ユニットに流体連結され、前記第２の酸性ガスリッチ流を受け入れるように構成された硫黄除去ユニットを備える、
    請求項２７乃至請求項３１のいずれか１項に記載のヘリウム除去システム。
  33. 前記硫黄除去ユニットは、硫化水素を酸化して二酸化硫黄を生成し、硫化水素と二酸化硫黄を反応させて硫黄を生成するように構成されたユニットを備える、
    請求項３２に記載のヘリウム除去システム。
  34. 前記硫黄除去ユニットは、触媒転換とアミン吸収により硫化水素を除去するように構成されたユニットを備える、
    請求項３３に記載のヘリウム除去システム。
  35. 前記第３の処理ゾーンは、脱水ユニットを備え、
    前記脱水ユニットは、前記第３の酸性ガス除去ユニットと前記ヘリウム精製ユニットとに流体連結され、前記ヘリウムリッチ流から水を除去し、よって脱水ヘリウムリッチ流と水流とを生成するように構成される、
    請求項２７乃至請求項３４のいずれか１項に記載のヘリウム除去システム。
  36. 前記ヘリウム精製ユニットは、前記脱水ユニットから前記脱水ヘリウムリッチ流を受け入れるように構成された、
    請求項３５に記載のヘリウム除去システム。
  37. 前記脱水ユニットは、エチレングリコール、シリカゲル、又は分子篩を備える、
    請求項３５又は請求項３６に記載のヘリウム除去システム。
  38. 前記ヘリウム精製ユニットは、ヘリウム吸収ユニット、ヘリウム吸着ユニット、分子遠心分離ユニット、又はヘリウム蒸留ユニットを備える、
    請求項２７乃至請求項３７のいずれか１項に記載のヘリウム除去システム。
  39. 前記ヘリウム精製ユニットは、ヘリウム吸着ユニットを備え、
    前記ヘリウム吸着ユニットは、分子篩を備える、
    請求項３８に記載のヘリウム除去システム。
  40. 前記ヘリウム精製ユニットは、ヘリウム吸着ユニットを備え、
    前記ヘリウム吸着ユニットは、圧力スイング吸着ユニット又は温度スイング吸着ユニットを備える、
    請求項３８に記載のヘリウム除去システム。
  41. 前記ヘリウム精製ユニットは、ヘリウム蒸留ユニットを備え、
    前記ヘリウム蒸留ユニットは、極低温蒸留ユニットを備える、
    請求項３８に記載のヘリウム除去システム。
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