JP5399596B2 - ポリエチレングリコール類を用いてガスから混入物を除去する方法 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、硫化水素および二酸化炭素のようなガス混入物を、これらの混入物を含むガス混合物から除去する方法を提供する。さらに詳しくは、本発明は天然、合成もしくは他の製品ガス流のような製品ガス（ｐｒｏｄｕｃｔ ｇａｓ）流からガス混入物を除去するために、ポリエチレングリコール類のジアルキルエーテルを含む溶媒を使用する方法を提供する。

価値のある製品ガスからガス混入物を除去するためにポリアルキレングリコール類のジアルキルエーテルの混合物を含む溶媒を使用することはこの分野において知られている。これらの混入物は、吸収に好適な高圧および／または低温の条件下で運転される吸収装置もしくは他の特殊な装置において、混入した製品ガスを新しい溶媒と接触させることにより除去される。いったん混入物が除去されると、混入物を除去されたガスは、販売でき、または製品の流れの規格に依存して、さらに下流の調節に供しうる。溶媒は脱着に好適な低圧および／または高温条件下で、吸収した混入物を追出すことにより再使用のために再生される。フラッシュタンクおよび／またはストリッパーカラムが、この分離を実施するために使用されるのが通常である。

ガス混入物を除去するためにポリエチレングリコール類のジアルキルエーテルの使用は、価値のある製品ガス、たとえばメタン、を一緒に吸収すること（ｃｏ−ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）をもたらすのが通常である。一緒に吸収したガスは、通常、再生の間に溶媒からあらわれ、そして高濃度の望ましくない混入物のために、ほとんど、もしくは全く価値がないのが通常である。価値のある、一緒に吸収したガスの損失はシステム設計に高圧再循環回路（ｒｅｃｙｃｌｅ ｌｏｏｐ）を付加することにより減少するのが一般的である。この高圧再循環回路は富溶媒の部分的な再生を可能にし、そして再循環回路で遊離されたガス、すなわち価値ある製品ガスと望ましくないガス混入物の混合物、は再圧縮され、冷却されそして吸収装置に再循環してもどされ、そこで遊離ガスは回収される。この分野でよく知られているように、「高圧」という用語は回路を特徴づけるのに用いられる。なぜなら、回路内に含まれるフラッシュタンクは吸収装置の圧力より低いが、溶媒が最終的に再生される圧力よりも高い圧力で作動するからである。

高圧再循環回路は製品ガスの収益を増加させるが、再循環回路を含むシステムのための資本および運転費も増加される。再循環回路のために必要とされる高圧フラッシュタンク圧縮装置および熱交換器は、すべて関連費用がかかる。加えて、吸収装置を通る増大したガスの流れは、吸収装置の循環要件を増加させることが多く、もっと大きい高圧ポンプ、熱交換器、配管および全システムにわたる他の構成要素を必要とする。

増大した製品ガス回収と増大した資本および運転費用との間の経済的最適化は、再循環フラッシュタンク圧力を調整することにより試みられるのが一般である。高いフラッシュタンク圧力は、低い再循環ガス量、低い製品ガス回収および低い追加費用を生じる。低いフラッシュタンク圧力は高い再循環ガス量、高い製品ガス吸収および高い追加費用を生じる。しかしこれらのパラメータを適切にバランスさせることはきわめて困難であることがわかり、そしてフラッシュタンク圧力を調整することは、高圧再循環回路を含むシステムに関連する増大した資本および運転費用と製品ガス回収を最大にする必要とを相殺する有効な手段を提供しないのが通常である。

発明の要約
本発明はポリエチレングリコールのジアルキルエーテルおよび水を含む溶媒を用いて製品ガスからガス混入物を除去する方法を提供する。本方法は、一緒に吸収した製品ガスの損失を減少させるための高圧再循環回路を含む。しかし、溶媒も十分な水を含むので、高圧再循環回路に一般的に関連する資本および運転費用は著しく減少される。

本方法は、天然ガスおよび合成ガスのような製品ガスから、硫化水素および二酸化炭素のようなガス混入物を除去するのに特に有用である。しかし、本発明はこの点について決して限定されないこと、そして本方法は種々の商業的に価値ある製品ガスから種々のイオウ化合物である硫化カルボニルおよび他のガス混入物を除去するのに用いられうることが理解されるべきである。

本発明によれば、ガス混入物を含む製品ガスは少くとも１つの吸収段階において溶媒と接触される。ガス混入物の特定量が溶媒により製品ガスから除去され、そして混入物を除去された製品ガスは吸収段階から排出される。溶解したガス混入物および一緒に吸収した製品ガスを含む溶媒は、ついで高圧再循環回路で部分的に両生され、そこで溶解した混入物および一緒に吸収した製品ガスの一部は再循環ガスとして溶媒から放出される。再循環ガスは再圧縮され、冷却され、ついで吸収段階にもどされる。溶媒の再生は溶媒中に残る、溶解した酸性ガス混入物および一緒に吸収した製品ガスの残った部分を除去することにより終了される。この再生段階で溶媒から除去された、一緒に吸収した製品ガスおよびガス混入物は排出ガスとして放出される。十分に再生された溶媒は、ついで吸収段階にもどされる。

溶媒は一緒に吸収した製品ガスの回収を増加させるのに十分な量の水を付与されるが、同時に溶媒に対する減少した循環速度要件ならびに再循環ガスに対する再圧縮および冷却要件を与える。したがって、溶媒の使用は、高圧再循環回路を使用する方法に通常関連する資本および運転費用、もっとも著しくは再循環ガスのための再圧縮および冷却要件に関連する費用、を減少させるが、同時に製品ガスの増加した回収をもたらす。

本発明の好適な態様において、溶媒は、ポリエチレングリコール類のジメチルエーテル、ならびに溶媒にガスのない基準で約２wt％〜約１０wt％の水を与えるのに十分な水、の混合物からなる。もっとも好適には溶媒はガスのない基準で約５wt％〜約８wt％の水を含む。

発明の詳細な説明
図１は、製品ガスからガス混入物を除去するためのシステムを例示し、本発明により教示される方法によって作動される。したがって、本発明は図１に例示されるシステムの説明に関して説明される。

図１に示されるように、一般的に示された１０であるシステムは、吸収装置１２、ならびに一般的に１４で示され、高圧フラッシュタンク１６、再循環圧縮機１８および再循環クーラー２０を含む再循環回路からなる。システムはさらに、低圧フラッシュタンク２２、循環ポンプ２４、および蒸留ユニット２６を含む。

ガス混入物を含有する製品ガス、たとえば硫化水素および二酸化炭素を混入された天然ガス、はライン３０を通って吸収装置１２の底部に入り、そしてライン３２を通って吸収装置の頂部近くに入る再生した液体溶媒と親密に接触される。吸収装置は当業者に周知の種類の従来の吸収塔であり、そして吸収装置で製品ガスと接触する再生した溶媒はポリエチレングリコール類のジアルキルエーテルと水の混合物からなる。

数多くのこのような溶媒は当業者に周知である。一般的に、これらの溶媒は通常液体であるポリエチレングリコール類のジアルキルエーテルを１種類以上含み、そして混入製品ガスが処理される条件下で、そのまま残る。通常、溶媒はポリエチレングリコール類のジメチルもしくはジエチルエーテルの混合物を含み、次の一般式：
ＣＨ₃ Ｏ（ＣＨ₂ Ｈ₄ Ｏ）_x ＣＨ₃
（ここでｘは３〜９）
を有する、ポリエチレングリコール類のジメチルエーテルの混合物であるのが好適である。本発明に使用するためにもっとも好適な溶媒は、コネチカット州ＤａｎｂｕｒｙのＵｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手し得、そして登録商標「ＳＥＬＥＸＯＬ」で販売されている、そのようなポリエチレングリコール類のジメチルエーテルの混合物を含む。

製品ガスに含まれるガス混入物の特定量が吸収装置１２で溶媒により除去され、そして混入物を除去された製品ガス、すなわち特定量の混入物を除去された製品ガス、はライン３４を通って吸収装置の頂部から排出される。通常、実質的にすべてのガス混入物が吸収塔１２で製品ガスから除去される；しかし当業者に周知であるように、これは必ずしもそうでない場合があり、除去される混入物の量は、混入物を除去された製品ガス流が向けられる個々の用途に依存する。

溶解した混入物および一緒に吸収した製品ガスをここで含む富溶媒は吸収装置１２の底部から出て、ライン３６を通って再循環回路１４に行き、そこで溶媒は部分的に再生される。富溶媒は高圧フラッシュタンク１６に直接に行き、そこで溶解したガス混入物および一緒に吸収した製品ガスの一部は溶媒から脱着し、再循環ガスとしてフラッシュタンク１６から出る。再循環ガスは、再循環ガスが再圧縮される１つ以上の圧縮機を含む再循環圧縮機１８にライン３８を通って導入される。ついでライン４２を通って吸収装置１２にもどされる前に、再循環ガスが冷却される１つ以上の熱交換器を含む再循環クーラー２０へ、ライン４０を通って導入される。上述のように、回路１４は「高圧再循環回路」として設計されている。なぜならフラッシュタンク１６は吸収装置の作動圧力より低いが、フラッシュタンク２２の再生圧力よりも高い圧力で運転されるからである。

溶解したガス混入物および一緒に吸収した製品ガスの残りの部分を含む溶媒が高圧フラッシュタンクから出て、そしてライン４４を通って低圧フラッシュタンク２２に入る。残っている溶解したガス混入物および一緒に吸収した製品ガスの大部分はフラッシュタンク２２において溶媒から脱着し、ライン４５を通って排出ガスとしてフラッシュタンクから放出される。溶媒の再生は低圧フラッシュタンクの使用に限定されないことが理解されるべきである。溶媒再生はこの分野で周知の方法で多数のフラッシュタンクおよび／またはストリッパーユニットまたは他の適した装置を用いて一つ以上の段階で行なわれる。

十分に再生された溶媒は低圧フラッシュタンクから出て、ライン４６を通って再循環ポンプに移動する。再循環ポンプは再生溶媒を蒸留ユニットに配給し、溶媒の水含量を特定含量に維持する。当業者が認識するように、製品ガス流は望ましくない量の水を含むことがある。したがって、溶媒の水含量を特定濃度に維持するために製品ガスから溶媒によって吸収されたいかなる付加的な水も蒸留ユニット２６において除去されうる。いったん再生した溶媒は蒸留ユニットを離れると、ライン３２を通って吸収装置１２に導入される。

熱バランスを図１に示されるシステム内で維持するのが必要であることを当業者は認識するであろう。たとえば、熱交換器はポンプ24と蒸留装置２６の間に必要とされ得、吸収装置１２に溶媒を戻す前に溶媒の温度を調節する。通常、吸収装置に入る溶媒は約１０°F〜約１２０°F（約−１２℃〜約４８℃）、好ましくは約１０°F〜約４０°F（約４℃）の温度である。したがって、熱交換能力は、吸収装置に戻される前に適切な温度であることを確実にするために、および／またはシステム内で熱バランスを維持するために要求されるように付加されうる。上述のように、十分な水が、増加した製品ガス回収と資本および運転費用の低減とを同時に得るために溶媒に添加される。もっと詳しくは、溶媒の水濃度を調節することは、高圧フラッシュタンクに製品ガスを増加する圧力で運転させるが、同時に再循環圧縮機１８で再圧縮要件を低減させ、したがって再循環クーラー２０で冷却要件を低減させる。さらに、溶媒について全体の循環要件も低減される。これらの結果のすべて、とくに溶媒循環要件の低減は意外である。なぜなら、溶媒において水の濃度を増加させることは溶媒において二酸化炭素の溶解性を低減し、したがって溶媒循環要件を増加させるにちがいないからである。本発明により付与される利点は次の例によりもっと十分に説明されよう。

混入物のある天然ガスとの接触に続いて、溶解した混入物および一緒に吸収したメタンを含む富溶媒は吸収装置の底部から出、高圧再循環回路に直接導入される。富溶媒は３０４psia で運転される高圧フラッシュタンクに入る。これらの条件下で、大部分の揮発性成分，主に二酸化炭素およびメタン、は溶媒から脱着して、再循環ガスとしてフラッシュタンクから出る。高圧フラッシュタンクから排出された再循環ガスは約１７，０００ＨＰを要求する１つ以上の圧縮機を含む再循環圧縮機に導入される。フラッシュタンクから再循環圧縮機（図１のライン３８）の全ガス流速は吸収装置に入る（図１のライン３０）混入物のある天然ガスの流速のおよそ３６％である。ついで、再圧縮ガスは約５６ＭＭＢＴＵ（百万ＢＴＵ／時間）の冷却効率を供給できる１つ以上の熱交換器を含む再循環クーラーで冷却される。再圧縮され、冷却された再循環ガスはついで吸収装置に戻される。したがって、溶媒は高圧フラッシュタンクで部分的に再生され、価値のある一緒に吸収したメタンは再循環回路で回収される。部分的に再生された溶媒は約１８psiaで運転される低圧フラッシュタンクに導入され、そこで残っている溶解したガス混入物および一緒に吸収したメタンは溶媒から脱着し排出ガスとして低圧フラッシュタンクから放出される。ここで十分に再生された溶媒は混入物を有する天然ガスと接触させるために吸収塔にポンプで戻される。

ガスのない基準で約４．８％の水を含む「ＳＥＬＥＸＯＬ」溶媒で混入物を有する天然ガスを上述の方法で処理することは、メタンの損失を入ってくる天然ガスの約１．７モル％に制限する。
例II
二酸化炭素４５モル％、メタン５０モル％、水１モル％およびC２＋炭化水素４モル％を含む天然ガスおよそ５００NMSCFDが１２１０psiaで、次の方法パラメータの差異を除けば例Ｉに示されたのと同様に処理された：
溶媒は「ＳＥＬＥＸＯＬ」溶媒および一緒ガスのない基準で７．８ｗｔ％の水を含む；
高圧フラッシュタンクから再循環圧縮機への全ガス流速は入ってくる、混入物を有する天然ガスのおよそ２５％である；
再循環圧縮機における再圧縮要件は１０，０００ＨＰである；
再循環クーラーにおける冷却要件は３５ＭＭＢＴＵ／時間である；
溶媒循環要件は１２，５００ｇｐｍである；そして
全メタン損失は入ってくる天然ガスの約１．３モル％に制限される。
例III（従来技術）
二酸化炭素４５モル％、メタン５０モル％、水１モル％およびC２＋炭化水素４モル％を含む天然ガスおよそ５００NMSCFDが１２１０psiaで、次の方法パラメータの差異を除けば例Ｉに示されたのと同様に処理された：
溶媒は「ＳＥＬＥＸＯＬ」溶媒および一緒ガスのない基準で０．９ｗｔ％の水を含む。これは高圧再循環回路を含む従来技術において用いられる典型的な溶媒水濃度である；
高圧フラッシュタンクから再循環圧縮機への全ガス流速は入ってくる、混入物を有する天然ガスのおよそ５３％である；
再循環圧縮機における再圧縮要件は２３，０００ＨＰである；
再循環クーラーにおける冷却要件は７５ＭＭＢＴＵ／時間である；
溶媒循環要件は１６，０００ｇｐｍである；そして
全メタン損失は入ってくる天然ガスの約３モル％に制限される。

従来技術と比較した本発明による利点は下の表Ｉに要約される。

上述の例に示され、そして表Ｉに要約されるように、メタン損失は約１ｗｔ％の水を含む溶媒および３０４psiaでの高圧フラッシュタンクを用いる従来のガス精製法において、３モル％に制限される。しかし、約２３，０００ＨＰが３０４psiaから吸収装置圧に再循環ガスを再圧縮するのに必要とされる。さらに、圧縮装置はガスの温度を増加させるのが通常であるので、およそ７５ＭＭＢＴＵ／時間の冷却効率を供給できる熱交換器が必要とされる。最後に、吸収装置で処理されるガスの増加した容量のために、所要の溶媒循環は１６，０００ｇｐｍであろう。したがって、再循環回路によりもたらされる低減したメタン損失に関連する増加した収益は再循環回路装置に関連する増加した資本および運転費用により部分的に、もしくは全体的に相殺される。

本発明方法により説明されるように、溶媒の水含量の増加は製品ガス回収を増加させるばかりでなく、そのようなシステムに関連する資本および運転費用をも著しく低減させる。例が示し、表Ｉに要約されるようにもし再生した溶媒の水含量が約１ｗｔ％から５％ｗｔ％（ガスのない基準）に増加し、そしてもし高圧フラッシュタンクが３０４psia のままであれば、再圧縮要件は２３，０００ＨＰから１７，０００ＨＰに低減されるであろうし、そして再循環ガス冷却効率要件は７５ＭＭＢＴＵ／時間から５６ＭＭＢＴＵ／時間に低下するであろう。加えて、全体循環要件は１６，０００ｇｐｍから１３，８００ｇｐｍに低減されるであろうし、そしてメタン損失は３モル％から１．７モル％に低下するであろう。もし再生した溶媒の水含量がさらに８％ｗｔ％（ガスのない基準）に増加し、そしてもし高圧フラッシュタンクが３０４psia のままであれば、再圧縮要件はさらに１０，０００ＨＰに低減されるであろうし、そして再循環ガス冷却効率要件は７５ＭＭＢＴＵ／時間から３５ＭＭＢＴＵ／時間に低下するであろう。全体循環要件は１６，０００ｇｐｍから１２，５００ｇｐｍに低減されるであろうし、そしてメタン損失は３モル％から１．３モル％に低下するであろう。

したがって、本発明は、高圧再循環回路により得られる増加した製品ガス回収とそのようなシステムの使用に関連した比較的高い資本および運転費用との間の経済的最適条件を当業者が達成するのを可能にする。本発明により説明された方法を利用し、そして適切な量の水を供給することにより、増加した製品ガス回収、ならびに低減した再圧縮、再循環冷却および溶媒循環の要件が同時に達成されうる。表Ｉに示されるデータは増加した製品ガス回収と低減した資本および運転費用との間の最適バランスを達成するために、本発明により与えられる選択の一つを示すに過ぎない。本発明は、それぞれの特定のガス混入物除去用途に必要とされるように、増加した製品ガス回収と低減した資本および運転費用との間の最適バランスを達成するために種々の他の方法において利用され得ることを当業者は認識するであろう。たとえば、再循環圧縮および冷却費用のもっと著しい低減は、もし製品ガス損失の増加が許容されるならば、達成されうる。もし再循環圧縮および冷却費用の増加が受け入れられるならば、製品ガス損失は表Ｉに示される値よりも低減されうることも逆に真実である。したがって、本発明は溶媒の水濃度が増加するが、高圧フラッシュタンク圧が一定に保持される、具体的に開示された例に決して限定されないこと、そして本発明は増加した製品ガス回収および低減した費用を達成するために方法パラメータを調節する種々の他の選択を供給することが理解されるべきである。
以下もまた開示される。
［１］ 混入物を含む製品ガスからガス混入物を除去する方法であり、該方法は：
（ａ）製品ガスを少くとも１つの吸収段階で溶媒と接触させて製品ガスからガス混入物の特定部分を除去すること；
（ｂ）除去されたガス混入物の特定部分を有する製品ガスを吸収段階から排出すること；
（ｃ）溶解ガス混入物および一緒に吸収した製品ガスを含む溶媒を高圧再循環回路に供給し、その溶解したガス混入物および一緒に吸収した製品ガスの一部を再循環ガスとして溶媒から放出させることにより、溶媒を部分的に再生すること；
（ｄ）再循環ガスを再圧縮および冷却し、ついでその再循環ガスを吸収段階にもどすこと；
（ｅ）溶媒中に残っているガス混入物および一緒に吸収した製品ガス、の残りの部分を溶媒から除去し、その残りの部分を排出ガスとして放出することにより、溶媒の再生を終了すること；
（ｆ）完全に再生した溶媒を吸収段階にもどすこと；ならびに
（ｇ）一緒に吸収した製品ガスの回収を増加させるのに十分な量の水を溶媒に供給し、同時に溶媒に対する減少した循環速度の要件、ならびに再循環ガスに対する減少した再圧縮および冷却の要件を付与すること、
を含む、方法。
［２］ ポリエチレングリコール類のジアルキルエーテルの混合物がポリエチレングリコール類のジメチルエーテルの混合物を含む上記［１］記載の方法。
［３］ 製品ガスが天然ガスおよび合成ガスの１つである上記［１］記載の方法。
［４］ 溶媒がガスのない基準で約２wt％〜約１０wt％の水を含む上記［１］記載の方法。
［５］ 溶媒がガスのない基準で約５wt％〜約８wt％の水を含む上記［１］記載の方法。
［６］ ガス混入物が硫化水素および二酸化炭素を含む上記［１］記載の方法。
［７］ 段階（ｅ）の後であるが段階（ｆ）の前に、方法が：選定された量の水を溶媒から除去する、段階をさらに含む、上記［１］記載の方法。

本発明方法により運転されるシステムの概略図。

Claims (5)

1. 混入物を含む製品ガスからガス混入物を除去する方法であり、該方法は：
   （ａ）製品ガスを少くとも１つの吸収段階で、ポリエチレングリコール類のジアルキルエーテルの混合物を含む溶媒と接触させて製品ガスからガス混入物の特定部分を除去すること；
   （ｂ）該ガス混入物の特定部分が除去された製品ガスを吸収段階から排出すること；
   （ｃ）溶解ガス混入物および一緒に吸収した製品ガスを含む溶媒を高圧再循環回路に供給し、その溶解したガス混入物および一緒に吸収した製品ガスの一部を再循環ガスとして溶媒から放出させることにより、溶媒を部分的に再生すること；
   （ｄ）再循環ガスを再圧縮および冷却し、ついでその再循環ガスを吸収段階にもどすこと；
   （ｅ）溶媒中に残っているガス混入物および一緒に吸収した製品ガス、の残りの部分を溶媒から除去し、その残りの部分を排出ガスとして放出することにより、低圧フラッシュタンクにおいて溶媒の再生を終了すること；
   （ｆ）完全に再生した溶媒を吸収段階にもどすこと；ならびに
   （ｇ）一緒に吸収した製品ガスの回収を増加させるために、ガスのない基準で２wt％〜１０wt％の水を溶媒に供給し、同時に溶媒に対する減少した循環速度の要件、ならびに再循環ガスに対する減少した再圧縮および冷却の要件を付与すること、
   を含む、方法。
   
2. ポリエチレングリコール類のジアルキルエーテルの混合物がポリエチレングリコール類のジメチルエーテルの混合物を含む請求項１記載の方法。
   
3. 製品ガスが天然ガスおよび合成ガスの１つであり、ガス混入物が硫化水素および二酸化炭素を含む請求項１記載の方法。
   
4. 溶媒がガスのない基準で５wt％〜８wt％の水を含む請求項１記載の方法。
   
5. 段階（ｅ）の後であるが段階（ｆ）の前に、方法が：選定された量の水を溶媒から除去する、段階をさらに含む、請求項１記載の方法。

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