JP5586481B2 - 水蒸気需要を低減した再生器の構成および方法 - Google Patents

Description

本出願は、２００８年２月１８日出願の、本発明者らの同時係属米国仮出願番号６１／０２９５３６の優先権を主張する。

本発明の分野は、溶媒の再生、特にアミン系溶媒の水蒸気再生の、構成および方法に関する。

プロセスガス（たとえば、様々な蒸留、吸着、および吸収プロセス）から酸性ガスを除去するための様々な構成および方法が従来技術において知られているが、その中でも再生器吸収器システムは、比較的堅牢かつコスト効率の高いガス精製システムとして、頻繁に採用されている。

一般的な再生器吸収器システムでは、プロセスガスは吸収器の中で逆流するように接触され、リッチ溶媒および精製されたプロセスガスを生成するために、酸性ガス（またはその他の望ましくないガス状成分）はリーン化学溶媒によって、少なくとも部分的に吸収される。このようにして形成されたリッチ溶媒は、その後交差熱交換器（ｃｒｏｓｓ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）で加熱され、続いて再生器で水蒸気を利用して比較的低圧でストリッピングされる。このようにしてストリッピングされた溶媒（すなわち、リーン溶媒）はその後、吸収器に戻るループを完成させる前にリーン溶媒の温度を下げるために、交差熱交換器で冷却される。したがって、再生器吸収器システムは一般的に、比較的低コストで連続運転することができる。

米国特許第５，０５１，１８８号明細書 米国特許第５，２４８，４２７号明細書 米国特許第５，７０７，５２２号明細書 米国特許第３７，１６６，２２４号明細書 米国特許第３６，７５５，９７５号明細書 米国特許出願公開第２００８／００９９４００号明細書

このようなシステムにおいて二酸化炭素除去能力を増強するために、再生器の温度を上昇させても良い。しかしながら、腐食性の増大および溶媒の劣化が、このプロセスの最適化の度合いをしばしば制限する。また、動作温度の上昇は、運転コストの上昇につながることも多い。さらに、そして特に比較的大量の二酸化炭素が除去されるべき場合には、十分なリーン溶媒を生成するために、しばしば再生器内にかなり大量の水蒸気が必要となる。しかしながら、大量の水蒸気は生成するのに高い費用がかかることが多い。さらに悪いことには、外部の生水蒸気が使用されている場合、運転の水分平衡はしばしば影響を受け、過剰な水分は除去される必要がある。

このように、望ましい性能を維持しながらエネルギー要求を減少させるための、溶媒再生器の構成および方法を改善する必要性が、まだある。

本発明は、溶媒の再生の構成および方法を対象とし、特に１つ以上の浸透気化装置を使用した、水性溶媒からの水蒸気の回収および再利用を対象とする。本発明主題の最も代表的な態様において、溶媒は、水、および所望の成分の獲得（吸着または吸収）および回収に適した少なくとも１つの有機および／または無機剤を含む。このような場合、所望の成分のうち少なくともいくつかは、一般的にはエネルギー（熱など）および／または圧力低減のなんらかの組合せによって、再生器中に放出される。

本発明主題の特に好適な一態様において、（一般的にはアミン系の）溶媒を再生する方法は、再生器頂部および再生器底部生成物を生成するために、ストリッピング媒体として水蒸気を使用して、再生器内で溶媒をストリッピングさせるステップを含む。さらなるステップにおいて、再生器底部生成物の少なくとも一部分が、水蒸気を多く含む蒸気相を生成するために浸透気化装置の中を通過し、さらに別のステップで、それによってストリッピング媒体の少なくとも一部を供給するために、蒸気相は再生器内に供給される。

別の視点から見ると、水性溶媒から再生器底部生成物を生成するように再生器が構成されている、水蒸気再生器に水蒸気を提供する方法が考えられる。このような方法において、このようにして水蒸気浸透物を形成するために、再生器底部生成物の一部分が浸透気化装置を横切って通過し、そのようにして形成された水蒸気浸透物は、その後水蒸気再生器に供給される。

浸透気化装置を横切る圧力勾配を生成するために、浸透気化装置の上流にある再生器底部生成物の部分の圧力を増加させること、および／または浸透気化装置の下流にある真空装置が操作されることが、一般的には好ましい。望ましい場合には、（たとえば、圧縮器またはエジェクタを使用して）再生器内に蒸気相を供給する前に、蒸気相が圧縮されてもよい。あるいは、浸透物がすでに再生器の圧力またはそれ以上の圧力をかけられている場合には、圧縮器は省略されてもよい。さらに、再生器底部生成物の量は、運転条件、所望の再生度に応じて異なるであろうと考えられるが、しかしながら再生器底部生成物の部分は、蒸気相中の水蒸気の量が再生器中の溶媒の所望の度合いでの再生に必要な水蒸気の量と等しくなるように選択されることが、特に好ましい。いくつかの態様において、再生器底部生成物の部分は、全再生器底部生成物の１０ｖｏｌ％から４０ｖｏｌ％の間、より一般的には４０ｖｏｌ％から７０ｖｏｌ％の間、最も一般的には７０ｖｏｌ％から１００ｖｏｌ％の間となる。したがって、再生器のために、中立水分平衡が維持されてもよい。本発明主題を限定するものではないが、一般的には、混合リーン溶媒を形成するために、再生器底部生成物の別の部分が浸透気化装置からの保持物と混合されることが好ましく、混合リーン溶媒は通常、後に再生器に戻って再利用されるリッチ溶媒を形成するために、吸収器に供給される。

その結果、本発明主題のさらなる態様において、そのようにして再生器頂部および再生器底部生成物を生成するために、ストリッピング媒体として水蒸気を使用することができるように構成されている水蒸気再生器を含む、溶媒再生システムが考えられる。浸透気化装置はその後、水蒸気を多く含む蒸気相をそのようにして生成するために、再生器底部生成物の少なくとも一部分を浸透気化装置に供給できるようにするため、水蒸気再生器と流体的に接続され、浸透気化装置はさらに、蒸気相を再生器に供給し、それによってストリッピング媒体の少なくとも一部、好ましくは全部を供給することができるように構成されている。

このようなシステムは、浸透気化装置を横切る圧力勾配を生成するために、浸透気化装置と流体的に上流に接続されたポンプと、浸透気化装置と流体的に下流に接続された真空ポンプとをさらに含むことが、一般的には好ましい。さらに、または代わりに、水蒸気再生器への圧縮ストリームとして蒸気相を供給するために、圧縮器が浸透気化装置と流体的に接続されていてもよい。あるいは、圧縮器を必要としないように、再生器圧で浸透気化システムの浸透側を動作することが、都合がよいかも知れない。最も一般的には、考えられるシステムは、浸透気化装置からの保持物を再生器底部生成物の別の部分と混合するための導管も含み、これはその後、再生器内での再生用のリッチ溶媒を生成するために吸収器に供給される。

本発明の様々な目的、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、さらに明らかになるであろう。

考えられる１つの再生システムの例示的な図である。

発明者らは、溶媒、特に水性化学溶媒のための再生器においてストリッピング媒体として使用するための水蒸気が、浸透気化装置を使用して、リーン溶媒の一部から回収可能であることを見いだした。このように回収された水蒸気はその後、通常は適切な圧力まで圧縮された後、再生器に再導入される。最も著明だが、再生器がいかなる所望の溶媒再生度合いにも合わせて中立水分平衡を有するようにリーン溶媒の部分が選択され得ることは、理解されるべきである。このような構成および方法は、そうでなければ再生器の水分平衡を制御するために必要な水蒸気生成および凝縮に関連するエネルギーコストを有利に削減するであろう。最も一般的には、溶媒は、水、および所望の成分（一般的にはＣＯ２および／またはＨ２Ｓなどの酸性ガス）の獲得（吸着または吸収）および再生に適した少なくとも１つの有機および／または無機剤を含む、水性溶媒であって、所望の成分は、エネルギー（熱など）および／または圧力低減のなんらかの組合せによって、再生器中に少なくとも部分的に放出される。本明細書で使用される「浸透気化装置」という用語は、液体供給物が膜に供給され、膜は液体保持物から蒸気浸透物を（膜を通じて）分離するように構成されている、システムを指す。

特に好適な一態様において、再生器内で溶媒をストリッピングさせるための水蒸気は、選択的に（すなわち５０％を超えて選択される）、およびより好ましく選択的に（すなわち９０％を超えて選択される）、溶媒の有機成分から水を分離する、分離システムを使用して再生された溶媒の少なくとも一部から、引き出される。特に好適な態様において、分離システムは、膜が水の選択的な浸透性を提供する浸透気化システムであって、溶媒はアミン水溶液である。たとえば、適切なアミンは、モノエタノールアミン（ＭＥＡ）、ジエタノールアミン（ＤＥＡ）、メチルジエタノールアミン（ＭＤＥＡ）、などの様々なアルカノールアミン、またはジイソプロピルアミン（ＤＩＰＡ）もしくはジグリコールアミン（ＤＧＡ）などのその他のアミンを含む。

たとえば、図１は、再生器１１０が、吸収器（図示せず）からリッチ溶媒ストリーム１１１を受け、一般的にはＣＯ２および／またはＨ２Ｓを含む、再生器頂部ストリーム１１２を生成するように構成されている、好適な模式的構成１００を示す。吸収器はさらに、再生器底部生成物ストリーム１１４（すなわち、再生された水性溶媒）を生成する。再生器内のＣＯ２および／またはＨ２Ｓの脱離は、大部分は、再生器１１０の底部付近に導入されるストリッピング媒体１４４、一般的には水蒸気、の影響を受ける。再生器頂部ストリーム１１２は従来の方法によって頂部凝縮器１７２の中で冷却され、凝縮された水は、頂部分離器ドラム１５０の中で分離されて、ストリーム１５４および還流ポンプ１３２を通じて再生器１１０に戻る。酸性ガスストリーム１５２は、適切な位置に（たとえば、Ｈ２Ｓはクラウスプラントに、ＣＯ２はＥＯＲまたは隔離場所に）供給される。

再生器底部生成物１１４はその後、浸透気化装置１２０に供給される第一部分１１４Ａと、一方では再生済み（リーン）溶媒として吸収器に供給される第二部分１１４Ｂとに分割される。望ましい場合には、第一部分１１４Ａは、冷却器１７０で所望の温度（たとえば、４０から９０℃の間）に冷却され、ポンプ１３０で適切な圧力（たとえば１から５バールの間、より一般的には５から３０バールの間、そして最も一般的には１バールから５０バールの間）となるようにポンピングされる。しかしながら、冷却は浸透気化装置の膜を保護するために圧倒的に利用されるので、冷却器は必要ではないかも知れないことは、留意すべきである。必要であれば、浸透気化膜を横切る適切な圧力勾配を生成するのを支援するために、浸透気化装置１２０の浸透側で、真空ポンプ１４０が採用されてもよい。通常の使用とは対照的に、浸透物が凝縮されていないことは、留意すべきである。したがって、浸透気化装置からの水蒸気浸透物は、必要であれば、その後圧縮器（またはエジェクタ）１４２を通じて再生器圧力にもたらされ、ストリッピング媒体として再生器１１０に導入される。開始および／または追加水蒸気は、配管１４６を通じて再生器１１０に供給されてもよいが、ただしこのストリームは大抵、通常運転中はゼロフローである。浸透気化装置からの保持物は、ストリーム１２２として吸収器に供給され、これは最も好ましくは、このようにして混合リーン溶媒ストリーム１１４Ｃを形成するために、第二部分１１４Ｂと混合される。

本発明主題の特に考えられた態様において、浸透気化膜に供給される溶媒の第一部分の流量は、再生器水蒸気需要および膜の効率に依存する。最も好ましくは、水蒸気注入が増加すると、溶媒の過剰ストリッピングとなって運転コストが上昇するので、溶媒からの酸性ガス除去の望ましい度合いが再生器内で達成されるように、水蒸気需要が制限される。一旦水蒸気需要が決定されると、膜に供給される再生溶媒の流量は、水の除去レートが必要とされる水蒸気レートと等しくなるように設定され、これは一般的に、膜の種類、膜を横切る圧力勾配、および溶媒濃度に依存することになる。このように、プラント全体での水分平衡が浸透気化膜装置による影響を受けないことは、理解されるべきである。したがって、リーン溶媒の２つの部分（すなわち、保持物および第二部分）が吸収器の上流で再混合されるとき、適切な溶媒組成が達成されることになる。たとえば、水の除去率が比較的高い膜は、水の除去率がより低い膜よりも少ない量の再生溶媒フローを必要とするだろう。運転および資本コストを最小化するために、通常は、決められた所望の水蒸気レートのための膜を通じて再生溶媒の流量を最小化することが、好ましい。

当然ながら、再生溶媒の第二部分に対する第一部分の流量比が複数の要因に依存することは認識されるべきであり、当業者は適切な流量比を容易に確認することができるであろう。本発明主題を限定するものではないが、再生器の全体的な水蒸気需要は、浸透気化装置によって提供されることが、一般的には好ましい。しかしながら、それほど好適ではない態様において、浸透気化装置は、水蒸気ストリーム、またはリーン溶媒以外の源から生成されたその他の再生媒体（たとえば、一般的な水蒸気加熱リボイラー）を補助するために使用されてもよい。追加水蒸気が導入される可能性がある場合には（たとえば開始時）、特定の運転条件が存在してもよいことも、認識されるべきである。

上述のシステムおよび方法のその他の利点のうち、再生器カラムへの直接水蒸気注入が、獲得された成分を溶媒から放出するのに必要なエネルギーをシステムに導入するための効果的な方法であることは、理解されるべきである。しかしながら、どのような水蒸気注入も、結果的に溶媒システムに水を追加することになり、これは溶媒組成を維持するために後で除去されなければならない。本明細書に示される構成および方法は、この問題に独自の解決法を提供する。浸透気化分離を利用した再生器の底部を離れて水性溶媒から水が除去され、ここですでに蒸気相の中に存在している水の中に浸透物が濃縮されている。この浸透物蒸気ストリームはその後、再生器圧まで圧縮され、再生器の底部に再導入される。このようにして内部生成された水蒸気はその後、溶媒を再生するために使用され、カラムまたは頂部凝縮器の中で凝縮されて、還流としてカラムに戻される。凝縮された水は、浸透気化膜で溶媒から再度分離される。したがって、再生器に生水蒸気が加えられている間、外部の水または水蒸気源は必要とされず、このように再生器の中立水分平衡を維持していることは、理解されるべきである。

浸透気化プロセスを容易にするため、および既存のシステムの利点を維持するために、再生器の運転条件に応じて様々な変更が実行されてもよい。たとえば、溶媒の温度が比較的高い場合、浸透気化装置の膜劣化を抑える温度までリーン溶媒の温度を下げるために、１つ以上の冷却器、熱交換器（たとえば、冷媒またはリッチ溶媒を使用）が使用されてもよい。一方、リーン溶媒の温度が比較的低い場合、１つ以上の熱源がリーン溶媒の部分に熱を提供してもよい。同様に、再生器の動作圧が比較的低い（すなわち、浸透気化装置の動作に適した圧力を下回る）場合、膜を横切る圧力差を広げるために、ポンプが使用されてもよい。あるいは、またはさらに、リーン溶媒からの水蒸気の分離を容易にするため、または促進するために、浸透気化装置の水蒸気側に真空ポンプが接続されてもよい。最も一般的には、酸性ガス吸収溶媒の再生のための再生器構成は、十分な圧力勾配および水蒸気放出を提供するために、浸透気化装置の下流の真空装置および上流のポンプのうちの少なくとも１つを含む。

適切な浸透気化装置に関して、従来技術で知られている様々な浸透気化装置があり、その全てが本明細書に示される教示との併用に適していると見なされることは、認識されるべきである。しかしながら、浸透気化装置は、水／水蒸気を浸透させることができ、有機溶媒の不浸透性が高い膜システムを含むことが、特に好ましい。たとえば、適切な浸透気化システムの一例が米国特許第５，０５１，１８８号に記載されており、これは参照により本明細書に組み込まれる。さらなる知られている適切な膜システムは、米国特許第５，２４８，４２７号明細書、５，７０７，５２２号明細書、７，１６６，２２４号明細書、６，７５５，９７５号明細書、および米国特許出願公開第２００８／００９９４００号明細書に記載されるものを含み、これらの全ては参照により本明細書に組み込まれる。

本発明主題のさらに考えられる態様において、本明細書に示される構成および方法は、アミン溶媒再生以外のシステムにおいても利用可能であることは留意すべきであり、浸透気化システムを利用してプロセスストリームから水蒸気が回収されるシステムは全て適していると考えられる。このような水蒸気は、ストリッピング媒体として、化学反応の反応物質もしくは溶媒として、または発電計画における可動流体として、利用され得るだろう。したがって、浸透気化装置に供給される適切な流体は、酸性ガス吸収溶媒に限定される必要はなく、先に指摘されたプロセスで使用される全ての水溶液を含むことができる。そのため、浸透気化装置は、同じまたは異なる浸透性を有する直列または並列の装置を含む、様々な様式で構成されてもよい。

さらに、浸透気化装置は、水性プロセス流体から水が除去されるべきシステム（たとえば、過剰な水が作られる化学反応）でも使用されてもよく、ここで流体は、好ましくは比較的高圧（たとえば、少なくとも５バール）である。水はその後、水蒸気となって除去されることが可能で、これは後に低圧水蒸気として使用されてもよい。

このように、水蒸気需要の少ない溶媒再生の具体的な実施形態および用途が、開示された。しかしながら、本発明の概念から逸脱することなく、すでに記載されたもの以外のさらに多くの変更が可能であることは、当業者には自明である。したがって、本発明主題は、添付の請求項の精神以外のものによっては限定されない。さらに、明細書および請求項の両方の解釈において、全ての用語は、その文脈にふさわしい最も広い意味で解釈されるべきである。特に、「含む（ｃｏｍｒｉｓｅおよびｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、要素、部品、もしくはステップを非限定的に示すと解釈されるべきであり、言及された要素、部品、もしくはステップは、明確に参照されていないその他の要素、部品、もしくはステップと一緒に存在し、または利用され、または組み合わされてもよいことを示す。さらに、参照により本明細書に組み込まれる、参考文献中の用語の定義または用法が、本明細書で与えられたその用語の定義と矛盾または食い違っている場合には、本明細書で与えられたその用語の定義が適用され、参考文献中のその用語の定義は適用されない。

Claims (15)

1. 溶解された酸性ガスを脱離することによって溶媒を再生する方法であって、
   再生器頂部および再生器底部生成物を生成するために、溶媒に含まれる酸性ガスの脱離に使用されるストリッピング媒体として水蒸気を使用して、再生器内で溶媒をストリッピングするステップと、
   水蒸気を多く含む蒸気相を生成するために、浸透気化装置に再生器底部生成物の少なくとも一部分を通過させるステップと、
   ストリッピング媒体の少なくとも一部を供給するために、ストリッピング媒体として前記蒸気相を再生器の底部部分に供給するステップとを含む、方法。
2. 浸透気化装置を横切る圧力勾配を生成するために、浸透気化装置の上流の浸透気化装置を通過する再生器底部生成物の部分の圧力を、浸透気化装置を通過しない部分に対して増加させ、かつ浸透気化装置の下流にある真空装置を操作するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 再生器への蒸気相の供給に先立って、蒸気相を圧縮するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 蒸気相を圧縮するステップが、圧縮器またはエジェクタの使用を含む、請求項３に記載の方法。
5. 蒸気相中の水蒸気の量が、再生器中の溶媒の所望の度合いでの再生に必要な水蒸気の量と等しくなるように、浸透気化装置を通過する再生器底部生成物の前記一部分が選択される、請求項１に記載の方法。
6. 再生器底部生成物の前記一部分が、再生器底部生成物全体の７０ｖｏｌ％から１００ｖｏｌ％の間である、請求項１に記載の方法。
7. 溶媒がアミン系溶媒である、請求項１に記載の方法。
8. 溶媒に含まれる酸性ガスを脱離することによって溶媒を再生する溶媒再生システムであって、
   再生器頂部および再生器底部生成物を生成するために、溶媒に含まれる酸性ガスの脱離に使用されるストリッピング媒体として水蒸気を利用することができるように構成された、水蒸気再生器と、
   水蒸気を多く含む蒸気相を生成するために、再生器底部生成物の少なくとも一部分を浸透気化装置に供給することができるようにするため、水蒸気再生器に流体的に接続された浸透気化装置と、
   ストリッピング媒体の少なくとも一部を供給するために、浸透気化装置と流体的に接続され、かつ蒸気相を再生器の底部部分に供給することができるように構成されている、導管とを含む、溶媒再生システム。
9. 浸透気化装置を横切る圧力勾配の生成を可能にするために、浸透気化装置と流体的に上流に接続されたポンプと、浸透気化装置と流体的に下流に接続された真空ポンプとをさらに含む、請求項８に記載の再生システム。
10. 浸透気化装置と流体的に接続され、水蒸気再生器への圧縮ストリームとして蒸気相を供給するように構成された、圧縮器をさらに含む、請求項８に記載の再生システム。
11. 浸透気化装置からの保持物と、浸透気化装置を通過しなかった再生器底部生成物の別の部分との混合を可能にする導管をさらに含む、請求項８に記載の再生システム。
12. 水性溶媒に含まれる酸性ガスを脱離することによって再生される水性溶媒からなる再生器底部生成物を生成するように構成された水蒸気再生器に、水性溶媒に含まれる酸性ガスの脱離に使用されるストリッピング媒体として水蒸気を供給する方法であって、水蒸気浸透物を形成するために、浸透気化装置を横切って再生器底部生成物の一部分を通過させ、かつ水蒸気浸透物を水蒸気再生器にストリッピング媒体として供給するステップを含む、方法。
13. 前記浸透気化装置を通過する一部分が、外部の水または水蒸気源を必要とせずに操作可能となるように選択される、請求項１２に記載の方法。
14. 混合リーン溶媒を形成するために、浸透気化装置を通過しない再生器底部生成物の別の部分を浸透気化装置からの保持物と混合するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
15. 混合リーン溶媒を吸収器に供給するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。

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