JP7176160B2 - 酸性ガス除去のためのプロセス設計 - Google Patents

Description

本発明は、天然ガス流から酸性ガス（ＣＯ₂及びＨ₂Ｓ）を除去するのに使用されるシステム及び方法に関する。より詳細には、本発明は、アミンまたは物理的溶媒を用いずに膜透過によりこれらの酸性ガスを除去するように設計されたシステム及び方法に関する。

アミン及び物理的溶媒などの従来の酸性ガス除去技術により除去される酸性ガスの合計体積は、接触器の大きさ及び最初に導入された溶媒体積及び再生率により制限される。このため、酸性ガス除去要求が、導入ガス中の酸性ガス濃度が高くなったために、当初の設計余裕よりも増えた場合（典型的には、設計基準より５％～１０％高い）、より多くの装置を追加してガスを処理しなければならない。実務的には、ＣＯ２を様々な濃度で含有する天然ガス田では、導入ガスのＣＯ２含有量が、事業期間にわたり増加していく可能性が高いというのが一般的である。同じことは、Ｈ₂Ｓにも当てはまる。

ガス貯留器の有用な製造寿命には限りがある。したがって、天然ガスの大口ユーザー、例えばＬＮＧプラント、発電プラント、及びガスパイプラインなどは、典型的には、２０～３０年の時間枠にわたり、生成ガスを、１ヶ所または複数のガス井またはガス田から受け取るが、各ガス井またはガス田は、異なる天然ガスと酸性ガスの組み合わせを有している。異なるガス田から供給されるガスは酸性ガスパーセンテージが異なることが多く、異なるガス流を１つにブレンドして供給ガスを形成する。

このため、ガスの組成は、供給ガスにブレンドされるガスを提供する個々のガス井からの生成体積及び酸性ガス組成の変化とともに変化する。この変化は、初期財務利益を最大にする目的で、ガス生産会社が一般的に行う、最も経済的で低酸性のガス井を最初に製造することにより増幅される。この結果、ガス生産では時間とともに酸性ガスの組成がどんどん高くなっていく。

ガス田の実際の長期生産プロファイル及び酸性ガス組成プロファイルは、最初の酸性ガス処理装置がＬＮＧ、パイプラインまたは発電所の上流に導入される時点では、極めて不明確であることが多い。結果として、追加の酸性ガス除去を、その後のある時点で足さなければならないのが一般的である。酸性ガスシステムの合計費用を低く抑えておく取り組みにおいて、酸性ガス除去システムは、ガス田生産寿命にわたり高い範囲の導入酸性ガス組成で導入ガスを取り扱うように最初から設計されていないことが多い。したがって、新たな酸性ガス処理装置及び付随する圧縮は、典型的には、段階的（例えば、第１段階、第２段階、．．．第Ｎ段階）に加えられ、これにより、事業に大幅な資本費用が追加される。

最初の酸性ガス処理システムの大きさを実務的にできるだけ小さく維持しながら、それでいて時間の経過とともに供給流中の酸性ガス濃度が上昇した場合でも、そのシステムに追加設備を加えることを回避するのに十分な柔軟性があることが必要とされている。

酸性ガス（ＣＯ₂及びＨ₂Ｓ）除去のためのシステム及びプロセス設計は、膜透過を、柔軟な装置及び制御システム構成と併用して利用することで、最初に導入された前処理、膜透過、及び圧縮装置を最大限有効活用し、さらに非透過ガスの仕様を維持しつつ、事業期間にわたり非常に広範囲にわたる導入ガス組成を取り扱うことを可能にする。本システム及びプロセスは、一次透過、二次透過、及び再循環ガス操作を調節することにより、広範囲の導入ＣＯ₂濃度にわたり、効率的に稼働する。

好適な実施形態において、一次膜ユニットまたは系列は、二次膜ユニットまたは系列と直列に配置される。好ましくは、各ユニットは、酸性ガス流入濃度が時間とともに上昇した場合に効率及び容量を上昇させることができるガラス状重合体の螺旋巻回または中空繊維膜を組み混んでおり、そのようなガラス状重合体として、三酢酸セルロースまたは酢酸セルロースがあるが、これらに限定されない。

ＣＯ₂またはＨ₂Ｓ流入濃度が上昇するにつれて、一次膜ユニットから出る透過流が増加する。ある特定のガラス状重合体膜の場合、螺旋巻回または中空繊維構成のいずれかで、透過速度（流束）は、流入ＣＯ₂ガス組成の上昇とともに上昇し、そのため本システムは、流入ＣＯ₂パーセンテージが高くなるとより多くの酸性ガスを除去することができ、そこが固定された酸性ガス除去容量を有する溶媒システムとは異なる。結果として、たとえ酸性ガス流入組成が増加したとしても、当初の膜酸性ガスＣＯ₂除去システム装置を将来の処理の全てに利用することが可能であることが多く、そこが、溶媒またはアミンシステムが将来装置の拡大を必要とすると思われるのとは異なる。透過流の全部または一部を圧縮して第二膜ユニットに向かわせることができ、別の部分は、圧縮を迂回して下流のプロセス、例えば熱酸化機、フレア、低（２００～３００）ＢＴＵ燃料ガスシステムなどへ向かわせる、または圧縮して再投入することができる。

二次膜ユニットから出る非透過流の全部または一部は、再循環ループで圧縮して、一次膜ユニットに行く流入ガス流とブレンドすることができ、非透過流の別の部分は、燃料ガスに向かわせることができる。二次膜ユニットから出る透過流は、熱酸化機、フレア、低ＢＴＵ燃料ガスシステムなどへ向かわせる、または圧縮して再投入することができる。

本システム及びプロセスは、段階拡張資本費用を削減する他に、最終消費者が、別の従来型酸性ガス除去段階拡張なしではとにかく利用できないと思われる将来のガス供給源をより多種多様に利用できるようにする。

本システムの好適な実施形態において、本システムは、
酸性ガスを含有する流入天然ガス流を受け取るように配置されており、かつ少なくとも１つのガラス状重合体膜装置を収容する一次膜ユニットと、
一次膜ユニットから出てくる透過流の少なくとも一部を受け取るように配置された圧縮機と、
一次膜ユニットから出てくる透過流の少なくとも一部を受け取るように配置された、迂回ループと、
圧縮機及び迂回ループに行く透過流を制御する手段と、
圧縮機から出てくる圧縮透過流を受け取るように配置されており、かつ少なくとも１つのガラス状重合体膜装置を収容する二次膜ユニットと、
二次膜ユニットから出てくる非透過流を受け取るように配置された圧縮機を備える再循環ループとを備え、
本システムのガラス状重合体膜の合計量「Ｑ」は、以下
Ｑ＝Ｙ（Ｍ_B＋Ｎ_B）、ＸＣ_B→Ｃ_s
式中、「Ｍ_B」及び「Ｎ_B」は、それぞれ、一次ユニット及び二次ユニット中のガラス状重合体膜装置の既定量であり、流入天然ガス流の予想される最小酸性ガス含有量「Ｃ_B」を、要求される非透過酸性ガス含有量仕様「Ｃ_s」まで低下させるのに有効であり、かつ式中、「Ｙ（Ｍ_B＋Ｎ_B）」は、Ｘ≦Ｙの場合及びＸ＞Ｙの場合に、流入天然ガス流の酸性ガス含有量ＸＣ_Bを、要求される非透過酸性ガス含有量仕様Ｃ_Sまで低下させるのに有効であり、Ｙは１．１～１．３の範囲にあり、Ｘは１．０～３．５の範囲にある。

天然ガス流入流の酸性ガス流入濃度が時間と共に変わりながらも、最初に導入された装置のみを利用して、しかも時間が経過しても非透過ガス仕様は同一に維持するように稼働する膜透過プロセスの好適な実施形態は、
流入ガス流を、少なくとも１つのガラス状重合体膜装置を収容する一次膜ユニットを通過させる工程と、
一次膜ユニットから出てくる透過流の少なくとも一部を圧縮する工程と、
任意選択で、一次膜ユニットから出てくる透過流の一部を、迂回ループに向かわせる工程と、
圧縮透過流を、少なくとも１つのガラス状重合体膜装置を収容する二次膜ユニットを通過させることにより、圧縮透過流から酸性ガスを除去する工程と、
二次膜ユニットから出てくる非透過流の少なくとも一部を圧縮する工程と、
圧縮非透過流を流入ガス流へ再循環させる工程とを備え、
本プロセスのガラス状重合体膜の合計量「Ｑ」は、上記のシステムについて記載されたものと同一である。

膜透過による酸性ガス除去のシステム及びプロセスの好適な実施形態の模式図である。柔軟な装置及び制御システム構成は、最初に導入された前処理、膜、及び圧縮装置を最大限有効にかつ連続して使用することを可能にし、これにより事業期間にわたり非常に広範囲の流入ガス組成を取り扱うことができる。 本システム及びプロセスの別の好適な実施形態の模式図であり、一次及び二次膜ユニットが、系列として直列に配置されている。

図１及び図２を参照して、酸性ガス除去のためのシステム及びプロセス１０の好適な実施形態は、１カ所または複数の天然ガス井またはガス田から流入天然ガス流１５を受け取るように配置されている。流入天然ガス流１５は、時間と共に酸性ガス濃度が上昇するものの、システム及びプロセス１０は、追加装置を加えることなく、かつ下流のアミンまたは物理的溶媒の増加にまったく頼ることなく、この上昇に適応する。システム及びプロセス１０に使用されるガラス状重合体膜（ガラス状高分子膜）は、除去効率が、酸性ガス濃度の上昇につれて上昇するように選択される。酸性ガス濃度の初期条件に対して約１５％の上昇を取り扱うようにシステム及びプロセスを設計することで、１５％よりもはるかに高く上昇した酸性ガス濃度も効果的に処理され、それにより、追加装置または追加の下流アミンもしくは物理的溶媒の必要性が排除される。

１つの好適な実施形態において、ガラス状重合体膜は、同一流入ガス流速で、基準（予想される最低）酸性ガス濃度の２倍超の酸性ガス濃度を取り扱うように一次及び二次膜ユニットに配置される。別の好適な実施形態において、ガラス状重合体膜は、同一流入ガス流速で、基準酸性ガス濃度の３．５倍までまたはそれ以上の酸性ガス濃度（例えば２０％ＣＯ₂が７０％に上昇する）を取り扱うように一次及び二次膜ユニットに配置される。また、流入ガスの酸性ガス濃度が上昇するにつれて、追加装置を加えることなく、既存の膜プラント流入流容量を同時に２０％～２５％まで増加させることができる。

システム及びプロセス１０は、螺旋巻回または中空繊維ガラス状重合体膜を組み込んだ１つまたは複数の膜工程を用いて流入ガス流１５を受け取るように配置された一次膜ユニットまたは系列２０、及び一次ユニットまたは系列２０と直列に配置され、かつ螺旋巻回または中空繊維ガラス状重合体膜を組み込んだ１つまたは複数の膜工程を用いる二次膜ユニットまたは系列４０を用いる。二次ユニットまたは系列４０は、一次ユニットまたは系列２０から出てくる透過流２５の全部または一部を受け取る。ユニットまたは系列２０、４０のそれぞれは、螺旋巻回または中空繊維ガラス状重合体膜を組み込む。系列として配置される場合、各系列２０、４０内の膜は、透過物の一部を、系列２０または４０内の直近の下流膜ユニットに向かわせることができ、かつ系列内の透過圧を調節して現在のプロセス要求に一致させることができるように、互いに直列になっている。

ＣＯ₂またはＨ₂Ｓ流入濃度が上昇するにつれて、一次膜ユニットまたは系列２０から出てくる透過流２５が増加する。透過流２５の全部または一部を、圧縮３０することができ、かつ圧縮透過流３５は、二次膜ユニットまたは系列４０に送られ、別の部分２７は、圧縮３０を迂回して、熱酸化機６０に送られる。

二次膜ユニットまたは系列４０から出てくる非透過流４３の全部または一部を、再循環ループ中で、圧縮５０することができ、一次膜ユニットまたは系列２０に流入する流入天然ガス流１５とブレンドすることができる。非透過流４３の別の部分は、燃料ガス４７としての経路に乗せることができる。一次膜ユニットまたは系列２０から出てくる迂回透過流２７と同様に、二次膜ユニットまたは系列４０から出てくる透過流４５は、熱酸化機６０に送られる。

好ましくは、各ユニットまたは系列２０、４０に使用されるガラス状重合体は、他方のユニットまたは系列４０、２０に使用されるものと同型または同種のガラス状重合体であるが、もっとも、膜の量または表面積は、二者間で異なっていることが可能である。ガラス状重合体の量または表面積に関わらず、選択されるガラス状重合体は、ＣＯ₂またはＨ₂Ｓ酸性ガス流入濃度が時間と共に上昇するにつれて効率を上昇させることができるものでなければならない。ガラス状重合体の例として、螺旋巻回または中空繊維構造いずれかの、酢酸セルロース、三酢酸セルロース、ポリイミド、ポリアミド、ポリスルホン、及び多層複合体膜が挙げられるが、これらに限定されない。

例として、三酢酸セルロース膜は、酸性ガス流入濃度が時間と共に上昇するにつれて効率を上昇させることができる。この特定中空繊維膜のＣＯ₂除去容量は、流入ガス流中のＣＯ₂部分圧の上昇及びＣＯ₂溶解性が、ガラス状重合体の流束を向上させることにより、流入ＣＯ₂濃度が上昇するにつれて上昇していく。なお、同じことがＨ₂Ｓにも当てはまり、Ｈ₂Ｓは、典型的には、ＣＯ₂透過速度と同じ道をたどる。

例示の事例では、同一流入流速で、合計ＣＯ₂除去効率が、流入ガス流について２３３％上昇、すなわちＣＯ₂が２０％から４０％へと上昇し、流入ガス流について最高３６７％まで上昇、すなわち６０％ＣＯ₂へと上昇する（表１を参照）。酸性ガス濃度は基準条件から２倍及び３倍になったものの、システム及びプロセスの好適な実施形態は、基準条件の１１５％について最初に設計されたとおりであればよく、７０％ＣＯ₂を含む全ての事例を取り扱うことができる。言い換えると、ユニット２０、４０で使用されるガラス状重合体の合計量を、基準条件を取り扱うのに必要とされる合計量に対して１．０５～１．３の範囲で、さらにより好ましくは約１．１～１．２の範囲で、増加させることで、基準事例に対して２～３．５倍の範囲で除去効率が提供される。ＣＯ₂濃度の上昇に伴うこの種の効率の上昇は、従来のアミンまたは物理的溶媒システムでは、見られないし、達成することもできない。さらに、より高い酸性ガス濃度での稼働費用は、従来設計よりも大幅に低い。

一次及び二次膜ユニットまたは系列２０、４０の他にも、システム及びプロセス設計１０の他の態様を最適化することができ、最適化できるものとして、一次透過圧縮３０、再循環圧縮５０、ならびに二次膜ユニットまたは系列４０を迂回する透過物２５の量及びこのユニットまたは系列４０から再循環される非透過物４３の量を制御する制御システム及び配管構造が挙げられる。圧縮３０、５０の容量は、販売ガスブースター圧縮または最終排出透過ガス圧の昇圧に転用することもできる。このアプローチは、流入流１５中のＣＯ₂またはＨ₂Ｓ濃度が上昇した場合の途切れない稼働を可能にする。

例えば、低流入ＣＯ₂ガスは、より高いパーセンテージの一次透過ガス２５が圧縮３０されて、さらなる炭化水素回収のため二次膜ユニットまたは系列４０に送られることを必要とする。対照的に、高流入ＣＯ₂条件で稼働する場合、より多くの一次透過ガス２５が圧縮３０を迂回することができ、二次膜ユニット４０は、それでもなお炭化水素回収目的を達成する。二次膜ユニット４０の迂回は、先の圧縮３０または５０の一部または全部を他のデューティ、例えば販売ガスブースター圧縮などへ配置転換することを可能にし、油回収率の向上の場合には、先の圧縮３０または５０を、最終排出透過ガス圧の昇圧に転用して、下流の再流入圧要求を低下させることができる。この設計の柔軟性により、他の装置のデューティを変更することが可能である。例えば、流入ガス流１５中のＣＯ₂またはＨ₂Ｓが増加すると、一次及び二次膜ユニットまたは系列２０、４０から出てくるガス流体積は、大幅に変化する。この結果、性能を最適化するために圧縮及びガス流の制御に変化が必要になる。

一次透過物２５圧縮３０の使用は、圧縮を出入りするガス流の変化に合わせて再循環圧縮５０で調節することができ、または圧縮３０に行くガス流を、二次透過物及び販売ガスサービスを迂回する流バランス用手段により減少させてもよい。また、使用される膜の初期量は、同一に設計された一次及び二次膜ユニットまたは系列２０、４０間で再構成または調節することができる。

システム及びプロセス１０で使用される順次配置されたガラス状重合体膜装置の合計量「Ｑ」は、以下：
Ｑ＝Ｙ（Ｍ_B＋Ｎ_B）、ＸＣ_B→Ｃ_s（式１）
式中、Ｍ_B及びＮ_Bは、それぞれ、膜ユニットまたは系列２０及び４０中のガラス状重合体膜装置の既定量であり、流入ガス流の予想される最小（基準事例）酸性ガス含有量「Ｃ_B」（例えば２０％、２５％ＣＯ₂）を、要求される非透過酸性ガス含有量仕様「Ｃ_s」（例えば５％、６％ＣＯ₂）まで低下させるのに有効であり：かつ
式中、Ｙ（Ｍ_B＋Ｎ_B）は、Ｘ≦Ｙの場合及びＸ＞Ｙの場合に、流入天然ガス流の酸性ガス含有量ＸＣ_Bを、要求される非透過酸性ガス含有量仕様Ｃ_Sまで低下させるのに有効であり；Ｘは、１．０～３．５の範囲にあり、Ｙは、１．０５～１．３の範囲にあり、より好ましくは１．１～１．２の範囲にある。

なお、Ｙは、資本費用に影響し、Ｘ／Ｙは、資本費用に対する有効性の上昇である。本発明のシステム及びプロセスにおいて、同一非透過酸性ガス含有量の仕様を達成するために広範囲の流入酸性ガス条件にわたりＹ＜Ｘであること。ある特定のガラス状重合体膜中の酸性ガス透過速度（流束）は流入ＣＯ₂ガス組成の上昇とともに上昇するため、本システムは、流入ＣＯ₂パーセンテージが高くなると、より多くの酸性ガスを除去することができる。固定された酸性ガス除去容量を有する溶媒システムとは異なり、Ｑガラス状重合体装置は、追加の装置を用いずに、所定の流入ガス流速に対して基準条件よりはるかに高い１５％超から３５０％まで酸性ガス含有量を効率的に処理することができる。

本システム及びプロセスの好適な実施形態は、模範例として提供されるものである。以下の請求項が、本発明の範囲を定義するものであり、記載される要素に資格がある全ての範囲の等価物を含む。

１０ システム及びプロセス
１５ 流入天然ガス流
２０ 一次膜ユニットまたは系列
２３ 非透過流（販売ガス）
２５ 透過流
２７ 圧縮を迂回する透過流の一部
３０ 圧縮機または圧縮工程
３５ 圧縮透過流
４０ 二次膜ユニットまたは系列
４３ 非透過流
４５ 透過流
４７ 燃料ガス
５０ 圧縮機または圧縮工程
５５ 圧縮非透過流
６０ 熱酸化機（フレアまたは他の下流プロセスも可能である）

Claims (17)

1. システムであって、
   酸性ガスを含有する流入天然ガス流を受け取るように配置されており、かつ量「ＹＭ_B」の第一膜を収容する一次膜ユニットと、
   前記一次膜ユニットから出てくる透過流の少なくとも一部を受け取るように配置された圧縮機と、
   前記一次膜ユニットから出てくる前記透過流の少なくとも一部を受け取るように配置された迂回ループと、
   前記圧縮機から出てくる圧縮透過流を受け取るように配置されており、かつ量「ＹＮ_B」の第二膜を収容する二次膜ユニットと、
   前記二次膜ユニットから出てくる非透過流を受け取るように配置された圧縮機を備える再循環ループとを備え、
   Ｍ_B＋Ｎ_Bは、前記流入天然ガス流の第１の酸性ガス含有量Ｃ_Bを、最後に流出する天然ガス流の酸性ガス含有量Ｃ_Sまで低下させる、第１除去効率を要求する前記第一膜及び前記第二膜の予め定められた量であり、
   ＹＭ_B＋ＹＮ_Bは、前記流入天然ガス流の第２の酸性ガス含有量ＸＣ_Bを、最後に流出する天然ガス流の酸性ガス含有量Ｃ_Sまで低下させるより高い第２除去効率のために要求される前記第一膜及び前記第二膜の量であり、１．１＜Ｘ≦３．５であり、１．１≦Ｙ≦１．３である、前記システム。
2. さらに、前記第一膜及び前記第二膜は、螺旋巻回ガラス状重合体膜を含む、請求項１に記載のシステム。
3. さらに、前記第一膜及び前記第二膜は、中空繊維ガラス状重合体膜を含む、請求項１に記載のシステム。
4. さらに、前記第一膜及び前記第二膜は、酢酸セルロース、三酢酸セルロース、ポリイミド、ポリアミド、ポリスルホン、及び多層複合体からなる群より選択される膜を含む、請求項１に記載のシステム。
5. さらに、前記一次膜ユニットから出てくる前記透過流の前記一部及び前記二次膜ユニットから出てくる透過流を受け取るように配置された熱酸化機を含む、請求項１に記載のシステム。
6. さらに、前記二次膜ユニットから出てくる前記非透過流の一部を受け取るように配置された低燃料ガスシステムを含む、請求項１に記載のシステム。
7. １．１≦Ｙ≦１．２であり、１．１５≦Ｘ≦３．５である、請求項１に記載のシステム。
8. １．１５＜Ｙ≦１．３である、請求項１に記載のシステム。
9. 酸性ガス含有量Ｃ_Sを含む流出天然ガス流を達成する膜透過プロセスであって、
   流入天然ガス流を、量「ＹＭ_B」の第一膜を収容する一次膜ユニットを通過させる工程であって、前記一次膜ユニットへの前記流入天然ガス流は、第１の酸性ガス含有量Ｃ_B、及び、時間と共に、より高く異なる第２の酸性ガス含有量ＸＣ_B、を含み、ここで、Ｃ_B＞Ｃ_S、及び１．１＜Ｘ≦３．５である、前記工程と、
   前記一次膜ユニットから出てくる透過流の少なくとも一部を、前記一次膜ユニットと直列に配置された前記二次膜ユニットを通過させる工程であって、前記二次膜ユニットは、量「ＹＮ_B」の第二膜を収容する、前記二次膜ユニットを通過させる工程と、を備え、
   Ｍ_B＋Ｎ_Bは、第１の酸性ガス含有量Ｃ_Bを、前記酸性ガス含有量Ｃ_Sまで低下させる、第１除去効率を要求する前記第一膜及び前記第二膜の予め定められた量であり、
   ＹＭ_B＋ＹＮ_Bは、前記第２の酸性ガス含有量ＸＣ_Bを、前記酸性ガス含有量Ｃ_Sまで低下させるより高い第２除去効率のために要求される前記第一膜及び前記第二膜の量であり、１．１≦Ｙ≦１．３である、前記プロセス。
10. 前記第一膜及び前記第二膜は、螺旋巻回ガラス状重合体膜を含む、請求項９に記載のプロセス。
11. 前記第一膜及び前記第二膜は、中空繊維ガラス状重合体膜を含む、請求項９に記載のプロセス。
12. 前記第一膜及び前記第二膜は、酢酸セルロース、三酢酸セルロース、ポリイミド、ポリアミド、ポリスルホン、及び多層複合体からなる群より選択される膜を含む、請求項９に記載のプロセス。
13. さらに、前記一次膜ユニットから出てくる前記透過流の一部及び前記二次膜ユニットから出てくる透過流を熱酸化機に向かわせる工程を備える、請求項９に記載のプロセス。
14. さらに、前記二次膜ユニットから出てくる前記非透過流の一部を低燃料ガスシステムに向かわせる工程を備える、請求項９に記載のプロセス。
15. さらに、前記一次膜ユニットから出てくる前記透過流の少なくとも一部を圧縮する工程と、
    前記一次膜ユニットから出てくる透過流の一部を迂回ループに向かわせる工程とを備える、請求項９に記載のプロセス。
16. さらに、前記二次膜ユニットから出てくる前記非透過流の少なくとも一部を圧縮する工程と、
    圧縮された前記非透過流を前記流入天然ガス流に向かわせる工程と、を備える、請求項９に記載のプロセス。
17. １．１５≦Ｙ≦１．３である、請求項９に記載のプロセス。

Images