KR20160096705A - 혼입 액체를 제거하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 희박 탄화수소 가스를 생성하도록 역류 접촉 분리기에서 혼입 액체 탄화수소를 제거하기 위한 방법에 관한 것이다. 방법은 역류 접촉 분리기의 입구 내로 가스 스트림을 도입하는 단계와, 혼입 액체 탄화수소의 일부를 포획하도록 벌크 분리기를 통하여 가스 스트림을 유동시키는 단계를 포함한다. 방법은 혼입 액체 탄화수소의 나머지 소량을 포획하도록 라이저들에 위치된 다수의 사이클론 묶음들을 통하여 가스 스트림을 유동시키는 단계를 포함한다. 방법은 가스 스트림에 대해 역류하는 드레인 라인 내로 하향하여 포획된 혼입 액체를 유동시키는 단계를 포함한다. 방법은 역류 접촉 분리기의 바닥 출구를 통해 상기 포획된 혼입 액체를 제거하는 단계를 포함한다. 방법은 역류 접촉 분리기의 상부 출구를 통하여 희박 탄화수소 가스를 제거하는 단계를 포함한다.
Description
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 그 전체가 참조에 의해 본원에 통합되는 "혼입 액체를 제거하기 위한 시스템 및 방법"이라는 명칭으로 2014년 1월 8일 출원된 미국 특허 출원 61/925,075에 대해 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 가스 스트림으로부터 혼입 액체를 제거하는 방법에 관한 것이다. 특히, 김서림 방지 사이클론(demisting cyclone)들은 가스 스트림으로부터 혼입 액체를 제거하도록 라이저(riser)의 단면 내에 위치된다.
이 장은 본 기술의 예시적인 실시예들과 관련될 수 있는 기술의 다양한 양태를 소개하도록 의도된다. 이러한 논의는 본 기술의 특정 양태의 보다 양호한 이해를 용이하게 하는 골격을 제공하는 것을 돕는 것으로 믿어진다. 따라서, 이 장이 이러한 관점에서 읽혀져야 하고 반드시 종래의 기술의 인정으로 읽혀지지 않아야 하는 것을 이해하여야 한다.
가스와 액체가 접촉하는 다양한 제조 공정에서, 가스는 일정량의 액적을 혼입할 수 있다. 많은 산업 공정에서, 혼입은 공정 비효율, 제품 손실, 및 장비 손상을 유발할 수 있다. 예를 들어, 천연가스 처리에서, 혼입된 탄화수소 액체는 글리콜 또는 아민 접촉기와 같은 가스 처리탑에서의 발포(foaming)를 촉진할 수 있으며, 이에 의해, 운영상의 곤경으로 이어지고, 이는 작업중단 또는 탈포기 인젝션(defoamer injection)에 관련된 증가된 운영비를 유발할 수 있다. 아울러, 혼입된 탄화수소 액체는 증류 컬럼(distillation column)에서 분리된 성분들의 순도를 또한 감소시킬 수 있다. 육안으로 검출하는 것이 어렵거나 불가능할 수 있는 미량의 액적이라도 천연가스의 조성 및 발열량(heating value)에 상당한 영향을 줄 수 있다. 따라서, 혼입 액체는 함유될 수 있고 순수 가스를 제조하고 잠재적인 공정 오염 또는 손실을 방지하는 노력으로 제거될 수 있다.
혼입 액체를 제거하기 위한 많은 기술들이 있다. 하나의 기존 방법은 가스 처리 흡착 컬럼 또는 증류 컬럼의 상류에 포함될 수 있는 분리 스크러빙 용기(separate scrubbing vessel)를 실시하는 것을 포함할 수 있다. 스크러버는 다른 액적 제거 내부 디바이스들과 함께 김서림 방지 사이클론들을 수용할 수 있다. 그러나, 스크러빙 용기 해결수단은 용기 및 관련 기기장치에서의 추가의 압력 강하로 이어질 수 있고, 이에 의해, 증가된 비용 지출을 유발한다.
종래에, 김서림 방지 사이클론들은 데크 상의 컬럼의 바닥에 배치될 수 있으며, 여기서 증기가 도입될 수 있다. 데크 위에서, 액체 배수 또는 라이저를 수용하는 수집기 트레이들은 증기가 컬럼을 통과할 수 있도록 이용될 수 있다. 김서림 방지 사이클론들과 수집기 트레이 사이의 공간은 별개의 독립형 컬럼과 대조적으로 추가의 높이를 요구할 수 있으며, 그러므로, 컬럼 내에서 추가의 공간을 차지한다.
Sulzer로부터의 MKS Multi Cassette™ 및 Shell로부터의 Swirltube™은 사이클론적 탈혼입 데크(cyclonic de-entrainment deck)들을 위해 사용될 수 있는 다른 대안적인 기술들이다. 그러나, 양 방법은 수집기 트레이 상의 굴뚝 내에 위치되어 통합되는 전통적인 수집기 트레이처럼 역류 증기-액체 분리를 허용하지 않을 수 있다.
일반적으로, 상기된 기술들은 독립 설비를 실시하거나 또는 상승 압력에서 혼입 손실을 감소시키도록 설비의 크기를 증가시키는 것에 초점을 맞추었다. 그러나, 혼입 액체가 효율적으로 포획되어 제거되는 한편 작동 압력을 유지하고 기업비를 제어하는 공간 효율적인 컬럼에 대한 필요성이 있다.
본 발명의 목적은 혼입 액체를 제거하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 명세서에 설명된 예시적인 실시예는 혼입 액체를 제거하기 위한 방법을 제공한다. 상기 방법은 라이저들에 통합된 다수의 사이클론들을 포함하는 컬럼의 입구 내로 가스 스트림을 도입하는 단계를 포함하며, 상기 가스 스트림은 혼입 액체를 포함한다. 상기 방법은 다수의 사이클론들을 사용하여 상기 가스 스트림으로부터 혼입 액체의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 가스 스트림의 유동에 대해 역류로 상기 분리된 혼입 액체를 유동시키는 단계 및 상기 컬럼의 바닥 출구를 통해 분리된 혼입 액체를 제거하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 컬럼의 상부 출구를 통해 상기 가스 스트림을 제거하는 단계를 포함한다.
또 다른 예시적인 실시예는 혼입 액체를 제거하기 위한 시스템을 제공한다. 상기 시스템은 혼입 액체를 포함하는 가스 스트림과, 혼입 액체로부터 가스 스트림을 분리하도록 구성된 다수의 사이클론들을 포함하며, 상기 다수의 사이클론들은 라이저들에 위치된다. 상기 시스템은 상기 가스 스트림으로부터 분리된 혼입 액체를 유동시키도록 구성된 드레인 라인을 포함한다. 상기 시스템은 상기 시스템으로부터 가스 스트림을 제거하도록 구성된 상부 출구와, 상기 시스템으로부터 분리된 혼입 액체를 제거하도록 구성된 바닥 출구를 포함한다.
또 다른 예시적인 실시예는 희박 탄화수소 가스(lean hydrocarbons gas)를 생성하도록 역류 접촉 분리기에서 혼입 액체 탄화수소를 제거하기 위한 방법을 제공한다. 상기 방법은 역류 접촉 분리기의 입구로 가스 스트림을 도입하는 단계와, 혼입 액체 탄화수소의 일부를 포획하도록 벌크 분리기(bulk separator)를 통해 상기 가스 스트림을 유동시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 다수의 사이클론 묶음들을 통하여 상기 가스 스트림을 유동시키는 단계를 포함하며, 상기 다수의 사이클론 묶음들은 혼입 액체 탄화수소의 나머지 소량을 포획하도록 라이저들에 위치된다. 상기 방법은 상기 가스 스트림에 대해 역류하는 드레인 라인 내로 하향하여 포획된 혼입 액체를 유동시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 역류 접촉 분리기의 바닥 출구를 통해 상기 포획된 혼입 액체를 제거하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 역류 접촉 분리기의 상부 출구를 통하여 희박 탄화수소 가스를 제거하는단계를 포함한다.
본 기술의 이점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조하여 보다 잘 이해될 것이다:
도 1은 가스로부터 혼입 액체의 분리 및 가스의 정제를 위해 구성된 컬럼의 블록도;
도 2는 가스로부터 혼입 액체의 제거를 위한 김서림 방지 사이클론들을 구비한 통합 분리기(integral separator)를 갖는 역류 접촉기 컬럼을 도시한 도면;
도 3a는 라이저의 단면 영역에 위치된 김서림 방지 사이클론들의 측면도;
도 3b는 그물망(meshing)을 포함하는 라이저의 단면 영역 내에 위치된 김서림 방지 사이클론의 측면도;
도 4는 혼입 액체를 제거하기 위한 방법의 공정도; 및
도 5는 라이저들 내로 통합된 김서림 방지 사이클론들을 포함하는 패킹된 증류 컬럼을 도시한 도면.
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도 3a는 라이저의 단면 영역에 위치된 김서림 방지 사이클론들의 측면도;
도 3b는 그물망(meshing)을 포함하는 라이저의 단면 영역 내에 위치된 김서림 방지 사이클론의 측면도;
도 4는 혼입 액체를 제거하기 위한 방법의 공정도; 및
도 5는 라이저들 내로 통합된 김서림 방지 사이클론들을 포함하는 패킹된 증류 컬럼을 도시한 도면.
다음의 상세한 설명 부분에서, 본 기술의 특정 실시예가 설명된다. 그러나, 이하의 설명이 본 기술의 특정 실시예 또는 특정한 용도에 특정하며, 이러한 것은 단지 예시 목적을 위해 의도되며, 단순히 예시적인 실시예들의 설명을 제공한다. 따라서, 본 기술들은 설명된 특정 실시예에 한정하지 않고, 첨부된 청구범위의 사상 및 범위 내에 있는 모든 대안, 변형 및 등가물을 포함한다.
본 발명의 실시예들은 가스 스트림으로부터 혼입 액체를 제거하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 다수의 사이클론들은 가스 스트림으로부터 혼입 액체를 분리하고 제거하도록 컬럼에 있는 라이저들 내에 통합될 수 있다. 컬럼에 있는 드레인 라인들은 컬럼을 통해 분리된 혼입 액체를 유동시키도록 도관을 제공할 수 있으며, 바닥 출구 라인은 컬럼으로부터 분리된 혼입 액체를 제거하도록 구성될 수 있다.
가스 스트림은 가스의 품질 및 순도에 악영향을 줄 수 있는 가변 농도의 오염물 및 불순물을 함유할 수 있다. 예를 들어, 생산된 천연가스는 고분자량 탄화수소(HMHC), 예를 들어 C2 내지 C5, 및 발열량에 거의 기여하지 않는 다른 성분을 함유할 수 있다. 존재하는 농도에 의존하여, 가스는 물, 이산화탄소, 질소, 산소, 황 및 산성 가스를 포함할 수 있는 이러한 성분들을 감소시키는 처리를 요구할 수 있다. 추가적으로, HMHC 및 다른 성분들은 온도가 강하되면 생산된 천연가스로부터 액체의 혼입 액적을 형성하도록 또한 응축될 수 있다. 예를 들어, 생산된 천연가스 중의 수증기는 가스 온도 강하 동안 물을 생성하도록 응축될 수 있다. 혼입 액체가 분리 동안 발포 또는 다른 문제를 유발할 수 있음에 따라서, 액적을 포획하는 디바이스들이 유용할 수 있다. 이러한 디바이스들은 압축기, 터빈, 버너, 및 그 하류의 설비를 보호하도록 액체 손상에 민감한 다른 설비의 상류에 위치될 수 있다.
액체 포획 및 제거를 위한 하나의 기술은 액적의 형태를 하는 혼입 액체를 분리하고 제거하도록, 또는 가스 스트림을 "김서림 방지(de-mist)"하도록 개별 용기에서 김서림 방지 사이클론들을 이용하는 것을 포함한다. 김서림 방지 사이클론들은 높은 동작 압력에서 높은 효율을 제공하고, 용기에서 발포 및 오염(fouling)을 감소시킬 수 있다. 일반적으로, 김서림 방지 사이클론들은 가스 스트림으로부터 액적의 형태를 하는 혼입 액체를 제거하도록 원심력, 중력, 관성력을 실시한다. 동작 시에, 가스 스트림은 회전 운동을 받고 혼입된 액적에 원심력을 부과하며, 액적은 사이클론의 벽으로 운반될 수 있으며, 가스 혼합물로부터 그 분리를 유발한다. 액체 제거를 위하여 김서림 방지 사이클론(demising cyclone)들을 사용하는 것은 하류측 설비를 보호하고 액체 잔재를 감소시키고, 환경 오염을 방지하는 것을 도울 수 있다.
도 1은 가스로부터 혼입 액체의 분리 및 가스의 정제를 위하여 구성된 컬럼의 블록도이다. 가스 스트림(102)은 혼입된 액적이 가스 스트림(102)으로부터 분리되도록 컬럼(100)의 액적 분리 섹션(104) 내로 도입될 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 가스 스트림(102)은 컬럼(100)에 들어갈 때 액적 분리 섹션(104)에 위치된 김서림 방지 사이클론들에서의 원심력을 받을 수 있다. 동작시에, 김서림 방지 사이클론들은 스트림(102) 내에서 혼입된 액적들과 임의의 무거운 입자 물질을 제거하도록 특정 속도로 가스 스트림(102)을 회전시킬 수 있다. 중력으로 인하여, 혼입된 액적과 임의의 무거운 입자들로 형성된 폐 스트림(106)은 컬럼(100) 아래로 유동하여 컬럼 밖으로 유동한다.
혼입된 액적이 분리되어 제거된 후에, 가스 스트림(110)은 컬럼(100)의 가스 정제 섹션(112) 내로 계속 상향할 수 있다. 가스 스트림(110)은 화학 흡착 공정에 의해 불순물을 제거하는 것에 의해 가스 스트림(110)을 정제하도록 이용된 흡착제(114)와 역류 접촉 상태가 될 수 있다. 가스 스트림(110)에 있는 불순물은 컬럼(100)의 오버헤드 출구를 통하여 빠져나갈 수 있는 정제된 가스 스트림(116)을 형성하도록 흡착제(114)에 의해 흡착될 수 있다. 정제된 가스 스트림(116)은 가스에 있는 어떠한 혼입된 액체 용제도 수집하도록 다른 분리 섹션 및 배관 시스템 또는 가스 플랜트로 급송될 수 있는 건식 가스 또는 스위트 가스(sweet gas)일 수 있다.
흡착제(114)가 컬럼(100)을 통하여 낙하함에 따라서, 흡착제(114)는 풍부한 용제 스트림(118)이 형성될 수 있도록 가스 스트림(110)에 있는 불순물의 적어도 일부를 흡착할 수 있다. 풍부한 용제 스트림(118)은 컬럼(100)을 빠져나가, 역류 세정 시스템(120) 내로 유동한다. 세정 시스템(120)은 희박 용제 스트림 또는 희박 용제 유체(122)를 형성하도록 흡착된 불순물을 분리하여 제거하도록 풍부 용제 스트림을 가열하기 위해 실시될 수 있으며, 희박 용제 유체는 불순물의 추가의 흡착을 위하여 컬럼(100) 내로 다시 재순환될 수 있다. 흡착된 불순물은 폐 스트림(124)으로서 시스템(120)을 빠져나갈 수 있다.
도 2는 가스로부터 혼입 액체의 제거를 위하여 김서림 방지 사이클론들을 구비한 통합 분리기를 갖는 역류 접촉기 컬럼의 예시이다. 혼입 액체를 포함하는 가스 유입 스트림(102)은 스트림(102)의 도입을 위한 적어도 하나의 증기 입구(206)를 포함할 수 있는 컬럼(200) 내로 도입될 수 있다. 유입 가스 스트림(102)은 유입 가스 스트림(102)으로부터 혼입 액체의 적어도 일부와 고체를 분리하는 수단으로서 벌크 분리기(208)를 접촉할 수 있다. 유입 가스 스트림(102)과 벌크 분리기(208) 사이의 비교적 짧은 거리는 가스와 혼입된 입자들 사이의 보다 짧은 접촉 시간을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 분리기(208)는 또한 사이클론들이 수집하는 것을 더욱 용이하게 하는 보다 큰 액적으로 미세 액적들이 합쳐지는 코어레서(coalescer)일 수 있다. 벌크 분리기(208)에 의해 수집된 혼입 액체는 액적의 형태를 하는 액체를 포함할 수 있다. 액적은 중력으로 인하여 컬럼(200)의 바닥 부분에 위치된 액체 저장소(210) 내로 낙하할 수 있다.
가스와 혼입 액적의 스트림(212)은 컬럼(200)에서 계속 상향할 수 있으며, 여기에서, 액적은 다수의 사이클론(214) 내로 들어갈 수 있다. 유입 가스 스트림(102)으로부터 혼입 액체를 분리하여 제거하기 위한 메커니즘으로서, 김서림 방지 사이클론(214)들은 사이클론 묶음으로 적어도 몇몇 김서림 방지 사이클론(214)들을 포함하는 묶음의 형태로 패키징될 수 있다. 탄화수소 제조시에, 김서림 방지 사이클론(214)들은 보다 크고 보다 비싼 형태의 분리기들로 대체하도록 이용될 수 있다. 입자 크기에 기초하여, 김서림 방지 사이클론(214)들은 혼입 액적의 적어도 99%를 제거할 수 있다.
혼입 액적(212)의 스트림이 김서림 방지 사이클론(214)들에 들어감에 따라서, 액적(212)은 혼입 액체의 보다 큰 액적으로 합쳐질 수 있으며, 여기에서, 충돌하는 액적들 사이의 표면 인장은 합체를 위한 구동력일 수 있다. 동작 시에, 혼입된 액적은 김서림 방지 사이클론(214)의 벽으로 원심 분리될 수 있으며, 여기에서, 액적은 김서림 방지 사이클론(214)의 벽 상의 액체막과 합쳐질 수 있다. 액체 막은 드레인 라인(216)들을 통해 수집 및 드레인을 위하여 김서림 방지 사이클론(214)을 빠져나갈 수 있다. 스트림으로부터 가스와 혼입된 액적(212)의 제거 후에, 탈혼입된 액체 스트림(215)은 드레인 라인(216)들을 통해 유동하여 액체 저장소(210) 내로 수집될 수 있다. 바닥 출구(218)는 컬럼(200)으로부터 폐 스트림(106), 예를 들어 수집된 탈혼입 액체를 제거할 수 있다.
가스의 스트림에 있는 혼입된 액적 및 혼입 액적(212)을 제거하는 탈혼입 메커니즘은 수집기 트레이(224) 상에 위치된 라이저(222)들을 포함할 수 있다. 라이저(222)들은 각 라이저(222)의 바닥이 수집기 트레이(224)와 동일 평면일 수 있도록 수집기 트레이(224)에서 기원할 수 있는 라이저 벽들에 의해 한정될 수 있다. 김서림 방지 사이클론(214)들은 각 라이저(222) 내에 위치될 수 있다.
라이저(222)들 내부에 김서림 방지 사이클론(214)들을 배치하는 것에 의해, 라이저(222)들의 바닥에 있는 영역은 수집기 트레이(224)와 동일 평면일 수 있으며, 가스 스트림(102)이 사이클론(214)을 우회하는 것을 방지하도록 밀봉될 수 있다. 추가적으로, 라이저(222) 내에 위치된 김서림 방지 사이클론(214)들에 의해 라이저(222)들의 단면 영역에서 초크 플레이트(choke plate)들을 설치할 필요성이 제거될 수 있다. 이러한 것은 수집기 트레이(224)로부터 컬럼(200)의 상부 부분에 위치된 가스 폴리싱 섹션(gas polishing section)으로 상승하는 증기를 분포시키는 것을 도울 수 있는 사이클론(214)들과 관련된 고유의 압력 강하에 부분적으로 기인한다.
김서림 방지 사이클론(214)들이 라이저(222)들에 위치될 수 있기 때문에, 사이클론(214)들과 종래의 액체/가스 분리 기술에서 이전에 요구될 수 있는 수집기 트레이(224)의 바닥 사이의 공간이 제거될 수 있으며, 그러므로 컬럼 내에서 다른 사용을 위한 추가의 공간을 제공한다. 더욱이, 탈혼입 메커니즘의 압축은 컬럼에서 추가의 공간을 제공하고, 이에 의해 보다 경량이며 콤팩트한 컬럼으로 이어진다. 차례로, 콤팩트한 컬럼들은 움직임에 덜 피해를 입으며, 이에 의해 감소된 효과로 인하여 전체 구조상에서의 보다 큰 관성 하중 및 잠재적 손실을 감소시킬 수 있다. 이러한 것은 또한 특히 보다 두꺼운 셀을 갖고 해안 설치(offshore installation)되는 공정 용기에 의해, 비용 효율 및 중량 능력(weight capacity)에 기여할 수 있다.
가스 스트림(110)은 김서림 방지 사이클론(214)들로부터 컬럼(200) 내로 상향하여 유동한다. 가스 스트림(110)은 가스 스트림(110)에 남아있는 불순물과 오염물을 제거하는 컬럼의 상부로부터 낙하하는 희박 용제 유체(122)에 의해 정제될 수 있다. 희박 용제 유체(122)는 용제 입구(232)를 통해 컬럼(200)에 들어가, 컬럼(200) 내로 하향 유동하여 상승하는 가스 혼합물(110)과 접촉할 수 있다. 예를 들어, 희박 용제 유체(122)는 가스 스트림(110)으로부터 수증기를 제거하기 위한 트리에틸렌 글리콜(TEG) 스트림일 수 있거나, 또는 오염물의 제거를 위한 임의의 다른 형태의 용제일 수 있다. 수집기 트레이(224)는 희박 용제 유체(122)가 라이저(222)들을 지나서 컬럼(200)의 하부 부분으로 유동하는 것을 방지하는 수집 수단으로서 풍부 용제 유체(236)의 풀(pool)을 수집하도록 이용될 수 있다.
모아진 풍부 용제 유체(236)는 풍부 용제 스트림(118)으로서 액체 드로우(234, liquid draw)를 통해 컬럼(200)으로부터 제거될 수 있다. 희박 용제 유체(122)와의 접촉 후에, 건식 가스 부산물 또는 정제된 가스 스트림(116)은 추가의 처리 또는 상업화를 위해 오버헤드 출구(240)를 통해 컬럼(200)으로부터 제거될 수 있다. 정제된 가스 스트림(116)은 적어도 약 0.01 % 내지 20% 혼입 액체 또는 적어도 약 0.1 % 내지 30% 혼입 액체를 함유할 수 있다.
도 3a는 라이저(222)들의 단면 영역(302)에 위치된 김서림 방지 사이클론(214)들의 측면도의 예시이다. 도 3a에 대하여 유사한 도면부호는 도 2에 대해 기술된 바와 같다. 김서림 방지 사이클론(214)은 혼입 액체를 함유한 가스 스트림을 위한 도관으로서 기능하는 입구를 가지며, 출구는 건식 가스 부산물을 위한 도관일 수 있다. 추가적으로, 김서림 방지 사이클론(214)은 유입 가스 스트림이 혼입 액체가 유입 가스 스트림으로부터 분리되기 위해 원심력을 겪을 수 있도록 회전 디바이스를 구비한 원통형 튜브들을 포함할 수 있다.
혼입 액체가 김서림 방지 사이클론(214) 내에서 원심력을 받음에 따라서, 혼입된 액적은 드레인 라인(216)을 통하여 액체 스트림으로서 가스 스트림으로부터 제거된다. 김서림 방지 사이클론(214)에 있는 구멍들은 분리된 가스가 사이클론 튜브로부터 라이저(222)의 폐쇄 챔버(304) 내로 유동하는 것을 가능하게 할 수 있다. 다수의 김서림 방지 사이클론(214)들은 혼입 액체의 축적을 위하여 공통의 폐쇄 챔버(304)를 공유할 수 있다. 각 라이저(222)는 라이저(222)의 상부 위에 위치될 수 있는 라이저 모자(306)를 또한 포함할 수 있다. 라이저(222)와 라이저 모자(306)는 분리 유체와 같은 액체가 위에 위치된 라이저(222) 내로 낙하하는 것을 방지하도록 원형, 정사각형, 직사각형, 삼각형을 포함하는 임의의 특정 형상의 것일 수 있다는 것을 유념하여야 한다. 폐쇄 챔버(304)는 또한 임의의 재혼입된 액적이 컬럼 내로 더욱 진행하는 것을 방지하는데 도움이 될 수 있다. 수집기 트레이(224)의 바닥에위치된 개구(308)는 컬럼의 바닥에 위치된 저장소 내로 탈혼입된 액적을 안내하도록 드레인 라인(216)을 수용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 드레인 구멍은 라이저(222) 내에서 관련 액체의 추가의 드레인을 위해 라이저(222)의 폐쇄 챔버(304)의 바닥에 위치될 수 있다.
도 3b는 그물망을 포함하는 라이저의 단면 영역 내에 위치된 김서림 방지 사이클론의 측면도의 예시이다. 도 3a의 유사한 도면부호는 도 2에 대하여 사용될 수 있다. 도 3b는 라이저(222)의 단면 영역 내에 위치된 김서림 방지 사이클론(214)을 포함하는 라이저(222)의 상세도이며, 여기에서, 그물망(310)은 사이클론(214)의 대상이었던 후에 남아있는 임의의 나머지 혼입 액적을 제거하도록 이용될 수 있다. 그물망(310)은 2차 폴리싱 유닛으로서 작용할 수 있는 프레임에 의해 지지되는 니트 와이어 그물망의 패드를 포함할 수 있다. 이러한 2차 폴리싱 유닛은 베인 팩(vane pack)들, 패킹을 포함하는 임의의 탈혼입 디바이스(de-entrainment device) 또는 그 임의의 유사한 디바이스들일 수 있다. 동작시에, 혼입된 액적이 김서림 방지 사이클론(214) 내에서 급속 회전을 받음에 따라서, 재혼입된 액적은 그런 다음 그물망(310)의 표면 상에서 뿐만 아니라 사이클론(214)의 측벽 표면 상에 충돌될 수 있다. 그 뒤에, 더욱 큰 액적을 포함하는 액적은 그물망(310)의 표면 상에서 수집되어 합쳐지고, 중력으로 인하여 컬럼의 바닥 부분으로 낙하한다. 보다 작은 액적들은 그물망(310) 주위에서 유동하고, 컬럼 내로 계속 상향할 수 있는 가스 혼합물과 함께 계속 상향 유동할 수 있다. 그물망(310)과 관련하여 사용될 때, 김서림 방지 사이클론(214)은 보다 높은 하강(turndown) 및 보다 높은 분리 효율을 달성할 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 그물망(310)은 가스 혼합물이 컬럼 내로 상향 유동할 수 있는 영역들의 완전한 적용 범위를 보장하도록 라이저(222)의 윈도우들 상에 위치될 수 있다. 추가적으로, 그물망(310)은 액적이 이어질 수 있는 라이저(214)들 사이의 임의의 갭들의 가능성을 제거할 수 있다. 일부 실시예들에서, 그물망(310)은 김서림 방지 사이클론(214) 위에, 또는 양쪽 김서림 방지 사이클론(214)들 위에, 또는 라이저의 윈도우들 상에 위치될 수 있다. 추가적으로, 그물망 대신에, 베인 팩 또는 패킹이 액체와 가스 분리를 돕도록 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 라이저(222)는 제거될 수 있으며, 묶음의 형태를 하는 김서림 방지 사이클론(214)은 라이저로서 동작할 수 있다는 것을 유념하여야 한다. 묶음 위의 모자는 임의의 수집된 액체가 컬럼의 상부 부분을 떠나는 어떠한 하향 액체를 다시 접촉함이 없이 사이클론(214)으로부터 드레인될 수 있다.
도 4는 가스 스트림으로부터 혼입 액체를 제거하기 위한 방법(400)의 공정도이다. 방법(400)은 혼입 액체를 포함하는 가스 스트림이 컬럼의 입구 내로 도입될 수 있는 블록(402)에서 시작한다. 밀도 및 점도 측정, 방사성 트레이서(radioactive tracer), 음파 기술 또는 유체 압축성/팽창성 테스트들을 사용하여 혼입 액체의 체적을 결정하도록 가스 스트림이 측정될 수 있다는 것을 유념하여야 한다. 블록(404)에서, 가스 스트림은 다수의 사이클론들을 통하여 유동할 수 있으며, 사이클론들은 라이저들 내로 통합된다. 사이클론들은 무엇보다도 가스상으로부터 혼입 액체를 제거하도록 오일 정제, 천연가스 처리, 화학제 처리, 가스 배관, 압축기 시스템에서 이용될 수 있다. 블록(406)에서, 혼입 액체는 사이클론들을 사용하여 가스 스트림으로부터 분리될 수 있다. 블록(408)에서, 분리된 혼입 액체는 가스 스트림에 대해 역류로 드레인 라인 내로 유동할 수 있다. 블록(410)에서, 분리된 혼입 액체는 컬럼의 바닥 출구를 통해 제거될 수 있다. 블록(412)에서, 가스 스트림은 컬럼의 오버헤드 출구를 통해 제거될 수 있다.
도 5는 라이저들 내로 통합된 김서림 방지 사이클론들을 포함하는 패킹된 증류 컬럼(500)의 예시이다. 도 5에 대해 유사한 도면부호는 도 2에 대해 사용될 수 있다. 급송 가스 스트림(502)은 가스 부산물 스트림(504)과 탈혼입된 액체 스트림(506)을 생성하도록 컬럼(500) 내로 주입될 수 있다. 급송 가스 스트림(502)은 혼입 액체와 가스 오염물과 같은, 상이한 비등점과 증기 압력을 갖는 2개 이상의 상이한 성분들을 포함할 수 있다.
급송 가스 스트림(502)은 라이저(222)들 아래에서 주입될 수 있으며, 라이저(222)들 내에서 김서림 방지 사이클론(214)들로 유동할 수 있다. 김서림 방지 사이클론(214)들은 라이저(222)들의 내부에 위치될 수 있고, 라이저(222)들의 바닥 부분은, 혼입 액체가 사이클론(214)들을 우회하여 컬럼(500) 내로 추가로 진행하는 것을 방지하기 위하여, 수집기 트레이(224)와 동일 평면일 수 있다. 동작 시에, 급송 가스 스트림(502) 내의 혼입 액체의 작은 액적들은 김서림 방지 사이클론(214) 내에서 원심력을 받을 수 있고, 컬럼(500) 내로 상향 유동할 수 없는 보다 큰 액적으로 합쳐질 수 있다. 혼입 액체의 보다 큰 액적들은 중력으로 인하여 수집기 트레이(224) 상으로 낙하할 수 있다. 급송 스트림(502) 내의 가스는 패킹된 베드(508)들과 추가의 라이저(510)들을 통해 컬럼(500)을 통하여 계속 상향할 수 있다. 패킹된 베드(508)들은 액체상이 액적으로서 가스상으로부터 분리될 수 있음에 따라서 급송 스트림(502)의 가스상과 액체상 사이의 접촉을 향상시키도록 사용될 수 있다. 추가의 라이저(510)들은 그 단면 영역 내에 김서림 방지 사이클론(214)들을 통합하거나 또는 통합하지 않을 수 있다. 컬럼에 있는 추가의 라이저(510)들은 추가의 용량을 위하여 컬럼의 개조 동안 유용한 것으로 간주될 수 있다.
가스 상에서 집중하는 성분은 오버헤드 가스 스트림(504)으로서 컬럼(500)의 상부로부터 유동될 수 있는 한편, 액체상에서 집중하는 성분은 탈혼입된 액체 스트림(506)으로서 컬럼(500)의 바닥으로부터 유동될 수 있다. 아울러, 액체(512)의 일부 양은 액체상으로부터 가스상의 증가된 분리를 제공하기 위하여 컬럼(500)으로부터 유동되기 전에 컬럼(500)의 바닥에서 수집되도록 허용될 수 있다.
탈혼입된 액체 스트림(506)은 재비등기(518, reboiler)를 통해 유동될 수 있다. 재비등기(518)는 기화된 액체 스트림(520)과 액체 스트림(520)을 형성하도록 스트림(506)의 일부를 기화시키는 것에 의해 탈혼입된 액체 스트림(506)의 온도를 증가시킬 수 있다. 스트림(520)은 컬럼(500)의 바닥에서 수집되도록 액체(512)에 열을 제공하기 위하여 컬럼(500)의 바닥 부분 내로 다시 유동할 수 있다. 재비등기 입구와 패킹된 베드(508) 사이에 위치된 추가의 라이저들을 가지는 것이 또한 유용한 것으로 판명될 수 있다. 이러한 구성은 증기 분포를 제공할 수 있으며, 재비등기 액체로부터 임의의 가능한 액체 재혼입을 제거할 수 있다.
오버헤드 가스 스트림(504)은 냉각되고, 적어도 부분적으로 열교환기(524) 내에서 응축될 수 있다. 냉각된 가스 스트림(504)은 그런 다음 분리 컬럼(532) 내에서 가스 부산물 스트림(528)과 액체 스트림(530)으로부터 분리될 수 있다. 액체 스트림(530)은 역류 스트림(534)으로서 컬럼(500)의 상부 부분 내로 다시 유동될 수 있다. 컬럼(500) 내에서, 역류 스트림(534)은 액체상 및 가스상 사이의 분리 정도를 증가시키는 것에 의해 컬럼(500)의 성능을 향상시키도록 사용될 수 있다. 아울러, 컬럼(500) 내로 상향하여 처리될 수 있는 임의의 액체는 역류 스트림으로서 컬럼(500)의 상부 부분 내로 재주입될 수 있다.
컬럼(500)은 급송 스트림(502)에서의 종들에 의존하여 다양한 다른 분리 기술을 이용할 수 있다. 예를 들어, 컬럼은 그 중에서도 역류 분리 컬럼, 넉아웃 용기(knock-out vessel), 또는 재생 컬럼일 수 있다.
본 발명의 김서림 방지 사이클론들이 라이저들에 위치될 수 있기 때문에, 사이클론들과 수집기 트레이의 바닥 사이의 공간이 제거될 수 있다. 그러므로, 컬럼 내에서 다른 용도를 위한 추가의 공간을 제공하고, 이에 의해 보다 경량이고 콤팩트한 컬럼으로 이어질 수 있다. 차례로, 콤팩트한 컬럼은 움직임에 덜 피해를 받을 수 있고, 이에 의해 감소된 효과로 인하여 전체 구조상에서의 보다 큰 관성 하중 및 잠재적 손실을 감소시킬 수 있다. 이러한 것은 또한 특히 보다 두꺼운 셀을 갖고 해안 설치되는 공정 용기와 함께, 비용 효율 및 중량 능력에 기여할 수 있다.
본 발명은 다양한 변형 및 대안의 형태로 받아들일 수 있지만, 상기된 실시예들은 단지 예로서 도시되었다. 그러나, 본 발명이 본 명세서에 개시된 특정 실시예에 한정되는 것으로 의도되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 실제로, 본 발명은 첨부된 청구항들의 사상 및 범주 내에 있는 대안, 수정 및 동등물을 모두 포함한다.
Claims (20)
- 혼입 액체를 제거하기 위한 방법으로서,
라이저들 내에 통합된 다수의 사이클론들을 포함하는 컬럼의 입구 내로 혼입 액체를 포함하는 가스 스트림을 도입하는 단계;
상기 다수의 사이클론들을 사용하여 상기 가스 스트림으로부터 상기 혼입 액체의 적어도 일부를 분리하는 단계;
상기 가스 스트림의 유동에 대해 역류로 상기 분리된 혼입 액체를 유동시키는 단계;
상기 컬럼의 바닥 출구를 통하여 상기 분리된 혼입 액체를 제거하는 단계; 및
상기 컬럼의 상부 출구를 통하여 상기 가스 스트림을 제거하는 단계를 포함하는 방법. - 제1항에 있어서, 상기 혼입 액체의 적어도 약 70% 내지 99.9%는 상기 가스 스트림으로부터 분리되는 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다수의 사이클론들을 통하여 상기 가스 스트림을 유동시키기 전에 상기 혼입 액체의 적어도 일부를 제거하도록 벌크 분리기를 통하여 상기 가스 스트림을 유동시키는 단계를 포함하는 방법.
- 제1항 또는 제2항 및 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 스트림으로부터 상기 혼입 액체의 적어도 일부를 분리하는 단계는 상기 다수의 사이클론들 내에서 와류 튜브 또는 김서림 방지 사이클론 메커니즘을 실시하는 단계를 포함하는 방법.
- 제1항 또는 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 사이클론들 위에, 상기 라이저들의 내부에, 상기 라이저들의 개방 윈도우에, 또는 그 임의의 조합에, 탈혼입을 위한 와이어 그물망 또는 다른 요소들을 배치하는 단계를 포함하는 방법.
- 제1항 또는 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컬럼의 입구 내로 접촉 액체를 도입하는 단계를 포함하는 방법.
- 제1항 또는 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 스트림은 0.1 % 내지 30%의 혼입 액체를 함유하는 방법.
- 혼입 액체를 제거하기 위한 시스템으로서,
혼입 액체를 포함하는 가스 스트림;
상기 혼입 액체로부터 상기 가스 스트림을 분리하도록 구성되고, 라이저들에 위치되는 다수의 사이클론들;
상기 분리된 혼입 액체를 상기 가스 스트림으로부터 유동시키도록 구성된 드레인 라인;
상기 가스 스트림을 상기 시스템으로부터 제거하도록 구성된 상부 출구; 및
분리된 혼입 액체를 상기 시스템으로부터 제거하도록 구성된 바닥 출구를 포함하는 시스템. - 제8항에 있어서, 상기 혼입 액체의 적어도 일부를 제거하는 벌크 분리기를 포함하는 시스템.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 가스 스트림으로부터 상기 혼입 액체를 분리하도록 상기 다수의 사이클론들 내에 있는 와류 튜브들 또는 김서림 방지 사이클론 메커니즘을 포함하는 시스템.
- 제8항 또는 제9항 및 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 사이클론들이 위치되는 단면 영역을 제외한 영역에서 각 라이저의 바닥과 동일 평면인 수집기 트레이를 포함하는 시스템.
- 제8항 또는 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 사이클론들 위에, 상기 라이저들의 내부에, 상기 라이저들의 개방 윈도우에, 또는 그 임의의 조합에 있는 와이어 그물망을 포함하는 시스템.
- 제8항 또는 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 사이클론들은 상기 라이저들의 길이에 걸쳐 이어지는 단면 영역 내에서 중앙에 위치되는 시스템.
- 제8항 또는 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 약 0.1 % 내지 30%의 혼입 액체를 함유하는 가스 스트림을 제거하도록 구성되는 증기 출구를 포함하는 시스템.
- 희박 탄화수소 가스를 생성하도록 역류 접촉 분리기에서 혼입 액체 탄화수소를 제거하기 위한 방법으로서,
상기 역류 접촉 분리기의 입구 내로 가스 스트림을 도입하는 단계;
상기 혼입 액체 탄화수소의 일부를 포획하도록 벌크 분리기를 통하여 상기 가스 스트림을 유동시키는 단계;
상기 혼입 액체 탄화수소의 나머지 소량을 포획하도록 라이저들에 위치되는 다수의 사이클론 묶음들을 통하여 상기 가스 스트림을 유동시키는 단계;
상기 가스 스트림에 대해 역류하는 드레인 라인 내로 하향하여 상기 포획된 혼입 액체를 유동시키는 단계;
상기 역류 접촉 분리기의 바닥 출구를 통하여 상기 포획된 혼입 액체를 제거하는 단계; 및
상기 역류 접촉 분리기의 상부 출구를 통하여 상기 희박 탄화수소 가스를 제거하는 단계를 포함하는 방법. - 제15항에 있어서, 상기 혼입 액체 탄화수소의 나머지 소량을 포획하는 단계는 상기 다수의 사이클론 묶음들 내에서 와류 튜브들 또는 김서림 방지 사이클론 메커니즘을 실시하는 단계를 포함하는 방법.
- 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 다수의 사이클론 묶음들이 위치되는 단면 영역을 제외한 영역에서 수집기 트레이와 각 라이저의 바닥을 동일 평면으로 하는 단계를 포함하는 방법.
- 제15항 또는 제16항 및 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 사이클론 묶음들 위에, 상기 라이저들의 내부에, 상기 라이저들의 개방 윈도우에, 또는 그 임의의 조합에, 와이어 그물망을 배치하는 단계를 포함하는 방법.
- 제15항 또는 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 컬럼의 입구 내로 접촉 액체를 도입하는 단계를 포함하는 방법.
- 제15항 또는 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 희박 탄화수소 가스는 약 0.1 % 내지 30%의 혼입 액체를 함유하는 방법.
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