KR20200042498A - 냉 용매 및 산성 가스 제거의 통합 - Google Patents

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데이비드 더블유. 마허
피. 스콧 노스롭
슈에타 람쿠마르
로버트 디. 덴톤
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엑손모빌 업스트림 리서치 캄파니
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Abstract

천연 가스 스트림으로부터 불순물을 분리하는 방법이 개시된다. CO2 및 H2S는 막 분리 시스템에서 천연 가스 스트림으로부터 분리되고, 이에 의해 부분 처리된 가스 스트림 및 투과 가스 스트림을 생성하며, 이 둘 모두는 천연 가스 스트림보다 낮은 온도에 있다. 부분 처리된 가스 스트림은 제1 접촉기에서 제1 희박 용매 스트림과 접촉하여 부분 처리된 가스 스트림으로부터 H2S를 분리하고, 이에 의해 제1 농후 용매 스트림 및 완전 처리된 가스 스트림을 생성한다. 투과 가스 스트림은 제2 접촉기에서 제2 희박 용매 스트림과 접촉하여 이로부터 H2S를 분리하여 제2 농후 용매 스트림 및 CO2 가스 스트림을 생성한다. H2S 및 CO2는 제1 및 제2 농후 용매 스트림들로부터 제거되고, 이에 의해 제1 및 제2 희박 용매 스트림들을 생성한다.

Description

냉 용매 및 산성 가스 제거의 통합
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 통합되는 "냉 용매 및 산성 가스 제거의 통합"이라는 명칭으로 2017년 8월 21일자 출원된 미국 특허 가출원 제62/548,171호에 대해 우선권을 주장한다.
본 출원은 공통의 발명자 및 양수인을 가지며 심지어 동일한 날짜에 출원된, 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 통합되는 "냉 용매 및 산성 가스 제거의 통합"이라는 명칭으로 2017년 8월 21일자 출원된 미국 특허 가출원 제62/548,172호에 대해 우선권을 주장한다.
본 개시 내용은 일반적으로 천연 가스 스트림과 같은 가스 스트림으로부터 불순물의 분리에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시 내용은 예를 들어 가스 스트림과 용매의 반응 온도를 감소시키기 위해 막 분리 기술을 사용하여 가스 스트림의 온도를 제어하는 것에 관한 것이다.
이 섹션은 본 개시 내용과 관련될 수 있는 종래 기술의 다양한 양태를 소개하도록 의도된다. 이러한 논의는 본 개시 내용의 특정 양태의 보다 양호한 이해를 용이하게 하는 골격을 제공하도록 의도된다. 따라서, 이 섹션은 이러한 관점에서 읽혀져야 하며, 반드시 종래 기술의 인정이 아니라는 것을 이해해야 한다.
멤브레인은 저압으로 멤브레인을 통해 산성 가스(예를 들어, CO2 및 H2S)를 우선적으로 투과시키는 것에 의해 작업하고, 이는 공정 가스 및 투과물 둘 모두를 냉각시킨다. 멤브레인은 벌크 제거 기술이어서, H2S(때때로 이러한 응용 분야를 통해 여기에 초점이 맞춰지지 않은 CO2)를 제거하기 위한 아민 기반 정화 단계는 파이프 라인 가스 사양을 충족시키기 위해 거의 항상 요구된다.
Flexsorb/SE와 같은 힌더드 아민(Hindered amine)은 우선적으로 H2S를 제거하고, 처리된 가스와 함께 CO2가 지나가도록 설계된다. 아민은 CO2보다 H2S와 더욱 빠르게 반응하는 것에 의해 선택적 H2S 제거를 달성한다. H2S에 대해 선택적이 되는 값은 CO2와의 보다 적은 부반응이 일어나기 때문에 시스템에서 H2S를 제거하기 위해 보다 적은 아민 분자가 요구된다는 것이다. 보다 낮은 온도(50-80℉)에서, CO2와의 반응이 현저히 느려지고, 반응이 H2S에 대해 한층 더 선택적으로 되는 것이 당업계에서 널리 공지되어 있다. H2S에 대한 선택성이 추가로 향상될 수 있으며, 그러므로 가스 스트림과 접촉하기 전에 용매 자체를 냉각시키는 것에 의해 용매 순환을 10배까지 감소시킬 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이러한 용매 냉각은 CO2 반응 속도를 더욱 감소시킨다. 추가적으로, 가스 스트림과 아민 용매 사이의 매우 짧은 접촉 시간을 제공하는 것은 아민이 H2S를 흡수하기에 충분한 시간을 허용하지만, 상당한 양의 CO2와 반응하기에는 접촉 시간이 너무 적다. 그러므로, CO2 슬립이 많을수록, 더욱 적은 용매가 요구된다. 그러므로, 막 분리 시스템으로 작동하는 접촉기(contactor)에서 사용되는 아민 용매의 필요한 양을 감소시키는 방법 및/또는 시스템을 제공하는 것이 유리할 것이다.
본 개시 내용은 천연 가스 스트림으로부터 불순물을 분리하는 방법을 제공한다. 이 방법에 따르면, 이산화탄소(CO2) 및 황화수소(H2S)의 일부는 막 분리 시스템에서 천연 가스 스트림으로부터 분리되고, 이에 의해 부분 처리된 가스 스트림 및 투과 가스 스트림을 생성한다. 투과 가스 스트림은 주로 H2S 및 CO2로 구성된다. 부분 처리된 가스 스트림은 주로 천연 가스로 구성된다. 부분 처리된 가스 스트림 및 투과 가스 스트림은 천연 가스 스트림보다 낮은 온도에 있다. 부분 처리된 가스 스트림은 부분 처리된 가스 스트림으로부터 H2S를 분리하도록 제1 접촉기에서 제1 희박 용매 스트림과 접촉하고, 이에 의해 제1 농후 용매 스트림 및 완전 처리된 가스 스트림을 생성한다. 투과 가스 스트림은 제2 농후 용매 스트림 및 CO2 농후 가스 스트림을 생성하도록 H2S를 분리하기 위해 제2 접촉기에서 제2 희박 용매 스트림과 접촉된다. H2S 및 CO2는 제1 및 제2 농후 용매 스트림으로부터 제거되고, 이에 의해 제1 및 제2 희박 용매 스트림을 생성한다.
본 발명은 또한 천연 가스 스트림으로부터 불순물을 분리하기 위한 시스템을 제공한다. 막 분리 시스템은 천연 가스 스트림으로부터 이산화탄소(CO2) 및 황화수소(H2S)의 일부를 분리하고, 이에 의해 부분 처리된 가스 스트림 및 투과 가스 스트림을 생성한다. 투과 가스 스트림은 주로 H2S 및 CO2로 구성되며, 부분 처리된 가스 스트림은 주로 천연 가스로 구성된다. 부분 처리된 가스 스트림 및 투과 가스 스트림은 천연 가스 스트림보다 낮은 온도에 있다. 제1 접촉기는 부분 처리된 가스 스트림으로부터 H2S를 분리하도록 부분 처리된 가스 스트림을 제1 희박 용매 스트림과 접촉시키며, 이에 의해 제1 농후 용매 스트림 및 완전 처리된 가스 스트림을 생성한다. 제2 접촉기는 제2 농후 용매 스트림 및 CO2 농후 가스 스트림을 생성하기 위해 H2S를 분리하도록 투과 가스 스트림을 제2 희박 용매 스트림과 접촉시킨다. 재생기는 제1 및 제2 농후 용매 스트림들로부터 H2S 및 CO2를 제거하고, 이에 의해 제1 및 제2 희박 용매 스트림들을 생성한다.
전술한 내용은 이하의 상세한 설명이 보다 잘 이해될 수 있도록 본 개시 내용의 특징을 광범위하게 개괄하였다. 추가 특징들이 또한 본 명세서에 설명될 것이다.
본 개시 내용의 이들 및 다른 특징, 양태 및 이점은 다음의 상세한 설명, 청구범위 및 첨부된 도면으로부터 명백해질 것이며, 이하에서 간략히 설명된다.
도 1은 공지된 원리에 따른 천연 가스 분리 시스템의 개략도.
도 2는 개시된 양태에 따른 천연 가스 분리 시스템의 개략도
도 3은 또 다른 개시된 양태에 따른 천연 가스 분리 시스템의 개략도.
도 4는 또 다른 개시된 양태에 따른 천연 가스 분리 시스템의 개략도.
도 5는 개시된 양태에 따른 동방향 접촉 시스템의 측면도.
도 6a 내지 도 6d는 개시된 양태에 따른 액적 발생기의 측면도 및 사시도.
도 7은 본 개시 내용의 양태에 따른 방법의 흐름도.
도 8은 본 개시 내용의 양태에 따른 방법의 흐름도.
도면은 단지 예일뿐이며, 이에 의해 본 개시 내용의 범위에 대한 제한이 의도되지 않음에 유의해야 한다. 또한, 도면은 일반적으로 축척으로 도시된 것이 아니라, 본 개시 내용의 다양한 양태를 예시함에 있어서 편의 및 명확성을 목적으로 작성되었다.
본 개시 내용의 원리의 이해를 증진시키기 위해, 이제 도면에 예시된 특징을 참조할 것이며, 이를 설명하기 위해 특정 언어가 사용될 것이다. 그럼에도 불구하고, 본 개시 내용의 범위의 제한이 의도되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 본 명세서에 기술된 바와 같은 본 개시 내용의 원리의 임의의 변경 및 추가 변형, 및 임의의 추가 적용이 본 개시 내용이 관련된 당업자에게 통상적으로 일어날 수 있는 것으로 고려된다. 명확성을 위해, 본 개시 내용과 관련되지 않는 일부 특징들은 도면에 도시되지 않을 수 있다.
처음에, 참조의 용이성을 위해, 본 명세서에서 사용된 특정 용어 및 이러한 문맥에 사용된 의미가 설명된다. 본 명세서에서 사용된 용어가 아래에서 정의되지 않는 한, 당업자는 적어도 하나의 인쇄된 공보 또는 허여된 특허에서 반영된 바와 같이 그 용어를 제공해야 한다. 또한, 동일하거나 유사한 목적을 제공하는 모든 등가물, 동의어, 새로운 개발물 및 용어 또는 기술이 본 청구범위의 범위 내에 있는 것으로 간주됨에 따라서, 본 발명의 기술은 이하에 도시된 용어의 사용에 의해 제한되지 않는다.
당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 다른 사람은 상이한 명칭으로 동일한 특징 또는 구성 요소를 지칭할 수 있다. 이 문서는 명칭만 다른 구성 요소 또는 특징을 구별하지 않는다. 도면이 반드시 축척으로 도시된 것은 아니다. 본 명세서의 특정 특징 및 구성 요소는 스케일 또는 개략적 형태에서 과장되어 도시될 수 있으며, 종래의 요소의 일부 세부 사항은 명확성 및 간결성을 위해 도시되지 않을 수 있다. 본 명세서에서 설명된 도면을 참조할 때, 간략화를 위해 동일한 도면 부호가 다수의 도면에서 참조될 수 있다. 다음의 상세한 설명 및 청구범위에서, "구비하는" 및 "포함하는"이라는 용어는 개방형 방식으로 사용되며, 그러므로, "포함하지만 이에 한정되지 않는"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
단수 표현은 반드시 하나만을 의미하는 것으로 제한되지 않고, 선택적으로 다수의 이러한 요소를 포함하도록 포괄적이고 개방형이다.
본 명세서에 사용된 용어 "대략", "약", "실질적으로" 및 유사한 용어는 본 개시 내용이 속하는 기술 분야에서 당업자에 의해 통상적으로 허용되는 사용법과 조화를 이루는 넓은 의미를 가지는 것으로 의도된다. 본 개시 내용를 검토하는 당업자는 이들 용어가 이들 특징의 범위를 제공된 정확한 숫자 범위로 제한하지 않으면서 기술되고 청구된 특정 특징의 설명을 허용하도록 의도된다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 이들 용어는 설명된 요지의 실질적이지 않거나 결과적이 아닌 변경 또는 대안을 나타내고 본 개시 내용의 범위 내에 있는 것으로 간주되는 것으로 해석되어야 한다.
"예시적인"은 "예, 실례 또는 예시로서 제공한다는 것"을 의미하도록 본 명세서에서 독점적으로 사용된다. 본 명세서에서 "예시적인"것으로서 설명된 임의의 실시예 또는 양태는 다른 실시예보다 바람직하거나 유리한 것으로 해석되지 않아야 한다.
"산성 가스"는 물에서 용해될 때 산성 용액을 생성하는 임의의 가스를 지칭한다. 산성 가스의 비제한적인 예는 황화수소(H2S), 이산화탄소(CO2), 이산화황(SO2), 이황화 탄소(CS2), 카보닐 설파이드(COS), 메르캅탄 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
"동방향 접촉기"는 가스 스트림 및 용매 스트림이 일반적으로 동일한 방향으로 유동하는 동안 서로 접촉하는 방식으로 가스 스트림 및 별도의 용매 스트림을 수용하는 용기를 지칭한다.
"동방향으로(co-currently)"라는 용어는 공정 스트림을 동일한 방향으로 흐르게 하는 여러 서브 섹션으로 분할될 수 있는 단위 작업 내에서 공정 스트림의 내부 배열을 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 "컬럼"은 상이한 특성에 기초하여 재료를 격리시키도록 역류 유동이 사용되는 분리 용기이다.
"탈수된 천연 가스 스트림"또는 "건조 천연 가스 스트림"은 탈수 공정을 거친 천연 가스 스트림을 지칭한다. 적용에 따라, 탈수된 천연 가스 스트림은 150 ppm 미만, 100 ppm 미만, 84 ppm 미만, 50 ppm 미만, 7 ppm 미만 또는 0.1 ppm 미만의 수분 함량을 가질 수 있다. 천연 가스 스트림을 탈수시키기 위한 임의의 적합한 공정이 사용될 수 있다. 적합한 탈수 공정의 전형적인 예는 글리콜 또는 메탄올을 사용하는 탈수를 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어 "탈수"는 수분 및 선택적으로 일부 중질 탄화수소를 부분적으로 또는 완전히 제거하기 위한 원료 공급 가스 스트림의 전처리를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어 "설비"는 석유 및 가스 전계 수집 시스템, 처리 플랫폼 시스템 및 유정 플랫폼 시스템을 망라하는 일반적인 용어로서 사용된다.
용어 "가스"는 "증기"와 상호 교환적으로 사용되며, 액체 또는 고체 상태와 구별되는 기체 상태의 물질 또는 물질의 혼합물로서 정의된다. 마찬가지로, 용어 "액체"는 기체 또는 고체 상태와 구별되는 액체 상태에서의 물질 또는 물질의 혼합물을 의미한다.
"탄화수소"는 질소, 황, 산소, 금속 또는 임의의 수의 다른 원소가 소량으로 존재할 수 있을지라도 수소 및 탄소 원소를 주로 포함하는 유기 화합물이다. 본 명세서에서 사용된 탄화수소는 일반적으로 천연 가스, 석유 또는 화학 처리 설비에서 발견되는 성분을 지칭한다.
본 개시 내용은 하나 이상의 접촉기 용기에서 가스 스트림 및 용매의 반응 온도를 감소시키도록 막 분리 시스템의 출력물의 고유 냉각의 이점을 취하는 방법 및 시스템을 기술한다. 접촉기 용기들은 통상적인 역류 접촉 원리에 따라서 작동할 수 있거나, 한 양태에서 하나 이상의 동방향 접촉 시스템을 포함할 수 있다. 바람직한 양태에서 힌더드 아민일 수 있는 용매는 접촉기 용기들 내로 공급되기 전에 주변 온도 아래로 냉각될 수 있다. 처리된 가스 스트림 및 투과 가스 스트림을 포함할 수 있는, 막 분리 시스템의 하나 이상의 출력물은 접촉 용기 내로 도입되기 전에 냉각되거나 또는 냉장될 수 있다. 이러한 냉각 또는 냉장의 효과는 각각의 접촉 용기 내부의 반응이 황화수소(H2S)에 대해 더욱 선택적이고 이산화탄소(CO2)에 대해 덜 선택적이도록 조정될 수 있다는 것이다. H2S 선택성은 개선될 수 있으며, 이에 의해 분리에 필요한 용매 유동을 감소시킬 수 있다.
도 1은 공지된 원리에 따른 천연 가스 분리 시스템의 개략도이다. 시스템(100)은 높은 사워 가스(sour gas) 함량을 가지는 공급 가스 스트림(110)을 처리하는데 사용될 수 있다. 공급 가스 스트림은 천연 가스뿐만 아니라 CO2 및 H2S와 같은 산성 가스를 포함한다. 공급 가스 스트림(110)은 공급 가스 스트림(110)과, 공급 가스 스트림으로부터 산성 가스를 제거하는 용매를 포함하는 희박 용매 스트림(114) 사이의 접촉을 가능하게 하는 접촉기 용기(112)로 들어간다. 모든 산성 가스가 제거되지 않았으면 대부분을 가지는 중화된(sweetened) 가스 스트림(116)은 접촉기 용기(112)의 상단을 향해 빠져 나간다. 대부분 액체인 농후 용매 스트림(118)은 접촉기 용기의 바닥 부근에서 빠져 나가, 재생 용기(120)로 들어가고, 여기에서, 리보일러(reboiler)(122)로부터의 열은 농후 용매 스트림을 부분적으로 비등시키는 것에 의해 증기를 발생시킨다. 이러한 것은 용매로부터 산성 가스를 분리하며, 산성 가스는 재생 용기 아래로 이동함에 따라서 더욱 희박하게 된다(즉, 적은 산성 가스를 함유하는). 결과적인 산성 가스 스트림(124)은 재생 용기(120)의 상단 부근에서 빠져 나가, 산성 가스 스트림(124) 중의 많은 수분을 응축하는 응축기(126)에서 냉각된다. 이러한 수분은 환류 축적조(reflux accumulator)(128)에서 수집되고, 펌프(130)를 사용하여 필요에 따라 재생 용기(120)의 상단으로 다시 펌핑된다. H2S 및 CO2가 농후한 산성 가스 스트림(131)은 환류 축적조(128)를 빠져 나가, 이로부터 황을 제거하도록 황 회수 유닛(도시되지 않음)으로 보내진다.
재생 용기(120)에서, 아래로 이동하는 희박 용매는 재생 용기의 바닥을 빠져 나간다. 용매는 산성 가스가 재생 용기에서 제거됨에 따라서 더욱 희박하게 된다. 희박 용매는 재생 용기의 바닥을 빠져 나가, 그 안의 어떠한 잔류 산성 가스를 기화시키도록 희박 용매를 가열하는 리보일러(122)로 들어간다. 희박의 고온 아민 스트림이 리보일러로부터 인출되어, 제1 부분(134)이 재생 용기(120)로 복귀되고, 제2 부분(136)은 열교환기(140)를 통해 공급되도록 순환 펌프(138)를 사용하여 펌핑된다. 열교환기(140)는 희박의 고온 아민 스트림과 농후 용매 스트림 사이에서 열을 교환한다. 제2 부분(136)의 슬립 스트림(142)은 제2 부분(136)을 청결하게 유지하기 위해 공지된 원리에 따라서 필터(143)를 사용하여 여과를 위해 취해질 수 있다. 제2 부분은 그런 다음 냉각기(144)에서 주변 온도로 냉각되어, 냉각된 희박 용매 스트림(114)이 되고, 이는 접촉기 용기(112)로 재순환된다.
도 2는 본 개시 내용의 한 양태에 따른 사워 가스 분리 시스템(200)의 개략도이다. 사워 가스 분리 시스템(200)은 높은 산성 가스 함량을 가지는 공급 가스 스트림(202)을 처리하기 위해 사용될 수 있다. 수분은 막 분리 또는 냉각 시스템 하류에서 수분이 응축되거나 수화물이 형성되는 것을 방지하는데 필요한 정도까지 탈수기(204)에서 공급 가스 스트림(202)으로부터 제거된다. 탈수기는 글리콜계 용매 탈수 시스템 및 공정, 보다 구체적으로는 트리에틸렌 글리콜(TEG) 유닛과 같은 임의의 공지된 유형의 탈수 시스템일 수 있다. 탈수된 가스 스트림(206)은 막 분리 시스템(208)을 통과한다. 막 분리 시스템(208)은 탈수된 가스 스트림에 존재하는 이산화탄소 및 황화수소의 대부분을 공지된 원리에 따라서 분리하도록 작동한다. 예를 들어, 막 분리 시스템(208)은 6% 이산화탄소(CO2), 약 500 ppm의 황화수소(H2S), 잔부가 천연 가스인 조성을 가지는 부분 처리된 가스 스트림(210)을 생성할 수 있다. 막 분리 시스템(208)은 또한 50%-95%의 CO2 및 0.001%-5.0%의 H2S, 또는 70-95%의 이산화탄소 및 0.1-2.0%의 H2S, 잔부가 천연 가스인 조성을 가지는 투과 가스 스트림(212)을 생성할 수 있다. 막 분리 시스템의 특성으로 인해, 부분 처리된 가스 스트림(210)의 온도는 약 50℉로 감소되고, 그 압력은 약 500 psig로 감소될 수 있는 반면에, 투과 가스 스트림(212)의 온도는 약 70℉로 감소되고 그 압력은 약 100 psig로 감소될 수 있다. 적합한 막 분리 시스템의 비제한적인 예는 "유정 CO2 정돈을 위한 가스 막 분리 시스템과 비교한 전형적인 아민 및 글리콜 처리 유닛"(Laurance Reid Gas Conditioning Conference, Norman, OK, 2010)에서 찾을 수 있다.
개시된 양태에 따르면, 부분 처리된 가스 스트림(210)은 제1 냉 용매 접촉기(214) 내로 도입된다. 제1 냉 용매 접촉기(214)는 부분 처리된 가스 스트림(210)으로부터 H2S를 분리하도록 팩킹 층(215)에서 제1 냉각된 희박 용매 스트림(216)과 부분 처리된 가스 스트림(210)을 접촉시킨다. 제1 냉각된 희박 용매 스트림(216)은, 우선적으로 H2S를 제거하고 CO2가 공정을 통해 지나가도록 설계된 Flexsorb/SE와 같은 힌더드 아민을 포함할 수 있다. 힌더드 아민은 CO2보다 H2S와 더 빠르게 반응하는 것에 의해 선택적 H2S 제거를 달성한다. H2S-선택성 힌더드 아민은 비-H2S 선택성 아민과 비교할 때, 힌더드 아민과 CO2 사이의 보다 적은 부반응이 일어나기 때문에 시스템에서 H2S를 제거하기 위해 더 적은 아민 분자를 필요로 한다. 또한, 50-80℉의 온도에서, 힌더드 아민과 CO2 사이의 반응이 상당히 느려지며, 그러므로 제1 냉각된 희박 용매 스트림(216)에서 부분 처리된 가스 스트림(210)(약 50℉의 온도로 있는)과 힌더드 아민 사이의 상호 작용은 H2S에 대해 더욱 선택적이다. 본 개시 내용의 양태에 따르면, 그러므로, H2S에 대한 선택성은 (a) 제1 냉 용매 접촉기(214)에 들어가기 전에 제1 희박 용매 스트림(216)을 냉각시키고, (b) 부분 처리된 가스 스트림(210)과 제1 냉각된 희박 용매 스트림(216) 사이의 접촉 시간을 감소시키는 것에 의해 향상될 수 있다. 사워 가스와 아민 사이에 매우 짧은 접촉 시간을 제공하는 것(보다 짧은 팩킹 높이(packing height)를 통해 또는 동방향 접촉기를 사용하여)은 아민이 H2S를 흡수하기에 충분한 시간을 허용하지만, 상당한 양의 CO2와 반응하기에는 접촉 시간이 너무 적다. 그러므로, CO2 슬립이 많을수록, 더욱 적은 용매가 요구된다. 상기 단계(a) 및(b)를 수행하는 것에 의해 H2S 선택성을 향상시키는 것에 의해, 처리된 가스 스트림에서 H2S를 분리하기 위해 보다 높은 온도에서 작동하는 분리기보다 최대 10배 이상까지 훨씬 더 적은 용매 유량이 필요하다는 것이 밝혀졌다. 냉 용매의 사용은 그 개시 내용이 그 전체에 있어서 참조에 의해 본원에 통합되는, "냉 용매 가스 처리 시스템"이라는 명칭의 미국 특허 공개 제2017/0239612호에 추가로 기재되어 있다.
완전 처리된 가스 스트림(218)은 제1 냉 용매 접촉기(214)의 상단을 빠져 나간다. 완전 처리된 가스 스트림(218)은 천연 가스가 농후하고, 산성 가스가 매우 낮다. 때때로 제품 파이프 라인 사양을 충족시키기 위해, 완전 처리된 가스 스트림(218)에서의 CO2 농도는 폴리싱 유닛(220)에서 추가로 감소될 수 있으며, 폴리싱 유닛은 한 양태에서 그 개시 내용이 그 전체에 있어서 참조에 의해 본원에 통합되는, "액체 스트림과 가스 스트림의 접촉"이라는 명칭의 미국 특허 공개 제2015/0352463호에 개시된 것과 같은 동방향 접촉 시스템을 포함할 수 있다. 폴리싱 유닛에서 완전 처리된 가스 스트림(218)으로부터 분리된 이산화탄소 가스 스트림(221)은 압축기(219)에서 재압축되고, 본 명세서에서 추가로 설명된 바와 같이 세정된 CO2 가스 스트림(228)과 조합될 수 있다. 이러한 방식으로, 공급 가스 스트림(202)으로부터 추출된 모든 CO2는 본질적으로 H2S없이 회수할 수 있다. 이러한 CO2 추출 및 회수는 CO2에 대해 준비된 시장에서 특히 유리하다. 완전 처리된 가스 스트림(218)은 탈수 유닛(222)을 통해 추가로 처리되어, 허용 가능한 레벨로 세일 가스 스트림(sales gas stream)의 수분을 감소시킬 수 있다. 제1 농후 용매 스트림(223)은 제1 냉 용매 접촉기(214)의 바닥을 빠져 나간다. 제1 농후 용매 스트림은 제1 냉 용매 접촉기(214)에서 이로부터 분리된 부분 처리된 가스 스트림(210)으로부터의 H2S를 포함한다.
전술한 바와 같이 대략 50%-95%의 CO2 또는 70-95%의 CO2를 포함할 수 있는 투과 가스 스트림(212)은 제2 냉 용매 접촉기(224) 내로 도입된다. 제2 냉 용매 접촉기(224)는 투과 가스 스트림(212)으로부터 H2S를 분리하도록 패킹 층(225)에서 제2 냉각된 희박 용매 스트림(226)과 투과 가스 스트림(212)을 접촉시킨다. 제2 냉각된 희박 용매 스트림(226)은 힌더드 아민을 포함할 수 있고, 바람직한 양태에서 제1 냉각 조성물과 동일한 조성을 가진다. 제2 냉 용매 접촉기(224)는 제1 냉 용매 접촉기(214)와 유사한 방식으로 작동할 수 있고, 간결성을 위해 그 작동에 대해서 본 명세서에서 더 이상 설명하지 않을 것이다. 실질적으로 H2S가 없는 세정된 CO2 가스 스트림(228)은 제2 냉 용매 접촉기(224)의 상단을 빠져 나가서 추가 사용 또는 처리를 위해 환기 또는 운반된다. 제2 농후 용매 스트림(230)은 제2 냉 용매 접촉기(224)의 바닥을 빠져 나간다. 제2 농후 용매 스트림(230)은 제2 냉 용매 접촉기(224)에서 이로부터 분리된 투과 가스 스트림(212)으로부터의 H2S를 포함한다.
제1 및 제2 농후 용매 스트림(223, 230)들은 함유된 용매로부터 H2S(및 잔류 CO2)를 분리하기 위해 재생된다. 바람직한 양태에서, 제1 및 제2 농후 용매 스트림들은 조합되어 재생기(232)로 보내진다. 재생기(232)는 도면 부호 120, 122, 126, 및 128에서 도 1에 각각 도시된 바와 같이 재생 용기, 리보일러, 응축기 및/또는 축적기를 포함할 수 있고, 간결성을 위해 특정 구성 요소들은 더 이상 설명되지 않을 것이다. H2S 농후 가스 스트림(234)은 재생기(232)로부터 분리되고, 공지된 원리에 따라 황 회수 유닛(도시되지 않음)으로 보내질 수 있다. H2S(및 CO2)가 제거된 상태에서, 용매는 이제 제1 및 제2 냉 용매 접촉기(214, 224)로 재순환될 수 있는 재생 또는 희박 용매 스트림(236)을 포함한다. 그러나, 재순환 전에, 희박 용매 스트림은 한 양태에서 프로판 냉장 장치(chiller), 암모니아 냉장고 및/또는 흡수 냉장 장치일 수 있는 냉장 시스템(238)에서 냉각 또는 냉장된다. 냉장 시스템은 희박 용매 스트림(236)을 주변 온도 아래, 즉 50℉ 미만, 45℉ 미만, 또는 40℉ 미만, 또는 35℉ 미만의 온도로 냉각 또는 냉장한다. 이러한 것은 주변 온도 부근에서만 재순환하기 전에 희박 아민을 냉각시키는 공지된 산성 가스 분리 시스템과는 다르다. 전술한 바와 같이, 희박 용매 스트림을 주변 온도 아래로 냉각시키는 것은 필요한 용매 유량을 상당히 감소시킬 수 있다. 제1 및 제2 냉각된 희박 용매 스트림(216, 226)은 냉장 시스템을 빠져 나가, 제1 및 제2 냉 용매 접촉기(214, 224)로 각각 재순환된다.
도 2에 도시된 개시의 양태는 막 분리 시스템(208)에서 가스 팽창에 의해 탈수된 가스 스트림(206)의 냉각에 의존한다. 부분 처리된 가스 스트림(210) 및 투과 가스 스트림(212)의 추가적인 냉각은 제1 및 제2 냉각기(242, 244)들에 의해 제공될 수 있다. 이러한 것은 부분 처리된 가스 스트림(210) 및 투과 가스 스트림(212)의 온도를 제1 및 제2 냉 용매 접촉기(214, 224)들에서 사용하는데 더욱 최적인 온도로 감소시키기 위해 수행될 수 있다.
도 2의 개략도는 사워 가스 분리 시스템(200)이 도 2에 도시된 모든 구성 요소를 포함하는 것을 나타내도록 의도되지 않는다. 또한, 임의의 수의 추가 구성 요소는 특정 구현의 세부 사항에 의존하여 사워 가스 분리 시스템(200) 내에 포함될 수 있다. 예를 들어, 사워 가스 분리 시스템(200)은 특히 임의의 적합한 유형의 히터, 냉장 장치, 응축기, 액체 펌프, 가스 압축기, 필터, 송풍기, 바이패스 라인, 또는 다른 유형의 분리 및/또는 분류 장비, 밸브, 스위치, 제어기, 압력 측정 디바이스, 온도 측정 디바이스, 레벨 측정 디바이스 또는 유량 측정 디바이스를 포함할 수 있다.
도 3은 시스템(200)과 유사한 본 발명의 다른 양태에 따른 사워 가스 분리 시스템(300)의 개략도이다. 시스템(300)은 용매 시스템들이 함께 통합된다는 점에서 시스템(200)과 다르다. 투과물 처리로부터 저부하로(lightly-loaded) 냉각된 용매는 펌핑되어, 공정 가스가 H2S의 더 높은 분압을 가질 것이기 때문에 공정 가스에서 냉 용매를 위한 반희박 용매(semi-lean solvent)로서 사용될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 수분은 탈수기(304)에서 공급 가스 스트림(302)으로부터 제거된다. 탈수된 가스 스트림(306)은 막 분리 시스템(308)을 통과한다. 막 분리 시스템은 공지된 원리에 따라 작동하여, 탈수된 가스 스트림에 존재하는 대부분의 이산화탄소 및 황화수소를 분리한다. 예를 들어, 막 분리 시스템(308)은 6%의 이산화탄소(CO2), 약 500ppm의 황화수소(H2S), 및 잔부가 천연 가스인 조성을 가지는 부분 처리된 가스 스트림(310)을 생성할 수 있다. 막 분리 시스템(308)은 또한 50%-95%의 CO2 및 0.001%-5.0%의 H2S, 또는 70-95%의 이산화탄소 및 0.1-2.0%의 H2S, 및 잔부가 쳔연 가스인 조성을 가지는 투과 가스 스트림(312)을 생성할 수 있다. 부분 처리된 가스 스트림(310)의 온도는 약 50℉로 감소되고 그 압력은 약 500 psig로 감소될 수 있는 반면에, 투과 가스 스트림(312)의 온도는 약 70℉로 감소되고 그 압력은 약 100 psig로 감소될 수 있다.
개시된 양태에 따르면, 부분 처리된 가스 스트림(310)은 제1 냉 용매 접촉기(314) 내로 도입된다. 투과 가스 스트림(312)은 제2 냉 용매 접촉기(324) 내로 도입된다. 제2 냉 용매 접촉기(324)는 투과 가스 스트림(312)으로부터 H2S를 분리하기 위해 냉각된 희박 용매 스트림(326)과 투과 가스 스트림(312)을 접촉시킨다. 냉각된 희박 용매 스트림(326)은 전술한 바와 같이 Flexsorb/SE와 같은 힌더드 아민을 포함할 수 있다. 실질적으로 H2S가 없는 세정된 CO2 가스 스트림(328)은 제2 냉 용매 접촉기(324)의 상단을 빠져 나가서, 추가 사용 또는 처리를 위해 환기 또는 운반된다. 반희박 용매 스트림(330)은 제2 저온 용매 접촉기(324)의 바닥을 빠져 나간다. 반희박 용매 스트림(330)은 제2 저온 용매 접촉기(324)에서 분리된 투과 가스 스트림(312)으로부터의 H2S를 포함한다. 반희박 용매 스트림(330)은 펌프(331)를 사용하여, 부분 처리된 가스 스트림(310)으로부터 H2S를 분리하기 위해 부분 처리된 가스 스트림(310)을 반희박 용매 스트림과 접촉시키는 제1 냉 용매 접촉기(314)로 펌핑된다.
완전 처리된 가스 스트림(318)은 제1 냉 용매 접촉기(314)의 상단을 빠져 나간다. 완전 처리된 가스 스트림(318)은 천연 가스가 농후하고 산성 가스가 매우 낮다. 파이프 라인 사양을 충족시키기 위해, 완전 처리된 가스 스트림(318)에서의 산성 가스 농도는 폴리싱 유닛(320)에서 추가로 감소될 수 있고, 전술한 양태에서와 같이 탈수 유닛(322)을 통해 추가로 처리될 수 있다. 폴리싱 유닛에서 완전 처리된 가스 스트림(318)으로부터 분리된 이산화탄소 가스 스트림(321)은 압축기(319)에서 재압축되고 본 명세서에서 추가로 설명된 바와 같이 세정된 CO2 가스 스트림(328)과 조합될 수 있다. 농후 용매 스트림(323)은 제1 냉 용매 접촉기(314)의 바닥을 빠져 나간다. 농후 용매 스트림은 제1 냉 용매 접촉기(314)에서 이로부터 분리된 부분 처리된 가스 스트림(310)으로부터의 H2S를 포함한다. 양태에서, 냉각된 희박 용매 스트림(326)의 슬립 스트림(326a)은 반희박 용매 스트림(330) 위의 제1 냉 용매 접촉기(314)의 상단으로 보내져, 부분 처리된 가스 스트림에서 H2S를 추가로 감소시킨다.
농후 용매 스트림(323)은 농후 용매 스트림에 있는 용매로부터 H2S(및 CO2)를 분리하는 재생기(332)에서 재생된다. 재생기(332)는 각각 도면 부호 120, 122, 126 및 128에서 도 1에 도시된 바와 같이 재생 용기, 리보일러, 응축기 및/또는 축적기를 포함할 수 있으며, 간결성을 위해 특정 구성 요소는 더 이상 설명되지 않을 것이다. H2S 농후 가스 스트림(334)은 재생기(332)로부터 분리되고, 공지된 원리에 따라 황 회수 유닛(도시되지 않음)으로 보내질 수 있다. H2S가 제거된 상태에서, 용매는 이제 제2 냉 용매 접촉기(324)로 재순환될 수 있는 희박 용매 스트림(336)을 포함한다. 그러나, 재순환 전에, 희박 용매 스트림은 주변 온도 아래의 온도, 즉 50℉ 미만, 45℉ 미만, 또는 40℉ 미만, 또는 35℉ 미만의 온도로 희박 용매 스트림(336)을 냉각 또는 냉장시키는 냉장 시스템(338)에서 냉각 또는 냉장된다. 이러한 것은 주변 온도 부근에서만 재순환하기 전에 희박 아민을 냉각시키는 공지된 산성 가스 분리 시스템과는 다르다. 전술한 바와 같이, 희박 용매 스트림을 주변 온도 아래로 냉각시키는 것은 필요한 용매 유량을 상당히 감소시킬 수 있다. 냉각된 희박 용매 스트림(326)은 냉장 시스템을 빠져 나가, 제2 냉 용매 접촉기로 재순환된다.
도 3에 도시된 본 개시 내용의 양태는 막 분리 시스템(308)에 의해 탈수된 가스 스트림(306)의 냉각에 의지한다. 부분 처리된 가스 스트림(310) 및 투과 가스 스트림(312)의 추가 냉각은 먼저 제1 및 제2 냉각기(342, 344)들에 의해 각각 제공된다. 이러한 것은 부분 처리된 가스 스트림(310) 및 투과 가스 스트림(312)의 온도를 제1 및 제2 냉 용매 접촉기(314, 324)들에서 사용하는데 더욱 최적인 온도로 감소시키기 위해 수행될 수 있다.
도 3의 개략도는 사워 가스 분리 시스템(300)이 도 3에 도시된 모든 구성 요소를 포함한다는 것을 나타내도록 의도되지 않는다. 또한, 임의의 수의 추가 구성 요소가 특정 구현의 세부 사항에 의존하여 사워 가스 분리 시스템(300) 내에 포함될 수 있다. 예를 들어, 사워 가스 분리 시스템(300)은 특히 임의의 적합한 유형의 히터, 냉장 장치, 응축기, 액체 펌프, 가스 압축기, 필터, 송풍기, 바이패스 라인, 또는 다른 유형의 분리 및/또는 분류 장비, 밸브, 스위치, 제어기, 압력 측정 디바이스, 온도 측정 디바이스, 레벨 측정 디바이스 또는 유량 측정 디바이스를 포함할 수 있다.
도 4는 단일 냉 용매 접촉기(402)가 막 시스템(404)의 상류에서 전개되는 본 발명의 다른 양태에 따른 사워 가스 분리 시스템(400)을 도시한다. 이 양태에서, 공급 가스 스트림(405)은 막 시스템(404)으로부터의 출구의 하나 이상과 교차 교환하는 것에 의해 열교환기(406)에서 냉각될 수 있으며, 열교환기는 완전 처리된 가스 스트림(408) 및/또는 투과 가스 스트림(410)을 포함할 수 있다. 열교환기(406)에서 약 50℉로 냉각된 후에, 예를 들어, 냉각된 가스 스트림으로 간주될 수 있는 공급 가스 스트림(405)은 냉장 시스템 또는 냉장 장치(407)에서 더 냉각되고 냉 용매 접촉기(402) 내로 도입될 수 있다. 냉 용매 접촉기(402)는 공급 가스 스트림(405)으로부터 H2S를 분리하기 위해 공지된 원리에 따라서 공급 가스 스트림(405)을 희박 용매 스트림(412)과 접촉시킨다. 희박 용매 스트림(412)은 전술한 바와 같이 CO2보다 H2S와 더 빠르게 반응하는 것에 의해 선택적 H2S 제거를 달성하는 힌더드 아민을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 사워 가스와 아민 사이에 매우 짧은 접촉 시간을 제공하는(예를 들어, 더 짧은 팩킹 높이를 통해 또는 동방향 접촉기를 사용하여) 것은 아민이 H2S를 흡수하기에 충분한 시간을 허용하지만, 적절한 양의 CO2와 반응하기에는 접촉 시간이 너무 적다. 그러므로, CO2 슬립이 많을수록, 더욱 적은 용매가 요구된다.
부분 처리된 가스 스트림(414)은 냉 용매 접촉기(402)의 상부를 빠져 나간다. 탈수기(416)는 부분 처리된 가스 스트림(414)으로부터 수분을 제거하고, 처리된 가스 스트림은 그런 다음 막 분리 시스템(404) 내로 도입된다. 막 시스템(404)은 공지된 원리에 따라서 부분 처리된 가스 스트림(414)에 존재하는 대부분의 이산화탄소 및 황화수소를 분리하기 위해 작동한다. 예를 들어, 막 시스템(404)은 약 30℉의 온도 및 약 500 psig의 압력에서 2%-6%의 CO2의 조성을 가지는 완전 처리된 가스 스트림(408)을 생성할 수 있다. 막 분리 시스템(404)은 또한 50%-95%의 CO2 또는 70-95%의 CO2, 및 잔부가 H2S가 없거나 거의 없는 주로 천연 가스인 조성을 가지는 투과 가스 스트림(410)을 생성할 수 있다. 파이프 라인 사양을 충족시키기 위해, 세일 가스 스트림(408)에서의 H2S 농도는 전술한 바와 같이 폴리싱 유닛(418)에서 추가로 감소될 수 있다. 폴리싱 유닛에서 처리된 가스 스트림(414)으로부터 분리된 이산화탄소 가스 스트림(419)은 압축기(421)에서 재압축되고 투과 가스 스트림(410)과 조합될 수 있다. 농후 용매 스트림(420)은 냉 용매 접촉기의 바닥을 빠져 나간다. 농후 용매 스트림(420)은 냉 용매 접촉기(402)에서 이로부터 분리된 공급 가스 스트림(405)으로부터의 H2S를 포함한다. 농후 용매 스트림(420)은 용매로부터 H2S(적어도 일부의 CO2)를 분리하는 재생기(422)로 공급된다. H2S 농후 가스 스트림(424)은 재생기(422)를 빠져 나가, 공지된 원리에 따라 황 회수 유닛(도시되지 않음)으로 보내질 수 있다. 희박 용매 스트림(412)은 냉 용매 접촉기(402)로 재순환되기 전에 냉동 시스템 또는 냉장 장치(423)에 의해 냉각될 수 있다.
도 4의 개략도는 사워 가스 분리 시스템(400)이 도 4에 도시된 모든 구성 요소를 포함한다는 것을 나타내도록 의도되지 않는다. 또한, 임의의 수의 추가 구성 요소가 특정 구현의 세부 사항에 의존하여 사워 가스 분리 시스템(400) 내에 포함될 수 있다. 예를 들어, 사워 가스 분리 시스템(400)은 특히 임의의 적합한 유형의 히터, 냉장 장치, 응축기, 액체 펌프, 가스 압축기, 필터, 송풍기, 바이패스 라인, 또는 다른 유형의 분리 및/또는 분류 장비, 밸브, 스위치, 제어기, 압력 측정 디바이스, 온도 측정 디바이스, 레벨 측정 디바이스 또는 유량 측정 디바이스를 포함할 수 있다.
도 4에 개시된 양태는 몇 가지 장점을 가진다. 예를 들어, 본 명세서의 다른 도면에 도시된 바와 같이 2개의 냉 용매 접촉기 및 2 내지 3개의 탈수 시스템과는 대조적으로, 단일 냉 용매 접촉기 및 탈수 시스템만이 요구될 것이다. 탈수는 고압 및 저온에서 이루어지며, 여기에서 가스는 특히 저압 투과 시스템에 대해 적은 양의 수분을 포함한다. 전체 막 시스템은 H2S가 없이 작동하고, 이에 의해 공장 안전을 개선한다. 추가적으로, 막 시스템으로의 공급 가스는 이제 더욱 차가울 수 있으며, 이는 투과 종에 대한 선택성을 증가시켜서, CO2 스트림은 낮은 탄화수소 함량을 가진다. 이러한 마지막 장점은 도시된 양태와 함께 사용하기 위해 본 명세서에 개시된 특정 냉 용매(들)의 사용에 관계없이 적용 가능할 수 있다.
본 개시 내용 전체에 걸쳐 "부분적으로 처리된" 및 "완전히 처리된" 가스 스트림이 참조된다. 이들 용어는 서로에 대해 상대적인 것이며, 이들 용어의 사용이 완전 처리된 가스 스트림이 추가 공정 또는 처리를 받을 수 없다는 것을 의미하지는 않는다.
도 2 내지 도 4에 도시되고 본 명세서에 기술된 냉 용매 접촉기는 위로 이동 가스 스트림이 팩킹 섹션에서 아래로 이동 용매와 접촉하는 종래의 접촉 용기로서 도시되어 있다. 본 개시 내용의 양태에 따르면, 팩킹 섹션들의 높이는 용매에 의한 CO2의 흡수를 최소화하기 위해 감소된다. 다른 양태에서, 개시된 냉 용매 접촉기 중 임의의 것은 가스 스트림이 접촉하는 용매와 동일한 방향으로 이동하는 동방향 유동 방식에 따라서 작동할 수 있다. 동방향 유동 방식은 파이프 내에서 병렬로, 직렬로, 또는 병렬 및 직렬 구성의 조합으로 연결된 하나 이상의 동방향 접촉 시스템을 포함할 수 있다. 천연 가스 스트림 및 용매 스트림은 각각의 동방향 접촉 시스템 내에서 함께, 즉 동방향으로 이동할 수 있다. 일반적으로, 동방향 접촉기는 역류 접촉 시스템보다 훨씬 높은 유체 속도로 작동할 수 있다. 그 결과, 동방향 접촉 시스템은 팩킹 또는 트레이와 함께 표준 타워를 사용하는 역류 접촉기보다 작은 경향이 있다. 또한, 동방향 접촉 시스템은 동등한 처리 용량의 종래의 압력 용기보다 작고, 그러므로 모듈식 설계/시공, 해상 전개, 병목 제거 적용 및 시각적 오염이 중요한 적용에 더욱 적합하다. 선택적 H2S 및/또는 CO2 분리 적용에서, 2 내지 3개의 동방향 접촉 시스템은 직렬로 사용되어, 상기 불순물을 가스 스트림으로부터 분리할 수 있다. 추가적으로, 개시된 양태에서 수행되는 탈수 및/또는 폴리싱 단계는 하나 이상의 동방향 접촉 시스템에 의해 수행될 수 있다.
도 5는 동방향 접촉 시스템(500)을 보다 상세히 도시한다. 동방향 접촉 시스템(500)은 천연 가스 스트림(501)과 같은 가스 스트림 내의 성분의 분리를 제공할 수 있다. 동방향 접촉 시스템(500)은 파이프(504) 내에서 일렬로 위치된 동방향 접촉기(502)를 포함할 수 있다. 동방향 접촉기(502)는 천연 가스 스트림(501)으로부터 황화수소(H2S)의 분리를 위해, 희박 용매 스트림(505)과 같은 액적 스트림을 천연 가스 스트림(501)과 같은 유동 가스 스트림과 효율적으로 접촉시키기 위해 다수의 구성 요소를 포함할 수 있다.
동방향 접촉기(502)는 액적 발생기(508) 및 물질 전달 섹션(mass transfer section)(510)을 포함할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 천연 가스 스트림(501)은 파이프(504)를 통해 액적 발생기(508) 내로 유동될 수 있다. 희박 용매 스트림(505)은 또한 액적 발생기(508)에 있는 유동 채널(516)들에 결합된 중공 공간(514)을 통해 액적 발생기(508) 내로 유동될 수 있다.
유동 채널(516)들로부터, 희박 용매 스트림(505)은 주입 오리피스(518)를 통해 미세 액적으로서 천연 가스 스트림(501)으로 배출되고, 그런 다음 물질 전달 섹션(510) 내로 유동된다. 이러한 것은 물질 전달 섹션(510) 내에서 처리된 가스 스트림(520)의 발생을 초래할 수 있다. 처리된 가스 스트림(520)은 기체상(gas phase)으로 분산된 작은 액적을 포함할 수 있다. H2S 분리 공정을 위하여, 액적은 희박 용매 스트림(505)에 흡수되거나 용해된 천연 가스 스트림(501)으로부터의 H2S 분자를 포함할 수 있다.
처리된 가스 스트림(520)은 물질 전달 섹션(510)으로부터 사이클론 분리기(523) 및 수집기(524)를 포함하는 분리 시스템(522)으로 유동될 수 있다. 대안적으로, 분리 시스템은 메쉬 스크린 또는 침강 용기를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 인라인 사이클론 분리기는 콤팩트화 및 감소된 직경의 이점을 실현하기 위해 사용될 수 있다. 사이클론 분리기(523)는 기체상으로부터 액적을 제거한다. 전술한 바와 같이, 희박 용매 스트림(505)에 흡수 또는 용해된 H2S를 포함할 수 있는 액적은 수집기(524)로 전환되고, 수집기는 수집된 액체를 농후 용매 스트림(517)으로서 재생기(도시되지 않음)로 보낸다. 압력 균등화 라인(532)은 수집기(524)로부터 연장되고, 수집기에서의 가스가 분리 시스템(522)으로 복귀하는 것을 가능하게 하도록 작동할 수 있다. 양태에서, 이러한 가스는 분리 시스템(522) 내부에 위치된 노즐(533) 또는 이덕터(eductor)를 통해 유동한다. H2S 및 농후 용매가 분리된, 처리된 가스 스트림(534)은 파이프(504)와 일직선 배향으로 분리 시스템(522)을 빠져 나간다. 질량%로 측정될 때, 처리된 가스 스트림(534)에서의 H2S의 양은 천연 가스 스트림(501)에서의 H2S의 양보다 적다.
도 6a는 개시된 양태에 따른 액적 발생기(508)의 정면도이다. 액적 발생기(508)는 동방향 접촉기 내에서, 예를 들어, 도 5의 동방향 접촉 시스템(500)과 관련하여 설명된 동방향 접촉기(502)에서 구현될 수 있는 접촉 디바이스이다. 액적의 정면도 생성기(508)는 액적 발새기의 상류 도면을 나타낸다.
액적 발생기(508)는 외부 환형 지지 링(602), 환형 지지 링(602)으로부터 연장되는 다수의 스포크(604)(spoke), 및 가스 진입 원뿔(606)을 포함할 수 있다. 환형 지지 링(602)은 파이프 내에서 액적 발생기(508)를 일직선으로 고정할 수 있다. 아울러, 스포크(604)들은 가스 진입 원뿔(606)을 지지할 수 있다.
환형 지지 링(602)은 플랜지형 연결, 또는 파이프 내부에서 제거 가능하거나 고정된 슬리브로서 설계될 수 있다. 아울러, 환형 지지 링(602)은 도 6c 및 도 6d와 관련하여 추가로 설명되는 액체 공급 시스템 및 중공 채널을 포함할 수 있다. 희박 용매 스트림(505)과 같은 액체 스트림은 환형 지지 링(602)에서의 중공 채널을 통해 액적 발생기(508)에 공급될 수 있다. 희박 용매 스트림(505)은 Flexsorb/SE와 같은 용매를 포함할 수 있다. 중공 채널은 액적 발생기(508)의 주변을 따라서 액체 스트림의 균일한 분포를 가능하게 할 수 있다.
환형 지지 링(602) 내의 작은 액체 채널들은 희박 용매 스트림이 스포크(604) 내의 액체 주입 오리피스(608)들을 통해 유동하도록 유동 경로를 제공할 수 있다. 액체 주입 오리피스(608)들은 각각의 스포크(604)의 선단에 또는 그 부근에 위치될 수 있다. 스포크(604)들 상에서 액체 주입 오리피스(608)들의 배치는 희박 용매 스트림이 스포크(604)들 사이로 향하는 가스 스트림에 균일하게 분포되는 것을 가능하게 할 수 있다. 구체적으로, 희박 용매 스트림은 스포크(604)들 사이의 갭을 통해 유동하는 천연 가스 스트림(501)의 부분에 의해 접촉될 수 있으며, 작은 액적으로 전단되고 기체상으로 혼입될 수 있다.
천연 가스 스트림의 일부는 스포크들 사이에서 물질 전달 섹션으로 유동하는 한편, 가스 스트림의 나머지는 가스 입구(612)를 통해 가스 진입 원뿔(606) 내로 유동한다. 가스 진입 원뿔(606)은 파이프의 단면 부분을 차단할 수 있다. 스포크(604)들은 천연 가스 스트림이 가스 진입 원뿔(606)로부터 밖으로 유되는 것을 가능하게 하는 가스 배출 슬롯(610)들을 포함한다. 이러한 것은 천연 가스 스트림이 파이프를 통해 유동함에 따라 천연 가스 스트림의 속도를 증가시킬 수 있다. 가스 진입 원뿔(606)은 사전 결정된 양의 천연 가스 스트림을 스포크(604)들 상의 가스 배출 슬롯(610)들로 보낼 수 있다.
스포크(604)들을 통해 주입된 희박 용매 스트림 중 일부는 스포크(604)들의 표면에 액체 막으로서 피착될 수 있다. 천연 가스 스트림이 가스 진입 원뿔(606)을 통해 유동하고 스포크(604)들 상의 가스 배출 슬롯(610)들로부터 밖으로 보내짐에 따라서, 천연 가스 스트림은 스포크(604)들의 표면으로부터 많은 액체 막을 쓸어 내거나 날려버릴 수 있다. 이러한 것은 기체상으로의 희박 용매 스트림의 분산을 향상시킬 수 있다. 또한, 천연 가스 스트림의 유동에 대한 방해 및 가스 배출 슬롯들을 통한 천연 가스 스트림 가스의 배출에 의해 생성된 전단 효과는 난류 소실률이 증가된 구역을 제공할 수 있다. 이러한 것은 더욱 작은 액적의 생성을 초래할 수 있으며, 이는 희박 용매 스트림과 천연 가스 스트림 사이의 물질 전달율을 향상시킨다.
액적 발생기(508)의 다양한 구성 요소의 치수는 천연 가스 스트림이 고속으로 유동하도록 변경될 수 있다. 이러한 것은 환형 지지 링(602)의 직경에서의 급격한 감소 또는 환형 지지 링(602)의 직경에서의 점진적인 감소를 통해 달성될 수 있다. 액적 발생기(508)의 외벽은 형상이 약간 수렴되어, 천연 가스 스트림 및 희박 용매 스트림이 하류 파이프 내로 배출되는 지점에서 끝난다. 이러한 것은 액적 발생기(508)로부터 제거된 임의의 용매 막의 전단 및 재혼입(re-entrainment)을 허용할 수 있다. 또한, 반경 방향 내향 링, 그루브 표면, 또는 다른 적절한 장비는 천연 가스 스트림 및 희박 용매 스트림이 하류 파이프 내로 배출되는 지점 부근에서 액적 발생기(508)의 외경에 포함될 수 있다. 이러한 것은 기체상 내의 액체 혼입의 정도를 향상시킬 수 있다.
액적 발생기(508)의 하류 단부는 파이프(도시되지 않음)의 섹션 내로 배출될 수 있다. 파이프의 섹션은 파이프의 직선 섹션이거나 파이프의 동심원으로 확장되는 섹션일 수 있다. 가스 진입 원뿔(606)은 무딘 단부형 원뿔 또는 테이퍼 단부형 원뿔로 끝날 수 있다. 다른 양태에서, 가스 진입 원뿔(606)은 액적 생성을 위한 다수의 위치를 제공하는, 원뿔을 따르는 다수의 동심 융기부를 포함할 수 있는 융기 원뿔로 끝날 수 있다. 아울러, 액적 발생기(508)로부터 용매 막을 제거할 수 있도록 임의의 수의 가스 배출 슬롯(610)들이 원뿔 자체에 제공될 수 있다.
도 6b는 액적 발생기(508)의 측면 사시도이다. 유사한 도면 부호의 물품은 도 6a와 관련하여 설명된 바와 같다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 가스 진입 원뿔(606)의 상류 부분은 환형 지지 링(602) 및 스포크(604)들보다 상류 방향으로 파이프 내로 더 연장될 수 있다. 가스 진입 원뿔(606)의 하류 부분은 또한 환형 지지 링(602) 및 스포크(604)들보다 하류 방향으로 파이프 내로 더 연장될 수 있다. 하류 방향으로의 가스 진입 원뿔(606)의 길이는 도 6c 및 도 6d와 관련하여 더욱 설명되는 바와 같이 가스 진입 원뿔(606)의 단부에서의 원뿔의 유형에 의존한다.
도 6c는 개시된 양태에 따른 액적 발생기(508)의 측단면 사시도이다. 유사한 도면 부호의 물품은 도 6a 및 도 6b와 관련하여 설명된 바와 같다. 도 6c에 따르면, 액적 발생기(508)의 가스 진입 원뿔(606)은 테이퍼 종단형 원뿔(614)로 끝난다. 테이퍼 종단형 원뿔(614)로 가스 진입 원뿔(606)을 끝내는 것은 액적 발새기(508)에 의해 야기되는 파이프에서의 전체 압력 강하를 감소시킬 수 있다.
도 6d는 다른 개시된 양태에 따른 액적 발생기(508a)의 측단면 사시도이다. 유사한 도면 부호의 물품은 도 6a 내지 도 6c와 관련하여 설명된 바와 같다. 도 6d에 따르면, 액적 발생기(508a)의 가스 진입 원뿔(606a)은 무딘 단부형 원뿔(616)로 끝난다. 무딘 단부형 원뿔(616)로 가스 진입 원뿔(606a)을 끝내는 것은 파이프의 중앙에서 액적 형성을 고취할 수 있다.
도 7은 개시된 양태에 따라 천연 가스 스트림으로부터 불순물을 분리하는 방법(700)의 흐름도이다. 블록(702)에서, 이산화탄소(CO2) 및 황화수소(H2S)는 막 분리 시스템에서 천연 가스 스트림으로부터 분리되고, 이에 의해 부분 처리된 가스 스트림 및 투과 가스 스트림을 생성한다. 투과 가스 스트림은 주로 H2S 및 CO2로 구성된다. 부분 처리된 가스 스트림은 주로 천연 가스로 구성된다. 부분 처리된 가스 스트림 및 투과 가스 스트림은 천연 가스 스트림보다 낮은 온도에 있다. 블록(704)에서, 부분 처리된 가스 스트림은 제1 접촉기에서 제1 희박 용매 스트림과 접촉하여 부분 처리된 가스 스트림으로부터 H2S를 분리하고, 이에 의해 제1 농후 용매 스트림 및 완전 처리된 가스 스트림을 생성한다. 블록(706)에서, 투과 가스 스트림은 제2 접촉기에서 제2 희박 용매 스트림과 접촉하여 이로부터 H2S를 분리하여, 제2 농후 용매 스트림 및 CO2 가스 스트림을 생성하고; 블록(708)에서, H2S는 제1 및 제2 농후 용매 스트림들로부터 제거되고, 이에 의해 제1 및 제2 희박 용매 스트림을 생성한다.
도 8은 본 개시 내용의 양태에 따라 천연 가스 스트림으로부터 불순물을 분리하는 방법(800)의 흐름도이다. 블록(802)에서, 천연 가스 스트림은 냉각된 가스 스트림을 생성하기 위해 하나 이상의 공정 스트림과의 열교환을 통해 냉각된다. 블록(804)에서, 냉각된 가스 스트림은 접촉기에서 희박 용매 스트림과 접촉되어 냉각된 가스 스트림으로부터 황화수소(H2S)를 분리하고, 이에 의해 농후 용매 스트림 및 부분 처리된 가스 스트림을 생성한다. 블록(806)에서, H2S 및 적어도 일부 CO2가 농후 용매 스트림으로부터 제거되어 희박 용매 스트림을 생성한다. 블록(808)에서, 희박 용매 스트림이 접촉기로 재순환된다. 블록(810)에서, CO2 및 H2S가 막 분리 시스템에서 부분 처리된 가스 스트림으로부터 분리되어, 완전 처리된 가스 스트림 및 투과 가스 스트림을 생성한다. 투과 가스 스트림은 주로 H2S 및 CO2로 구성된다. 완전 처리된 가스 스트림은 주로 천연 가스로 구성된다. 완전 처리된 가스 스트림 및 투과 가스 스트림은 부분 처리된 가스 스트림보다 낮은 온도에 있다. 완전 처리된 가스 스트림 및 투과 가스 스트림은 하나 이상의 공정 스트림을 포함한다.
도 7 및 도 8에 도시된 단계들은 단지 예시적인 목적으로 제공되며, 개시된 방법을 수행하기 위해 특정 단계가 요구되지 않을 수 있다. 더욱이, 도 7 및 도 8은 수행될 수 있는 모든 단계를 도시하지 않을 수 있다. 청구범위, 및 청구범위만이 개시된 시스템 및 방법을 한정한다.
본 명세서에 설명된 양태들은 공지된 기술 이상의 몇몇 장점을 가진다. 예를 들어, 설명된 기술은 사워 천연 가스를 처리하는 시스템의 크기 및 비용을 크게 감소시킬 수 있다.
본 개시 내용의 양태는 다음의 번호가 매겨진 단락에 도시된 방법 및 시스템의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 것은 임의의 수의 변형이 상기 설명으로부터 구상될 수 있음에 따라서 가능한 모든 양태의 완전한 목록으로 간주되지 않는다.
1. 천연 가스 스트림으로부터 불순물을 분리하는 방법으로서,
막 분리 시스템에서 상기 천연 가스 스트림으로부터 이산화탄소(CO2) 및 황화수소(H2S)를 분리하고, 이에 의해 부분 처리된 가스 스트림 및 투과 가스 스트림을 생성하는 단계로서, 상기 투과 가스 스트림은 주로 H2S 및 CO2로 구성되고, 상기 부분 처리된 가스 스트림은 주로 천연 가스로 구성되며, 상기 부분 처리된 가스 스트림 및 상기 투과 가스 스트림은 상기 천연 가스 스트림보다 낮은 온도에 있는, 상기 단계;
제1 접촉기에서 상기 부분 처리된 가스 스트림을 제1 희박 용매 스트림과 접촉시켜, 상기 부분 처리된 가스 스트림으로부터 H2S를 분리하고, 이에 의해 제1 농후 용매 스트림 및 완전 처리된 가스 스트림을 생성하는 단계;
제2 접촉기에서 상기 투과 가스 스트림을 제2 희박 용매 스트림과 접촉시켜 상기 투과 가스 스트림으로부터 H2S를 분리하여, 제2 농후 용매 스트림 및 CO2 가스 스트림을 생성하는 단계; 및
상기 제1 및 제2 농후 용매 스트림들로부터 H2S 및 CO2를 제거하고, 이에 의해 제1 및 제2 희박 용매 스트림들을 생성하는 단계를 포함하는 방법.
2. 단락 1에 있어서,
상기 부분 처리된 가스 스트림이 상기 제1 희박 용매 스트림에 의해 접촉되기 전에 상기 부분 처리된 가스 스트림을 냉각시키는 단계; 및
상기 투과 가스 스트림이 상기 제2 희박 용매 스트림에 의해 접촉되기 전에 상기 투과 가스 스트림을 냉각시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
3. 단락 2에 있어서, 상기 부분 처리된 가스 스트림 및 상기 투과 가스 스트림을 냉각시키는 단계는 하나 이상의 냉각기를 사용하여 달성되는 방법.
4. 단락 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 희박 용매 스트림들 중 적어도 하나로부터 H2S를 제거한 후 상기 제1 및 제2 희박 용매 스트림들 중 적어도 하나를 주변 온도 아래로 냉각시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
5. 단락 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 농후 용매 스트림들로부터 H2S를 제거하는 단계는 재생기에서 상기 제1 및 제2 농후 용매 스트림들로부터 H2S를 분리하고 재생된 용매 스트림을 생성하는 단계를 포함하는 방법.
6. 단락 5에 있어서,
상기 재생된 용매 스트림을 분할하여 상기 제1 및 제2 희박 용매 스트림을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
7. 단락 5에 있어서,
상기 재생된 용매 스트림으로부터 상기 제2 희박 용매 스트림을 형성하는 단계; 및
상기 제2 농후 용매 스트림으로부터 상기 제1 희박 용매 스트림을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
8. 단락 1에 있어서,
상기 완전 처리된 가스 스트림으로부터 산성 가스를 제거하는 단계; 및
상기 완전 처리된 스트림을 탈수시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
9. 단락 8에 있어서, 상기 산성 가스는 CO2를 포함하고, 상기 방법은,
상기 완전 처리된 가스 스트림으로부터 제거된 CO2를 압축하는 단계; 및
상기 압축된 CO2를 상기 CO2 가스 스트림과 결합하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
10. 단락 1 내지 단락 9 중 어느 한 단락에 있어서, 상기 제1 및 제2 접촉기들 중 적어도 하나는 동방향 접촉 시스템(co-current contacting system)이며,
파이프 내에 일직선으로 위치된 동방향 접촉 시스템에서, 상기 천연 가스 스트림 및 상기 투과 가스 스트림 중 하나를 포함하는 가스 스트림, 및 상기 제1 및 제2 희박 용매 스트림들 중 하나를 포함하는 액체 스트림을 수용하는 단계로서, 상기 동방향 접촉 시스템은 액적 발생기 및 물질 전달 섹션(mass transfer section)을 포함하는, 상기 단계;
상기 액적 발생기를 사용하여, 상기 액체 스트림으로부터 액적을 발생시키고, 상기 액적을 상기 가스 스트림으로 분산시키는 단계;
상기 물질 전달 섹션을 사용하여 기체상(vapor phase) 및 액체상을 가지는 혼합된 2상 유동을 제공하는 단계로서, 상기 액체상은 상기 가스 스트림으로부터 H2S 및/또는 CO2가 흡수된 액체상 스트림을 포함하고, 상기 기체상은 가스 스트림을 포함하는, 상기 단계; 및
상기 액체상으로부터 상기 기체상을 분리하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
11. 단락 10에 있어서, 상기 액적 발생기는:
상기 파이프 내에서 상기 액적 발생기를 일직선으로 고정하는 환형 지지 링;
상기 환형 지지 링으로부터 연장되는 복수의 스포크로서, 상기 환형 지지 링은 상기 액체 스트림이 상기 복수의 스포크를 통해 상기 복수의 스포크 상에 배치된 주입 오리피스들로부터 밖으로 유동하는 것을 허용하는 복수의 액체 채널을 가지는, 상기 복수의 스포크; 및
상기 복수의 스포크에 의해 지지되는 가스 진입 원뿔을 포함하며; 상기 가스 진입 원뿔은,
상기 가스 스트림의 제1 부분이 상기 가스 진입 원뿔의 중공 섹션을 통해, 그리고 상기 복수의 스포크에 포함된 가스 배출 슬롯들을 통해 유동하는 것을 허용하고;
상기 가스 스트림의 제2 부분이 상기 가스 진입 원뿔 주위로, 그리고 상기 복수의 스포크 사이에서 유동하는 것을 허용하며, 상기 가스 스트림의 제2 부분은 상기 가스 스트림의 제1 부분으로부터 분리되는 방법.
12. 단락 10 또는 단락 11에 있어서, 상기 동방향 접촉 시스템은 직렬로 연결된 복수의 동방향 접촉 시스템 중 하나이며, 상기 복수의 동방향 접촉 시스템은 마지막 동방향 접촉 시스템을 포함하며;
상기 복수의 동방향 접촉 시스템의 각각은:
상기 액적 발생기 및 물질 전달 섹션을 포함하는 동방향 접촉기로서, 상기 액적 발새기는 상기 액체 스트림의 액적을 생성하고 이전의 동방향 접촉 시스템으로부터 수용된 가스 스트림 내로 상기 액적을 분산시키며; 상기 물질 전달 섹션은 기체상 및 액체상을 가지는 혼합된 2상 유동을 제공하는, 상기 동방향 접촉기; 및
상기 기체상을 상기 액체상으로부터 분리하는 분리 시스템으로서, 상기 기체상은 처리된 가스 스트림을 포함하고, 상기 액체상은 액체를 포함하되, 상기 액체로부터 액적이 이전의 동방향 접촉 시스템의 동방향 접촉기에서 발생되는, 상기 분리 시스템을 포함하는 방법.
13. 단락 1 내지 단락 12 중 어느 한 단락에 있어서, 상기 희박 용매 스트림이 힌더드 아민(Hindered amine)을 포함하는 방법.
14. 천연 가스 스트림으로부터 불순물을 분리하기 위한 시스템으로서,
천연 가스 스트림으로부터 이산화탄소(CO2) 및 황화수소(H2S)를 분리하고, 이에 의해 부분 처리된 가스 스트림 및 투과 가스 스트림을 생성하도록 구성되는 막 분리 시스템으로서, 상기 투과 가스 스트림은 주로 H2S 및 CO2로 구성되고, 상기 부분 처리된 가스 스트림은 주로 천연 가스로 구성되며, 상기 부분 처리된 가스 스트림 및 상기 투과 가스 스트림은 상기 천연 가스 스트림보다 낮은 온도에 있는, 상기 막 분리 시스템;
상기 부분 처리된 가스 스트림을 제1 희박 용매 스트림과 접촉시켜 상기 부분 처리된 가스 스트림으로부터 H2S를 분리하고, 이에 의해 제1 농후 용매 스트림 및 완전 처리된 가스 스트림을 생성하도록 구성된 제1 접촉기;
상기 투과 가스 스트림을 제2 희박 용매 스트림과 접촉시켜 상기 투과 가스 스트림으로부터 H2S를 분리하여 제2 농후 용매 스트림 및 CO2 가스 스트림을 생성하도록 구성된 제2 접촉기; 및
상기 제1 및 제2 농후 용매 스트림들로부터 H2S 및 CO2를 제거하고, 이에 의해 제1 및 제2 희박 용매 스트림들을 생성하도록 구성된 재생기를 포함하는 시스템.
15. 단락 14에 있어서,
상기 부분 처리된 가스 스트림이 상기 제1 희박 용매 스트림에 의해 접촉되기 전에 상기 부분 처리된 가스 스트림을 냉각시키도록 구성된 제1 냉각기; 및
상기 투과 가스 스트림이 상기 제2 희박 용매 스트림에 의해 접촉되기 전에 상기 투과 가스 스트림을 냉각시키도록 구성된 제2 냉각기를 추가로 포함하는 시스템.
16. 단락 14 또는 단락 15에 있어서, 상기 제1 및 제2 희박 용매 스트림 중 적어도 하나로부터 H2S를 제거한 후에 상기 제1 및 제2 희박 용매 스트림 중 적어도 하나를 주변 온도 아래로 냉각시키도록 구성된 냉장 시스템을 추가로 포함하는 시스템.
17. 단락 14 내지 단락 16 중 어느 한 단락에 있어서,
상기 완전 처리된 가스 스트림으로부터 산성 가스를 제거하도록 구성된 폴리 셔(polisher); 및
싱기 완전 처리된 스트림으로부터 수분을 제거하도록 구성된 탈수기를 추가로 포함하는 시스템.
18. 단락 17에 있어서, 상기 산성 가스는 CO2를 포함하고,
상기 완전 처리된 가스 스트림으로부터 제거된 CO2를 압축하도록 구성된 압축기를 추가로 포함하는 시스템.
19. 단락 14 내지 단락 18 중 어느 한 단락에 있어서, 상기 제1 및 제2 접촉기들 중 적어도 하나는 파이프 내에 일직선으로 위치된 동방향 접촉 시스템이며, 상기 동방향 접촉 시스템은 상기 천연 가스 스트림 및 상기 투과 가스 스트림 중 하나를 포함하는 가스 스트림, 및 상기 제1 및 제2 희박 용매 스트림 중 하나를 포함하는 액체 스트림을 수용하며; 상기 동방향 접촉 시스템은,
액적 발생기 및 물질 전달 섹션을 포함하는 동방향 접촉기로서, 상기 액적 발생기는 상기 액체 스트림으로부터 액적을 생성하고 상기 액적을 상기 가스 스트림으로 분산시키도록 구성되며, 상기 물질 전달 섹션은 기체상 및 액체상을 가지는 혼합된 2상 유동을 제공하도록 구성되고, 상기 액체상은 상기 가스 스트림으로부터 H2S 및/또는 CO2가 흡수된 액체 스트림을 포함하고, 상기 기체상은 상기 가스 스트림을 포함하는, 상기 동방향 접촉기; 및
상기 액체상으로부터 상기 기체상을 분리하도록 구성된 분리 시스템을 포함하는 시스템.
20. 단락 19에 있어서, 상기 액적 발생기는:
상기 파이프 내에서 상기 액적 발생기를 일직선으로 고정하는 환형 지지 링;
상기 환형 지지 링으로부터 연장되는 복수의 스포크로서, 상기 환형 지지 링은 상기 액체 스트림이 상기 복수의 스포크를 통해 상기 복수의 스포크 상에 배치된 주입 오리피스들로부터 밖으로 유동할 수 있게 하는 복수의 액체 채널을 가지는, 상기 복수의 스포크; 및
상기 복수의 스포크에 의해 지지되는 가스 진입 원뿔을 포함하며, 상기 가스 진입 원뿔은,
상기 가스 스트림의 제1 부분이 상기 가스 진입 원뿔의 중공 섹션을 통해, 그리고 상기 복수의 스포크에 포함된 가스 배출 슬롯들을 통해 유동하는 것을 허용하고;
상기 가스 스트림의 제2 부분이 상기 가스 진입 원뿔 주위로, 그리고 상기 복수의 스포크 사이에서 유동하는 것을 허용하며, 상기 가스 스트림의 제2 부분은 상기 가스 스트림의 제1 부분으로부터 분리되는 시스템.
21. 단락 19 또는 단락 20에 있어서, 상기 동방향 접촉 시스템은 직렬로 연결된 복수의 동방향 접촉 시스템 중 하나이며, 상기 복수의 동방향 접촉 시스템은 마지막 동방향 접촉 시스템을 포함하며;
상기 복수의 동방향 접촉 시스템의 각각은:
상기 액적 발생기 및 물질 전달 섹션을 포함하는 동방향 접촉기로서, 상기 액적 발새기는 상기 액체 스트림의 액적을 생성하고 이전의 동방향 접촉 시스템으로부터 수용된 가스 스트림 내로 상기 액적을 분산시키며; 상기 물질 전달 섹션은 기체상 및 액체상을 가지는 혼합된 2상 유동을 제공하는, 상기 동방향 접촉기; 및
상기 기체상을 상기 액체상으로부터 분리하는 분리 시스템으로서, 상기 기체상은 처리된 가스 스트림을 포함하고, 상기 액체상은 이전의 동방향 접촉 시스템의 동방향 접촉기에서 액적을 발생시키는 액체를 포함하는, 상기 분리 시스템을 포함하는 시스템.
22. 단락 14 내지 단락 21 중 어느 한 단락에 있어서, 상기 희박 용매 스트림은 힌더드 아민을 포함하는 시스템.
전술한 개시 내용에 대한 다수의 변경, 수정 및 대안이 본 개시 내용의 범위를 벗어나지 않고 만들어질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 그러므로, 전술한 설명은 본 개시 내용의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 오히려, 본 개시 내용의 범위는 첨부된 청구범위 및 그 등가물에 의해서만 결정되어야 한다. 또한, 본 예에서의 구조 및 특징은 서로 변경, 재배열, 대체, 삭제, 복제, 결합 또는 추가될 수 있는 것으로 고려된다.

Claims (22)

  1. 천연 가스 스트림으로부터 불순물을 분리하는 방법으로서,
    막 분리 시스템에서 상기 천연 가스 스트림으로부터 이산화탄소(CO2) 및 황화수소(H2S)를 분리하고, 이에 의해 부분 처리된 가스 스트림 및 투과 가스 스트림을 생성하는 단계로서, 상기 투과 가스 스트림은 주로 H2S 및 CO2로 구성되고, 상기 부분 처리된 가스 스트림은 주로 천연 가스로 구성되며, 상기 부분 처리된 가스 스트림 및 상기 투과 가스 스트림은 상기 천연 가스 스트림보다 낮은 온도에 있는, 상기 단계;
    제1 접촉기에서 상기 부분 처리된 가스 스트림을 제1 희박 용매 스트림과 접촉시켜, 상기 부분 처리된 가스 스트림으로부터 H2S를 분리하고, 이에 의해 제1 농후 용매 스트림 및 완전 처리된 가스 스트림을 생성하는 단계;
    제2 접촉기에서 상기 투과 가스 스트림을 제2 희박 용매 스트림과 접촉시켜 상기 투과 가스 스트림으로부터 H2S를 분리하여, 제2 농후 용매 스트림 및 CO2 가스 스트림을 생성하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 농후 용매 스트림들로부터 H2S 및 CO2를 제거하고, 이에 의해 제1 및 제2 희박 용매 스트림들을 생성하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부분 처리된 가스 스트림이 상기 제1 희박 용매 스트림에 의해 접촉되기 전에 상기 부분 처리된 가스 스트림을 냉각시키는 단계; 및
    상기 투과 가스 스트림이 상기 제2 희박 용매 스트림에 의해 접촉되기 전에 상기 투과 가스 스트림을 냉각시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 부분 처리된 가스 스트림 및 상기 투과 가스 스트림을 냉각시키는 단계는 하나 이상의 냉각기를 사용하여 달성되는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 희박 용매 스트림들 중 적어도 하나로부터 H2S를 제거한 후 상기 제1 및 제2 희박 용매 스트림들 중 적어도 하나를 주변 온도 아래로 냉각시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 농후 용매 스트림들로부터 H2S를 제거하는 단계는 재생기에서 상기 제1 및 제2 농후 용매 스트림들로부터 H2S를 분리하고 재생된 용매 스트림을 생성하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 재생된 용매 스트림을 분할하여 상기 제1 및 제2 희박 용매 스트림을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 재생된 용매 스트림으로부터 상기 제2 희박 용매 스트림을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 농후 용매 스트림으로부터 상기 제1 희박 용매 스트림을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 완전 처리된 가스 스트림으로부터 산성 가스를 제거하는 단계; 및
    상기 완전 처리된 스트림을 탈수시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 산성 가스는 CO2를 포함하고, 상기 방법은,
    상기 완전 처리된 가스 스트림으로부터 제거된 CO2를 압축하는 단계; 및
    상기 압축된 CO2를 상기 CO2 가스 스트림과 결합하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 접촉기들 중 적어도 하나는 동방향 접촉 시스템(co-current contacting system)이며,
    파이프 내에 일직선으로 위치된 동방향 접촉 시스템에서, 상기 천연 가스 스트림 및 상기 투과 가스 스트림 중 하나를 포함하는 가스 스트림, 및 상기 제1 및 제2 희박 용매 스트림들 중 하나를 포함하는 액체 스트림을 수용하는 단계로서, 상기 동방향 접촉 시스템은 액적 발생기 및 물질 전달 섹션(mass transfer section)을 포함하는, 상기 단계;
    상기 액적 발생기를 사용하여, 상기 액체 스트림으로부터 액적을 발생시키고, 상기 액적을 상기 가스 스트림으로 분산시키는 단계;
    상기 물질 전달 섹션을 사용하여 기체상(vapor phase) 및 액체상을 가지는 혼합된 2상 유동을 제공하는 단계로서, 상기 액체상은 상기 가스 스트림으로부터 H2S 및/또는 CO2가 흡수된 액체 스트림을 포함하고, 상기 기체상은 가스 스트림을 포함하는, 상기 단계; 및
    상기 액체상으로부터 상기 기체상을 분리하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 액적 발생기는:
    상기 파이프 내에서 상기 액적 발생기를 일직선으로 고정하는 환형 지지 링;
    상기 환형 지지 링으로부터 연장되는 복수의 스포크로서, 상기 환형 지지 링은 상기 액체 스트림이 상기 복수의 스포크를 통해 상기 복수의 스포크 상에 배치된 주입 오리피스들로부터 밖으로 유동하는 것을 허용하는 복수의 액체 채널을 가지는, 상기 복수의 스포크; 및
    상기 복수의 스포크에 의해 지지되는 가스 진입 원뿔을 포함하며; 상기 가스 진입 원뿔은,
    상기 가스 스트림의 제1 부분이 상기 가스 진입 원뿔의 중공 섹션을 통해, 그리고 상기 복수의 스포크에 포함된 가스 배출 슬롯들을 통해 유동하는 것을 허용하고;
    상기 가스 스트림의 제2 부분이 상기 가스 진입 원뿔 주위로, 그리고 상기 복수의 스포크 사이에서 유동하는 것을 허용하며, 상기 가스 스트림의 제2 부분은 상기 가스 스트림의 제1 부분으로부터 분리되는 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 동방향 접촉 시스템은 직렬로 연결된 복수의 동방향 접촉 시스템 중 하나이며, 상기 복수의 동방향 접촉 시스템은 마지막 동방향 접촉 시스템을 포함하며;
    상기 복수의 동방향 접촉 시스템의 각각은:
    상기 액적 발생기 및 물질 전달 섹션을 포함하는 동방향 접촉기로서, 상기 액적 발새기는 상기 액체 스트림의 액적을 생성하고 이전의 동방향 접촉 시스템으로부터 수용된 가스 스트림 내로 상기 액적을 분산시키며; 상기 물질 전달 섹션은 기체상 및 액체상을 가지는 혼합된 2상 유동을 제공하는, 상기 동방향 접촉기; 및
    상기 기체상을 상기 액체상으로부터 분리하는 분리 시스템으로서, 상기 기체상은 처리된 가스 스트림을 포함하고, 상기 액체상은 액체를 포함하되, 상기 액체로부터 이전의 동방향 접촉 시스템의 동방향 접촉기에서 발생되는, 상기 분리 시스템을 포함하는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 희박 용매 스트림이 힌더드 아민(Hindered amine)을 포함하는 방법.
  14. 천연 가스 스트림으로부터 불순물을 분리하기 위한 시스템으로서,
    천연 가스 스트림으로부터 이산화탄소(CO2) 및 황화수소(H2S)를 분리하고, 이에 의해 부분 처리된 가스 스트림 및 투과 가스 스트림을 생성하도록 구성되는 막 분리 시스템으로서, 상기 투과 가스 스트림은 주로 H2S 및 CO2로 구성되고, 상기 부분 처리된 가스 스트림은 주로 천연 가스로 구성되며, 상기 부분 처리된 가스 스트림 및 상기 투과 가스 스트림은 상기 천연 가스 스트림보다 낮은 온도에 있는, 상기 막 분리 시스템;
    상기 부분 처리된 가스 스트림을 제1 희박 용매 스트림과 접촉시켜 상기 부분 처리된 가스 스트림으로부터 H2S를 분리하고, 이에 의해 제1 농후 용매 스트림 및 완전 처리된 가스 스트림을 생성하도록 구성된 제1 접촉기;
    상기 투과 가스 스트림을 제2 희박 용매 스트림과 접촉시켜 상기 투과 가스 스트림으로부터 H2S를 분리하여 제2 농후 용매 스트림 및 CO2 가스 스트림을 생성하도록 구성된 제2 접촉기; 및
    상기 제1 및 제2 농후 용매 스트림들로부터 H2S 및 CO2를 제거하고, 이에 의해 제1 및 제2 희박 용매 스트림들을 생성하도록 구성된 재생기를 포함하는 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 부분 처리된 가스 스트림이 상기 제1 희박 용매 스트림에 의해 접촉되기 전에 상기 부분 처리된 가스 스트림을 냉각시키도록 구성된 제1 냉각기; 및
    상기 투과 가스 스트림이 상기 제2 희박 용매 스트림에 의해 접촉되기 전에 상기 투과 가스 스트림을 냉각시키도록 구성된 제2 냉각기를 추가로 포함하는 시스템.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 제1 및 제2 희박 용매 스트림 중 적어도 하나로부터 H2S를 제거한 후에 상기 제1 및 제2 희박 용매 스트림 중 적어도 하나를 주변 온도 아래로 냉각시키도록 구성된 냉장 시스템을 추가로 포함하는 시스템.
  17. 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 완전 처리된 가스 스트림으로부터 산성 가스를 제거하도록 구성된 폴리 셔(polisher); 및
    싱기 완전 처리된 스트림으로부터 수분을 제거하도록 구성된 탈수기를 추가로 포함하는 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 산성 가스는 CO2를 포함하고,
    상기 완전 처리된 가스 스트림으로부터 제거된 CO2를 압축하도록 구성된 압축기를 추가로 포함하는 시스템.
  19. 제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 접촉기들 중 적어도 하나는 파이프 내에 일직선으로 위치된 동방향 접촉 시스템이며, 상기 동방향 접촉 시스템은 상기 천연 가스 스트림 및 상기 투과 가스 스트림 중 하나를 포함하는 가스 스트림, 및 상기 제1 및 제2 희박 용매 스트림 중 하나를 포함하는 액체 스트림을 수용하며; 상기 동방향 접촉 시스템은,
    액적 발생기 및 물질 전달 섹션을 포함하는 동방향 접촉기로서, 상기 액적 발생기는 상기 액체 스트림으로부터 액적을 생성하고 사기 액적을 상기 가스 스트림으로 분산시키도록 구성되며, 상기 물질 전달 섹션은 기체상 및 액체상을 가지는 혼합된 2상 유동을 제공하도록 구성되고, 상기 액체상은 상기 가스 스트림으로부터 H2S 및/또는 CO2가 흡수된 액체 스트림을 포함하고, 상기 기체상은 상기 가스 스트림을 포함하는, 상기 동방향 접촉기; 및
    상기 액체상으로부터 상기 기체상을 분리하도록 구성된 분리 시스템을 포함하는 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 액적 발생기는:
    상기 파이프 내에서 액적 발생기를 일직선으로 고정하는 환형 지지 링;
    상기 환형 지지 링으로부터 연장되는 복수의 스포크로서, 상기 환형 지지 링은 상기 액체 스트림이 상기 복수의 스포크를 통해 상기 복수의 스포크 상에 배치된 주입 오리피스들로부터 밖으로 유동할 수 있게 하는 복수의 액체 채널을 가지는, 상기 복수의 스포크; 및
    상기 복수의 스포크에 의해 지지되는 가스 진입 원뿔을 포함하며, 상기 가스 진입 원뿔은,
    상기 가스 스트림의 제1 부분이 상기 가스 진입 원뿔의 중공 섹션을 통해, 그리고 상기 복수의 스포크에 포함된 가스 배출 슬롯들을 통해 유동하는 것을 허용하고;
    상기 가스 스트림의 제2 부분이 상기 가스 진입 원뿔 주위로, 그리고 상기 복수의 스포크 사이에서 유동하는 것을 허용하며, 상기 가스 스트림의 제2 부분은 상기 가스 스트림의 제1 부분으로부터 분리되는 시스템.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 동방향 접촉 시스템은 직렬로 연결된 복수의 동방향 접촉 시스템 중 하나이며, 상기 복수의 동방향 접촉 시스템은 마지막 동방향 접촉 시스템을 포함하며;
    상기 복수의 동방향 접촉 시스템의 각각은:
    상기 액적 발생기 및 물질 전달 섹션을 포함하는 동방향 접촉기로서, 상기 액적 발새기는 상기 액체 스트림의 액적을 생성하고 이전의 동방향 접촉 시스템으로부터 수용된 가스 스트림 내로 상기 액적을 분산시키며; 상기 물질 전달 섹션은 기체상 및 액체상을 가지는 혼합된 2상 유동을 제공하는, 상기 동방향 접촉기; 및
    상기 기체상을 상기 액체상으로부터 분리하는 분리 시스템으로서, 상기 기체상은 처리된 가스 스트림을 포함하고, 상기 액체상은 이전의 동방향 접촉 시스템의 동방향 접촉기에서 액적을 발생시키는 액체를 포함하는, 상기 분리 시스템을 포함하는 시스템.
  22. 제14항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 희박 용매 스트림은 힌더드 아민을 포함하는 시스템.
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