TW201319497A - 天然氣液化方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種用於將天然氣進料流液化之氣體處理設備。該設備包含具有至少一個分餾容器之氣體分離單元。該氣體分離單元使用吸附性動力學分離之吸附劑床。該吸附劑床釋出富含甲烷之進料流。該設備也包括高壓膨脹器循環冷凍系統。該冷凍系統使該富含甲烷之氣體進料流壓縮至高於約1,000 psia之壓力。該冷凍系統也使該富含甲烷之進料流在一或多個冷卻器中冷卻，並接著使該冷卻之氣體進料流膨脹以形成液化產物流。本發明也提供使用AKS及高壓膨脹器循環冷凍系統之將天然氣進料流液化的方法。這樣的方法能使用具有比習知設備輕質之設備而形成LNG。

Description

天然氣液化方法 相關申請案之相互參考
本案請求2011年8月9日申請，發明明稱NATURAL GAS LIQUEFACTION PROCESS之美國臨時專利申請案第61/521,657號的權益，在此以引用的方式將其全文併入本文以供參考。
發明說明
這章節意欲介紹先前技術之多種不同形態，其可能與此揭示內容之示範具體實施例相關。咸信這個討論有助於提供促進對於本揭示內容之特定形態更充分的了解之架構。因此，應以此觀點閱讀此章節，但不必視為先前技術。
本發明關於氣態流體之處理方法。更明確地說，本發明關於天然氣之液化，特別是在遠端位置製造之烴氣體。
由於世界對於石化燃料之需求增加，所以能源公司繼續在尋找位於世界更遠更不利的區域，沿岸和離岸，之烴資源。這包括天然氣之探查。
由於其乾淨的燃燒品質，於是近幾年廣泛使用天然氣。然而，許多天然氣來源位於離商業市場相當遠之地理區域。在一些例子中，可利用或可建構輸送管以供運輸產生 之天然氣至商業市場。然而，當不可利用輸送管運輸時，常經由大型海輪運輸產生之天然氣。
為了使運輸之氣體體積最大化，該氣體經常透過液化方法獲得。經由將非常輕之烴類，例如含甲烷之氣體，冷卻至大約-160℃而形成液化天然氣(“LNG”)。該液化氣體可於環境壓力下儲存於設置於大船上之特殊低溫槽。或者，LNG可於提高之壓力及較溫的溫度(即，高於-160℃)液化，在該案例中將該LNG稱為增壓之LNG(“PLNG”)。為了達到此揭示內容之目的，PLNG及LNG可統稱為“LNG”。
按照目前發展的，氣體透過液化方法於接近製造地點的位置獲得。這意指在生產國家建造大型收集及液化中心。或者，該液化方法可離岸在平台或大船(如浮式生產貯卸油(FPSO)船)上進行。目前，大型液化設備存在於卡達、俄國(庫頁島)、印尼及其他國家。澳洲正在建造或現正計劃數個相當大之LNG裝卸站。
等到天然氣冷卻至液態之後，將烴產物裝在海運船上。這樣的船習稱為LNG油輪。將天然氣冷卻成液態得以運輸體積更大許多的氣體。
在LNG設備之設計中，最重要的顧慮之一是將天然氣進料流轉化成LNG的方法。目前，最常見之液化方法使用某個形式的冷凍系統。儘管許多冷凍循環已經用以將天然氣液化，但是有三種類型之冷凍系統最常用於LNG設備。
第一型系統習稱為“梯級循環”。梯級循環在漸進佈置之熱交換器中使用多種單組分冷卻劑以將氣體溫度降至液化溫度。第二型冷凍系統是“多組分冷凍循環”。此系統在經特殊設計之交換器中使用多組分冷卻劑。第三型系統是“膨脹器循環”。此膨脹器循環系統使氣體自進料氣壓膨脹至低壓，依據波以耳定律產生溫度之相應降低。常見之天然氣液化循環應用這三種基本類型之變化或組合。
膨脹器循環最近之變化例是高壓膨脹器循環(High Pressure Expander Cylce)。此系統提供比上述循環更有效率且小巧經濟之液化方法。結果，使其成為在遠距或離岸應用上有吸引力的選項。
對於任何液化系統之用途的限制是天然氣流中出現污染物。由地下貯層產生之原料天然氣常含有LNG方法中所不欲的組分。此等組分包括水、二氧化碳及硫化氫。水及CO2應該被移除，因為其將會於液化溫度冰凍並阻塞液化設備。H2S應該被移除，因為其可能具有不利之安全衝擊或可能不利地影響LNG產物規格。因此，天然氣製造常在液化之前處理以移除不欲之組分或污染物。
當H2S及CO2以烴氣流(如甲烷或乙烷)的一部分之形式而產生時，原料氣流有時候被稱作“酸性氣體(sour gas)”。該H2S及CO2經常一起被稱“酸氣”。有人設計出從原料天然氣流移除酸氣之方法。在一些例子中，使用低溫氣體處理。這涉及在大型低溫容器中冷卻該氣流所以CO2及H2S組分脫落成為固體。使該等烴組分自 該容器蒸餾出。此方法經常必須使該原料氣流在低溫分離之前進行脫水。
作為替代方案，該烴氣流可以溶劑處理。溶劑可包括化學溶劑如胺類。酸性氣體處理時所使用之胺類的實例包括單乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)及甲基二乙醇胺(MDEA)。物理性溶劑有時候用以代替胺溶劑。物理性溶劑之實例包括Selexol®及RectisolTM。在一些例子中已經使用混合溶劑，意指物理性和化學性溶劑之混合物。其一實例是Sulfinol®。然而，以胺為底質之酸氣移除溶劑的應用最常見。在所有例子中，溶劑萃取經常利用大型厚壁逆流接觸塔而完成。
此溶劑萃取方法使用以水為底質之溶劑以吸收不欲物質。結果，處理過之氣體保有水分，該水分必須再度移除以免隨後冷凍並阻塞液化設備。
無論水在酸氣分離之前或之後移除，水移除方法經常分數個階段完成以符合對於欲液化之氣體的極低水含量之要求。在發展過程中之方法係以用於移除大量水的二醇脫水系統為基礎，接著是數個分子篩床作為潤飾階段。因此，對於溶劑萃取步驟，需要數個對移動敏感之大型沉重設備。此設備對於空間和重量是一筆額外費用且無法避免波動之離岸應用而言不具吸引力。
除了水以外，也可自該氣流移除氮。氮理應移除，因為其不含熱值且因此，不利地影響燃料品質。氮經常在酸氣移除及液化發生之後移除。利用習稱為脫氮單元或 NRU之蒸餾塔移除氮。該NRU對於波動敏感。另外，NRU經常涉及熱交換設備的數個大型沉重零件，而這些特別不適用於離岸應用。
其他不利衝擊在於原料氣流有氮存在。例如，在液化步驟之後，而非之前，移除氮提高氣體的液化能量需求。關此，氮將增加必須液化之氣體量。另外，氮之存在降低混合物的液化溫度，因為氮具有比甲烷低之沸點溫度。
由於對於LNG之嚴格規範，進料預處理設備是巨大、沉重且昂貴。例如，在入口氣體中具有標稱濃度之污染物(例如，水飽和、1% CO2、4% N2)的浮式LNG概念中，移除那些污染物之設備代表上舷側設備總重量的大約20%。當延伸至具高濃度之入口氣體污染物(例如，水飽和加上50%至70% CO2及H2S內容物)時，污染物移除設備可代表大於上舷側設備重量之50%。再者，常用於污染物移除之大型垂直壓力容器或塔可能對於浮動構造的穩定性具有不欲的影響。
因此，需要一種處理用於液化的天然氣之改良設備，且該設備對於波動較不敏感且對於浮動構造之穩定性具有極少的影響。另外，需要一種更小巧經濟、輕質及較低馬力之LNG系統，該系統可用在離岸平台上。又再者，需要一種用於液化之更有效處理天然氣之方法，且該方法能與高壓膨脹器循環冷凍系統相容。
首先提供一種用於液化天然氣進料流之氣體處理設備。該設備係設計成比習用LNG設備更小巧經濟且更有效率。因此，文中提供之設備理想上適用於離岸或位於遙遠位置的LNG設備。例如，該氣體處理設備可設置於離岸之浮動平台或以重力為基礎的平台上。
該設備首先包含一種氣體分離單元，其具有至少一個分餾容器。該分餾容器用以自甲烷氣體分離出污染物。最後，各容器具有用於接受天然氣混合物之氣體入口。另外，於一個具體實施例中，各容器包括吸附劑材料，其污染物對甲烷之動力學選擇率大於5。依此方式，該污染物變成動力學吸附於該吸附劑材料內。另外，各容器包括氣體出口。該氣體出口釋出富含甲烷之氣流。
該容器使用一或多個用於吸附性動力學分離之吸附劑床。該等吸附劑床釋出富含甲烷之氣體進料流。在一個方面中，使用單一個具有多個串聯的吸附劑床之容器。例如，該氣體分離單元中之至少一個分餾容器可為含有多個串聯之吸附劑床的容器，以致於：第一吸附床係經設計而主要移除該經脫水之天然氣進料流中的水及其他液體組分；第二吸附床係經設計而主要移除該經脫水之天然氣進料流中的乾燥劑；及第三容器包含主要用於移除該經脫水之天然氣進料流中的酸性氣體組分之吸附床。
其他容器可被加入以吸附並分離氮和不同之酸性氣 體。
在另一個方面中，使用多個串聯之容器，且各容器釋出漸進脫臭之甲烷氣流。例如，第一容器使用設計成用於移除該經脫水之天然氣進料流中殘留的水之吸附床；第二容器使用設計成用於移除該經脫水之天然氣進料流中的乾燥劑之吸附床；及第三容器使用設計成用於移除該經脫水之天然氣進料流中的酸性氣體組分之吸附床。
該酸性氣體組分可為一或多種含硫組分。或者，該酸性氣體組分可為二氧化碳。
該氣體分離單元中之至少一個分餾容器依據變壓吸附法(PSA)或快速循環變壓吸附法(RCPSA)運轉。該至少一個分餾容器可另外依據變溫吸附法(TSA)或快速循環變溫吸附法(RCTSA)運轉。在任何方案中，該等分餾容器係經建構以吸附CO2、H2S、H2O、重質烴類、VOC類、硫醇類或其組合。
該設備也包括高壓膨脹器循環冷凍系統。該高壓膨脹器循環冷凍系統包括第一壓縮單元。該第一壓縮單元係經建構以接受來自該氣體分離單元之富含甲烷的氣流之實質部分，並將該富含甲烷之氣流壓縮至高於約1,000 psia(6,895 kPa)之壓力。依此方式，提供經壓縮之氣體進料流。
該冷凍系統也在一或多個冷卻器中冷卻該富含甲烷的 氣體進料流，並接著使該經冷卻的氣體進料流膨脹而形成液化產物流。為此目的，該系統也包括第一冷卻器，其係經建構以使該經壓縮的氣體進料流冷卻而形成經壓縮冷卻的氣體進料流；及第一膨脹器，其係經建構以使該經冷卻壓縮的氣體進料流膨脹而形成產物流。
該產物流具有液體部分及小部分剩餘蒸氣。較佳地，該氣體處理設備也包括液體分離容器。該分離容器係經建構以分離該液體部分及該剩餘蒸氣部分。該蒸氣部分仍舊非常冷，並可以閃蒸氣體(flash gas)形式捕集，並循環而作為第一冷凍環路的一部分。該第一冷凍環路具有至少一個作為第一冷卻器之熱交換器。該第一冷卻器接受來自該第一膨脹器之蒸氣部分，並釋出(i)該經壓縮冷卻的氣體進料流及(ii)在與該經壓縮的氣體進料流熱交換後之部分暖化的蒸氣流。
該高壓膨脹器循環冷凍系統可包括經建構以進一步冷卻該經壓縮的氣體進料流的個別熱交換器。這個係藉由冷卻劑流(連同該蒸氣流之一部分)與該經壓縮之富含甲烷的氣體進料流之間的間接熱交換而至少部分完成。該個別熱交換器係為第二冷卻器。該冷凍系統因此也包括第二冷凍環路，其具有(i)第二壓縮單元，其係經建構以在該冷卻劑流通過該第二冷卻器之後再壓縮該冷卻劑流，及(ii)第二膨脹器，其係經建構以接受來自該第二冷卻器之經壓縮的冷卻劑流，並在將該經壓縮的冷卻劑流送返該第二冷卻器之前使該經壓縮的冷卻劑流膨脹。
該第二冷卻器在該經冷卻的氣體進料流離開該第一冷卻器之後再冷卻(sub-cool)該經冷卻的氣體進料流。或者且更佳地，該第二冷卻器在該經壓縮的氣體進料流進入該第一冷卻器之前將該經壓縮的氣體進料流預冷卻。為此，該第二冷卻器接受來自該第一冷卻器之部分暖化的蒸氣流以供與該經壓縮的氣體進料流進一步熱交換，並將暖化蒸氣產物流釋放至第三壓縮單元以完成該第一冷凍環路。
無論如何，該第一冷凍環路較佳使該產物之蒸氣部分循環回到該第一壓縮單元。為此，該第一冷凍環路可包括用於在與該經壓縮的氣體進料流熱交換之後壓縮該部分暖化的蒸氣流之第三壓縮單元，及用於合併該經壓縮之部分暖化的蒸氣流與該經壓縮之富含甲烷的氣體進料流的管線。這完成了該第一冷凍環路。
該氣體處理設備另外包含脫水容器。該脫水容器係經建構以接受該天然氣進料流，並自該天然氣進料流移除實質部分之水。該脫水單元接著將經脫水之天然氣進料流釋放至該氣體分離單元。
文中也提供一種用於將天然氣進料流液化之方法。該方法使用吸附性動力學分離以製造富含甲烷之進料流。該方法接著另外利用高壓膨脹器循環冷凍系統以將甲烷冷卻並提供LNG產物。該LNG產物較佳在離岸之浮動平台或以重力為基礎之平台上產生。
該方法首先包括於氣體分離單元接受該天然氣進料流。該氣體分離單元具有至少一個分餾容器。該等分餾容器 係依據上文之多個不同具體實施例中所述之分餾容器設計。該等分餾容器較佳依據變壓吸附法(PSA)或快速循環變壓吸附法(RCPSA)運轉以將串聯之吸附床再生。該等吸附床係經設計以吸附CO2、H2S、H2O、重質烴類、VOC類、硫醇類、氮或其組合。
該方法也包括自該天然氣進料流內之污染物實質分離出甲烷。這是透過該一或多個分餾容器中使用吸附床而達成。結果，該方法也包括自該氣體分離單元釋出富含甲烷之氣流。在一個方面中，自污染物分離甲烷係透過該氣體分離單元於至少約每平方吋500磅(psia)之絕對壓力進行。
該方法接下來包含將該富含甲烷之氣流導入高壓膨脹器循環冷凍系統。該冷凍系統一般係依據上文之多個不同具體實施例中所述之冷凍系統設計。因此，該冷凍系統較佳包括第一冷凍環路，其係用於循環該產物之蒸氣部分而作為第一冷卻器中之冷卻劑；及第二冷凍環路，其係用於循環含氮氣體而作為第二冷卻器中之冷卻劑。
該方法也包括壓縮該富含甲烷之氣流。該氣流係壓縮至高於約1,000 psia(6,895 kPa)之壓力以形成經壓縮的氣體進料流。該方法接著包含透過該第二和第一冷卻器將該經壓縮的氣體進料流冷卻以形成經壓縮冷卻的氣體進料流。
該方法也包括使該經冷卻壓縮的氣體進料流膨脹。這將形成具有液體部分及剩餘蒸氣部分之LNG產物流。
該高壓膨脹器循環冷凍系統較佳包含液體分離容器。該方法因此另外包含使該液體部分與該蒸氣部分分離。
文中也提供一種用於將天然氣進料流液化之方法。如上述方法，該方法使用吸附性動力學分離以製造富含甲烷之氣流。該方法接著另外利用高壓膨脹器循環冷凍系統以將甲烷冷卻並提供LNG產物。該LNG產物較佳在離岸之浮動平台或以重力為基礎之平台上產生。
該方法首先包括於氣體處理設備接受該天然氣進料流。該氣體處理設備包括脫水容器。該方法接著包括使該天然氣進料流通過脫水容器。這用以自該天然氣進料流移除實質部分之水。接著將經脫水之天然氣進料流以經脫水之天然氣進料流的形式釋放至氣體分離單元。
該氣體分離單元具有至少一個分餾容器。該等分餾容器係依據上文之多個不同具體實施例中所述之分餾容器設計。該等分餾容器較佳依據變壓吸附法(PSA)或快速循環變壓吸附法(RCPSA)運轉以將串聯之吸附床再生。
該方法接下來包含使該經脫水之天然氣進料流通過串聯的吸附劑床。這用以自該經脫水之天然氣進料流中的污染物分離出甲烷氣體。該等床應用吸附性動力學分離法。該等吸附床係經設計以吸附CO2、H2S、H2O、重質烴類、VOC類、硫醇類、氮或其組合。
在一個方面中，使用單一個具有多個串聯對準的吸附劑床之容器。
在另一個方面中，使用多個串聯之容器，且該等容器 利用該經脫水之天然氣進料流的流動串聯對準。各容器釋出漸進脫臭之甲烷氣流。
由於使該經脫水之天然氣進料流通過該等吸附劑床的結果，而製造出富含甲烷之氣流。該方法包含自該氣體分離單元釋出該富含甲烷之氣流。接著將該富含甲烷之氣流導入高壓膨脹器循環冷凍系統。
該冷凍系統一般係依據上文之多個不同具體實施例中所述之冷凍系統設計。因此，該冷凍系統較佳包括第一冷凍環路，其係用於循環該產物之蒸氣部分而作為第一冷卻器中之冷卻劑；及第二冷凍環路，其係用於循環含氮氣體而作為第二冷卻器中之冷卻劑。
該方法也包括壓縮該富含甲烷之氣流。該氣流係壓縮至高於約1,000 psia(6,895 kPa)之壓力以形成經壓縮的氣體進料流。該方法接著包含將該經壓縮的氣體進料流冷卻以形成經壓縮冷卻的氣體進料流。
該方法另外包括使該經冷卻壓縮的氣體進料流膨脹。這形成具有液體部分及小部分剩餘蒸氣之LNG產物流。在一個方面中，該經冷卻壓縮的氣體進料流的膨脹包含將該經冷卻壓縮的氣體進料流之壓力降至介於約50 psia(345 kPa)與450 psia(3,103 kPa)之間的壓力。
定義
用於本文時，該措辭“烴”表示有機化合物，如果不 排他，其主要包括元素氫和碳。烴類一般分為兩類：脂族或直鏈烴類，及環狀或閉環烴類，包括環狀萜烯類。含烴之材料的實例包括任何形式之天然氣、油、煤和可作為燃料或升級為燃料的瀝青。
用於本文時，該措辭“流體”表示氣體、液體及氣體和液體之組合，以及氣體和固體之組合、及液體和固體之組合。
用於本文時，該措辭“烴流體”表示屬於氣體或液體之烴或烴類混合物。例如，烴流體可包括於形成條件、於處理條件或於環境條件(15℃和1 atm壓力)為氣體或液體的烴或烴類混合物。烴流體可包括，例如，油、天然氣、煤床甲烷、頁岩油、熱解油、熱解氣體、煤之熱解產物及其他呈氣態或液態之烴類。
用於本文時，該措辭“酸氣”意指溶於水中而製造酸性溶液之任何氣體。酸氣之非限定實例包括硫化氫(H2S)、二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、二硫化碳(CS2)、硫化羰基(COS)、硫醇類或其組合。
用於本文時，該措辭“地面下”表示存在地表下方之地質層。
該措辭“海床”表示海洋環境底部。該海洋環境可為海洋或海濱或任何其他經歷波浪、風及/或潮流之水體。
該措辭“海洋環境”表示任何離岸位置。該離岸位置可在淺水中或在深水中。該海洋環境可為海洋本體、海灣、大湖、河口、海濱或水路。
該措辭“約”意欲允許數學精確度某程度之餘裕以解釋貿易中可接受的公差。因此，任何自該措辭“約”所修飾之值向上或向下的小偏差理應視為明示於所指定值的範疇內。
該措辭“變動吸附法”包括例如下列的方法：變壓吸附法(PSA)、變溫吸附法(TSA)及部分變壓或置換洗淨吸附法(PPSA)，包括這些方法之組合。這些變動吸附法可以快速循環進行，在此案例中其表示快速循環變壓吸附法(RCPSA)、快速循環變溫吸附法(RCTSA)及快速循環部分變壓或置換洗淨吸附法(RCPPSA)。該措辭變動吸附也包括這些快速循環方法。
用於本文時，該措辭“變壓吸附”理應視為包括所有這些方法，即，PSA、PPSA、RCPSA及RCPPSA，包括這些方法之組合，其為了洗淨循環而運用壓力變化。
用於本文時，該措辭“井孔”表示在地面下經由鑽孔或導管插入該地面下製造之孔。井孔可具有實質圓形截面或其他截面形狀。用於本文時，該措辭“井”，當表示地層之開口時，可與該措辭“井孔”相互交換使用。
該措辭“平台”意指任何規格及經建構以接受流體處理設備之平台或表面。
特定具體實施例之敘述
第1圖是依據文中之一具體實施例的用於製造LNG之氣體處理設備100的示意圖。該“LNG”是已經透過冷 卻方法液化之天然氣。該氣體處理設備100運轉以接受原料天然氣，移除特定不欲之組分，以製造符合已確立規格的“脫臭(sweetened)”氣流，並接著將該經脫臭的(“富含甲烷的”)氣流冷卻成實質液相以供運輸。
在第1圖之例示方案中，該設備100接受來自貯藏庫之生產流體。貯藏庫概要顯示於110。該貯藏庫110表示含有商業可接受之量的烴流體之地下地層。該等烴流體主要以氣相存在於原處。
該等生產流體係透過多個井孔製造。第1圖中指出單一例示性井孔112。然而，咸了解許多井孔112鑽孔穿過地表並進入該地下貯藏庫110。本發明不受井孔數目或井孔完成方式限制。
該井孔112運輸來自該貯藏庫110之烴流體並運輸至地表115。該地表115可在陸地上。對於本發明更佳地，該地表115是海床。在後者例子中，沿著海洋環境底部安裝井口(沒顯示)。海底跨接管及/或流線將生產流體引導至歧管(沒顯示)，接著經由一或多個生產上升管將流體傳送至海洋表面。
在第1圖中，管線112’顯示運輸烴流體。管線112’可為陸地上之流體管線。更佳地，管線112’代表海洋環境內之生產上升管。在任一例子中，均將該等生產流體傳送至分離器120。
達於該分離器120之後，該等生產流體表示原料天然氣混合物。該等生產流體含有甲烷或天然氣。該等生產流 體也可含有所謂之“重質烴類”，代表乙烷及可能的話，丙烷。最可能地，該等生產流體也含有水(或鹽水)，連同氮氣。而且，該等生產流體可含有硫化氫、二氧化碳及其他所謂之“酸性氣體”組分。最後，該等生產流體可含有苯、甲苯或其他有機化合物。
該分離器120提供自氣體一般性的分離液體。這經常在生產壓力下完成。該分離器120可為具有厚鋼壁之重力分離器。該分離器120用以濾出雜質如鹽水及鑽孔流體。也可移除任何經凝結之烴類的至少一部分。有些粒子的過濾也可能發生。
更佳地，該分離器120作為脫水容器。該脫水容器使用乾燥劑如乙二醇以吸收水並釋出氣相流體。液體自該分離器120底部釋出，而氣體於頂部釋出。
在第1圖中，管線121代表液體管線。管線121中之流體主要是水，及可能的話，一些重質烴類。管線121中之重質烴類大概是小量乙烷及或許有點丙烷和丁烷。另一次分離可透過重力分離、熱處理或其他此先前技術中已知之手段進行以捕集有價值的液體烴類。
管線122代表氣體管線。管線122中之流體主要是甲烷，以及一些乙烷和其他“重質烴類”。此外，管線122中之流體可能具有污染物。這些可包括“酸性”組分如硫化氫及二氧化碳。這些也可包括呈蒸氣形式之水。另外，該等污染物可包括氮。某些金屬污染物可能懸浮於蒸氣中，如砷、鈷、鉬、汞或鎳。最後，可能存在微量有機化合 物如苯、甲苯或二甲苯。
吾人所欲為分離多種不同組分所以製造出實質包含甲烷之流體流。關於國際銷售，LNG規範可能要求天然氣具有以下含量：
為了達成表1之LNG規範，必須進行氣體處理。在第1圖中，概略顯示氣體分離單元130。該氣體分離單元130也可表示為選擇性組分移除系統(Selective Component Removal System)或“SCRS”。該氣體分離單元130利用串聯之吸附劑床，該等吸附劑床應用吸附性動力學分離法(Adsorptive Kinetic Separation)或“AKS”。
AKS是使用較新類型固態吸附劑的方法，該等吸附劑仰賴於特定物質相對於其他物質吸附於結構化材料上之速率。該結構化材料有時候被稱為吸附劑床。吸附劑床依據不同分子對於吸附可具有不同的親和力之原理操作。這提供該吸附劑對於不同氣體有差別對待，及因此提供分離作 用之機制。
為了達成該分離作用，吸附劑床使用非常多孔之微結構。選定之氣體分子變成附於沿著細孔提供的表面積。吸附在該微孔性材料之內部表面上的氣體可由厚度僅數個分子之層組成。該微孔性材料可能也有每克數百平方米之表面積。這樣之規格使能吸附佔吸附劑重量的一大部分之氣體。
已知有不同類型之吸附劑床。典型吸附劑包括活性碳、矽膠、氧化鋁及沸石。在一些案例中，聚合物材料可作為吸附劑材料。在任何例子中，相對於氣體混合物之較不易吸附的組分(習稱為“輕質”氣體)，吸附劑床優先吸附更易於吸附的組分(習稱為“重質”氣體)。
除了其對於不同氣體之親和力以外，沸石及一些類型之活性碳(叫做碳分子篩)可利用其分子篩特徵排除或減緩一些氣體分子擴散至其結構中。這提供以分子尺寸為基礎之選擇性吸附的機制。在此例子中，該吸附劑床限制較大分子被吸附之能力，因此讓該氣體與多組分氣體混合物之一或多種物質選擇性地填滿吸附劑材料之微孔性結構。
已知有不同之供氣體分離用的吸附技術。有一個吸附技術是變壓吸附法，或“PSA”。PSA方法係基於在加壓下，氣態污染物傾向不同程度地被吸附於吸附劑材料之細孔結構內，或於聚合物材料之自由體積內。吸附容器中之壓力越高，則吸附越多氣體。在天然氣之案例中，該天然氣混合物可在加壓下通過吸附容器。該聚合物或微孔性吸 附劑之細孔變成填滿硫化氫及二氧化碳至比填滿甲烷更高的程度。因此，大部分或甚至所有H2S和CO2將會留在該吸附劑床中，同時離開該容器之氣體將富含甲烷。任何剩餘之水及可能的一些重質烴類也能被保留而成為吸附劑。此外，任何苯、甲苯或其他揮發性有機化合物能被保留而成為吸附劑。
變壓吸附系統可為快速循環變壓吸附系統。在所謂之“快速循環”方法中，循環時間可小到數秒。快速循環PSA(“RCPSA”)單元可能特別有益，因為此單元相對於一般PSA裝置小巧經濟。另外，當與習用PSA相比時，RCPSA接觸器會大幅提升處理的加強程度(即，較高操作頻率及氣流速度)。
當該吸附劑床達到其吸附污染物之容量的終點時，其可藉由降壓而再生。這造成該容器釋出被吸附之組分。濃污染物流因此與甲烷氣流分開釋出。依此方式，該吸附床可經再生以供後續再利用。
在大部分PSA案例中，該加壓艙中之壓力降至環境壓力將會造成大部分硫化氫及其他污染物自該吸附劑床釋出。在一些案例中，該變壓吸附系統可藉由使用真空艙以助於將低於環境的壓力施加於該濃污染物流。在較低壓力存在時，含硫組分、二氧化碳及重質烴類將更完全地自組成該吸附劑床之固態基質脫附。
相關之氣體分離技術是變溫吸附法，或“TSA”。TSA方法也基於在加壓下，氣體傾向不同程度地被吸附於 微孔性吸附劑材料之細孔結構內，或於聚合物材料之自由體積內。當該容器中之吸附劑床的溫度提高時，將使該被吸附之氣體分子釋出或脫附。這在使用經加熱的乾燥氣體之再生加熱器中完成。該乾燥氣體主要包含甲烷，但是也可能包括氮及氦。藉由周期性地變動容器內之吸附劑床的溫度，使TSA方法可用以分離混合物中之氣體。
當使用TSA方法時，可裝設一組閥以使進出該容器之加熱或冷卻流體的流動產生脈衝。電熱式或冷卻式夾套也可用以製造溫度變動。任意地，該變動吸附單元應用分壓洗淨置換方法。在此案例中，裝設一個閥或一組閥以使該洗淨置換流進入該吸附床之流動產生脈衝。將該吸附床裝入壓力容器內。任意地，此容器和相關之閥安裝於次要壓力容器內。該次要壓力容器係經設計以減輕穿過該變動吸附單元內之閥中的密封件之洩漏的嚴重性。當使用旋轉閥時這可能尤其重要。
可使用變壓再生法及變溫再生法之組合。在任一例子中，該氣體處理設備130使用串聯之吸附劑床，各個吸附劑床設計成能保留一或多種組分同時釋出該氣流之剩餘部分。
將該吸附性材料或“床”保持於壓力容器中。第2圖提供例示性變壓吸附容器200之透視圖。該容器200運轉以達成接受天然氣混合物及將混合物分成至少兩種組分之目的。
該容器200明示長形之含壓力的主體。該容器200包 括外殼205。較佳地，該外殼205係由鐵或鋼製造。在第2圖之裝置中，該容器200以實質水平取向沿著表面201擺放。然而，該容器200或者垂直取向操作。在任一例子中，該容器200可包括多個不同支持腳或墊215。
該容器200能於高壓操作以便適應使用於天然氣處理之入口壓力。例如，這樣之入口壓力可能超過200 psig，且更常地可能大於約1,000 psig。這讓該容器200能於或接近貯藏庫壓力操作。為了監測內壓，該容器200包括計量器或其他壓力監測裝置。代表性計量器係顯示於第2圖中之250。當然，咸了解現代之壓力監測裝置主要以與閥、時鐘及操作控制軟體交互作用的數位系統形式運轉。
該容器200具有202所示之第一端，及204所示之第二端。於該第一端202裝設氣體入口210，同時於該第二端204裝設第一氣體出口230。任意地，將第二氣體出口220裝設於該第一端202與該第二端204中間，或該氣體入口210與該第一氣體出口230中間。
操作時，該容器200作為動力學分餾器或吸附劑接觸器。天然氣混合物或進料流透過該氣體入口210引進該容器200。箭頭“I”表示流體流入該容器200。該天然氣在該容器200內與吸附劑床接觸(第2圖中沒顯示)。該吸附劑床利用動力學吸附法捕集污染物。同時，該吸附劑床透過該第一氣體出口230釋出富含甲烷之氣流。箭頭O1表示該容器200之富含甲烷之氣流的流動。
咸了解該容器200是較大型氣體分離單元130之一部 分。該氣體分離單元130視需要包括閥、容器及計量器以進行該容器200內之吸附劑床的再生及經分離之氣體組分的捕集。另外，在使用快速循環PSA的情況下，該容器包括帶有旋轉歧管之旋轉閥以供使天然氣混合物快速循環。關此，快速循環變壓吸附容器(RCPSA)容器能建構旋轉閥系統以利於含有許多個別吸附劑床區間或“管”之氣體流過旋轉吸附器模組，當該旋轉模組完成操作之循環時該等區間或管各自連續循環通過吸附和脫附步驟。
旋轉吸附器模組一般包含固定於該旋轉吸附器模組任一端上的二密封板之間的多個管，其中該等密封板與包含個別歧管之定子接觸。將該入口氣體引導至RCPSA管，並將離開該等RCPSA管之經處理純化的產物氣體和滯留尾氣自該旋轉吸附器模組引走。藉由該等密封板和歧管之適合佈置，許多個別區間或管可於任何指定時間通過整個循環之特徵步驟。相反地，對於習用之PSA，該RCPSA吸附/脫附循環所需之流量和壓力變化以一些不同的增量以每循環數秒的等級變化，其整平該壓縮和閥機構遇到之壓力和流速脈衝。依此方式，該RCPSA模組包括在該旋轉吸附模組所採行之圓形路徑周圍成角度關係間隔開的閥元件，所以各區間依適當方向及壓力連續通至氣流路徑而達成整個RCPSA循環之增加壓力/流向步驟中的一者。
在任何方案中，該容器200利用吸附劑床以捕集微孔性吸附劑材料之表面上及沿著其中的細孔空間之污染物。第3A圖是一個具體實施例中之吸附劑床300的透視圖。 在此，該示性吸附劑床300具有環形吸附劑環305。該環形吸附劑環305之尺寸係製成擬合該容器200之外殼205的內徑。
該吸附劑環305內是多個吸附劑棒315。該等吸附劑棒315實質上沿著該吸附劑床300之長度行進。這意指該等棒315基本上是自該容器300之第一端302至第二端304。該吸附劑環305及吸附劑棒315係由優先吸附不欲之氣體的材料製造。該不欲之氣體可為水蒸氣、CO2、H2S、硫醇類、於氣相中之重質烴類或其組合。
該吸附劑材料較佳係選自具有約1：1至約1000：1，或較佳約10：1至約500：1，或更佳約50：1至約300：1之Si：Al比的8-環沸石。用於文中時該措辭“Si：Al比”意指該沸石結構之氧化矽對氧化鋁的莫耳比例。用於捕集酸性氣體之較佳的8-環沸石包括DDR、σ-1及ZSM-58。用於移除重質烴類之具有適當細孔尺寸的沸石材料包括MFI、八面沸石、MCM-41及β。較佳是用於重質烴類移除之沸石的Si：Al比係約20：1至約1,000：1，且較佳約200：1至約1,000：1，以防止該吸附劑之過量積垢。
該沸石可以任何適合形式存在於該吸附劑環305及該等吸附劑棒315中。例如，沸石材料可呈珠粒形式，該等珠粒被裝填以形成該吸附劑材料。用於變動吸附法之吸附劑珠粒或凝聚體在此先前技術中係為已知且可為任何適合形狀，包括球形或不規則形。吸附劑凝聚體可藉由將微孔 性沸石晶體與黏合劑材料黏在一起形成。在此案例中，該等微孔由於該沸石，較佳8-環沸石，之結晶性結構而存在。該黏著劑材料經常是沒有吸附性之緻密材料，但是其係用以黏合該等沸石晶體。為了有效地起作用，黏合劑粒子之尺寸必須小於個別沸石晶體之尺寸。
在該吸附劑床300之一具體實施例中，磁性材料可被加入該等吸附劑棒315中。例如，各個棒315可具有內孔，且磁性材料可沿著該內孔安置。該等棒315可接著在裝填時施以磁場或電磁場。該磁場造成該等棒315相互排斥，藉以確保該等棒315之間的均勻間隔。棒315之均勻裝填對於動力學和快速循環吸附法特別重要，所以氣體組分不會優先地過其中一個流動通道310。該磁場之應用可另外提供該沸石材料之均勻取向。任意地，該磁場可在循環本身期間施加。
再參照第3圖，在該環形吸附劑環305內及該等吸附劑棒315之間的是多個流動通道。該等流動通道見於310。該等流動通道310界定沿著該吸附劑床300之主軸流動的主要流動通道。
該等流動通道310形成稱作“平行通道接觸器”之類型的結構化吸附劑接觸器。平行通道接觸器是包含結構化(特設)吸附劑之吸附劑接觸器的子集合，其中在該吸附劑結構中加入實質平行之流動通道。該等流動通道310可藉由多種不同手段形成，其中有些描述於發明名稱“Removal of CO2,N2,and H2S from Gas Mixtures Containing Same”之美國專利公開案第2008/0282887號，在此以引用方式併入本文。
形成該環形環305和該等棒315之吸附劑材料對二或多種氣體組分具有“動力學選擇率”。用於本文時，將該措辭“動力學選擇率”定義為兩種不同物質之單組分擴散係數(D(以m2/sec表示))的比例。該等單組分擴散係數也被稱為史蒂芬-馬克士威(Stefan-Maxwell)輸送擴散係數，其係由特定吸附劑之特定純氣體組分測得。因此，例如，特定吸附劑之組分A相對於組分B之動力學選擇率等於DA/DB。
材料之單組分擴散係數可由吸附性材料先前技術中已知之試驗測定。測量該動力學擴散係數之較佳方式是利用Reyes等人在“Frequency Modulation Methods for Diffusion and Adsorption Measurements in Porous Solids ”,J.Phys.Chem.B.101，614-622頁(1997)中所述之頻率回應技術，在此以引用方式併入本文。在該容器200之動力學控制分離法中，較佳是所選擇之吸附劑之第一組分(例如，CO2)相對於第二組分(例如，甲烷)的動力學選擇率(即，DA/DB)大於5。
用於本文時該措辭“選擇率”係以在該處理循環之吸附步驟的期間在指定系統操作條件及進料流組成下該進料流中之組分的莫耳濃度與被特定吸附劑吸附之這些組分的總莫耳數之二組分比較為基礎。關於含有組分A、組分B及任意其他組分之進料氣流，具有組分A比組分B大之 “選擇率”的吸附劑於該變動吸附處理循環之吸附步驟終點具有以下比例：UA=(該吸附劑中之A總莫耳數)/(該進料中之A莫耳濃度)，此比例高於以下的比例：UB=(該吸附劑中之B總莫耳數)/(該進料中之B莫耳濃度)其中：UA是“組分A之吸附攝取率”，及UB是“組分B之吸附攝取率”。
因此，對於具有組分A對組分B之選擇率的吸附劑，該選擇率係大於1：選擇率=UA/UB(其中UA>UB)。
在天然氣進料流中之不同組分的比較當中，對於在裝填於該吸附劑中之總莫耳數相對於在進料流中之莫耳濃度之比例而言，具有最小比例的組分是該變動吸附法中最輕組分。將該輕質組分當作是該吸附方法中之吸附劑不會優先吸附的物質或分子組分。這意指在該吸附步驟時流出之物流中的最輕組分莫耳濃度大於該進料流中的最輕組分莫耳濃度。在本揭示內容中，該吸附劑接觸器200之第一組分(例如，CO2)對第二組分(例如，甲烷)的選擇率為至少5，第一組分對第二組分的選擇率更佳是至少10，且第一組分對第二組分的選擇率最佳是至少25。
注意可以同時移除二或多種污染物；然而，為求方便能藉由選擇性吸附移除之組分在此可稱為單一污染物或重質組分。
該輕質組分之回收或者相對流速為特徵。因此，甲烷回收率可定義為產物流(如第一出口230中O1所示)中之甲烷的時間平均莫耳流速除以進料流(如氣體入口210所描繪)中之甲烷的時間平均莫耳流速。同樣地，二氧化碳及其他重質組分之回收率係定義為污染物流(如第二氣體出口220中O2所示)中之重質組分的時間平均莫耳流速除以進料流(如氣體入口210所描繪)中之重質組分的時間平均莫耳流速。
其他關於組分擴散係數及動力學選擇率之技術資訊係提供於以上引用之共有的美國專利公開案第2008/0282887號中。
為了增進該氣體分離方法之效率，該床300也可提供次要流動通道。次要流動通道增加沿著該等棒315之吸附劑材料的表面積曝露率。
第3B圖提供第3A圖之吸附劑床300的分解圖。該吸附劑床300橫切過任意第二氣體出口220。再次見到行經該吸附劑床300之主要流動通道310。此外，於320見到橫向流動通道。該橫向流動通道320作為次要流動通道。能見到該流動通道320部分伸入該吸附劑床300。然而，該橫向流動通道320可任意以大多數繞著該環形吸附劑環305周圍之方式伸出。
在第3B圖之方案中，僅顯示單一個次要流動通道320。然而，該吸附劑床300可具有多個次要流動通道320。這些可任意與匯集於第二氣體出口220之流複疊在 一起。
第3C圖是第3A圖之吸附劑床300的縱向截面圖。此圖式切過第3A圖之線C-C。在第3C圖見到縱向吸附劑棒315。此外，主要流動通道310可於該等棒315之間見到。
沿著該等吸附劑棒315能見到一連串步階表面325。該等步階表面325也作為次要流動通道。代替步階表面325，該等表面325可為螺旋形表面。在任何方案中，除了或代替該橫向通道320，可使用該等步階表面325以增加表面積並改善動力學選擇率而不需要大且貴之熱傳單元。
該主要流動通道310及次要流動通道320、325在分餾器300中提供氣體可流過之路徑。一般，該等流動通道310、320、325提供較低流體阻力與較高表面積。流動通道長度應該足以提供所欲之質傳區，該流動通道長度至少是流體速度和表面積對通道體積之比例的函數。
該等流動通道310、320、325較佳係經建構以使該容器200中之壓降最小化。因此，能使曲折之流徑減至最少或避免。如果橫過該床300發生太多壓降，則不易達成較高循環頻率，如大於100 cpm之等級。此外，且如以上特別提及的，較佳是該等棒315等距離間隔開以便創造某程度之通道均一性。
在一方面中，該等流動通道310一般被分開，所以只有極少或沒有橫流。在此例子中，於該分餾器200之第一 端302進入通道310之流體流部分並未與任何其他於該第一端302進入另一個通道310之流體部分顯著聯通直到該等部分在第二端304排出之後再結合為止。在此方案中，主要流動通道310之體積實質相等以確保所有通道310皆完全被利用，且實質上相等地容納由該容器200之內部體積所界定的質傳區。
該等流動通道310之尺寸可藉由考慮沿著該接觸器容器200的壓降而計算。較佳是該等流動通道310具有約5至約1,000微米之通道間隙，較佳是約50至約250微米。用於本文時，流動通道310之“通道間隙”係定義為正交於該流徑觀看時橫過該流動通道310之最小尺寸的線長。例如，如果該流動通道310之截面是圓形，則該通道間隙是該圓之內徑。然而，如果該通道間隙之截面是矩形，該流動間隙是從角落至角落將該流動間隙一分為二之線的距離。
應該要注意該等主要流動通道310可為任何截面之結構或幾何剖面。在第3A和3B圖中，該等主要流動通道310係為星形。不管外形為何，較佳是吸附劑材料體積對該吸附劑接觸器200中之流動通道體積的比例係為約0.5：1至約100：1，且更佳約1：1至約50：1。
在一些變壓應用中，特別是RCPSA應用，當吸附劑薄層層疊在一起時會形成該等流動通道。在該等薄層內之流動通道含有間隔物或作為間隔物之篩網。然而，該等間隔物佔據多許多之空間所以使用經層疊之薄層並不好。
代替經層疊之薄層，多個小的橫向次要流動通道可經過該等吸附劑棒以機器處理。在一個改良方案中，第4圖提供用於第2圖之變壓吸附容器之吸附劑床400的透視圖。該吸附劑床400具有外表面405。該外表面405之尺寸係製成擬合第2圖之容器200的外殼205之內徑。
將主要流動通道410裝設於單石吸附劑材料415內。該等主要流動通道410係沿著該吸附劑床400之主軸形成。然而，為了進一步增加沿著該等吸附劑棒之表面積，透過該單石材料415形成小的橫向通道420。這些通道作為次要流動通道420。
該次要流動通道420可為非常小的管狀通道，例如，具有小於約25微米之直徑。該次要流動通道420並沒有大到足以完全分開吸附劑棒415。依此方式，能避免支持間隔物之需求。
該等任意的次要流動通道420促進該等主要流動通道410之間的壓力均衡。如果有過多之通道不一致，生產力及氣體純度二者可能受損。關此，如果一個流動通道大於相鄰的流動通道或接受比另一個流動通道多之氣流，可能發生過早之產物穿透。此會因而導致該產物氣體之純度降至不可接受的純度。再者，於高於約每分鐘50循環(cmp)之循環頻率運轉的裝置需要有比於每分鐘較低循環運轉的裝置更高之流動通道均一度及更低之壓降。
現在參照第2和3圖，第2圖之容器200係顯示為圓筒，且在其中之吸附劑棒315係顯示為管狀組件。然而， 其他適用於變動吸附處理設備之形狀均可使用。容器佈置之非限定實例包括多個不同形狀之單石，該單石具有自該單石之一端延伸至另一端的多個實質平行通道；多個管狀組件；吸附劑薄層之堆疊層且各個薄層之間有間隔物；中空纖維之多層螺旋輥或束，以及實質平行固體纖維束。
此外，其他關於平行通道接觸器之具體實施例均可使用。這樣之具體實施例包括美國專利公開案第2008/0282887號之第1至9圖顯示及描述之接觸器。以引用方式將此公開案之全文再次併入本文。
返回第1圖，顯示4個例示性分離階段。這些是階段132’/132”、階段134、階段136及階段138。各個階段代表一個吸附劑床，且該等階段132’/132”、134、136、138串聯放置。該等吸附劑床較佳各自存在於其特有之壓力容器內，如第2圖之容器200。然而，至少有些床存在於該相同壓力容器內且同時保持串聯之情況也在本案之範疇之內。
首先，階段132’代表自管線122中之氣體移除水蒸氣。因此，將第一吸附劑床裝設於階段132’，其中該吸附劑材料係設計成吸附水蒸氣。一旦該吸附劑材料飽和，使階段132’中之床脫附並透過管線131’釋出水蒸氣。任意地，將該水蒸氣與來自該分離器120之液體管線121合併，如管線125所示。
管線125中之液體主要為水。這些液體可再注入該貯藏庫而成為水淹(water flooding)操作之一部分。或者 ，水可被處理並拋棄於周圍之海洋環境中。另外或者，水可被處理並透過去鹽法取得而用於灌漑或沿岸工業用途。另外或者，且如以上特別提及的，管線125中之液體可進一步進行分離以捕集任何烴類。
較佳是該第一階段132’只是“精製”階段。這意指大部分水已經藉由預脫水容器(如容器120)移除或“擊出”，且在階段132’中之吸附劑床只是移除殘留之水蒸氣。
在使用脫水容器之情況下，管線122中之流體包括乾燥劑如乙二醇。因此，輔助第一階段132”係供用於乾燥劑移除。在第1圖中，乾燥劑係透過獨立的吸附床自該氣體分離單元130移除。一旦該床變成飽和，該乾燥劑係透過管線131”釋出。該乾燥劑可再循環以供用於該脫水容器120。
第1圖也將污染物移除之第二階段顯示於134。該例示性第二階段134係用於移除重質烴類。如所述，重質烴類主要包括來自原始氣流之任何乙烷。也可吸附一些丙烷及丁烷。該等重質烴類係吸附在該吸附劑床上，同時釋出酸性氣體及較輕之烴類。
如果該重質烴組成非常少，此類組分可能於該第一132’/132”移除階段中被吸附。這也與該第一132’/132”移除階段中之吸附劑床的組分有關。然而，如果該重質烴含量多，如大於3至5個百分比，則獨立之專用吸附階段134是理想的。飽和之後，重質烴類透過管線133釋出。
較佳是在階段134中之吸附劑床是沸石材料。具有適用於移除重質烴類之細孔尺寸的沸石之非限定實例包括MFI、八面沸石、MCM-41及β。較佳是本發明之方法具體實施例中用於重質烴移除的沸石之Si/Al比是約20至約1,000，較佳約200至約1,000，以防該吸附劑過量積垢。
由沸石製造之分子篩床可有效移除C2至C4組分，同時矽膠床可最有效移除C5+重質烴類。關於吸附性動力學分離法用於烴氣體組分之分離的其他技術資訊係於發明名稱“Removal of Heavy Hydrocarbons from Gas Mixtures Containing Heavy Hydrocarbons and Methane”之美國專利公開案第2008/0282887號中提供。在此以引用方式將此專利公開案之全文併入本文。
如以上所述，經分離之重質烴類透過管線133釋出。該重質烴類可以工業用燃料產物販售。或者，該重質烴類可進行一些冷卻而使較重質組分凝結出來並再利用任何甲烷蒸氣。
該氣流接下來移至第三階段136。該第三階段136係供用於移除含硫組分。含硫組分可包括硫化氫、二氧化硫及硫醇類。使酸性氣體組分吸附於該吸附劑床上，同時使甲烷通往任意的第四階段138。飽和之後，透過管線135將該等含硫組分釋出。
在脫水氣流含有硫化氫之情況下，可能有益的是以錫矽酸鹽類調配該吸附劑。明確地說，8-環沸石可以錫矽酸鹽類製造。此類8-環材料之動力學選擇率讓H2S能快速 傳達至沸石晶體內。飽和之後，洗淨該床。咸了解該等含硫組分較佳透過後續硫回收方法取得。
任意的第四階段138也裝設於該氣體分離單元130中。該第四階段138係供用於自該氣流移除二氧化碳及氮。使CO2和N2吸附於階段138之吸附劑床上，同時釋出脫臭氣流。洗淨之後，CO2和N2透過排出管線137排出該氣體分離單元130。同時，該脫臭氣流透過管線140釋出。
咸了解該氣體分離單元130可具有少於或多於4個階段。AKS階段數目取決於透過氣體管線122進入之原料氣流的組成。例如，如果氣體管線122中之原料氣流具有以體積計為少於0.5 ppm的H2S，則同樣不需要用於含硫組分移除之吸附階段。相反地，如果氣體管線122中之原料氣流具有金屬污染物(如汞)，則此分離法將增加一個獨立AKS階段。
如以上所述，各個階段132’/132”、134、136、138使用一個吸附劑床。各個吸附劑床可表示基於多個並聯之床的吸附劑床系統。這些床可裝填，例如，活性碳或分子篩。各個系統之第一床係用於吸附。這習稱為工作床(service bed)。當該第一床正在使用中時，第二床進行再生(如透過壓降)。還有第三床已經再生，並經維持以供當該第一床變成實質飽和時可於該吸附系統中用作為工作床。因此，更有效率之操作可並聯使用最少3個床。
在各個階段132’/132”、134、136、138中，該工作 床可處在其特有之專用容器中，且各個階段之容器串聯。或者，該等工作床可在一或多個聯合之容器中串聯對準。也要注意該等床可由於一定時間吸附多於一種組分之材料製造。例如，單一床可經設計以優先移除含硫組分及二氧化碳二者。或者，兩個個別容器可串聯裝設，該等容器係經設計以實質移除相同組分。例如，如果氣體管線122中之原料氣流具有高CO2含量，則可在繼起之容器中裝設兩個床以供優先移除CO2。
不同類型吸附劑床之組合可於階段與階段之間應用。使用吸附劑床之組合有助於防止重質烴類留在氣相中且最後以富含甲烷之氣流140終結。在任何方案中，富含甲烷之氣流140係自該氣體分離單元130釋出。
該氣體處理設備100也供用於該天然氣之液化。在此上下文中，這意指該經脫臭之富含甲烷的氣流140將會被冷卻。在第1圖中，將液化設備顯示於150。
在進入該液化設備150之前，該富含甲烷之氣流140可進行適度壓縮。這在該氣體分離單元130與該液化設備150之間有距離的情況下特別實際。在第1圖之設備100中，將任意壓縮器顯示於145。該壓縮器145釋出供入該液化設備150中之經壓縮的富含甲烷之氣流142。
在本發明中，該液化設備150是高壓之以膨脹器為基礎的設備。在一個具體實施例中，第5圖表示該高壓膨脹器循環冷凍系統150之示意流程圖。
該冷凍系統150最初包括第一壓縮單元515。進入該 液化設備150之後，使該經脫臭之富含甲烷的氣流140(或142)通過該第一壓縮單元515。該第一壓縮單元515可為，例如，高壓離心乾燥密封壓縮器。該第一壓縮單元515將該富含甲烷之氣流140之壓力提高至高於1,000 psia(6,895 kPa)之壓力。依此方式，形成經壓縮之氣體進料流517。
該液化設備150也包括一或多個用於冷卻該經脫臭且經壓縮之氣流517的壓縮熱交換器。在第5圖之佈置中，顯示第一熱交換器525及第二熱交換器535。該液化設備150也使用一或多個高壓膨脹器以供進一步冷卻。在第5圖中，將膨脹器顯示於540。
該膨脹器540可為幾個類型。例如，可使用焦耳-湯普生(Joule-Thompson)閥。或者，可裝設渦輪膨脹機。渦輪膨脹機是離心或軸流渦輪機，高壓氣體透過該渦輪機膨脹。渦輪膨脹機常用以產生功，該功可用以，例如，驅動壓縮器。關此，渦輪膨脹機產生供像是壓縮或冷凍之程序用的軸功來源。在任何具體實施例中，均製造出液化天然氣，或LNG流。將LNG流顯示於管線542。
如以上所述，該液化設備150包括第一熱交換器525。該熱交換器525是第一冷凍環路520之一部分，並可稱為第一冷卻器。該第一冷卻器525接受來自該第一壓縮單元515之經壓縮的氣體進料流517。該第一冷卻器525接著將該經壓縮之氣體進料流517冷卻至經實質冷卻的溫度。例如，該溫度可低達-100℃(-148℉)。
該第一冷卻器525釋出經壓縮冷卻之氣體進料流522。將該經壓縮冷卻之氣體進料流522導入該第一膨脹器540。這用以將該經壓縮之氣體進料流517進一步冷卻至發生甲烷的實質液化之溫度。由此，釋出至少至-162℃(-260℉)之液化產物流542。
該產物流542具有大液體部分及殘留之小蒸氣部分。因此，較佳是該液化設備150也包括液體分離容器550。該液體分離容器550係經建構以分離該液體部分及殘留之蒸氣部分。因此，一個管線中釋出液體甲烷流152而成為LNG工業用產物，而分開的冷蒸氣流552則於頂部釋出。
該冷蒸氣流552可用作為該第一冷凍環路520中之第一冷卻器525的冷卻劑。第5圖中可見到該冷蒸氣流552進入該第一冷卻器525，在該第一冷卻器525中與該經壓縮的氣體進料流517發生熱交換。接著釋出部分暖化之產物流554。
將該部分暖化之產物流554往回導引至該第一冷凍環路520之起點。這意指將該部分暖化之產物流554往回與該富含甲烷之氣流140(或142)合併。為了完成此，裝設第三壓縮單元555。該第三壓縮單元555釋出經壓縮部分暖化之產物流557。該經壓縮部分暖化之產物流557較佳透過該第一壓縮單元515與該富含甲烷之氣流142一起取得。
較佳是該氣體液化設備150包括第二熱交換器。將該 第二熱交換器顯示於535，並表示第二冷卻器。該第二熱交換器535可在該第一冷卻器525之後任意設置於該第一冷凍環路520之管線中。依此方式，該第二熱交換器535能再冷卻成該經壓縮冷卻之氣體進料流522。然而，較佳是將該第二熱交換器535設置於該第一冷凍環路520之管線中該第一冷卻器525之前此配置顯示於第5圖。
在第5圖中，該第二熱交換器535或第二冷卻器接受來自該第一冷卻器525的部分暖化之產物流554。該部分暖化之產物流554與該經壓縮之氣體進料流517之間接著進行間接熱交換。該熱交換器535在該經壓縮之氣體進料流517進入該第一冷卻器525之前預先冷卻該經壓縮之氣體進料流517。該第二熱交換器535因此將經預冷卻壓縮之氣體進料流532釋出至該第一冷卻器525中。
該熱交換器535也釋出暖化的產物流556。在此方案中，該暖化的產物流556進入該第三壓縮單元555，並釋出而成為該經壓縮且部分暖化之產物流557，將該產物流557與該富含甲烷之氣流142合併。
為了提供該第二冷卻器535中之有效預冷卻，欲為除了該部分暖化之產物流554以外再使用冷卻劑。因此，也裝設第二冷凍環路530。該第二冷凍環路530使用冷卻劑，表示於管線534。管線534中之冷卻劑較佳為氮氣或含氮氣體。在該冷卻劑中應用氮將使該預冷卻溫度範圍擴大。
回來參照第1圖，可見到來自階段138之一部分污染 物被截獲。這表示N2及可能的話在管線137中之一些CO2。該氮係經由管線147帶至該氣體液化設備150。此外，操作員可取一部分富含甲烷之氣流140作為該冷卻劑534。此係經由管線141完成。或者或此外，操作員可採取自階段136分離出來之一部分重質烴類。經由管線143自管線133採取乙烷(或其他重質烴類)。將管線141、143及147顯示為虛線，表示任意的流體截獲。
管線141、143及147中之氣體組分係自該氣體分離單元130選擇性且任意地採取並併入管線149。將此顯示於第1圖。來自管線141、143及/或147之組分接著透過管線149導入該第二冷凍環路530。將此顯示於第5圖。可見閥501係用於控制來自管線141、143及/或147之組分透過管線149流入該第二冷凍環路530的流動。閥501也可用以轉移來自管線141、143、147之一部分組分以供於燃氣渦輪中燃燒而產生電力或供再生與TSA有關之床。
當然，咸了解其他閥(沒顯示)能控制被引入管線149之管線141、143、147中的組分之相對體積。另外咸了解操作員可自專用槽(沒顯示)抽取氮而用於管線534中的冷卻劑。在任何方案中，來自管線534之冷卻劑以暖化的狀態離開該熱交換器535。該冷卻劑移動通過第二壓縮單元536以供增壓，並接著透過膨脹器538採取以供再冷卻。在管線534中之冷卻劑接著再進入該熱交換器535。小冷卻器(沒顯示)可在該膨脹器538之後加於該第二 冷凍環路530以進一步冷卻管線534中之冷卻劑。
注意該熱交換器535可作為該氣體液化設備150之唯一冷卻器。在此方案中，該第一冷卻器525不能使用。另外，該蒸氣部分552較佳接著用作為用於管線534之至少一部分冷卻劑。然而，在該第二冷凍環路530中同時使用該熱交換器535與該膨脹器538將改善該第一膨脹器環路520之總體冷卻效率。在任何例子中，除非在申請專利範圍中明確指明，否則本發明不限於冷卻器或冷凍環路之特定佈置。
第6圖是顯示用於將原料天然氣流液化之方法600的步驟之流程圖。該方法600運用吸附性動力學分離法以製造富含甲烷之氣流。該方法600接著進一步利用高壓膨脹器循環冷凍系統以冷卻甲烷並提供LNG產物。該LNG產物較佳在離岸之浮動平台或以重力為基礎的平台上產生。
該方法600首先包括於氣體分離單元接受該天然氣進料流。該氣體分離單元具有一或多個分餾容器。該等分餾容器係依據上文之多個不同具體實施例中之分餾容器設計。該等分餾容器較佳依據變壓吸附法(PSA)或快速循環變壓吸附法(RCPSA)操作以將串聯之吸附床再生。該等吸附床係經設計以吸附CO2、H2S、H2O、重質烴類、VOC類、硫醇類、氮或其組合。
該方法600也包括自該天然氣進料流內之污染物實質分離甲烷。至於第一分離步驟，該原料天然氣進料流任意地通過脫水容器而採取。這用以自該天然氣流移除相當大 部分之水及其他液相組分。將自氣相組分分離液相組分(主要是水)之步驟顯示於方塊620。經脫水之天然氣進料流接著以經脫水之天然氣進料流形式釋出。
接下來，氣相污染物係自該經脫水之原料氣流移除。將自該天然氣進料流內之氣相污染物分離甲烷的步驟顯示於方塊630。此步驟係透過在一或多個分餾容器中使用吸附床完成。在一個方面中，自污染物分離甲烷係透過該氣體分離單元於至少約每平方吋500磅(psia)之絕對壓力進行。
第7圖是顯示用於自該原料天然氣流分離污染物之步驟700的流程圖。該等步驟使用吸附性動力學分離法以形成該富含甲烷之氣流。
首先，自該天然氣進料流吸附水。關此，運用的是具有保水性之吸附性床。將此步驟顯示於方塊710。如以上所述，較佳是水移除階段只是“精製”階段。這意指大部分水已經藉由預脫水容器(按照方塊620之步驟)移除或“擊出”。
在使用脫水容器之情況下，該氣流中之污染物包括乾燥劑如乙二醇。因此，組分之分離的下一個階段涉及該乾燥劑之吸附。將此提供於方塊720。
如第7圖所示，為了移除污染物可採用多個額外的吸附性階段。這些可包括含硫組分之移除(方塊730)、二氧化碳及/或氮之移除(方塊740)、汞或其他金屬元素之移除(方塊750)及重質烴類之移除(方塊760)。依 據該等吸附劑床設計之方式，這些組分之中的某些成分可於單一聯合階段中被移除。另外，如方塊710至760之步驟所提供的污染物移除順序可以改變，但是極佳的是首先依方塊710所示之方式移除水。因此，除非在本文之申請專利範圍中指明，否則該方法600不限於步驟700中移除污染物之順序。
在一個方面中，使用具有多個串聯對準之吸附劑床的單一容器。例如，該氣體分離單元中之至少一個分餾容器可包含含多個串聯的吸附劑床之容器，以使得：第一吸附床係經設計而主要移除該經脫水之天然氣進料流中的水及其他液體組分；第二吸附床係經設計而主要移除該經脫水之天然氣進料流中的乾燥劑；及第三容器包含設計成主要用於移除該經脫水之天然氣進料流中的酸性氣體組分之吸附床。
其他容器可被加入以吸附並分離不同之酸性氣體。
在另一個方面中，使用多個串聯之容器，且該等容器係利用該經脫水之天然氣進料流的流動對準。各容器釋出漸進脫臭之甲烷氣流。例如，第一容器使用設計成用於移除該經脫水之天然氣進料流中殘留的水之吸附床；第二容器使用設計成用於移除該經脫水之天然氣進料流中的乾燥劑之吸附床；及第三容器使用設計成用於移除該經脫水之天然氣進料 流中的酸性氣體組分之吸附床。
該酸性氣體組分可為一或多種含硫組分。或者，該酸性氣體組分可為二氧化碳。
由於第7圖中之吸附步驟700的結果，產生富含甲烷之氣流。此氣流自該氣體分離單元以經脫水之天然氣進料流釋出。因此，該方法600接下來包括自該氣體分離單元釋出經脫水之富含甲烷的氣流。將此表示於方塊640。
將該富含甲烷之氣流引導至該高壓膨脹器循環冷凍系統。這可於方塊650見到。該冷凍系統係依據以上所示之第5圖，且如其多個不同具體實施例之任何者所述的冷凍系統150。因此，該冷凍系統較佳包括用於循環該產物之蒸氣部分而作為第一冷卻器中的冷卻劑之第一冷凍環路，及用於循環含氮氣體而作為第二冷卻器中的冷卻劑之第二冷凍環路。該第二冷卻器可同時利用以氮為底質之冷卻劑及來自該第一冷卻器的部分暖化之甲烷氣體而成為工作流體。
該方法600也包括壓縮該富含甲烷之氣流。將此步驟提供於方塊660。該氣流係壓縮至高於1,000 psia(6,895 kPa)之壓力以形成經壓縮的氣體進料流。
該方法600接著包含將該經壓縮之氣體進料流冷卻以形成經壓縮冷卻之氣體進料流。這可於方塊670見到。方塊670之冷卻步驟較佳涉及透過第一冷凍環路520內之至少一個熱交換器採取該經壓縮之氣體進料流。例如，該經壓縮之氣體進料流可使用第5圖之熱交換器535(第二 冷卻器)預冷卻，並接著使用第5圖之第一冷卻器525進一步冷卻。任意地，該熱交換器535(第二冷卻器)可設置於該第一冷凍環路520中該第一冷卻器525之後。依此方式，該熱交換器535在該經壓縮之氣體進料流517已經通過該第一冷卻器525之後再冷卻該經壓縮之氣體進料流517。
該第一冷凍環路520透過至少一個熱交換器(如冷卻器525)循環冷卻劑，並接著將用過(暖化)之冷卻劑(554及/或556)引導至壓縮單元555。該壓縮單元將該暖化的冷卻劑壓縮至約1,500至3,500 psia(10,342至24,132 kPa)。更佳地，該壓縮單元將該暖化的產物流壓縮至約2,500至3,000 psia(17,237至20,684 kPa)。
該第二冷卻器535較佳為第二冷凍環路530之一部分。該第二冷卻器535係經建構以至少部分藉由冷卻劑流534與該經壓縮之氣體進料流之間的間接熱交換而冷卻該經壓縮之氣體進料流517。該第二冷凍環路530也可包括壓縮單元536。該壓縮單元536係經建構以在該冷卻劑流通過該第二冷卻器535之後再壓縮該冷卻劑流。該第二冷凍環路也接著包括膨脹器。該膨脹器接受該經再壓縮冷卻之冷卻劑流，並在將該經再壓縮冷卻之冷卻劑流送返該第二冷卻器535之前使該經壓縮冷卻之冷卻劑流膨脹。
該方法600也包括使該經冷卻壓縮之氣體進料流522膨脹。將此步驟提供於方塊680。在一個方面中，該經冷卻壓縮之氣體進料流522的膨脹包含將該經冷卻壓縮之氣 體進料流的壓力降至介於約50 psia(345 kPa)與450 psia(3,103 kPa)之間的壓力。該經冷卻之氣體進料流522的膨脹形成該LNG產物流542。該產物流具有液體部分及殘留之蒸氣部分。
該高壓膨脹器循環冷凍系統較佳包括液體分離容器。該方法接著更包含分離該液體部分及該殘留之蒸氣部分。該液體部分可接著裝入輸送容器。將此步驟表示於第6圖之方塊690。
為了證實該方法600之功效，且特別是使用AKS系統移除氮之步驟，而產生一些資料。此資料係呈現於以下之實施例中的表中。
實施例
下表中描述利用Aspen HYSYS®(2006版)製程模擬器(一種來自Aspen Technology,Inc.,of Cambridge,Massachusetts之電腦輔助設計程式)詳述比較結果。表中使用措辭“SCRS”。此措辭是“選擇性組分移除系統”之縮略字，且在此上下文中表示AKS吸附性系統。
首先，表2例示在液化之前自該天然氣流移除氮的效果。與在該含氮之天然氣液化之後使用蒸餾塔移除氮的習用方法做比較。所達成之節能(高於7%)造成電力產生設備之簡化。因而此可解釋為空間和重量之減低，而能離岸製造LNG。
注意關於LNG所需之規格能輕易達成
接下來，提供表3以例示使用高壓膨脹器循環冷凍系統對處理性能之益處。當進料壓力提高時，將使由100℉之環境溫度製造該LNG所需之熱能降低，對於4,000 psia壓力而言，熱能降低高達17%。習用氣體處理法將進料氣壓降至低於1,000 psia。因此為了利用於提高壓力之降低熱能的益處需要壓縮設備及相關之壓縮馬力以升高進料壓力。這抵銷該液化馬力降低之益處。
已發現於提高壓力下操作以AKS為基礎之氣體分離 單元能保持且甚至增進這些益處。
表4使用本發明之分離方法而強調性能改善效果。在習用方法中，提高進料氣壓之益處係藉由增加進料氣體壓縮而達成：與習用溶劑萃取氣體調節法規定之源頭(nellheal)的壓降有關之能量通常會被浪費掉。該SCRS單元可經建構以保持源頭壓力且藉以避免習用方法造成之能量浪費。
咸信藉由使用小且輕質AKS分離器形成該氣體分離單元，並藉由使用高壓膨脹器循環冷凍系統，該氣體調節或處理設備之設備佔地及重量減少達75%。這可轉化為FLNG駁船之空間和重量縮減21%。或者，可利用之空間和重量可用以提高該FLNG駁船之容量。此縮減因此改善 氣體商業化計劃之經濟實行可能性。
如所見，本發明提供一種用於將天然氣流液化之改良的氣體處理設備。在一個方面中，該設備包含：
1.氣體分離單元，該氣體分離單元具有至少一個分餾容器，該至少一個分餾容器，其包含：氣體入口，用於接受包含甲烷之天然氣混合物，吸附劑材料，其污染物對甲烷的動力學選擇率大於5，以致於該污染物變成動力學吸附於該吸附劑材料內，及氣體出口，其係用於釋出富含甲烷之氣流；以及高壓膨脹器循環冷凍系統，其包含：第一壓縮單元，其係經建構以接受該富含甲烷之氣流之實質部分並將該富含甲烷之氣流壓縮至高於約1,000 psia(6,895 kPa)之壓力，藉以提供經壓縮的氣體進料流；第一冷卻器，其係經建構以使該經壓縮的氣體進料流冷卻而形成經壓縮冷卻的氣體進料流；及第一膨脹器，其係經建構以使該經冷卻壓縮的氣體進料流膨脹而形成具有液體部分及剩餘蒸氣部分之產物流。
2.如第1段之氣體處理設備，其中：該第一冷卻器係經建構以接受來自該第一膨脹器之產物流的一部分，並使用該部分的產物流透過熱交換以冷卻該經壓縮的氣體進料流。
3.如第1段之氣體處理設備，其中：該第一冷卻器係經建構以使用外部冷卻劑流透過熱交 換而冷卻該經壓縮的氣體進料流。
4.如第1段之氣體處理設備，其中該高壓膨脹器循環冷凍系統另外包含：液體分離容器，其係經建構以分離來自該第一膨脹器之液體部分及剩餘蒸氣部分。
5.如第4段之氣體處理設備，其中：該第一冷卻器接受該蒸氣部分之至少一部分，並使用該蒸氣部分透過熱交換而冷卻該經壓縮的氣體進料流，以作為第一冷凍環路的一部分；該第一冷卻器釋出(i)經冷卻的氣體進料流，及(ii)在與該經壓縮的氣體進料流熱交換後之部分暖化的產物流；及該高壓膨脹器循環冷凍系統另外包含：第二冷卻器，其係經建構以至少部分藉由與冷卻劑流和該蒸氣部分之間接熱交換而進一步冷卻該經壓縮的氣體進料流；及第二冷凍環路，其具有(i)第二壓縮單元，該第二壓縮單元係經建構以在該冷卻劑流通過該第二冷卻器之後再壓縮該冷卻劑流，及(ii)第二膨脹器，該第二膨脹器係經建構以接受該再壓縮之冷卻劑流，並在將該再壓縮之冷卻劑流送返該第二冷卻器之前使該再壓縮之冷卻劑流膨脹。
6.如第5段之氣體處理設備，其中該高壓膨脹器循環冷凍系統另外包含： 在該第一冷凍環路中之第三壓縮單元，該第三壓縮單元係用於在與該經壓縮的氣體進料流熱交換之後壓縮該部分暖化的產物流；及用於合併該經壓縮之部分暖化的產物流與該氣體進料流而完成該第一冷凍環路之管線。
7.如第5段之氣體處理設備，其中該第二冷卻器在該經冷卻的氣體進料流離開該第一冷卻器之後再冷卻(sub-cool)該經冷卻的氣體進料流。
8.如第5段之氣體處理設備，其中該第二冷卻器在該經壓縮的氣體進料流進入該第一冷卻器之前將該經壓縮的氣體進料流預冷卻。
9.如第8段之氣體處理設備，其中：該第二冷卻器接受來自該第一冷卻器之部分暖化的產物流以供與該經壓縮的氣體進料流進一步熱交換；及將暖化的產物流釋放至第三壓縮單元以完成該第一冷凍環路。
10.如第1段之氣體處理設備，其中該設備係位於離岸之(i)浮動平台，(ii)以重力為基礎之平台，或(iii)船形容器上。
11.如第1段之氣體處理設備，其中該氣體分離單元中之至少一個分餾容器依據變壓吸附法(PSA)或快速循環變壓吸附法(RCPSA)運轉。
12.如第11段之氣體處理設備，其中該至少一個分餾容器係經建構以吸附CO2、H2S、H2O、重質烴類、VOC 類、硫醇類或其組合。
13.如第12段之氣體處理設備，其另外包含：脫水容器，其係經建構以接受該天然氣進料流，並自該天然氣進料流移除實質部分之水，並將經脫水之天然氣進料流釋放至該至少一個分餾容器。
14.一種用於將天然氣進料流液化之方法，其包含：於氣體分離單元接受該天然氣進料流，該氣體分離單元具有至少一個分餾容器，該至少一個分餾容器包含：氣體入口，用於接受包含甲烷之天然氣混合物，吸附劑材料，其污染物對甲烷的動力學選擇率大於5，以致於該污染物變成動力學吸附於該吸附劑材料內，及氣體出口，其係經建構以釋出富含甲烷之氣流；自該天然氣進料流內之污染物實質分離出甲烷；自該氣體分離單元釋出富含甲烷之氣流；將該富含甲烷之氣流導入高壓膨脹器循環冷凍系統；將該富含甲烷之氣流壓縮至高於1,000 psia(6,895 kPa)之壓力以形成經壓縮的氣體進料流；使該經壓縮的氣體進料流冷卻以形成經壓縮冷卻的氣體進料流；使該經冷卻壓縮的氣體進料流膨脹以形成具有液體部分及剩餘蒸氣部分之產物流；及使該液體部分與該蒸氣部分分離。
15.如第14段之方法，其中該高壓膨脹器循環冷凍系統包含： 第一壓縮單元，其係經建構以接受該富含甲烷之氣流之實質部分並產生該經壓縮的氣體進料流；第一冷卻器，其係經建構以使該經壓縮的氣體進料流冷卻而形成該經壓縮冷卻的氣體進料流；及第一膨脹器，其係經建構以使該經冷卻壓縮的氣體進料流膨脹而形成該產物流。
16.如第15段之方法，其中該經壓縮的氣體進料流的冷卻包含：將來自該產物流之蒸氣部分的至少一部分運送至第一冷卻器以作為第一冷凍環路之一部分；及使該產物流之蒸氣部分與該經壓縮的氣體進料流熱交換以冷卻該經壓縮的氣體進料流。
17.如第16段之方法，其中：該高壓膨脹器循環冷凍系統另外包含液體分離容器；及該液體部分與該蒸氣部分的分離係利用該液體分離容器完成。
18.如第17段之方法，其另外包含：自該第一冷卻器釋出(i)經冷卻的氣體進料流而成為該產物流，及(ii)部分暖化之產物流而成為工作流體；把該部分暖化之產物流引導至第三壓縮單元；及合併來自該第三壓縮單元之經壓縮的部分暖化之產物流與該富含甲烷之氣流而完成該第一冷凍環路。
19.如第18段之方法，其中該高壓膨脹器循環冷凍系統另外包含：第二冷卻器，其係經建構以至少部分藉由冷卻劑流與該蒸氣部分之間的間接熱交換而進一步冷卻該經壓縮的氣體進料流；及第二冷凍環路，其具有(i)第二壓縮單元，該第二壓縮單元係經建構以在該冷卻劑流通過該第二冷卻器之後再壓縮該冷卻劑流，及(ii)第二膨脹器，該第二膨脹器係經建構以接受該經壓縮之冷卻劑流，並在將該經壓縮之冷卻劑流送返該第二冷卻器之前使該經壓縮之冷卻劑流膨脹。
20.如第19段之方法，其中該第二冷卻器在該經冷卻的氣體進料流離開該第一冷卻器之後再冷卻該經冷卻的氣體進料流。
21.如第19段之方法，其中該第二冷卻器在該經壓縮的氣體進料流進入該第一冷卻器之前將該經壓縮的氣體進料流預冷卻。
22.如第1段之方法，其中該設備係位於離岸之(i)浮動平台，(ii)以重力為基礎之平台，或(iii)船形容器上。
23.如第22段之方法，其中該氣體分離單元中之至少一個分餾容器依據變壓吸附法(PSA)或快速循環變壓吸附法(RCPSA)運轉。
24.如第23段之方法，其中該至少一個分餾容器係 經建構以吸附CO2、H2S、H2O、重質烴類、VOC類、硫醇類或其組合。
25.如第22段之方法，其另外包含：使該天然氣進料流通過脫水容器以自該天然氣進料流移除實質部分之水；及將經脫水之天然氣進料流釋放至該至少一個分餾容器以供移除污染物。
26.一種用於將天然氣進料流液化之方法，其包含：於氣體處理設備接受該天然氣進料流；使該天然氣進料流通過脫水容器以自該天然氣進料流移除實質部分之水；將經脫水之天然氣進料流以經脫水之天然氣進料流的形式釋放至氣體分離單元；於該氣體分離單元中，使該經脫水之天然氣進料流通過串聯的吸附劑床以利用吸附性動力學分離法自該經脫水之天然氣進料流中的污染物分離出甲烷氣體；自該氣體分離單元釋出富含甲烷之氣流；將該富含甲烷之氣流導入高壓膨脹器循環冷凍系統；將該富含甲烷之氣流壓縮至高於1,000 psia(6,895 kPa)之壓力以形成經壓縮的氣體進料流；使該經壓縮的氣體進料流冷卻以形成經壓縮冷卻的氣體進料流；使該經冷卻壓縮的氣體進料流膨脹以形成具有液體部分及剩餘蒸氣部分之產物流。
27.如第26段之方法，其中該串聯的吸附劑床包含：第一吸附床，其係用於除去該經脫水之天然氣進料流中殘留的水；第二吸附床，其係經設計成主要用於移除該經脫水之天然氣進料流中的乾燥劑；及第三吸附床，其係經設計成主要用於移除該經脫水之天然氣進料流中的酸性氣體組分。
28.如第27段之方法，其中該等吸附劑床各自與另外兩個吸附劑床聯通以形成三個吸附劑床，其中：該三個吸附劑床之第一個吸附劑床係用於吸附所擇的污染物；該三個吸附劑床之第二個吸附劑床進行再生；及該三個吸附劑床之第三個吸附劑床經維持以替換該三個吸附劑床之第一個吸附劑床；及其中該再生係為變壓吸附方法之一部分。
如所見，本發明提供另一種用於將天然氣流液化之增進型氣體處理設備。在一個方面中，該設備包含：
1A.一種用於將天然氣進料流液化之氣體處理設備，該設備包含：氣體分離單元，該氣體分離單元具有至少一個分餾容器，該至少一個分餾容器包含：氣體入口，用於接受包含甲烷之天然氣混合物，吸附劑材料，其污染物對甲烷的動力學選擇率大於5 ，以致於該污染物變成動力學吸附於該吸附劑材料內，及氣體出口，其係用於釋出富含甲烷之氣流；以及高壓膨脹器循環冷凍系統，該高壓膨脹器循環冷凍系統包含：第一壓縮單元，其係經建構以接受該富含甲烷之氣流之實質部分並將該富含甲烷之氣流壓縮至高於約1,000 psia(6,895 kPa)之壓力，藉以提供經壓縮的氣體進料流；第一冷卻器，其係經建構以使該經壓縮的氣體進料流冷卻而形成經壓縮冷卻的氣體進料流；及第一膨脹器，其係經建構以使該經冷卻壓縮的氣體進料流膨脹而形成具有液體部分及剩餘蒸氣部分之產物流。
2A.如第1A段之氣體處理設備，其中：該第一冷卻器係經建構以接受來自該第一膨脹器之產物流的一部分，並使用該部分的產物流透過熱交換以冷卻該經壓縮的氣體進料流。
3A.如第1A段之氣體處理設備，其中：該第一冷卻器係經建構以使用外部冷卻劑流透過熱交換而冷卻該經壓縮的氣體進料流。
4A.如第1A段之氣體處理設備，其中該高壓膨脹器循環冷凍系統另外包含：液體分離容器，其係經建構以分離來自該第一膨脹器之液體部分及剩餘蒸氣部分。
5A.如第4A段之氣體處理設備，其中： 該第一冷卻器接受該蒸氣部分之至少一部分，並使用該蒸氣部分透過熱交換而冷卻該經壓縮的氣體進料流，以作為第一冷凍環路的一部分；該第一冷卻器釋出(i)經冷卻的氣體進料流，及(ii)在與該經壓縮的氣體進料流熱交換後之部分暖化的產物流；及該高壓膨脹器循環冷凍系統另外包含：第二冷卻器，其係經建構以至少部分藉由與冷卻劑流和該蒸氣部分之間接熱交換而進一步冷卻該經壓縮的氣體進料流；及第二冷凍環路，其具有(i)第二壓縮單元，該第二壓縮單元係經建構以在該冷卻劑流通過該第二冷卻器之後再壓縮該冷卻劑流，及(ii)第二膨脹器，該第二膨脹器係經建構以接受該再壓縮之冷卻劑流，並在將該再壓縮之冷卻劑流送返該第二冷卻器之前使該再壓縮之冷卻劑流膨脹。
6A.如第5A段之氣體處理設備，其中該高壓膨脹器循環冷凍系統另外包含：在該第一冷凍環路中之第三壓縮單元，該第三壓縮單元係用於在與該經壓縮的氣體進料流熱交換之後壓縮該部分暖化的產物流；及用於合併該經壓縮之部分暖化的產物流與該氣體進料流而完成該第一冷凍環路之管線。
7A.如第5A段之氣體處理設備，其中該第二冷卻器 在該經冷卻的氣體進料流離開該第一冷卻器之後再冷卻該經冷卻的氣體進料流。
8A.如第5A段之氣體處理設備，其中該第二冷卻器在該經壓縮的氣體進料流進入該第一冷卻器之前將該經壓縮的氣體進料流預冷卻。
9A.如第8A段之氣體處理設備，其中：該第二冷卻器接受來自該第一冷卻器之部分暖化的產物流以供與該經壓縮的氣體進料流進一步熱交換；及將暖化的產物流釋放至第三壓縮單元以完成該第一冷凍環路。
10A.如第9A段之氣體處理設備，其中該第三壓縮單元將該暖化的產物流壓縮至約1,500至3,500 psia(10,342至24,132 kPa)。
11A.如第1A段之氣體處理設備，其中該設備係位於離岸之(i)浮動平台，(ii)以重力為基礎之平台，或(iii)船形容器上。
12A.如第5A段之氣體處理設備，其中：該冷卻劑流包含選自由以下所組成之群組的氣體：氮氣、含氮氣體、來自該富含甲烷之氣流的側流、和剩餘之蒸氣部分及其組合；及使該第二冷凍環路中之冷卻劑流於閉合環路中流動。
13A.如第1A段之氣體處理設備，其中該氣體分離單元中之至少一個分餾容器依據變壓吸附法(PSA)或快速循環變壓吸附法(RCPSA)運轉。
14A.如第13A段之氣體處理設備，其中該氣體分離單元中之至少一個分餾容器另外依據變溫吸附法(TSA)或快速循環變溫吸附法(RCTSA)運轉。
15A.如第13A段之氣體處理設備，其中該至少一個分餾容器係經建構以吸附CO2、H2S、H2O、重質烴類、VOC類、硫醇類或其組合。
16A.如第13A段之氣體處理設備，其中每一該至少一個分餾容器與其他分餾容器合力形成變壓吸附系統，其包含：至少一個提供吸附作用之工作床，至少一個正進行再生的床，而其產生壓力降情況，及至少一個經再生之床，其經維持以供當該至少一個工作床變成實質飽和時可於該吸附系統中用作為工作床。
17A.如第13A段之氣體處理設備，其另外包含：脫水容器，其係經建構以接受該天然氣進料流，並自該天然氣進料流移除實質部分之水，並將經脫水之天然氣進料流釋放至該至少一個分餾容器。
18A.如第17A段之氣體處理設備，其中該氣體分離單元中之至少一個分餾容器包含多個串聯的容器，以使得：第一容器包含用於移除該經脫水之天然氣進料流中殘留的水之吸附床；第二容器包含主要設計成用於移除該經脫水之天然氣進料流中的乾燥劑之吸附床；及 第三容器包含主要設計成用於移除該經脫水之天然氣進料流中的酸性氣體組分之吸附床。
19A.如第17A段之氣體處理設備，其中該氣體分離單元中之至少一個分餾容器包含含多個串聯的吸附劑床之容器，以使得：第一吸附床係經設計而主要移除該經脫水之天然氣進料流中的水及其他液體組分；第二吸附床係經設計而主要移除該經脫水之天然氣進料流中的乾燥劑；及第三容器包含主要用於移除該經脫水之天然氣進料流中的酸性氣體組分之吸附床。
20A.一種用於將天然氣進料流液化之方法，其包含：於氣體分離單元接受該天然氣進料流，該氣體分離單元具有至少一個分餾容器，該至少一個分餾容器包含：氣體入口，用於接受包含甲烷之天然氣混合物，吸附劑材料，其污染物對甲烷的動力學選擇率大於5，以致於該污染物變成動力學吸附於該吸附劑材料內，及氣體出口，其係經建構以釋出富含甲烷之氣流；自該天然氣進料流內之污染物實質分離出甲烷；自該氣體分離單元釋出富含甲烷之氣流；將該富含甲烷之氣流導入高壓膨脹器循環冷凍系統；將該富含甲烷之氣流壓縮至高於1,000 psia(6,895 kPa)之壓力以形成經壓縮的氣體進料流； 使該經壓縮的氣體進料流冷卻以形成經壓縮冷卻的氣體進料流；使該經冷卻壓縮的氣體進料流膨脹以形成具有液體部分及剩餘蒸氣部分之產物流；及使該液體部分與該蒸氣部分分離。
21A.如第20A段之方法，其中該高壓膨脹器循環冷凍系統包含：第一壓縮單元，其係經建構以接受該富含甲烷之氣流之實質部分並產生該經壓縮的氣體進料流；第一冷卻器，其係經建構以使該經壓縮的氣體進料流冷卻而形成該經壓縮冷卻的氣體進料流；及第一膨脹器，其係經建構以使該經冷卻壓縮的氣體進料流膨脹而形成該產物流。
22A.如第21A段之方法，其中該經壓縮的氣體進料流的冷卻包含：將來自該產物流之蒸氣部分的至少一部分運送至第一冷卻器以作為第一冷凍環路之一部分；及使該產物流之蒸氣部分與該經壓縮的氣體進料流熱交換以冷卻該經壓縮的氣體進料流。
23A.如第22A段之方法，其中：該高壓膨脹器循環冷凍系統另外包含液體分離容器；及該液體部分與該蒸氣部分的分離係利用該液體分離容器完成。
24A.如第23A段之方法，其另外包含：自該第一冷卻器釋出(i)經冷卻的氣體進料流而成為該產物流，及(ii)部分暖化之產物流而成為工作流體；把該部分暖化之產物流引導至第三壓縮單元；及合併來自該第三壓縮單元之經壓縮的部分暖化之產物流與該富含甲烷之氣流而完成該第一冷凍環路。
25A.如第24A段之方法，其中該高壓膨脹器循環冷凍系統另外包含：第二冷卻器，其係經建構以至少部分藉由冷卻劑流與該蒸氣部分之間的間接熱交換而進一步冷卻該經壓縮的氣體進料流；及第二冷凍環路，其具有(i)第二壓縮單元，該第二壓縮單元係經建構以在該冷卻劑流通過該第二冷卻器之後再壓縮該冷卻劑流，及(ii)第二膨脹器，該第二膨脹器係經建構以接受該經壓縮之冷卻劑流，並在將該經壓縮之冷卻劑流送返該第二冷卻器之前使該經壓縮之冷卻劑流膨脹。
26A.如第25A段之方法，其中該第二冷卻器在該經冷卻的氣體進料流離開該第一冷卻器之後再冷卻該經冷卻的氣體進料流。
27A.如第25A段之方法，其中該第二冷卻器在該經壓縮的氣體進料流進入該第一冷卻器之前將該經壓縮的氣體進料流預冷卻。
28A.如第23A段之方法，其中該設備係位於離岸之(i)浮動平台，(ii)以重力為基礎之平台，或(iii)船形容器上。
29A.如第23A段之方法，其中該氣體分離單元中之至少一個分餾容器依據變壓吸附法(PSA)或快速循環變壓吸附法(RCPSA)運轉。
30A.如第23A段之方法，其中該氣體分離單元中之至少一個分餾容器另外依據變溫吸附法(TSA)或快速循環變溫吸附法(RCTSA)運轉。
31A.如第30A段之方法，其中該至少一個分餾容器係經建構以吸附CO2、H2S、H2O、重質烴類、VOC類、硫醇類或其組合。
32A.如第31A段之方法，其另外包含：使該天然氣進料流通過脫水容器以自該天然氣進料流移除實質部分之水；及將經脫水之天然氣進料流釋放至該至少一個分餾容器以供移除污染物。
33A.如第32A段之方法，其中該氣體分離單元中之至少一個分餾容器包含多個串聯的容器，以使得：第一容器包含用於移除該經脫水之天然氣進料流中殘留的水之吸附床；第二容器包含主要設計成用於移除該經脫水之天然氣進料流中的乾燥劑之吸附床；及第三容器包含主要設計成用於移除該經脫水之天然氣 進料流中的酸性氣體組分之吸附床。
34A.如第32A段之方法，其中該氣體分離單元中之至少一個分餾容器包含含多個串聯的吸附劑床之容器，以使得：第一吸附床係經設計而主要移除該經脫水之天然氣進料流中的水及其他液體組分；第二吸附床係經設計而主要移除該經脫水之天然氣進料流中的乾燥劑；及第三容器包含主要用於移除該經脫水之天然氣進料流中的酸性氣體組分之吸附床。
35A.一種用於將天然氣進料流液化之方法，其包含於氣體處理設備接受該天然氣進料流；使該天然氣進料流通過脫水容器以自該天然氣進料流移除實質部分之水；將經脫水之天然氣進料流以經脫水之天然氣進料流的形式釋放至氣體分離單元；於該氣體分離單元中，使該經脫水之天然氣進料流通過串聯的吸附劑床以利用吸附性動力學分離法自該經脫水之天然氣進料流中的污染物分離出甲烷氣體；自該氣體分離單元釋出富含甲烷之氣流；將該富含甲烷之氣流導入高壓膨脹器循環冷凍系統；將該富含甲烷之氣流壓縮至高於1,000 psia(6,895 kPa)之壓力以形成經壓縮的氣體進料流； 使該經壓縮的氣體進料流冷卻以形成經壓縮冷卻的氣體進料流；使該經冷卻壓縮的氣體進料流膨脹以形成具有液體部分及剩餘蒸氣部分之產物流。
36A.如第35A段之方法，其中該串聯的吸附劑床包含：第一吸附床，其係用於除去該經脫水之天然氣進料流中殘留的水；第二吸附床，其係經設計成主要用於移除該經脫水之天然氣進料流中的乾燥劑；及第三吸附床，其係經設計成主要用於移除該經脫水之天然氣進料流中的酸性氣體組分。
37A.如第36A段之方法，其中該第一、第二和第三吸附床係與在單一壓力容器中之經脫水的天然氣進料流之流動串聯對準。
38A.如第36A段之方法，其中該第一、第二和第三吸附床存在於個別的壓力容器中，該等個別的壓力容器與該經脫水之天然氣進料流的流動串聯對準。
39A.如第36A段之方法，其中該等吸附劑床各自包含由沸石材料製造之固體吸附劑床。
40A.如第37A段之方法，其中該等吸附劑床各自與另外兩個吸附劑床聯通以形成三個吸附劑床，其中：該三個吸附劑床之第一個吸附劑床係用於吸附所擇的污染物； 該三個吸附劑床之第二個吸附劑床進行再生；及該三個吸附劑床之第三個吸附劑床經維持以替換該三個吸附劑床之第一個吸附劑床；及其中該再生係為變壓吸附方法之一部分。
41A.如第36A段之方法，其中該經壓縮之氣體進料流的冷卻包含：使該經壓縮的氣體進料流通過第一熱交換器以與經冷卻之冷卻劑流進行熱交換，藉以形成經再冷卻之氣體進料流；及使該經再冷卻之氣體進料流通過第二熱交換器以與冷卻氣流進行熱交換，藉以形成該經壓縮冷卻的氣體進料流。
42A.如第41A段之方法，其另外包含：自該產物流抽出一部分殘留的蒸氣部分；將該殘留的蒸氣部分的抽出部分之壓力降至約30至200 psia(207至1,379 kPa)之壓力而產生經降壓的氣流；使該經降壓的氣流通過該第二熱交換器而作為冷卻氣流；及自該第二熱交換器釋出該經降壓的氣流而成為部分暖化之氣流。
43A.如第42A段之方法，其另外包含：使該部分暖化之氣流通過該第一熱交換器而成為冷卻氣流；及 將該部分暖化之氣流送返該經脫水之天然氣進料流以與該富含甲烷之氣流一起壓縮。
44A.如第36A段之方法，其中：該富含甲烷之氣流的壓縮包含將該富含甲烷之氣流壓縮至介於約1,200 psia(8,274 kPa)至4,500 psia(31,026 kPa)之間的壓力；及該經冷卻壓縮的氣體進料流的膨脹包含將該經冷卻壓縮的氣體進料流之壓力降至介於約50 psia(345 kPa)與450 psia(3,103 kPa)之間的壓力。
如所見，本發明提供使用AKS及高壓膨脹器循環冷凍系統之用於將天然氣進料流液化的程序系統和方法。這樣之程序、系統和方法能使用具有比習用設備質輕的設備而形成LNG。該等程序、系統和方法也能快速裝備工作機械以用於離岸生產作業。本文所述之發明不限於本文所揭示之特定具體實施例，而是由後續申請專利範圍決定。儘管很顯然本文所述之發明已經過明確推斷而達成上述益處及優點，咸明白這些發明易於修飾、變化及變更而不會悖離其精神。
100‧‧‧氣體處理設備
110‧‧‧貯藏庫
112‧‧‧井孔
112’‧‧‧管線
115‧‧‧地表
120‧‧‧分離器
121、122‧‧‧管線
125‧‧‧管線
130‧‧‧氣體分離單元
131’‧‧‧管線
131”‧‧‧管線
132’‧‧‧分離階段
132”‧‧‧分離階段
133‧‧‧管線
134‧‧‧分離階段
135‧‧‧管線
136‧‧‧分離階段
137‧‧‧管線
138‧‧‧分離階段
140‧‧‧管線
141‧‧‧管線
142‧‧‧經壓縮的富含甲烷之氣流
143‧‧‧管線
145‧‧‧壓縮器
147‧‧‧管線
149‧‧‧管線
150‧‧‧液化設備
152‧‧‧液體甲烷流
200‧‧‧變壓吸附容器
201‧‧‧表面
202‧‧‧第一端
204‧‧‧第二端
205‧‧‧外殼
210‧‧‧氣體入口
215‧‧‧支持腳
220‧‧‧第二氣體出口
230‧‧‧第一氣體出口
250‧‧‧計量器
300‧‧‧吸附劑床
302‧‧‧第一端
304‧‧‧第二端
305‧‧‧環形吸附劑環
310‧‧‧流動通道
315‧‧‧吸附劑棒
320‧‧‧橫向流動通道
325‧‧‧步階表面
400‧‧‧吸附劑床
410‧‧‧主要流動通道
415‧‧‧單石吸附劑材料
420‧‧‧次要流動通道
501‧‧‧閥
515‧‧‧第一壓縮單元
517‧‧‧經壓縮之氣體進料流
520‧‧‧第一冷凍環路
522‧‧‧經壓縮冷卻之氣體進料流
525‧‧‧第一熱交換器
530‧‧‧第二冷凍環路
532‧‧‧經預冷卻壓縮之氣體進料流
534‧‧‧管線
535‧‧‧第二熱交換器
536‧‧‧第二壓縮單元
538‧‧‧膨脹器
540‧‧‧膨脹器
542‧‧‧液化產物流
550‧‧‧液體分離容器
552‧‧‧冷蒸氣流
554‧‧‧部分暖化之產物流
555‧‧‧第三壓縮單元
556‧‧‧暖化的產物流
557‧‧‧經壓縮部分暖化之產物流
所以本發明可更容易了解，將特定插圖、圖表及/或流程圖附於此。然而，要注意該等圖形僅例示本發明之選定的具體實施例且因此不得視為範疇之限制，而本發明可容許其他同樣有效之具體實施例及應用。
第1圖是依據文中之一具體實施例之用於製造LNG的設備之示意圖。該設備包括製造富含甲烷的氣流之氣體分離單元，及用於產生LNG產物之高壓膨脹器循環冷凍系統。
第2圖是在一個具體實施例中之可用於第1圖的設備中之變壓吸附容器的透視圖。該容器也表示在一個具體實施例中之本發明的動力學分餾器。
第3A圖是在一個具體實施例中之第2圖的變壓吸附容器之吸附劑床和流動通道的透視圖。主要流動通道在沿著該吸附劑床之主軸的吸附劑棒之間見到。
第3B圖提供第3A圖之吸附劑床的分解圖。第3B圖提供任意第二氣體出口之分解圖。據示橫流(cross-flow)通道延伸至該容器中，作為次要流動通道。
第3C圖是替代具體實施例中之第3A圖的吸附劑床之縱向截面圖。此圖係橫過第3A圖之線C-C取得。在此，沿著吸附劑棒見到連串步階表面，其用作為次要流動通道。
第4圖是在改良方案中之第2圖的變壓吸附容器之吸附劑床和流動通道的透視圖。主要流動通道在沿著該吸附劑床之主軸的吸附劑棒之間見到。在此吸附劑床之分解部位中見到橫流通道，作為次要流動通道。
第5圖是在一個具體實施例之高壓膨脹器循環冷凍系統的示意流程圖。該冷凍系統接受富含甲烷的氣流，並產生LNG產物。此例示性冷凍系統使用次要冷卻環路，該 次要冷卻環路是使用氮氣、富含氮的氣體或來自該氣體分離單元之富含甲烷的氣流之一部分的閉合環路。
第6圖是顯示用於將原料天然氣流液化之步驟的流程圖。
第7圖是顯示用於利用吸附性動力學分離法自該原料天然氣流分離污染物之步驟的流程圖。
100‧‧‧氣體處理設備
110‧‧‧貯藏庫
112‧‧‧井孔
112’‧‧‧管線
115‧‧‧地表
120‧‧‧分離器
121、122‧‧‧管線
125‧‧‧管線
130‧‧‧氣體分離單元
131’‧‧‧管線
131”‧‧‧管線
132’‧‧‧分離階段
132”‧‧‧分離階段
133‧‧‧管線
134‧‧‧分離階段
135‧‧‧管線
136‧‧‧分離階段
137‧‧‧管線
138‧‧‧分離階段
140‧‧‧管線
141‧‧‧管線
142‧‧‧經壓縮的富含甲烷之氣流
143‧‧‧管線
145‧‧‧壓縮器
147‧‧‧管線
149‧‧‧管線
150‧‧‧液化設備
152‧‧‧液體甲烷流

Claims (44)

  1. 一種用於將天然氣進料流液化之氣體處理設備，該設備包含：氣體分離單元，該氣體分離單元具有至少一個分餾容器，該至少一個分餾容器包含：氣體入口，用於接受包含甲烷之天然氣混合物，吸附劑材料，其污染物對甲烷的動力學選擇率大於5，以致於該污染物變成動力學吸附於該吸附劑材料內，及氣體出口，其係用於釋出富含甲烷之氣流；以及高壓膨脹器循環冷凍系統，該高壓膨脹器循環冷凍系統包含：第一壓縮單元，其係經建構以接受該富含甲烷之氣流之實質部分並將該富含甲烷之氣流壓縮至高於約1,000 psia(6,895 kPa)之壓力，藉以提供經壓縮的氣體進料流；第一冷卻器，其係經建構以使該經壓縮的氣體進料流冷卻而形成經壓縮冷卻的氣體進料流；及第一膨脹器，其係經建構以使該經冷卻壓縮的氣體進料流膨脹而形成具有液體部分及剩餘蒸氣部分之產物流。
  2. 如申請專利範圍第1項之氣體處理設備，其中：該第一冷卻器係經建構以接受來自該第一膨脹器之產物流的一部分，並使用該部分的產物流透過熱交換以冷卻 該經壓縮的氣體進料流。
  3. 如申請專利範圍第1項之氣體處理設備，其中：該第一冷卻器係經建構以使用外部冷卻劑流透過熱交換而冷卻該經壓縮的氣體進料流。
  4. 如申請專利範圍第1項之氣體處理設備，其中該高壓膨脹器循環冷凍系統另外包含：液體分離容器，其係經建構以分離來自該第一膨脹器之液體部分及剩餘蒸氣部分。
  5. 如申請專利範圍第4項之氣體處理設備，其中：該第一冷卻器接受該蒸氣部分之至少一部分，並使用該蒸氣部分透過熱交換而冷卻該經壓縮的氣體進料流，以作為第一冷凍環路的一部分；該第一冷卻器釋出(i)經冷卻的氣體進料流，及(ii)在與該經壓縮的氣體進料流熱交換後之部分暖化的產物流；及該高壓膨脹器循環冷凍系統另外包含：第二冷卻器，其係經建構以至少部分藉由與冷卻劑流和該蒸氣部分之間接熱交換而進一步冷卻該經壓縮的氣體進料流；及第二冷凍環路，其具有(i)第二壓縮單元，該第二壓縮單元係經建構以在該冷卻劑流通過該第二冷卻器之後再壓縮該冷卻劑流，及(ii)第二膨脹器，該第二膨脹器係經建構以接受該再壓縮之冷卻劑流，並在將該再壓縮之冷卻劑流送返該第二冷卻器之前使該再壓縮之冷卻劑 流膨脹。
  6. 如申請專利範圍第5項之氣體處理設備，其中該高壓膨脹器循環冷凍系統另外包含：在該第一冷凍環路中之第三壓縮單元，該第三壓縮單元係用於在與該經壓縮的氣體進料流熱交換之後壓縮該部分暖化的產物流；及用於合併該經壓縮之部分暖化的產物流與該氣體進料流而完成該第一冷凍環路之管線。
  7. 如申請專利範圍第5項之氣體處理設備，其中該第二冷卻器在該經冷卻的氣體進料流離開該第一冷卻器之後再冷卻(sub-cool)該經冷卻的氣體進料流。
  8. 如申請專利範圍第5項之氣體處理設備，其中該第二冷卻器在該經壓縮的氣體進料流進入該第一冷卻器之前將該經壓縮的氣體進料流預冷卻。
  9. 如申請專利範圍第8項之氣體處理設備，其中：該第二冷卻器接受來自該第一冷卻器之部分暖化的產物流以供與該經壓縮的氣體進料流進一步熱交換；及將暖化的產物流釋放至第三壓縮單元以完成該第一冷凍環路。
  10. 如申請專利範圍第9項之氣體處理設備，其中該第三壓縮單元將該暖化的產物流壓縮至約1,500至3,500 psia(10,342至24,132 kPa)。
  11. 如申請專利範圍第1項之氣體處理設備，其中該設備係位於離岸之(i)浮動平台，(ii)以重力為基礎之 平台，或(iii)船形容器上。
  12. 如申請專利範圍第5項之氣體處理設備，其中：該冷卻劑流包含選自由以下所組成之群組的氣體：氮氣、含氮氣體、來自該富含甲烷之氣流的側流、和剩餘之蒸氣部分及其組合；及使該第二冷凍環路中之冷卻劑流於閉合環路中流動。
  13. 如申請專利範圍第1項之氣體處理設備，其中該氣體分離單元中之至少一個分餾容器依據變壓吸附法(PSA)或快速循環變壓吸附法(RCPSA)運轉。
  14. 如申請專利範圍第13項之氣體處理設備，其中該氣體分離單元中之至少一個分餾容器另外依據變溫吸附法(TSA)或快速循環變溫吸附法(RCTSA)運轉。
  15. 如申請專利範圍第13項之氣體處理設備，其中該至少一個分餾容器係經建構以吸附CO2、H2S、H2O、重質烴類、VOC類、硫醇類或其組合。
  16. 如申請專利範圍第13項之氣體處理設備，其中該至少一個分餾容器與其他分餾容器合力形成變壓吸附系統，其包含：至少一個提供吸附作用之工作床，至少一個正進行再生的床，而其產生壓力降情況，及至少一個經再生之床，其經維持以供當該至少一個工作床變成實質飽和時可於該吸附系統中用作為工作床。
  17. 如申請專利範圍第13項之氣體處理設備，其另外包含： 脫水容器，其係經建構以接受該天然氣進料流，並自該天然氣進料流移除實質部分之水，並將經脫水之天然氣進料流釋放至該至少一個分餾容器。
  18. 如申請專利範圍第17項之氣體處理設備，其中該氣體分離單元中之至少一個分餾容器包含多個串聯的容器，以使得：第一容器包含用於移除該經脫水之天然氣進料流中殘留的水之吸附床；第二容器包含主要設計成用於移除該經脫水之天然氣進料流中的乾燥劑之吸附床；及第三容器包含主要設計成用於移除該經脫水之天然氣進料流中的酸性氣體(sour gas)組分之吸附床。
  19. 如申請專利範圍第17項之氣體處理設備，其中該氣體分離單元中之至少一個分餾容器包含含多個串聯的吸附劑床之容器，以使得：第一吸附床係經設計而主要移除該經脫水之天然氣進料流中的水及其他液體組分；第二吸附床係經設計而主要移除該經脫水之天然氣進料流中的乾燥劑；及第三容器包含主要用於移除該經脫水之天然氣進料流中的酸性氣體組分之吸附床。
  20. 一種用於將天然氣進料流液化之方法，其包含：於氣體分離單元接受該天然氣進料流，該氣體分離單元具有至少一個分餾容器，該至少一個分餾容器包含： 氣體入口，用於接受包含甲烷之天然氣混合物，吸附劑材料，其污染物對甲烷的動力學選擇率大於5，以致於該污染物變成動力學吸附於該吸附劑材料內，及氣體出口，其係經建構以釋出富含甲烷之氣流；自該天然氣進料流內之污染物實質分離出甲烷；自該氣體分離單元釋出富含甲烷之氣流；將該富含甲烷之氣流導入高壓膨脹器循環冷凍系統；將該富含甲烷之氣流壓縮至高於1,000 psia(6,895 kPa)之壓力以形成經壓縮的氣體進料流；使該經壓縮的氣體進料流冷卻以形成經壓縮冷卻的氣體進料流；使該經冷卻壓縮的氣體進料流膨脹以形成具有液體部分及剩餘蒸氣部分之產物流；及使該液體部分與該蒸氣部分分離。
  21. 如申請專利範圍第20項之方法，其中該高壓膨脹器循環冷凍系統包含：第一壓縮單元，其係經建構以接受該富含甲烷之氣流之實質部分並產生該經壓縮的氣體進料流；第一冷卻器，其係經建構以使該經壓縮的氣體進料流冷卻而形成該經壓縮冷卻的氣體進料流；及第一膨脹器，其係經建構以使該經冷卻壓縮的氣體進料流膨脹而形成該產物流。
  22. 如申請專利範圍第21項之方法，其中該經壓縮的氣體進料流的冷卻包含： 將來自該產物流之蒸氣部分的至少一部分運送至第一冷卻器以作為第一冷凍環路之一部分；及使該產物流之蒸氣部分與該經壓縮的氣體進料流熱交換以冷卻該經壓縮的氣體進料流。
  23. 如申請專利範圍第22項之方法，其中：該高壓膨脹器循環冷凍系統另外包含液體分離容器；及該液體部分與該蒸氣部分的分離係利用該液體分離容器完成。
  24. 如申請專利範圍第23項之方法，其另外包含：自該第一冷卻器釋出(i)經冷卻的氣體進料流而成為該產物流，及(ii)部分暖化之產物流而成為工作流體；把該部分暖化之產物流引導至第三壓縮單元；及合併來自該第三壓縮單元之經壓縮的部分暖化之產物流與該富含甲烷之氣流而完成該第一冷凍環路。
  25. 如申請專利範圍第24項之方法，其中該高壓膨脹器循環冷凍系統另外包含：第二冷卻器，其係經建構以至少部分藉由冷卻劑流與該蒸氣部分之間的間接熱交換而進一步冷卻該經壓縮的氣體進料流；及第二冷凍環路，其具有(i)第二壓縮單元，該第二壓縮單元係經建構以在該冷卻劑流通過該第二冷卻器之後再壓縮該冷卻劑流，及(ii)第二膨脹器，該第二膨脹器 係經建構以接受該經壓縮之冷卻劑流，並在將該經壓縮之冷卻劑流送返該第二冷卻器之前使該經壓縮之冷卻劑流膨脹。
  26. 如申請專利範圍第25項之方法，其中該第二冷卻器在該經冷卻的氣體進料流離開該第一冷卻器之後再冷卻該經冷卻的氣體進料流。
  27. 如申請專利範圍第25項之方法，其中該第二冷卻器在該經壓縮的氣體進料流進入該第一冷卻器之前將該經壓縮的氣體進料流預冷卻。
  28. 如申請專利範圍第23項之方法，其中該設備係位於離岸之(i)浮動平台，(ii)以重力為基礎之平台，或(iii)船形容器上。
  29. 如申請專利範圍第23項之方法，其中該氣體分離單元中之至少一個分餾容器依據變壓吸附法(PSA)或快速循環變壓吸附法(RCPSA)運轉。
  30. 如申請專利範圍第23項之方法，其中該氣體分離單元中之至少一個分餾容器另外依據變溫吸附法(TSA)或快速循環變溫吸附法(RCTSA)運轉。
  31. 如申請專利範圍第30項之方法，其中該至少一個分餾容器係經建構以吸附CO2、H2S、H2O、重質烴類、VOC類、硫醇類或其組合。
  32. 如申請專利範圍第31項之方法，其另外包含：使該天然氣進料流通過脫水容器以自該天然氣進料流移除實質部分之水；及 將經脫水之天然氣進料流釋放至該至少一個分餾容器以供移除污染物。
  33. 如申請專利範圍第32項之方法，其中該氣體分離單元中之至少一個分餾容器包含多個串聯的容器，以使得：第一容器包含用於移除該經脫水之天然氣進料流中殘留的水之吸附床；第二容器包含主要設計成用於移除該經脫水之天然氣進料流中的乾燥劑之吸附床；及第三容器包含主要設計成用於移除該經脫水之天然氣進料流中的酸性氣體組分之吸附床。
  34. 如申請專利範圍第32項之方法，其中該氣體分離單元中之至少一個分餾容器包含含多個串聯的吸附劑床之容器，以使得：第一吸附床係經設計而主要移除該經脫水之天然氣進料流中的水及其他液體組分；第二吸附床係經設計而主要移除該經脫水之天然氣進料流中的乾燥劑；及第三容器包含主要用於移除該經脫水之天然氣進料流中的酸性氣體組分之吸附床。
  35. 一種用於將天然氣進料流液化之方法，其包含：於氣體處理設備接受該天然氣進料流；使該天然氣進料流通過脫水容器以自該天然氣進料流移除實質部分之水； 將經脫水之天然氣進料流以經脫水之天然氣進料流的形式釋放至氣體分離單元；於該氣體分離單元中，使該經脫水之天然氣進料流通過串聯的吸附劑床以利用吸附性動力學分離法自該經脫水之天然氣進料流中的污染物分離出甲烷氣體；自該氣體分離單元釋出富含甲烷之氣流；將該富含甲烷之氣流導入高壓膨脹器循環冷凍系統；將該富含甲烷之氣流壓縮至高於1,000 psia(6,895 kPa)之壓力以形成經壓縮的氣體進料流；使該經壓縮的氣體進料流冷卻以形成經壓縮冷卻的氣體進料流；使該經冷卻壓縮的氣體進料流膨脹以形成具有液體部分及剩餘蒸氣部分之產物流。
  36. 如申請專利範圍第35項之方法，其中該串聯的吸附劑床包含：第一吸附床，其係用於除去該經脫水之天然氣進料流中殘留的水；第二吸附床，其係經設計成主要用於移除該經脫水之天然氣進料流中的乾燥劑；及第三吸附床，其係經設計成主要用於移除該經脫水之天然氣進料流中的酸性氣體組分。
  37. 如申請專利範圍第36項之方法，其中該第一、第二和第三吸附床係與在單一壓力容器中之經脫水的天然氣進料流之流動串聯對準。
  38. 如申請專利範圍第36項之方法，其中該第一、第二和第三吸附床存在於個別的壓力容器中，該等個別的壓力容器與該經脫水之天然氣進料流的流動串聯對準。
  39. 如申請專利範圍第36項之方法，其中該等吸附劑床各自包含由沸石材料製造之固體吸附劑床。
  40. 如申請專利範圍第37項之方法，其中該等吸附劑床各自與另外兩個吸附劑床聯通以形成三個吸附劑床，其中：該三個吸附劑床之第一個吸附劑床係用於吸附所擇的污染物；該三個吸附劑床之第二個吸附劑床進行再生；及該三個吸附劑床之第三個吸附劑床經維持以替換該三個吸附劑床之第一個吸附劑床；及其中該再生係為變壓吸附方法之一部分。
  41. 如申請專利範圍第36項之方法，其中該經壓縮之氣體進料流的冷卻包含：使該經壓縮的氣體進料流通過第一熱交換器以與經冷卻之冷卻劑流進行熱交換，藉以形成經再冷卻之氣體進料流；及使該經再冷卻之氣體進料流通過第二熱交換器以與冷卻氣流進行熱交換，藉以形成該經壓縮冷卻的氣體進料流。
  42. 如申請專利範圍第41項之方法，其另外包含：自該產物流抽出一部分殘留的蒸氣部分； 將該殘留的蒸氣部分的抽出部分之壓力降至約30至200 psia(207至1,379 kPa)之壓力而產生經降壓的氣流；使該經降壓的氣流通過該第二熱交換器而作為冷卻氣流；及自該第二熱交換器釋出該經降壓的氣流而成為部分暖化之氣流。
  43. 如申請專利範圍第42項之方法，其另外包含：使該部分暖化之氣流通過該第一熱交換器而成為冷卻氣流；及將該部分暖化之氣流送返該經脫水之天然氣進料流以與該富含甲烷之氣流一起壓縮。
  44. 如申請專利範圍第36項之方法，其中：該富含甲烷之氣流的壓縮包含將該富含甲烷之氣流壓縮至介於約1,200 psia(8,274 kPa)至4,500 psia(31,026 kPa)之間的壓力；及該經冷卻壓縮的氣體進料流的膨脹包含將該經冷卻壓縮的氣體進料流之壓力降至介於約50 psia(345 kPa)與450 psia(3,103 kPa)之間的壓力。
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