TWI572405B - 自液態酸氣體流中分離出二氧化碳的方法 - Google Patents

自液態酸氣體流中分離出二氧化碳的方法 Download PDF

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Description

自液態酸氣體流中分離出二氧化碳的方法 【相關申請案之交叉引用資料】
本申請案要求在2011年12月20日提出之標題為METHOD OF SEPARATION CARBON DIOXIDE FROM LIQUID ACID GAS STREAMS的美國臨時專利申請案61/578，041，其整體以引用方式併入本文中。
本申請案係關於自液態酸氣體流中分離出二氧化碳，其中該液態酸氣體流主要由硫化氫及二氧化碳組成。
天然氣儲油層常可含有高濃度之酸氣體諸如CO2及H2S。在這些情況中，低溫方法可提供有效率之方式以自該甲烷中分離出酸氣體。該低溫方法可包含簡單之大量分餾作用、雷恩-荷姆斯(Ryan-Holmes)方法或更複雜之低溫分餾方法。該低溫方法係藉由冷凝及分餾作用將甲烷自CO2及H2S中分離出，且可產生在液相中之酸氣體以供經由抽取有效率處置。然而，在該低溫方法中，該H2S係在單一液態酸氣體流中與該CO2一同被分離。經常，該酸氣體將立即被再次注射以供處置，其中該混合物不造成任何問題。
然而，該CO2可被再利用或販售以例如供增加之油回收(EOR)或其他目的，若該H2S及其他硫化合物可被移 除。當CO2及H2S被混合時，彼形成一種難以分離之混合物。分離CO2及H2S經常包含蒸發全部酸氣體流且使用選擇性化學或物理溶劑以供分離。這增加殘留物(常是含硫之酸氣體流)之處置成本，因為彼不再於液相中且需要壓縮而非抽取。
圖1是溫度-組成相繪圖100，其顯示在100 psia下CO2在彼與H2S之混合物中的平衡濃度。x軸102指明CO2之莫耳分率，而y軸104代表溫度，單位為℉(℃)。在氣相106中之CO2濃度在>90% CO2時接近在該液相108中之CO2濃度。
圖2是是溫度-組成相繪圖200，其顯示在600 psia下CO2在彼與H2S之混合物中的平衡濃度。類似編號之項目係參照圖1描述。如這繪圖200所顯示的，在較高壓力下在該氣相106及液相108中之濃度更接近。如這些繪圖100及200指明的，若無一些另外的分離方法，不能藉由分餾達成完全的分離。純H2S可藉由分餾作用產生，但純CO2並不實際，或甚至是不可行的。
雖然分餾作用不可用以完全分離CO2，應存在將清潔之CO2由CO2/H2S混合物分離出之商用技術。例如，可以使用選擇性胺溶劑吸收作用，諸如藉由MDEA或Flexsorb/SE，以由蒸氣之酸氣體流吸收H2S，已產生純的CO2蒸氣流及H2S/CO2混合蒸氣流。在其他實例中，一些物理溶劑，諸如Selexol，具有能使H2S與CO2分離的選擇率(或K值)，當該溶劑存在時。使用氣體滲透薄膜或 分子篩之其他方法可連同分餾作用或溶劑被使用以達成H2S與CO2的分離。
在一實例中，Durr等人之美國專利第5,335,504號揭示一種自天然氣流回收二氧化碳之方法。可使用該方法以回收CO2，其已經注射以供增加油回收。該方法是基於低溫蒸餾塔，但並不討論自CO2與H2S混合物中分離出CO2。
另外，Holmes之美國專利第4,318,723號揭示自甲烷中低溫蒸餾分離出酸氣體，下文稱為“雷恩-荷姆斯方法”。雷恩-荷姆斯方法是一種在自甲烷中低溫蒸餾分離出酸氣體的期間消除固體形成的方法。該方法包括將作用劑添加至可發生固體形成作用之區以控制固體形成作用。典型的作用劑是在該塔條件下可與甲烷互溶之C2-C5烷類或其他非極性液體。防止固體的形成可使更完全的分離能被達成。該雷恩-荷姆斯方法可生成液態酸氣體流，但不討論自CO2與H2S混合物中分離出CO2。
另一用於低溫純化天然氣之技術係在國際專利申請案公開號WO/2008/091316中提供，其揭示一種經控制之冷凍區的塔。該經控制之冷凍區的塔是一種低溫蒸餾塔，其能分離至少含有甲烷及二氧化碳之流體流。該低溫蒸餾塔具有下方汽提部位、上方精餾部位、及中間噴霧部位。該中間噴霧部位包含多個注射液態冷凍區之流的噴嘴。該等噴嘴被安裝以在跨越該中間噴霧部位之內徑上提供大的液體覆蓋率。該液體冷凍區之流在二氧化碳固態粒子及富甲 烷之蒸氣流二者可被形成之溫度及壓力下通常包含甲烷。該塔可另外包含一或多個擋板在該等噴嘴下方以對該液態冷凍區之流的重力流動產生抗摩擦力。這有助於甲烷氣體之破裂及回收。提供另外之內部組件以改良熱傳且促進甲烷氣體之破裂。至於雷恩-荷姆斯方法，該經控制之冷卻區的塔可產生液態酸氣體流，但不討論自CO2與H2S混合物中分離出CO2。
除了更新的低溫技術之外，傳統上已使用很多技術以製備銷售給消費者之天然氣。這些技術統稱為“暖氣體處理”。在暖氣體處理中，原料氣體被處理以移除酸氣體，諸如硫化氫及二氧化碳。這在歷史上是藉由胺處理進行，其中胺與該酸氣體反應。當被耗盡時，該胺可被再生以移除該酸氣體。最近，已發展更新的技術，其係基於聚合薄膜之使用以將二氧化碳及硫化氫自天然氣流中分離出。
然後該酸氣體可被安排流入硫回收單元，其將該酸氣體中之硫化氫轉變成硫產物諸如元素硫或硫酸。在該酸氣體移除後，可使用任何數量之方法移除水蒸氣。
可自其餘產物(諸如汞)及天然氣液體移除其他成分。此產生一種可具有掺合甲烷與一些惰性及烴成分(特別是包括氮及氦)的氣體。較高碳數之成分，諸如乙烷及重質烴可被移除且以天然氣液體(NGL)、液態丙烷氣體(LPG)及類似形式分開銷售。
所有這些自CO2/H2S混合物中離析出CO2的方法所具有之缺點是該酸氣體流必須被完全蒸發，因為該分離係在 氣相中發生。另外，所有的產物皆是以蒸氣流形式製造。因為液態酸氣體較容易處置(經由抽取而非經由壓縮需較少能量)且該酸氣體可在該液相中獲得，當使用低溫分離方法時，以液體形式製造一或二產物是有用的。例如，若廢棄物注射流(其經常含有H2S)是液態流，則會是有用的，因為該流一般會需要比清潔之CO2產物流更高之最終壓力。因此，需要一種方法以自混合的H2S/CO2(液態酸氣體流)中分離出清潔的CO2，同時為要容易處置，維持該殘留之酸氣體於液相中。
本文中所述之具體例提供一種用於產生CO2產物流的方法。該方法包括產生一包含H2S及CO2之液態酸氣體流。閃蒸該液態酸氣體流以形成第一蒸氣流及底部流。分餾該底部流以形成第二蒸氣流及液態酸廢棄物流。結合該第一蒸氣流及該第二蒸氣流以形成結合的蒸氣流，且利用物理溶劑處理該結合的蒸氣流以移除過多之H2S，以形成該CO2產物流。
另一具體例提供一種用於產生富含CO2流的系統。該系統包含經安裝以將一部份之液態酸氣體流閃蒸成蒸氣流及液態流的酸氣體閃蒸滾筒。大量氣體汽提塔係經安裝以使該液態流與酸氣體流接觸且將至少一部份之該液態流閃蒸成塔頂流及底部流，其中該塔頂流及該蒸氣流被混合以形成結合的氣體流且該底部流以濃縮的酸氣體流形式被處 置。吸收塔係經安裝以使該結合的氣體流與預先負荷之吸收劑流接觸，其中富吸收劑流由該吸收塔底部排出且富含CO2蒸氣流由該塔之頂部排出。
另一具體例提供一種純化天然氣流的方法。該方法包含使該天然氣流脫水且將該天然氣流低溫分離成富甲烷餾份、天然氣之液體餾份、及液態酸氣體流。將該液態酸氣體流分餾以形成富含CO2流及液態酸廢棄物流。利用吸收劑處理該富含CO2流以移除過多之H2S而形成CO2產物流。
在以下詳細說明部分中，描述本技術之特定具體例。然而，在以下說明係專注於本技術之特別具體例或特別用途的程度上，這部分僅意圖供例示目的且簡單地提供例示具體例的說明。因此，該技術不限於下述之特定具體例，而是包括在所附之申請專利範圍之真實精神及範圍內的所有替代型、修正型及同等型。
最初，為容易引用，列述在本申請案中所用之某些用詞及其在本背景中所用之意義。就在本文中所用之用詞不在以下定義的程度上，該用詞應被給予在相關技藝中之人士所給予該用詞之最廣定義，如在至少一個經出版之公告或發布之專利中所反映的。另外，本技術不受以下所示之用詞的使用所限制，因為充作相同或類似目的之所有的同等型、同義詞、新發展、及用詞或技術被認定是在本申請 專利範圍內。
“酸氣體”是常存在於天然氣流中的污染物。典型地，這些氣體包括二氧化碳(CO2)及硫化氫(H2S)，雖然任何數量之其他污染物也可形成酸。酸氣體通常藉由使該氣體流接觸可與該酸氣體反應之吸收劑(諸如胺)而移除。當該吸收劑變為“富”酸氣體時，可以使用解吸步驟以將該酸氣體自該吸收劑中分離出。然後該“貧”吸收劑典型地再循環以供另外之吸收。如本文中所用的，“液態酸氣體流”是被冷凝成液相(例如包含溶於H2S中之CO2，反之亦然)的酸氣體流。
克勞斯(Claus)方法是一種早於120年前所發現之方法，其已被天然氣及煉油工業所使用以自含硫化氫之氣體流中回收元素硫。簡言之，該製造元素硫之克勞斯方法包含二個主要區。第一區是熱區，其中H2S在約1,800-2,200℉下轉變成元素硫。在該熱區中沒有觸媒。第二區是催化區，其中利用合適觸媒(諸如氧化鋁)在400-650℉間之溫度下製造元素硫。製造元素硫之反應是一種平衡反應，且因此，在該克勞斯方法中有數個階段，其中進行分離以加強H2S轉變成元素硫之整體轉化率。每一階段包含加熱、反應、冷卻及分離。
如本文中所用的，“塔”是一種分離槽，其中基於不同性質，使用對流之流動以離析材料。在一吸收劑塔中，將物理溶劑注入至頂部，而待分離之氣體混合物流過底部。正當該氣體流往上流過該下落之吸收劑流時，一種氣體物 質優先被吸收，而使其在由該塔頂部排出之蒸氣流中的濃度降低。在分餾塔中，液相及氣相對流接觸，以基於沸點差或蒸氣壓差進行流體混合物之分離。高蒸氣壓成分或低沸點成分將易於在氣相中濃縮，而低蒸氣壓成分或高沸點成分將易於在液相中濃縮。低溫分離是一種在塔中進行之分離方法，至少部分之該塔係在或低於150°K之溫度下。為加強分離，二種形式之塔可使用安裝在該塔內之一系列垂直間隔盤或板及/或填充元件諸如構造的或不規則的填充物。塔在基部(base)常可具有再循環流以提供熱能而使該流體沸騰(稱為再沸)。在分餾塔中，一部分的塔頂蒸氣可被冷凝且抽取回該塔頂部作為迴流之流，其可被使用以加強該塔頂產物之分離及純度。大量液體汽提塔與分餾塔相關。然而，該大量液體汽提塔不使用迴流之流且因此不能產生高純度之塔頂產物。
“冷盒”是指一種絕緣圍體(insulated enclosure)，其包含多組處理設備諸如熱交換器、塔、及相分離器。此多組處理設備可形成特定方法之整體或部分。
“壓縮機”是指一種用於壓縮工作用氣體(包括氣體-蒸氣混合物或廢氣)之裝置。壓縮機可包括泵、壓縮機之渦輪、往復型壓縮機、活塞型壓縮機、轉動葉片型或螺桿型壓縮機、及能壓縮工作用氣體之裝置及組合件。
已使用“低溫蒸餾”以自甲烷中分離出二氧化碳，因為在甲烷與二氧化碳間之相對揮發性係適度地高。塔頂蒸氣富含甲烷且底部產物富含二氧化碳及其他重質烴。低溫蒸 餾處理需要壓力及溫度之合適結合以達成所要之產物回收。
“氣體”一詞與“蒸氣”可交互使用且是指氣態物質或物質混合物，如與液態或固態不同的。同樣地，“液體”是指液態物質或物質混合物，如與氣態或固態不同的。
“熱交換器”是指任何經採用以使熱能自一或多道流傳至其他流的設備安排。該熱交換器可以是直接型(例如利用直接接觸之流)或間接型(例如利用被機械阻體分開之流)。交換熱能之流可以是一或多冷凍劑管線、加熱或冷卻用品、一或多道進料流、或一或多道產物流。實例尤其是包括殼管型(shell-and-tube)熱交換器、低溫繞線管纏繞之熱交換器、或焊黃銅之鋁板散熱片。
“烴”是一種有機化合物，其主要包括元素氫及碳，雖然可少量存在氮、硫、氧、金屬、或任何數目之其他元素。如本文中所用的，烴通常是指由含烴之地下岩石層(儲油層)所收集之有機材料。例如，天然氣一般主要由烴甲烷組成。
“天然氣”一詞是指由原油井(相關的氣體)或由地下之含有氣體的形成(非相關的氣體)所得的多成分氣體。天然氣之組成及壓力可明顯變化。一般的天然氣流含有甲烷(C1)作為主要成分。原天然氣一般也會含有乙烷(C2)、較高分子量烴、一或多種酸氣體(諸如二氧化碳、硫化氫、硫化羰、二硫化碳、及硫醇)、及少量污染物諸如水、氦、氮、硫化鐵、蠟、及原油。
低BTU天然氣指明一種所具有之BTU含量通常比管線供應之商業標準(例如每標準立方呎少於約1000BTU)低的天然氣。雖然低BTU天然氣可被升級以配合管線天然氣標準，彼不可經濟地實施。為此之故，低BTU天然氣儲油層在以往常不能被收集。然而，可以使用低BTU天然氣作電廠的燃料，以將該能源升級成電力。
“壓力”是藉由該氣體對該空間之壁所施加之每單位面積的力。壓力可顯示為磅/平方吋(psi)。“大氣壓力”是指當地的空氣壓力。“絕對壓力”(psia)是指大氣壓力(在標準狀況下14.7psia)加上表壓力(psia)。“表壓力”(psig)是指藉由計量表所測量之壓力，其僅指明超出當地大氣壓力之壓力(亦即0 psig之表壓力對應於14.7 psia之絕對壓力)。“蒸氣壓”一詞具有一般的熱動力學意義。對於在特定壓力下之封閉系統內的純成分而言，該成分之蒸氣壓基本上等於在該系統中之總壓。
“分離槽”是一種使進入之進料在其內部被分成各別的蒸氣及液體部分的槽。分離槽可包括閃蒸滾筒，其中閃蒸一流以形成蒸氣及液體成分。該蒸氣成分由上方出口移除，而該液體成分由下方出口移除。
當引述材料之數量或含量或其特定特性時，所用之“基本上”是指一種足以提供一種該材料或特性所要提供之效果的量。可容許之真實偏差度在某些情況中可依照特定背景而定。
概要
本文所述之方法及系統使用分餾作用及藉由物理溶劑之吸收作用的結合以產生蒸發之CO2產物流及殘餘之液態酸廢棄物流。該技術使用起初之分餾方法，其產生富含CO2之蒸氣流及包括CO2及H2S二者之液態酸廢棄物流。該富含CO2之蒸氣流與物理溶劑或吸收劑(尤其是諸如Selexol、Purisol或Rectisol)接觸。該物理溶劑可自含CO2及H2S之蒸氣中移除H2S，以提供可在其他應用中被使用或以產物形式被提供之純化的CO2流。該技術使在液態酸氣體流中的一部分CO2可被萃取且純化，同時殘餘之CO2及H2S留在該液相中。純化的CO2在該氣相中被產生，但接近進料壓力。
在此方法中，該冷的液態酸氣體被預熱且饋至再沸之大量液體汽提塔的頂部。所要之CO2體積在該大量液體汽提塔內被蒸發。來自該大量液體汽提塔之蒸氣被饋至吸收劑塔且利用物理溶劑處理以移除殘餘之硫化物。此產生清潔的CO2產物且接近進料壓力。來自該大量液體汽提塔底部之殘餘的液態酸氣體可抽取至注射壓力以例如供在廢棄物井中處置。
來自該吸收劑塔之富物理溶劑行至再生系統，其中該再生之酸氣體被壓縮且再循環。該經壓縮之酸氣體被注入至該大量液體汽提塔底部，其中H2S被再次吸收於該液態酸氣體中且提供一部分之汽提用氣體以蒸發所要之CO2體積。
圖3是可用以離析CO2產物流302且作為天然氣純化方法之一部分的系統300的方塊圖。該天然氣304可例如被用來提供動力給發電系統306。該系統300不限於所示之方塊，但可包括任何數量之構造，包括例如經由商用管線提供氣體流304給其他消費者。
在該系統300中，可以使用一或多個生產井307以產生天然氣原料流308。該天然氣原料流可包括明顯量的酸氣體，且在某些具體例中，可具有低BTU含量，例如每標準立方呎約500至950 BTU之間。
天然氣原料流308可被饋至脫水單元310，其中特別使用二醇脫水作用、乾燥劑、或壓力搖擺吸附(PSA)單元移除水蒸氣。該脫水單元310不限於所示之安排，但可被包括在該系統300內之任何數目的點上，或若不需要則可省略。通常，使用藉由移除水之脫水作用以製備用於低溫分離作用之天然氣，該水可能使該系統結凍且阻塞。
該經脫水之流312可饋至純化系統314，其可使用任何數目之方法以移除污染物，包括天然氣液體(NGL)316及酸氣體。該純化系統314可包括例如使用雷恩-荷姆斯方法之低溫蒸餾單元。可以使用其它低溫蒸餾技術，諸如可得自Exxon Mobil之經控制的冷凍區(CFZTM)技術。此二低溫方法可產生包括CO2及H2S以及其他化合物之液態酸氣體流318。在不同的具體例中，也可以使用任何數目之其他產生液態酸氣體流之技術以供純化，諸如暖氣體處理系統。除了移除該液態酸氣體流318之外，該純 化系統314也可移除較高碳數之烴類，例如C2及更高者。較高碳數之烴類可被結合以特別形成該NGL流316，其也可以產物形式上市。
來自純化作用之液態酸氣體流318可另外被處理以產生CO2流302，其可被用以增加油回收、供商業銷售或其他目的。該處理係在分餾該液態酸氣體流318以產生液態酸廢棄物流322的分離系統320中進行，該酸廢棄物流322可例如藉由注入廢棄物處置井中而處置。使用克勞斯方法，該液態酸廢棄物流322可用以製造硫。如本文所述的，該分餾方法也產生包含CO2與作為雜質之硫化物的蒸氣流。該蒸氣流與物理溶劑接觸以移除殘餘之H2S以及硫化物而產生該CO2產物流302。
在純化後，純化的氣體流304可以是甲烷及多種惰性氣體(諸如氮及氦)之混合物。此氣體流304可直接被使用，例如作為低BTU天然氣，以提供動力給發電系統306。其他諸如富含氦之流之分離的操作也可在該使用前進行。發電廠306可提供其他用於銷售之較高價值產品，包括傳至電柵極之電力324、用於其他方法之熱326或二者。在一些具體例中，該發電廠306可自一個與生產者相連之管線購得該產物流304。在本文中所述之技術不限於使用低BTU流產生電力，但可與任何天然氣純化方法一同被使用，其中酸氣體之分離可以是有用的。例如，純化之天然氣可經由管線分布系統銷售。
本文中所述之系統300比現行之技術具有很多優點。 例如，其產生容易注射之液態酸廢料流，同時產生用於EOR或其他用途之清潔CO2蒸氣流。該系統300也有能力自該CO2產物中移除COS。物理溶劑(例如Selexol)本身不能有效率地自CO2中分離出COS，因為K值極類似。然而，在該大量液體汽提塔中，該COS自然地分離至該底部產物，且在利用該物理溶劑處理前，與該液態酸氣體廢棄物流一同自該CO2產物流中除去。
該系統300合併熱要求及冷卻源以降低在該分離系統320中對於外部冷凍作用之需求。該物理溶劑方法在急冷時進行地最佳，因為較低溫度降低所需之溶劑循環比率。因物該酸氣體進料是在液相中且需部分地被蒸發，該進料蒸發需求可有效率地配合該物理溶劑急冷需求。若使用暖氣體處理系統，則可以提供額外之冷凍作用以加強該方法。
該系統300可作用，同時控制該液態酸廢棄物流322之水含量。一些物理溶劑方法(例如Selexol)將產生濕的再生氣體。若所有的液態酸氣體進料318以此方式被處理，該液態酸廢棄物流322將是濕的且可能需要另外之脫水作用。在本文所述之方法中，大部分的液態酸氣體進料318僅行經該大量液體汽提塔，其並不將水添加至該液態酸氣體流。
在此方法中，由再生該物理溶劑所產生之酸氣體可在壓縮後被冷卻以降低其水含量。所降低之水含量在足以使所注射之酸氣體水含量低於飽和之速率下將水添加至該大 量汽提塔底部液體產物中。這可使該酸氣體流能被注射卻無須另外之脫水作用或其他處理。
該純化系統314可包括任何數量之製造液態酸氣體流之方法，包括例如雷恩-荷姆斯方法、大量分餾方法、或經控制之冷凍區工廠。可將該分離系統320之式樣翻新以配合現存之純化系統314，而使藉由這些方法所製造之全部或部份的液態酸氣體流再導至該分離系統320以萃取CO2供EOR或銷售。該分離系統320可在稍後被附加，且該新的設備僅需大的足以製造所要體積之CO2。可被使用之方法實例顯示於圖4中。
形成液態酸氣體流之低溫分離
圖4是一種可用以產生液態酸氣體流402之低溫分離系統400的簡化方法流程圖。在該分離系統400中，天然氣流404可被冷卻且提供一些熱給該方法使用，例如藉由經過熱交換器406以將熱提供給低溫分餾塔408上的再沸器之用。該天然氣流404可在另外之熱交換器410中另外被急冷，然後閃蒸於閃蒸滾筒412中。來自該閃蒸滾筒412之底部流414可被送入該低溫分餾塔408中。來自該閃蒸滾筒412之塔頂的蒸氣流416可在冷盒418中被進一步冷卻，例如藉由使熱與很多高壓、中壓、及低壓冷卻劑系統420交換。所得之流422被注入至該低溫分餾塔408。除了自該熱交換器406加熱該天然氣進料流404之外，再沸器熱交換器424可將另外之加熱及冷卻提供給該 低溫分餾塔408。
來自該低溫分餾塔408之塔頂流426將包含來自該天然氣進料404之甲烷、以及其他低沸點或不可冷凝之氣體諸如氮及氦。可以使用包括塔、冷盒、及類似者之另外的分離系統428以產生具有所選之純度的CH4產物流430。該塔頂流426之部分431可被饋至泵432以被再注入至該低溫分餾塔408以作為迴流之流434。
來自該低溫分餾塔408之底部流436可被分離成二道流。再沸器流438被加熱且返回該低溫分餾塔408以提供加熱。出口流440由該底部流436移除以供處置。在具體例中，此出口流440形成用於產生CO2產物之該液態酸氣體流402，如參照圖5及6所描述的。
自液態酸氣體流中分離出CO 2
自液態酸氣體流中分離出CO2之方法的實例顯示於圖5及6中。表1及2呈現該實例之方法的模擬結果，其中在圖5及6之菱形中的數目對應於在表1及2中之方法點。使用方法造型工具(例如得自Aspen Technology,Inc.之Aspen HYSYS®)產生該模擬結果。在此實例中，該進料流係藉由圖4中所示之低溫分離方法製造。然而，可以使用任何產生液態酸氣體流之方法以提供該進料。在該分離方法並非低溫的情況中，在該方法中可以使用另外的冷卻。
圖5是CO2分離方法500之簡化方法流程圖，該方法將液態酸氣體流502分離成CO2產物流504及液態酸廢棄物流506。該液態酸氣體流502在二個熱交換器508及510中部分蒸發，同時對這些熱交換器提供中溫冷凍負載。在這些交換器中該液態酸氣體流502之使用可降低，或在某些情況中甚至消除用以冷卻這些交換器之外部冷凍系統的需要。
經部份蒸發之酸氣體512流入分離槽514以形成蒸氣流516及液體流518。該液體流518被抽取入大量液體汽提塔520中。該大量液體汽提塔520藉由例如使用加熱介 質諸如二醇-水混合物之再沸器521加熱。
來自該大量液體汽提塔520之蒸氣流516及塔頂蒸氣522被結合以形成蒸發的CO2流524，其經饋至吸收劑塔526之底部。該吸收劑塔526可使用任何數量之物理溶劑諸如Selexol、Purisol、Rectisol、及其他。在此實例中，使用Selexol以供該方法模擬計算之目的。
在該吸收劑塔526內，在該蒸發的CO2流524中殘餘的H2S藉由自該吸收劑塔上方落下之逆流的物理溶劑移除。該塔頂流出物528與來自泵532之貧Selexol流530混合且進入吸收器-交換器510。該吸收器-交換器510使該Selexol預先飽和CO2且藉由使熱與該進料之液態酸氣體流502交換而移除吸收熱。此預先飽和的步驟使該吸收劑塔526能在相當固定之低溫下操作且在低的總Selexol循環速率下，例如與在較高溫度下操作之現行溶劑分離方法相比，吸收在蒸氣進料流中之H2S。該CO2飽和的Selexol流534流入閃蒸滾筒536中。來自該閃蒸滾筒536之該塔頂蒸氣流提供純化之CO2流538。來自該閃蒸滾筒536之液體流是一種預先飽和之經急冷的Selexol流540，其經抽取至該吸收劑塔526以提供純化之CO2及H2S的選擇性分離作用。
該純化之CO2流538可被壓縮且冷卻至所要之用於CO2產物504的條件。來自該大量液體汽提塔520底部之液態流541可被抽取且在交換器508中藉由使熱與該液態酸氣體流502交換而輔助冷卻(sub-cooled)，且另外被 抽取至用於該液態酸廢棄物流506之所要注射或輸送條件。來自該吸收劑塔526之底部的富Selexol流542被抽取至用於萃取殘餘H2S之吸收劑再生系統600，其參照圖6被討論。
圖6是吸收劑再生系統600之簡化方法作圖，該系統係自圖5之物理溶劑蒸氣中移除酸氣體602且使貧吸收劑流604返回在圖5中之吸收劑塔526。類似編號之項目係參照圖5被描述。因為預先飽和之經急冷的Selexol流540被注入至該吸收劑塔526，該富Selexol流542是冷的。該富Selexol流542在交換器606及608中被預熱以回收一些冷凍負載，然後在交換器610中用加熱介質(例如二醇-水流)另外加熱。
然後該富Selexol流542之壓力在612、614、616及618階段中逐漸地降低，以使一些酸氣體在每一階段中在逐漸降低之壓力下被釋出。雖然顯示四個階段，但階段數目可依照在該富Selexol流542中H2S之濃度而增加或減少。在第一階段612中，該富Selexol流542被饋至閃蒸滾筒620。該塔頂蒸氣流622可在交換器606中被冷卻，使水冷凝出且在分離槽624中被回收。所回收之水流626可另外被處理以移除更多溶解的H2S，同時使酸氣體602返回該大量液體汽提塔520。
來自該閃蒸滾筒620底部之液態流628可快速通過閥630以在第二階段614中於注入至第二閃蒸滾筒632之前降低壓力。來自該第二閃蒸滾筒632之蒸氣流634被饋至 再壓縮機636且經加壓之流638與來自該閃蒸滾筒622之塔頂蒸氣流622結合。
同樣地，來自第三階段616之蒸氣流640被饋至再壓縮機642且在流經熱交換器644之前，該熱交換器644可藉由來自二醇-水加熱及冷卻系統(GWS)646之二醇-水流所冷卻，如本文中所討論的。經冷卻之壓縮的流648通過分離槽650以移除冷凝的水，且其餘的蒸氣流與來自第二閃蒸滾筒632之蒸氣流634結合以被饋入該再壓縮機636。
第四階段618係以類似方式操作，而蒸氣流652在於熱交換器656內被冷卻之前饋至再壓縮機654。冷卻後，該蒸氣流652流過分離槽658以在與來自先前階段616之蒸氣流640結合之前移除冷凝水。這些來自每一階段612、614、616、及618之蒸氣流的壓力可符合再壓縮中間階段之壓力以使再壓縮電力需求最小化。
在階段612、614、616、及618中壓力降低之後，經降低壓力之Selexol流660另外在富/貧交換器662中加熱且填充至再沸之再生塔664。該再沸之再生塔664被水蒸氣之再沸器666所加熱。該塔頂蒸氣流668在環繞的熱交換器669中冷卻，然後以類似於來自階段612、614、616、及618之蒸氣流的方式被處理，以移除殘餘之H2S。來自該再沸的再生塔664之底部流670提供該貧Selexol流604，其在流至該吸收器-交換器510(圖5)之前，經抽取經該富/貧交換器662及交換器608。
在Selexol再生期間所產製之五道濕蒸氣流622、634、640、652、及672經安排流至該再壓縮機636、642、654、及674。該濕蒸氣流622、634、640、652、及672以合適之中間階段壓力進入以使所需之壓縮電力最小化。在再壓縮後，在每一階段之再生氣體被冷卻以移除水。在所有再生氣體被壓縮且混合之後，彼在交換器606中最後一次冷卻，以儘可能多地冷凝殘餘的水。該酸氣體流602將少量水帶入該大量液體汽提塔520。由全部之壓縮中間階段所分離之回收的水流626再經導至該再生器迴流儲存器676，以維持該Selexol系統之水平衡。
然後該冷卻之富H2S之酸氣體602被注入該大量液體汽提塔520之底部。在此，該H2S再次藉由在其位置上之該酸氣體釋出之CO2所吸收且降低蒸發所要體積之CO2所需之再沸器負載量。全部的H2S因此被包含在該離開大量液體汽提塔520底部之液態酸廢棄物流506中。
超過一半之在本文所述之方法中所用的熱能是在足夠低之溫度下，例如低於約150℉，以致該熱可由該壓縮機排放物之冷卻機供應。因此，可以使用二醇水加熱及冷卻系統(GWS 646)以藉由熱自彼所產生之位置(例如在該壓縮機之排放物冷卻機)傳至彼所用之位置，使整體系統之能量效率最大化。例如，該GWS 646系統可在該壓縮機之中階段中的交換器644、656、及678被加熱且在該Selexol交換器610及該大量汽提塔之加熱器中冷卻，以使另外之利用及燃料需求最小化。
圖7是使用結合之系統以產生CO2產物流及液態酸氣體廢棄物流的方法700的方塊圖。該方法700開始於方塊702，其自天然氣產物中分離出液態酸氣體流。該液態酸氣體流可使用參照圖4所述之低溫分離方法被離析。然而，可以使用任何產生液態酸氣體流之分離方法。在方塊704上，可使該液態酸氣體流流入大量液體汽提塔以將CO2自CO2/H2S混合物中分餾出，如參照圖5所述的。在方塊706上，使來自該大量液體汽提塔之富含CO2的蒸氣流至吸收器塔。在方塊708上，該蒸氣在該吸收器塔中利用物理溶劑處理以自該CO2中移除過多之H2S。在方塊710上，來自該吸收器塔之塔頂的蒸氣與貧物理溶劑流接觸以使該物理溶劑預先負荷該CO2。然後在方塊708上使用該經處理之流以處理該蒸氣。在方塊712上，在預先負荷後，過多之CO2自該物理溶劑中閃蒸出，且在方塊714上，提供該過多之CO2作為產物。
在方塊716上，在方塊706上所離析之濃縮的液態酸氣體流作為該大量液體汽提塔之底部物可被處置，例如藉由注入處置井。例如含有高濃度H2S及CO2之富物理溶劑可在方塊718上被處理以移除酸氣體，如參照圖6所述的。在方塊720上，可使該酸氣體返回該大量液體汽提塔以供另外分離且提供熱負載。在方塊718上所產生之貧物理溶劑可在方塊710上被預熱以形成該預先負荷之溶劑。
〔具體例〕
如本文中所述之具體例可包括在以下編號之段落中之元件的任何組合：
1.一種用於產生CO2產物流的方法，其包括：產生一種包含H2S及CO2之液態酸氣體流；閃蒸該液態酸氣體流以形成第一蒸氣流及底部流；分餾該底部流以形成第二蒸氣流及液態酸廢棄物流；結合該第一蒸氣流及該第二蒸氣流以形成結合的蒸氣流；及利用物理溶劑處理該結合的蒸氣流以移除過多之H2S，以形成該CO2產物流。
2.如段落1之方法，其包含在廢棄物處置井中處置該液態酸廢棄物流。
3.如段落1或2之方法，其中處理該結合的蒸氣流包含：使該物理溶劑與來自吸收塔之富含(enriched)CO2流接觸以形成預先負荷(preloaded)之物理溶劑；閃蒸該預先負荷之物理溶劑以移除過多之CO2作為CO2產物流；及將該預先負荷之物理溶劑注入至該吸收塔以處理該結合的蒸氣流。
4.如段落1、2或3之方法，其包含：使該底部流從該吸收塔流至分離系統，其中該底部流包含富(rich)物理溶劑；及自該富物理溶劑分離出酸氣體流。
5.如先前任一段落之方法，其包含將該酸氣體流注入至大量液體汽提塔以提供熱負載(heat duty)。
6.如先前任一段落之方法，其包含在多重階段中閃蒸該富物理溶劑，其中每一階段係在比前一階段低的壓力下操作。
7.如先前任一段落之方法，其包含：再壓縮來自每一階段之蒸氣流；及冷卻該經再壓縮之蒸氣流以移除水至該酸氣體之溶解限度內。
8.如先前任一段落之方法，其包含藉由使熱與該液態酸氣體流交換而冷卻該預先負荷之物理溶劑。
9.如先前任一段落之方法，其中產生該液態酸氣體流包含雷恩-荷姆斯(Ryan-Holms)程序。
10.如先前任一段落之方法，其中產生該液態酸氣體流包含低溫程序。
11.如先前任一段落之方法，其包含將該富含CO2流注入至形成塔以增加烴之回收。
12.如先前任一段落之方法，其包含藉由產生固態硫而處置該液態酸廢棄物流。
13.一種用於產生富含CO2流的系統，其包含：安裝以將一部份之液態酸氣體流閃蒸成蒸氣流及液態流的酸氣體閃蒸滾筒；安裝以使該液態流與酸氣體流接觸且將至少一部份之該液態流閃蒸成塔頂流及塔底流之大量液體汽提塔，其中 該塔頂流及該蒸氣流被混合以形成結合的氣體流且其中該塔底流以濃縮的酸氣體流形式被處置；及安裝以使該結合的氣體流與預先負荷之吸收劑流接觸的吸收塔，其中富吸收劑流由該吸收塔底部排出且富含CO2蒸氣流由該塔頂排出。
14.如段落13之系統，其包含：安裝以使該富含CO2蒸氣流與吸收劑流接觸以形成該預先負荷之吸收劑流的預先負荷混合器；安裝以藉由使熱與該液態酸氣體流交換而使該預先負荷之吸收劑流急冷的預先飽和急冷器；及安裝以自該預先負荷之吸收劑流閃蒸出過多的CO2以形成富含CO2產物流及該預先負荷之吸收劑流的預先飽和閃蒸滾筒。
15.如段落13或14項之系統，其包含安裝以自該富吸收劑流移除熱酸氣體以形成該熱酸氣體流及該吸收劑流的分離系統，其中：將該熱酸氣體流送至該大量液體汽提塔；及將該吸收劑流送至該預先負荷混合器。
16.如段落13、14或15項之系統，其包含安裝以形成該液態酸氣體流之低溫氣體分離系統。
17.一種用於純化天然氣流的方法，其包含：使該天然氣流脫水；將該天然氣流低溫分離成富甲烷餾份、天然氣之液體餾份、及液態酸氣體流； 將該液態酸氣體流分餾以形成富含CO2流及液態酸廢棄物流；及利用吸收劑處理該富含CO2流以移除過多之H2S以形成CO2產物流。
18.如段落17之方法，其包含自該富甲烷餾份產生能量。
19.如段落17或18之方法，其包含利用該CO2產物流進行增加油的回收。
20.如段落17、18或19之方法，其包含使該吸收劑再生以移除該H2S。
雖然本技術可能有多種修正或替代型，以上討論之例示的具體例已僅藉由實例顯示。然而，應再次了解：該技術無意受限於本文所揭示之特別具體例。事實上，本技術包括在所附之申請專利範圍之真實精神及範圍內的全部替代型、修正型、及相等型。
100,200‧‧‧溫度-組成相繪圖
102‧‧‧x軸
104‧‧‧y軸
106‧‧‧氣相
108‧‧‧液相
300‧‧‧可用以離析CO2產物流且作為天然氣純化方法之一部分的系統
302,504‧‧‧CO2產物流
304‧‧‧天然氣
306‧‧‧發電系統(廠)
308‧‧‧天然氣原料流
310‧‧‧脫水單元
312‧‧‧經脫水的流
314‧‧‧純化系統
316‧‧‧天然氣液體
318,506‧‧‧液態酸氣體流
320‧‧‧分離系統
322‧‧‧液態酸廢棄物流
324‧‧‧電力
326‧‧‧熱
400‧‧‧低溫分離系統
402,502‧‧‧液態酸氣體流
404‧‧‧天然氣流
406,410,508,510,606,608,610,644,656‧‧‧熱交換器
408‧‧‧低溫分餾塔
412,536,620,632‧‧‧閃蒸滾筒
414,436,670‧‧‧底部流
416,516,626,634,640,652,668,672‧‧‧蒸氣流
418‧‧‧冷盒
420‧‧‧低壓冷凍劑系統
422‧‧‧流
424‧‧‧再沸器熱交換器
426‧‧‧塔頂流
428,430‧‧‧分離系統
432,532‧‧‧泵
434‧‧‧迴流之流
438‧‧‧再沸器流
440‧‧‧出口流
500‧‧‧CO2分離方法
512‧‧‧部分蒸發之酸氣體
514,624,658‧‧‧分離槽
518,541,628‧‧‧液態流
520‧‧‧大量液體汽提塔
522‧‧‧塔頂蒸氣
524‧‧‧蒸發的CO2流
526‧‧‧吸收劑塔
528‧‧‧塔頂流出物
530‧‧‧貧Selexol流
534‧‧‧CO2飽和的Selexol流
538‧‧‧純化的CO2流
540‧‧‧預先飽和之經急冷的Selexol流
542‧‧‧富Selexol流
600‧‧‧吸收劑再生系統
602‧‧‧酸氣體
604‧‧‧貧吸收劑流
630‧‧‧閥
636,642654,674‧‧‧再壓縮機
638‧‧‧經加壓之流
660‧‧‧經降低壓力之Selexol流
662‧‧‧富/貧交換器
664‧‧‧再沸之再生塔
666‧‧‧再沸器
676‧‧‧迴流儲存器
本技術之優點藉由參照以下詳述及所附圖示更加被了解，其中：圖1是溫度-組成相作圖，其顯示在100 psia下在CO2與H2S混合物中CO2之平衡濃度；圖2是溫度-組成相作圖，其顯示在600 psia下在CO2與H2S混合物中CO2之平衡濃度；圖3是可用於離析CO2產物流而作為天然氣純化方法 之部份的系統的方塊圖；圖4是可用於產生液態酸氣體流之低溫分離系統的簡化方法流程圖；圖5是將液態酸氣體流分離成CO2產物流及液態酸氣體廢棄物流的CO2分離方法的簡化方法流程圖；圖6是吸收劑再生系統的簡化方法圖，該系統係自圖5之物理溶劑移除酸氣體且使貧(lean)吸收劑流返回圖5中所示之吸收劑塔；圖7是使用結合的系統產生CO2產物流及液態酸氣體廢棄物流的方法的方塊圖。
100‧‧‧溫度-組成相繪圖
102‧‧‧x軸
104‧‧‧y軸
106‧‧‧氣相
108‧‧‧液相

Claims (20)

  1. 一種用於產生CO2產物流的方法，其包括：產生一種主要包含H2S及CO2之液態酸氣體流；閃蒸該液態酸氣體流以形成第一蒸氣流及底部流；分餾該底部流以形成第二蒸氣流及液態酸廢棄物流；結合該第一蒸氣流及該第二蒸氣流以形成結合的蒸氣流；及利用物理溶劑處理該結合的蒸氣流以移除過多之H2S，以形成該CO2產物流。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其包含在廢棄物處置井中處置該液態酸廢棄物流。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中處理該結合的蒸氣流包含：使該物理溶劑與來自吸收塔之富含(enriched)CO2流接觸以形成預先負荷(preloaded)之物理溶劑；閃蒸該預先負荷之物理溶劑以移除過多之CO2作為CO2產物流；及將該預先負荷之物理溶劑注入至該吸收塔以處理該結合的蒸氣流。
  4. 如申請專利範圍第3項之方法，其包含：使該底部流從該吸收塔流至分離系統，其中該底部流包含富(rich)物理溶劑；及自該富物理溶劑分離出酸氣體流。
  5. 如申請專利範圍第4項之方法，其包含將該酸氣 體流注入至大量液體汽提塔以提供熱負載(heat duty)。
  6. 如申請專利範圍第4項之方法，其包含在多重階段中閃蒸該富物理溶劑，其中每一階段係在比前一階段低的壓力下操作。
  7. 如申請專利範圍第4項之方法，其包含：再壓縮來自每一階段之蒸氣流；及冷卻該經再壓縮之蒸氣流以移除水至該酸氣體之溶解限度內。
  8. 如申請專利範圍第3項之方法，其包含藉由使熱與該液態酸氣體流交換而冷卻該預先負荷之物理溶劑。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中產生該液態酸氣體流包含雷恩-荷姆斯(Ryan-Holms)程序。
  10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中產生該液態酸氣體流包含低溫程序。
  11. 如申請專利範圍第1項之方法，其包含將該富含CO2流注入至形成塔以增加烴之回收。
  12. 如申請專利範圍第1項之方法，其包含藉由產生固態硫而處置該液態酸廢棄物流。
  13. 一種用於產生富含CO2流的系統，其包含：安裝以將一部份之主要包含二氧化碳及硫化氫之液態酸氣體流閃蒸成蒸氣流及液態流的酸氣體閃蒸滾筒；安裝以使該液態流與酸氣體流接觸且將至少一部份之該液態流閃蒸成塔頂流及液態塔底流之大量液體汽提塔，其中該塔頂流及該蒸氣流被混合以形成結合的氣體流，且 其中該液態塔底流以濃縮的液態酸氣體流形式被處置；及安裝以使該結合的氣體流與預先負荷之吸收劑流接觸的吸收塔，其中富吸收劑流由該吸收塔底部排出且富含CO2蒸氣流由該塔頂排出。
  14. 如申請專利範圍第13項之系統，其包含：安裝以使該富含CO2蒸氣流與吸收劑流接觸以形成該預先負荷之吸收劑流的預先負荷混合器；安裝以藉由使熱與該液態酸氣體流交換而使該預先負荷之吸收劑流急冷的預先飽和急冷器；及安裝以自該預先負荷之吸收劑流閃蒸出過多的CO2以形成富含CO2產物流及該預先負荷之吸收劑流的預先飽和閃蒸滾筒。
  15. 如申請專利範圍第14項之系統，其包含安裝以自該富吸收劑流移除該熱酸氣體以形成該熱酸氣體流及該吸收劑流的分離系統，其中：將該熱酸氣體流送至該大量液體汽提塔；及將該吸收劑流送至該預先負荷混合器。
  16. 如申請專利範圍第13項之系統，其包含安裝以形成該液態酸氣體流之低溫氣體分離系統。
  17. 一種用於純化天然氣流的方法，其包含：使該天然氣流脫水；將該天然氣流低溫分離成富甲烷餾份、天然氣之液體餾份、及液態酸氣體流；閃蒸該液態酸氣體流以形成蒸氣流及液態底部流； 將該液態底部流分餾以形成富含CO2流及液態酸廢棄物流；結合該蒸氣流及該富含CO2流以形成結合的蒸氣流；及利用吸收劑處理該結合的蒸氣流以移除過多之H2S以形成CO2產物流。
  18. 如申請專利範圍第17項之方法，其包含自該富甲烷餾份產生能量。
  19. 如申請專利範圍第17項之方法，其包含利用該CO2產物流進行增加油的回收。
  20. 如申請專利範圍第17項之方法，其包含使該吸收劑再生以移除該H2S。
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