TWI687510B - 方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種用於處理包含甲烷及具有第一二氧化碳濃度之粗天然氣進料流之方法，該方法包括以下步驟：使該粗天然氣進料流接受分離過程來提供：具有第二二氧化碳含量之經純化之天然氣流，該第二二氧化碳含量低於該粗天然氣流中之該第一二氧化碳濃度；及，包含二氧化碳作為主要組分及甲烷之二氧化碳流；回收該經純化之天然氣流；視需要將該二氧化碳流與補充甲烷及/或補充空氣混合；使該二氧化碳流及視需要之補充甲烷或空氣通過熱交換器來提高該流之溫度至氧化反應器之所欲入口溫度T1；視需要將該二氧化碳流與補充甲烷及/或補充空氣混合；將步驟(d)之加熱流及任何視需要之補充甲烷/或空氣傳至含有氧化觸媒之氧化反應器，其中該甲烷被氧化；除去包含來自該反應器之氧化反應產物之氣流，該氣流係於高於入口溫度T1之出口溫度T2下；將於步驟(g)中移除之氣流與來自步驟(a)之二氧化碳流相對地傳送通過熱交換器，來容許回收於步驟(g)中移除之氣流之熱量並利用其來加熱步驟(d)中之二氧化碳流；及測量出口溫度T2並藉由調節於步驟(c)及/或步驟(e)中添加之補充甲烷及/或空氣之量來控制入口溫度T1。

Description

方法
本發明係關於一種用於處理天然氣來使燃燒(flared)及/或排出之甲烷最少化之方法。
天然氣係包括主要由甲烷組成之烴氣混合物之化石燃料。然而，其一般亦包括水、二氧化碳、氮氣及硫化氫。天然氣係於地下岩層中發現且位置常常與其他烴燃料(諸如煤或石油)相連或緊鄰。
世界每年使用近100萬億scf(標準立方英尺)天然氣。所有此氣在進入管道之前需要處理。所需處理將取決於天然氣來源及因此存在之雜質。某些將僅需去除水。然而，超過20%要求大量處理，使得天然氣加工截至目前成為最大工業氣體分離方法及設備市場。
二氧化碳為天然氣之常見污染物且必須經移除至少於約8莫耳%之水平(通常少於約2莫耳%)來使管線腐蝕最小化。
歷史上，用於自天然氣中移除二氧化碳之標準技術為胺吸收。雖然此幾乎實現移除全部二氧化碳，但一般經處理之氣體中約1%甲烷伴隨二氧化碳排氣流一同損失且額外約1%至約4%之甲烷需用作燃料來加熱胺氣提器之再沸器。因此，總烴損失係於約2至約5%之範圍內。胺設備可仍用來處理具有低二氧化碳濃度之天然氣。
然而，近幾年，使用薄膜設備來移除二氧化碳逐漸被接受。如今，基於薄膜之處理設備佔處理方法之小於約5%之比例；其中大部分用於移除二氧化碳。然而，基於薄膜移除天然氣污染物發展速度快 於薄膜氣體分離業務之任何其他環節。
一般而言，薄膜設備係用於處理具有高濃度之二氧化碳之天然氣流。雖然其等可用於具有低二氧化碳濃度之流，但此等一般效率較低。此意為設計用來處理5百萬scfd之含有20%二氧化碳之氣體之薄膜設備之尺寸小於設計用來處理2千萬scfd之含有5%二氧化碳之氣之薄膜設備之一半。
已考慮薄膜設備之多種設計。該設備之預期位置將決定設計中應考慮之最重要的因素。在該設備位於近海平臺上之情況下，該設備之重量及佔據面積係至關重要。該設備易於操作亦係至關重要。反之，雖然此等因素於陸上設備之設計中佔有一席之地，但建設及操作成本在決定設計時更加重要。
於圖1及2中顯示處理具有低二氧化碳濃度之天然氣之兩種典型基於薄膜的二氧化碳移除設備的概視圖。兩種設備均係設計用於處理1千萬scfd之含有約10%二氧化碳之氣體。
於圖1中說明一階段設備。此型設備簡單，不含旋轉裝置及需要最低限度維護。因此，此型設備係較佳用於小型氣體流量(諸如用於生產小於1 MMscfd之氣井)，因為其等要求極低資金及操作成本。於一實例中，具有約10%二氧化碳濃度之天然氣流可饋入管線1至薄膜分離器2。於圖1中所示之配置中，該薄膜分離器可為1800m2薄膜。該氣體可以約2.8x105m3/天之流速及約800psia之壓力饋送。於管線3中回收之天然氣流將仍含有一些二氧化碳，但其將減少至約2%。自薄膜分離器2之滲透物流4將含有約44%二氧化碳。該流之壓力為約25psia。滲透物流4中之甲烷(其係天然氣流3之損失)將為約11.5%且因而係大量。
一般而言，甲烷損失之量將取決於所用之薄膜、起始氣流等，但其將通常位於約10至約15%之區域內。若此氣體無燃料用途，則其 必須要燒掉(其代表著大量收益損失)。隨著天然氣流規模增加，一階段系統之甲烷損失及所導致收益損失使此系統不具吸引力。
於嘗試減少損失時，已考慮圖2中示意性說明之替代方法。於此配置中，將進料流1饋至第一薄膜分離器2。自管線3中回收之滯留物流將含有約2%二氧化碳。自第一薄膜分離器2之滲透物流4於壓縮機5中壓縮並傳送至第二薄膜分離器6。第二薄膜分離器6之尺寸可小於第一薄膜分離器2。於一配置中，第一薄膜分離器2為2000m2分離器及第二薄膜分離器6為300m2分離器。可使管線7中回收之滯留物流返回至第一薄膜分離器2之入口。滲透物流8通常將包括約86%二氧化碳，且甲烷損失將減少至約1.5%，其相當於胺設備損失。
於圖3中顯示替代配置，其說明可用於在近海平臺上處理高二氧化碳濃度氣體之方法。該設計將如上所示之一階段及兩階段系統原理相結合。於一實例中，含有30%二氧化碳之流以500psia之壓力及14x105Nm3/天之流速饋入管線10至7500m2第一薄膜分離器11。於管線12中除去具有1.5%二氧化碳含量之滲透物。將天然氣滯留物流13傳送至第二7500m2薄膜分離器14。於管線15中回收之天然氣滯留物將為500psia之壓力且將以約9.9 x 105Nm3/天之速率回收。此流將含有約81.5%二氧化碳。
自第二薄膜分離器14之滲透物流16將含有約56%二氧化碳。此流於經傳送至第三薄膜分離器18之前於壓縮機17中壓縮。此第三薄膜分離器18通常將小於第一薄膜分離器11及第二薄膜分離器14，且於一配置中可為730m2薄膜。將含有30%二氧化碳之滯留物流19返回至第一薄膜分離器11。於管線20中除去自第三薄膜分離器18之滲透物。此流將含有約93.1%二氧化碳。流12及19均可排出或可點燃流12。
因此，此方法使天然氣中二氧化碳濃度自15%減少至約8%。此仍遠遠超過美國燃氣管道規範，但已低至可控制乾氣之腐蝕。此意為 該氣體可用管道輸送至岸邊，於此可除去剩餘二氧化碳。
於圖3中所示之方法設計之二氧化碳流之甲烷損失為約7%。此損失可藉由增大壓縮機17及薄膜分離器單元18之尺寸來減少。雖然此可成為陸上設備之選項，但近海設備之重量、佔據面積、電力消耗增加及其他設備成本因素可能無法藉由額外回收之氣體價值來抵消。
然而形成後，必須處理已經自天然氣進料分離且通常包括高百分數之二氧化碳之該(等)滲透物流。在天然氣流之污染物係經其他方法移除之情況下，產生類似問題。
一般而言，藉由燃燒及排氣將廢氣釋放至大氣中。燃燒(Flaring)為控制燃燒於常規油氣生產操作過程中伴隨油產生之天然氣。排氣(venting)為控制釋放直接進入大氣之未燃燒氣體。燃燒或排氣之可用性確保氣體可於緊急情況及停機狀況時安全排放。此外，於氣體不可儲存或商用之情況下，必須藉由燃燒或排氣減少起火及爆炸之風險。
根據世界銀行全球天然氣減少燃燒計劃(World Bank's Global Gas Flaring Reduction Program)，每年燃燒或排放1500億立方米(53萬億立方英尺)天然氣。此大致上相當於所有美國居民1年之燃氣使用量且佔每年全球天然氣產量之約5%。因此，應明白藉由排放及/或燃燒氣體引起之甲烷損失代表有價值成分之損失且因此使得燃燒氣體之量最小化來使自所生產之烴中實現盡可能多之價值係符合油公司之利益。
已提出多種建議來利用此氣，包括本地發電、再注入井中或微型氣體(micro-gas)至液體費托(Fischer-Tropsch)反應。然而，此等方法並非總是易於實施，尤其於空間受限之時。特定言之，出售部分或全部氣體可能在技術上或經濟上並不可行，原因通常為地理學、有效客戶及政府能源政策之組合。類似地，將氣體再注入地下儲集層可能在技術上或經濟上並不可行。因此，氣體必須作為廢物燃燒。在某些情況下，排氣可優於燃燒，其取決於諸如地方噪音影響、所生產氣體之 毒性及該氣體之烴含量之考量因素。若欲燃燒氣體，則提高二氧化碳含量及就此減少廢氣之甲烷含量來使自天然氣中獲得盡可能多之價值係符合公司利益。
不僅燃燒及排氣具有經濟影響，而且其等亦具有局部環境影響，因為其等產生被認為有可能造成全球變暖之排放物。可用數據表明在全球範圍基礎上，氣體燃燒佔人為二氧化碳排放量之1%，而燃燒及排氣佔人為甲烷排放量之4%。因此，該工業尋求通過將氣體儲存商業化、改進燃燒系統之操作、維護及設計、以及儲存相關氣體之新方式來減少燃燒及/或使其影響最小化。
因此，應明瞭雖然有某些用於解決與來自天然氣加工之廢氣相關之問題的建議，但應明白不存在所有情況均可接受之解決方案。因此，期望提供可於至少一些氣流必須排放之情況下提供優勢之替代方法。
已有一些與來自礦藏之通風氣體相關之建議，該通風氣體需於存在適宜觸媒或不存在適宜觸媒之情況下氧化，從而該氣體中存在之甲烷於其排出之前氧化為二氧化碳及水。氧化系統實例係描述於CN102230393、CN102225321、CN102218286、CN102205207、CN101418702、CN101906986、CN201301726、CN201650343、及CN101206027。
於氧化過程中，通常有必要在氣體與觸媒接觸之前將其加熱。然而。此等過程可能難於操作。一個問題為需控制反應器中之溫度以便其高得足以發生反應，但其不致過高，因為高溫可能損害觸媒且甚至可使觸媒去活。
當所處理氣流中之氣體濃度波動時，控制氧化過程期間溫度之需要可係複雜。
於US2012/0189523中討論一種建議用於應對利用來自煤礦之通 風氣體中具有較低但變化濃度之甲烷之氣體流之方法。於第一配置中，該所提出之方法包括通過氣體進行預加熱之熱交換器饋送該氣體。隨後將此經預加熱之氣體饋至反應器，其中其與氧化觸媒接觸從而發生氧化反應。隨後該經反應氣體通過熱交換器以便藉由與未反應之氣體熱交換來回收熱。該方法亦包括根據待處理氣體中之甲烷濃度來改變饋至氧化觸媒之氣體之量，使得氣體流速於甲烷濃度高時增加，且於甲烷濃度低時降低。
於US2012/0189523中所述之第二配置中，待處理之氣體穿過低溫通道至熱交換器從而得以加熱。隨後將此經預加熱之氣饋至反應器，其中其與氧化觸媒接觸而發生所期望之氧化反應。隨後該經反應氣體通過熱交換器以便與進料氣體熱交換。於此配置中，某些流至該熱交換器之低溫側或高溫側之流可穿過捷徑通道從而部分氣體可繞過該熱交換器。欲通過捷徑通道饋送之進料氣體相對於欲饋至該熱交換器之量之比率變化，從而該比率愈低，該進料氣體中之甲烷濃度愈低，且該比率愈高，進料氣體中之甲烷濃度愈高。
雖然此方法提供一些處理氣流中之甲烷之方式，但其並未涉及處理自天然氣流所分離且具有高濃度二氧化碳之流。
因此，期望提供一種可提供替代配置且可應用於處理天然氣流之方法。
因此根據本發明之第一態樣，其提供一種用於處理包含甲烷且具有第一二氧化碳濃度之粗天然氣流之方法，該方法包括以下步驟：(a)使粗天然氣進料流接受分離過程來提供：具有第二二氧化碳含量之經純化之天然氣流，該第二二氧化碳濃度低於該粗天然氣流中之第一二氧化碳濃度；及，包含二氧化碳作為主要組分及甲烷之二氧化碳流；(b)回收該經純化之天然氣流； (c)視需要將該二氧化碳流與補充甲烷及/或補充空氣混合；(d)使該二氧化碳流及視需要之補充甲烷或空氣通過熱交換器來提高該流之溫度至氧化反應器之所欲入口溫度T1；(e)視需要將該二氧化碳流與補充甲烷及/或補充空氣混合；(f)將步驟(d)之經加熱流及任何視需要之補充甲烷/或空氣傳至含有氧化觸媒之氧化反應器，其中該甲烷被氧化；(g)除去包含來自反應器之氧化反應產物之氣流，該氣流係於高於入口溫度T1之出口溫度T2下；(h)將於步驟(g)中移除之氣流與來自步驟(a)之二氧化碳流相對地傳送通過熱交換器，來容許回收於步驟(g)中移除之氣流之熱量並利用其來加熱步驟(d)中之二氧化碳流；及(i)測量出口溫度T2並藉由調節於步驟(c)及/或步驟(e)中添加之補充甲烷及/或空氣之量來控制入口溫度T1。
由氧化反應器回收之該氣體流將具有降低濃度之甲烷，因其將轉化為二氧化碳及水。因此一旦此流穿過步驟(h)中之該熱交換器，其可被排出。因此流具有實質上降低濃度之甲烷，其排氣不具有先前技術配置中所指明之環境影響。
於一配置中，一旦該流已通過步驟(h)中之該熱交換器，其可通過膨脹式渦輪機饋送，其中其於排氣之前將被膨脹。該膨脹式渦輪機可為發電機供能來產生電力，其可用於為該方法提供電力。經膨脹之氣體可於該膨脹式渦輪機中發生部分液化。根據至該膨脹式渦輪機之流之溫度，其可於排放前自該膨脹式渦輪機之排放氣體回收額外熱。
「粗」天然氣流可為未經任何純化之天然氣流或其可已得到處理來除去雜質(其可包括除去二氧化碳)。然而，「粗」之意義為其具有高於純化天然氣流之二氧化碳含量。
粗天然氣流可包括任何適宜量之二氧化碳。於一配置中，其可 包括高達25%二氧化碳。該方法尤其適用於包括約20%二氧化碳之天然氣流。然而，可使用約15%、12%、10%、8%之含量。
可用任何適宜分離方法來分離粗天然氣流來形成純化天然氣流及二氧化碳流。
於一較佳配置中，該分離過程為薄膜分離過程。
於一配置中，該粗天然氣係於單一薄膜分離器中處理。於此配置中，來自該薄膜分離器之滯留物為純化天然氣流，且該滲透物為包含甲烷之二氧化碳流。
於一替代配置中，該粗天然氣可於第一薄膜分離器中處理來形成包含純化天然氣流之滯留物。於此配置中，來自第一薄膜分離器之該滲透物可傳到第二薄膜分離器。該滲透物流可於傳到該第二薄膜分離器之前壓縮。來自此第二薄膜分離器之該滲透物(其為二氧化碳流)經受上述步驟(c)至(i)。來自第二薄膜分離器之滯留物可回到第一薄膜分離器。第一及第二薄膜分離器可為相同或不同。
於第二替代配置中，該粗天然氣可連續地於第一及第二薄膜分離器中處理來形成包含純化天然氣流之滯留物。來自該等第一及第二薄膜分離器之一者或兩者之滲透物傳到第三薄膜分離器。該滲透物流可於傳到第三薄膜分離器之前壓縮。若該等滲透物流之一者未傳至第三薄膜分離器，其可經受上述步驟(c)至(i)或其可燃燒或排出。來自第三薄膜分離器之滯留物可回到第一薄膜分離器。來自第三薄膜分離器之該滲透物將經受上述步驟(c)至(i)。
應明白藉由控制氧化反應器之入口溫度T1，控制出口溫度T2。
控制溫度之能力對最大化觸媒之壽命係重要的。若缺此條件，可發生溫度引起之觸媒劣化。T1通常將固定於不容許T2放熱超過該觸媒之最大作業溫度之作業範圍。然而，二氧化碳流中之甲烷濃度之變化將引起所觀察之放熱波動且因此引起T2變化。需將此變化控制在低 於T2之最大容許數值但亦需控制來產生所期望之床入口溫度T1。
出口溫度T2與預定期望溫度相比及調節所添加之補充空氣之量。若添加補充空氣，則降低入口溫度T1。然而，T1將不會調節至低於最小反應開始溫度之溫度。添加補充空氣不僅降低T1，亦另外降低甲烷濃度，從而反應器中之放熱反應較少發生以及藉此減少該反應器內之溫度升高。
在添加補充甲烷之情況下，隨著甲烷濃度升高，該出口溫度T2升高。因此，若該溫度T1太低而無法使觸媒作業，則添加補充甲烷來提高甲烷濃度將使T2升高，從而使較熱流通過該熱交換器，隨著其穿過該熱交換器，其將轉而導致進料流溫度升高，就此使T1升高。因此，較佳於步驟(b)時完成添加補充甲烷，從而該甲烷亦可於步驟(c)中之該熱交換器中加熱。
於一配置中，可使用補充空氣及補充甲烷。若該溫度T2升高，則補充空氣可與二氧化碳流混合，就此降低T2，如上所述。若該溫度T2降低，則補充甲烷可與二氧化碳流混合，就此升高T2，如上所述。
於一配置中，部分二氧化碳流可繞過步驟(d)中之熱交換器。補充空氣可添加至旁路(by-pass)流。隨後，該旁路流可與自步驟(b)之流一同供至氧化反應器。應明白，可選地或附加地，可於該系統中之其他點添加補充空氣。
混合未於熱交換器中加熱之該旁路流與經加熱之二氧化碳流可控制溫度T1。繞過該熱交換器之二氧化碳流之量可隨著甲烷濃度升高而增加，其將另外導致反應器出口溫度增加。若T2降至預定點，可減少繞過該熱交換器之二氧化碳流之量，從而保持該觸媒之溫度於期望範圍內。
可使用任何適宜反應器結構。於一配置中，該反應器可包括兩個或多個串聯子反應器。可存在三個位置串聯之子反應器。在該反應 器包括兩個或多個串聯之子反應器之情況下，熱交換器可置於某些或全部反應器之間。因此，熱交換器可置於第一及第二子反應器之間及/或置於第二及第三子反應器之間。
於一配置中，使二氧化碳流及視需要之補充甲烷或空氣通過熱交換器後來提高該流之溫度至反應器之所期望之入口溫度T1。該流隨後傳至第一子反應器，於此其與觸媒接觸並發生反應。溫度將隨著反應發生而升高。來自第一子反應器之該流可通過第二熱交換器，於此其於傳至發生另外反應之第二子反應器前冷卻。由第二子反應器回收之熱流隨後連續通過第一次及第二次熱交換。隨著其穿過第一熱交換器，其經冷卻並加熱至第一子反應器之進料。隨後，隨著該流通過第二熱反應器，將其加熱使來自第一子反應器之冷卻流加熱至適於傳至可發生另外反應之第三子反應器之溫度。
在有複數個串聯子反應器之情況下，可於方法之任何適宜點添加補充空氣。於一配置中，可於添加至各子反應器之前視需要將其添加至該流或其選擇。
可於該氧化反應器中使用任何適宜觸媒。於一配置中，該觸媒可為分散於載體(諸如氧化載體)上之銥及鉑。適宜載體之實例包括氧化鋯、氧化鈦、氧化鋁或其混合物。於一替代配置中，該觸媒可為於支撐物上之鈀及/或鉑。可以任何適宜結構之形式提供該觸媒，但於一配置中，其可為塗覆基質(諸如金屬或陶瓷蜂巢結構)。在兩個或多個子反應器用於形成該反應器時，可於該等子反應器中使用相同或不同觸媒。
期望溫度將取決於所用觸媒。在該觸媒含有於支撐物上之鈀及/或鉑之情況下，T1較佳為至少300℃且可為至少350℃。通常避免超過650℃之溫度以便使觸媒壽命最大化及使該反應器成本最小化。可控制T2低於約600℃及可低於約580℃。更佳地，T1高於約373℃及T2低 於約580℃。
在該反應器包括兩個或多個串聯之子反應器之情況下，各子反應器之溫度可為相同或不同且可取決於所選之觸媒。
隨著經加熱之二氧化碳流穿過該觸媒，甲烷氧化為二氧化碳及水。
該反應器可具有任何適宜結構但通常將為絕熱的。
於一配置中，到達該反應器之流速將保持恆定。
應明白，於步驟(c)或(e)中視需要添加之補充甲烷可為甲烷或包含甲烷之氣體流。於此後一配置中，較佳為富甲烷流。可使用由天然氣進料生產之甲烷。
該(或各)熱交換器可具有任何適宜結構。於一配置中，可使用板式熱交換器。
因此，本發明容許該系統顧及到氧化反應器之甲烷濃度之波動。該配置係充分靈活來快速變化補充甲烷或補充空氣之量，同時保持到達觸媒床之總體流固定，就此維持反應器中之溫度處於期望範圍內。
可提供火焰啟動加熱器或其他適宜加熱方法來加熱該反應器至作業條件。
隨著該觸媒失活，來自該反應器之出口氣體將開始含有甲烷。可檢測出口流中存在甲烷。本文所談論之方法隨後容許T1升高直至該反應器中所移除之流中無額外甲烷。一旦T2已達到其最大值且總體甲烷轉化水平降低，隨後將需替換觸媒。一般而言，最短觸媒壽命為一年。
可以任何適宜方式檢測自該反應器中所獲之流中甲烷濃度。於一配置中，可使用利用固態偵檢器之非分散紅外線吸收分析儀測量，其連續檢測甲烷低至1ppm或更低。
可使用任何適宜氣體流速。於一配置中，每小時之氣體空間速度可為約20,000L氣體/L觸媒/小時，其中於該觸媒之前表面具有約少於20m/s之線速度(較佳少於10m/s)。
於上述任一實施例中，可利用自氧化反應器回收之經加熱氣體來產生能量。可用習用蒸汽發電機。來自氧化反應器之流一般將用於產生能量，然後穿過步驟(h)中之熱交換器。然而，其可首先穿過熱交換器。應明白可將經加熱之氣體用於替代用途。
熟習此項技術者應明白，該等圖式係概略的，且於一商業工廠中可需要設備之其他項目，諸如回流槽、泵、真空泵、溫度感測器、壓力感測器、減壓閥、控制閥、流量調節器、流量控制阻尼器、管路、火焰消除裝置、液位控制器、儲料槽、儲存槽及類似者。提供設備之此等輔助項目不構成本發明之一部分且此係與習知化學工程實踐相關。
如圖4中所示，使用風扇22將由粗天然氣進料分離方法(未顯示)回收之二氧化碳流饋入管線21，於風扇中，其係與管線23中之視需要之補充甲烷(一般呈富甲烷氣體之形式)混合，及/或與管線24中之視需 要之補充空氣(由風扇25供應)混合。隨後將該氣體饋至熱交換器26，於此加熱至溫度T1，隨後饋入管線27到達包含觸媒之氧化反應器28。於該氧化反應器中，甲烷轉化為二氧化碳及水。隨後，該氣流(其將於放熱反應期間加熱至溫度T2)自反應器移除於管線29中，其中其與管線21中之進來之進料相對地穿過熱交換器26，從而冷卻並加熱進料流。隨後於管線30中移除冷卻產物氣體。
控制器31監測檢測器32及33中所測量之溫度T1及T2並控制補充甲烷及補充空氣以適宜形式供應。
於圖5中所示之替代配置中，使用主風扇42將由粗天然氣進料分離過程(未顯示)中回收之二氧化碳流饋入管線41之過程並隨後傳至熱交換器43，於此將其加熱。部分粗天然氣進料可圍繞熱交換器43繞進管線44並隨後與經加熱之氣體混合。閥45控制旁路。可使用風扇47將補充空氣加入管線46中之旁路流。於啟動時，可將甲烷加入已穿過啟動燃燒器51中之管線58。亦可於一般作業期間經由繞過啟動燃燒器之管線58添加甲烷。
隨後，將該流饋入管線48到達反應器49，於此發生反應。隨後於管線52中移除反應器49之氣流並通過熱交換器43，於此將其冷卻同時加熱進入之氣體。隨後於管線53中釋放冷卻氣體。
控制器54監測檢測器55及56中所測量之溫度T1及T2及出口甲烷分析儀57。隨後控制器使用閥45調節繞過熱交換器43之廢氣量及管線46中所添加之補充空氣之量。
圖6顯示圖5結合圖2之二氧化碳移除設備之示意圖。粗天然氣進料流饋入管線60至第一薄膜分離器61。於一配置中，該流可具有10%二氧化碳之濃度。於管線62中回收包含具有較低二氧化碳濃度之純化天然氣流之滯留物。此流可具有減至約2%之二氧化碳濃度。
來自第一薄膜分離器61之滲透物與進入薄膜之進料相比將具有 更高二氧化碳濃度，一般約為44%。此滲透物流63經由壓縮機64傳至第二薄膜分離器65。於第二薄膜分離器65中自流63移除額外二氧化碳。
來自第二薄膜分離器65之滯留物係返回第一薄膜分離器61。自第二薄膜分離器65之滲透物67含有高濃度之二氧化碳，一般約86%。隨後此滲透物於管線41中傳至圖5中所示之過程。
如圖6中所示，自反應器49回收於管線52中之流視需要傳至蒸汽發電機68，然後傳至熱交換器43。
於圖7中說明替代配置。於此配置中，管線70中之純化氣流自薄膜分離器階段(未顯示)傳至第一加熱交換器72。於啟動期間，純化氣流可穿過啟動加熱器(諸如啟動燃燒器71)。於第一加熱交換器72中，將該流加熱至適宜入口溫度，隨後將其傳至包含觸媒之第一子反應器73。於此該氧化部分甲烷來產生二氧化碳及水。此次氧化使該流之溫度升高。補充空氣於管線80中饋入該流中，然後將其傳至第一熱交換器72。可變化所添加之補充空氣之量來控制發生於第一子反應器中之氧化程度。
回收自第一子反應器73之該流傳至第二熱交換器74，於此其經冷卻，然後傳至第二子反應器75。可在管線80中添加補充空氣至該流，然後將其添加至第二子反應器75。該氣流中之甲烷於第二反應器75中發生另外氧化。此外，可藉由所添加之補充空氣之量控制氧化程度。
於管線76中回收來自第二反應器75之廢氣並通過第一熱交換器72，於此將其冷卻同時加熱於管線70中饋入至第一子反應器73之流。
隨後於管線77中將冷卻廢氣傳至第二熱交換器74，於此藉由離開第一子反應器73之熱氣加熱其等。經加熱後，將該氣體傳至發生另外氧化之第三子反應器79。可將補充空氣添加至第三子反應器79來冷 卻並稀釋來自第二熱交換器75之熱氣。
於管線81中回收來自第三子反應器79之廢氣並隨後在於管線83中排氣之前傳至膨脹式渦輪機82。可將該膨脹式渦輪機所產生之電力用於本發明之方法中。
1‧‧‧管線/進料流
2‧‧‧薄膜分離器/第一薄膜分離器
3‧‧‧管線
4‧‧‧滲透物流
5‧‧‧壓縮機
6‧‧‧第二薄膜分離器
7‧‧‧管線
8‧‧‧滲透物流
10‧‧‧管線
11‧‧‧第一薄膜分離器
12‧‧‧管線
13‧‧‧天然氣滯留物流
14‧‧‧第二薄膜分離器
15‧‧‧管線
16‧‧‧滲透物流
17‧‧‧壓縮機
18‧‧‧第三薄膜分離器
19‧‧‧滯留物流
20‧‧‧管線
21‧‧‧管線
22‧‧‧風扇
23‧‧‧管線
24‧‧‧管線
25‧‧‧風扇
26‧‧‧熱交換器
27‧‧‧管線
28‧‧‧氧化反應器
29‧‧‧管線
30‧‧‧管線
31‧‧‧控制器
32‧‧‧檢測器
33‧‧‧檢測器
41‧‧‧管線
42‧‧‧主風扇
43‧‧‧熱交換器
44‧‧‧管線
45‧‧‧閥
46‧‧‧管線
47‧‧‧風扇
48‧‧‧管線
49‧‧‧反應器
51‧‧‧啟動燃燒器
52‧‧‧管線
53‧‧‧管線
54‧‧‧控制器
55‧‧‧檢測器
56‧‧‧檢測器
57‧‧‧出口甲烷分析儀
58‧‧‧管線
60‧‧‧管線
61‧‧‧第一薄膜分離器
62‧‧‧管線
63‧‧‧滲透物流
64‧‧‧壓縮機
65‧‧‧第二薄膜分離器
67‧‧‧滲透物
68‧‧‧蒸汽發電機
70‧‧‧管線
71‧‧‧啟動燃燒器
72‧‧‧第一熱交換器
73‧‧‧第一子反應器
74‧‧‧第二熱交換器
75‧‧‧第二子反應器
76‧‧‧管線
77‧‧‧管線
79‧‧‧第三子反應器
80‧‧‧管線
81‧‧‧管線
82‧‧‧膨脹式渦輪機
83‧‧‧管線
現將藉由實例之方式參考附圖進一步敘述本發明，其中：圖1為先前技術一級二氧化碳移除方法之示意圖；圖2為先前技術二級二氧化碳移除方法之示意圖；圖3為替代之先前技術二氧化碳移除方法之概視圖；圖4係本發明之一態樣之流程圖之示意圖；圖5係本發明之第二態樣之流程圖之示意圖；圖6係本發明之第二態樣之流程圖結合圖2中所示之二氧化碳移除設備的示意圖；及圖7係本發明之第三態樣之流程圖之示意圖。
21‧‧‧管線
22‧‧‧風扇
23‧‧‧管線
24‧‧‧管線
25‧‧‧風扇
26‧‧‧熱交換器
27‧‧‧管線
28‧‧‧氧化反應器
29‧‧‧管線
30‧‧‧管線
31‧‧‧控制器
32‧‧‧檢測器
33‧‧‧檢測器

Claims (19)

  1. 一種用於處理包含甲烷及具有第一二氧化碳濃度之粗天然氣進料流之方法，該方法包括以下步驟：(a)使該粗天然氣進料流接受分離過程來提供：具有第二二氧化碳含量之經純化之天然氣流，該第二二氧化碳含量低於該粗天然氣流中之第一二氧化碳濃度；及，包含二氧化碳作為主要組分及甲烷之二氧化碳流；(b)回收該經純化之天然氣流；(c)視需要將該二氧化碳流與補充甲烷及/或補充空氣混合；(d)使該二氧化碳流及視需要之補充甲烷或空氣通過熱交換器來提高該流之溫度至氧化反應器之所欲入口溫度T1；(e)視需要將該二氧化碳流與補充甲烷及/或補充空氣混合；(f)將步驟(d)之加熱流及任何視需要之補充甲烷/或空氣傳至含有氧化觸媒之氧化反應器，其中該甲烷被氧化；(g)除去包含來自該反應器之氧化反應產物之氣流，該氣流係於高於入口溫度T1之出口溫度T2下；(h)將於步驟(g)中移除之氣流與來自步驟(a)之二氧化碳流相對地傳送通過熱交換器，來容許回收於步驟(g)中移除之氣流之熱量並利用其來加熱步驟(d)中之二氧化碳流；及(i)測量出口溫度T2並藉由調節於步驟(c)及/或步驟(e)中添加之補充甲烷及/或空氣之量來控制入口溫度T1。
  2. 如請求項1之方法，其中該分離過程為薄膜分離過程。
  3. 如請求項2之方法，其中該粗天然氣係於單一薄膜分離器中處理，且來自該薄膜分離器之滯留物為純化天然氣流及滲透物為包含甲烷之二氧化碳流。
  4. 如請求項2之方法，其中該粗天然氣係於第一薄膜分離器中處理來形成包含純化天然氣流之滯留物及傳送至第二薄膜分離器之滲透物，來自該第二薄膜分離器之該滲透物為包含甲烷之二氧化碳流。
  5. 如請求項4之方法，其中該滲透物流於經傳送至該第二薄膜分離器之前經壓縮。
  6. 如請求項2之方法，其中該粗天然氣連續地於第一及第二薄膜分離器中處理來形成包含純化天然氣流之滯留物，來自該等第一及第二薄膜分離器之一者或兩者的滲透物經傳送至第三薄膜分離器，來自該第三薄膜分離器之該滲透物流為包含甲烷之二氧化碳流。
  7. 如請求項6之方法，其中該滲透物流於傳送至該第三薄膜分離器之前經壓縮。
  8. 如請求項1至7中任一項之方法，其中該反應器包括兩個或更多個子反應器。
  9. 如請求項8之方法，其中來自第一子反應器之產物流於經傳送至第二子反應器之前經傳送通過第二熱交換器。
  10. 如請求項9之方法，其中來自第二子反應器之產物流於經傳送至第三子反應器之前經傳送通過一個或兩個熱交換器。
  11. 如請求項1至7中任一項之方法，其中該出口溫度T2係與預定之所欲溫度比較及調節甲烷及/或空氣之濃度，以使得藉由該氧化反應器中反應引起溫度升高之後，引致該出口溫度T2接近該所欲溫度。
  12. 如請求項1至7中任一項之方法，其中該二氧化碳流之一部分繞過(by-passes)步驟(d)中之熱交換器。
  13. 如請求項12之方法，其中將補充空氣添加至旁路(by-pass)流。
  14. 如請求項1至7中任一項之方法，其中該觸媒為分散於載體(諸如氧化載體劑)上之銥及鉑或於支撐物上之鈀及/或鉑。
  15. 如請求項1至7中任一項之方法，其中T1為至少約300℃。
  16. 如請求項1至7中任一項之方法，其中T2為約600℃或以下。
  17. 如請求項1至7中任一項之方法，其中T1為約373℃或以上，且T2為約580℃或以下。
  18. 如請求項1至7中任一項之方法，其中自該反應器中回收之該流係穿過蒸汽發電機。
  19. 如請求項1至7中任一項之方法，其中該產物流在排出之前穿過膨脹式渦輪機。
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