用于氣體分離的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利說(shuō)明】用于氣體分離的方法和系統(tǒng)
[0001]優(yōu)先權(quán)聲明
[0002]本申請(qǐng)要求2013年6月14日提交的美國(guó)申請(qǐng)N0.13/918，657的優(yōu)先權(quán)，通過(guò)引用將其內(nèi)容全部并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本公開(kāi)內(nèi)容一般性地涉及用于氣體分離的方法和系統(tǒng)。更特別地，本公開(kāi)內(nèi)容涉及用于將二氧化碳與天然氣或合成氣流分離的方法和系統(tǒng)。
[0004]背景
[0005]除其它原因外，二氧化碳(C02)與含有氫氣或烴的不純氣流分離和脫除是改進(jìn)氣體產(chǎn)物的熱值以及滿足關(guān)于0)2俘獲的適用環(huán)境方針想要的。0)2與氫氣或輕質(zhì)烴(即烴)之間的大量性能區(qū)別用作氣體分離的潛在基礎(chǔ)。這些區(qū)別包括溶解度、水溶液中的酸度以及分子大小和結(jié)構(gòu)。因此，可能的分離依賴于例如物理或化學(xué)吸收到液體溶劑中或者用固體吸收劑的變壓吸收。
[0006]液體溶劑吸收(即“濕”)體系例如常用于氣體分離以除去次要量的C02。該污染物優(yōu)先吸收在物理溶劑如聚乙二醇的二甲基醚或者化學(xué)溶劑如鏈烷醇胺或堿金屬鹽中。隨后通過(guò)壓力基分離方法將所得富(即“載有”)C02的溶劑再生以回收C02和再生溶劑，所述再生溶劑可再循環(huán)以進(jìn)一步用于吸收中。溶劑再生通常在相對(duì)于上游吸收壓力降低的壓力下進(jìn)行以促進(jìn)吸收的0)2從溶劑中蒸發(fā)。溶劑吸收和溶劑再生通常在包含填料、泡罩板或其它蒸氣-液體接觸裝置的不同塔中進(jìn)行以改進(jìn)相之間的質(zhì)量傳遞效率。co2可以以多于一個(gè)料流，例如以多個(gè)壓力基分離器的蒸氣餾分回收。
[0007]化學(xué)溶劑，特別是胺和其它堿性化合物與污染物C02，酸性氣體反應(yīng)形成污染物-溶劑化學(xué)鍵。在熱力學(xué)有利的酸-堿反應(yīng)期間，相當(dāng)?shù)哪芰酷尫排c該鍵形成有關(guān)。由于打破作為化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物形成的熱穩(wěn)定鹽的鍵所需的實(shí)質(zhì)性熱輸入，化學(xué)溶劑不能經(jīng)濟(jì)地再生。另一方面，物理溶劑不與氣體污染物化學(xué)反應(yīng)，而是基于不純氣體中在其分壓下的較高污染物平衡溶解度(即較高的亨利定律常數(shù))促進(jìn)物理吸收。
[0008]由于溶劑再生的容易性，保持對(duì)不純氣流呈非化學(xué)反應(yīng)性的物理溶劑因此在氣體分離系統(tǒng)中是理想的。然而，物理溶劑的一個(gè)缺點(diǎn)是它們傾向于連同C02—起同時(shí)吸收少量烴。當(dāng)隨后使溶劑再生時(shí)，烴與co2—起從溶劑中釋放出來(lái)，產(chǎn)生不純的C02產(chǎn)物。因此，現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)要求不純的0)2再循環(huán)返回吸收塔中。該不純C02再循環(huán)必需吸收塔尺寸的提高、溶劑循環(huán)速率的提高、系統(tǒng)冷卻需求的提高和溶劑總量的提高，這都提高所用輔助設(shè)備和材料方面的系統(tǒng)操作成本。
[0009]因此，理想的是提供降低或消除對(duì)不純0)2再循環(huán)的需要的用于將C02與包含氫氣和烴的氣流分離的系統(tǒng)和方法。進(jìn)一步理想的是提供降低輸入成本如效用成本和材料成本的這類(lèi)系統(tǒng)和方法。此外，本公開(kāi)內(nèi)容的其它理想特征和特性從隨后的詳細(xì)描述和所附權(quán)利要求書(shū)，連同附圖和該公開(kāi)內(nèi)容背景中獲悉。
[0010]概述
[0011]公開(kāi)了用于氣體分離的系統(tǒng)和方法。在一個(gè)示例實(shí)施方案中，氣體分離方法包括步驟:使包含產(chǎn)物氣體和雜質(zhì)氣體的進(jìn)料氣流與液相吸收溶劑接觸，和將進(jìn)料氣流中的雜質(zhì)氣體和一部分產(chǎn)物氣體吸收到液相吸收溶劑中。該示例方法進(jìn)一步包括步驟:使液相吸收溶劑經(jīng)受第一減壓環(huán)境以將一部分產(chǎn)物氣體和一部分雜質(zhì)氣體從液相吸收溶劑中除去，和將一部分產(chǎn)物氣體與一部分雜質(zhì)氣體分離。
[0012]在另一示例實(shí)施方案中，用于氣體分離的系統(tǒng)包括:吸收分離裝置，其配置用于使包含產(chǎn)物氣體和雜質(zhì)氣體的進(jìn)料氣流與液相吸收溶劑接觸以將一部分產(chǎn)物氣體和雜質(zhì)氣體吸收到液相吸收溶劑中。系統(tǒng)進(jìn)一步包括:第一壓力基分離裝置，其配置用于使液相吸收溶劑經(jīng)受第一減壓環(huán)境以將一部分雜質(zhì)氣體和一部分產(chǎn)物氣體從液相吸收溶劑中除去。又進(jìn)一步，系統(tǒng)包括:膜分離裝置，其配置用于將一部分產(chǎn)物氣體與一部分雜質(zhì)氣體分離。
[0013]附圖簡(jiǎn)述
[0014]下文連同以下附圖一起描述氣體分離系統(tǒng)和相關(guān)方法，其中類(lèi)似的數(shù)字表示類(lèi)似的構(gòu)件，且其中:
[0015]圖1為闡述根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的各個(gè)實(shí)施方案在氣體分離系統(tǒng)上執(zhí)行的方法的工藝流程圖；
[0016]圖2為適用于圖1所述在氣體分離系統(tǒng)上執(zhí)行的方法的示例膜分離系統(tǒng)；和
[0017]圖3為適用于圖1所述在氣體分離系統(tǒng)上執(zhí)行的方法的可選膜分離系統(tǒng)。
[0018]詳述
[0019]以下詳細(xì)描述在性質(zhì)上僅為示例，且不意欲限制所公開(kāi)實(shí)施方案的公開(kāi)內(nèi)容或應(yīng)用和用途。本文所述氣體分離系統(tǒng)和相關(guān)方法的所有實(shí)施方案和執(zhí)行為示例實(shí)施方案，其用于使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出或者使用它且不限制由權(quán)利要求書(shū)限定的其范圍。此外，不意欲受先前的技術(shù)領(lǐng)域、背景、概述或以下詳細(xì)描述中呈現(xiàn)的任何明確或暗示的理論束縛。
[0020]本公開(kāi)內(nèi)容的實(shí)施方案一般性地涉及氣體分離方法，其中將作為不純進(jìn)料氣體的次要組分存在的污染物選擇性地吸收到溶劑中。該方法有利地回收凈化產(chǎn)物氣流中明顯部分的不純進(jìn)料氣體組分，包括污染物。代表性雜質(zhì)氣流包括包含氫氣(?)和/或輕質(zhì)烴(例如(；-(:3烴如甲烷、乙烷和丙烷)和非烴氣體污染物如二氧化碳(C02)的那些。這類(lèi)氣流的實(shí)例包括通常衍生自含碳材料氣化或蒸汽重整的合成氣體和通常衍生自陸地來(lái)源的天然氣。天然氣和合成氣體料流通常包含污染含量，即10體積％或更少的量，例如1%至10體積％ (其余90體積％或更多由氫氣和/或上述烴氣體占據(jù))或者5體積％或更少的量的C02。為了簡(jiǎn)化，下文關(guān)于該氫氣和/或烴和co2體系描述說(shuō)明性實(shí)施方案，其中后一種組分以污染含量存在，但應(yīng)當(dāng)理解本公開(kāi)內(nèi)容寬泛地適用于雜質(zhì)氣體與不純氣體進(jìn)料分離，其中以次要量存在的雜質(zhì)氣體優(yōu)先吸收到液體溶劑，特別是物理溶劑中。
[0021]本文公開(kāi)的實(shí)施方案進(jìn)一步使用膜分離系統(tǒng)將由用于將C02與包含氫氣和/或烴的氣流分離的物理溶劑再生而產(chǎn)生的不純C02產(chǎn)物中的烴與C02分離。通過(guò)在從溶劑中釋放以后將烴雜質(zhì)與0)2產(chǎn)物分離，不必使任何不純C02產(chǎn)物再循環(huán)返回吸收塔中。這又降低吸收塔的所需尺寸并進(jìn)一步降低操作系統(tǒng)所需的輔助設(shè)備和材料成本。發(fā)現(xiàn)所述實(shí)施方案特別用于合成氣體和天然氣加工和提純應(yīng)用中，但其它執(zhí)行也是可能的。
[0022]現(xiàn)在參考圖1，其為闡述根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的各個(gè)實(shí)施方案在氣體分離系統(tǒng)100上執(zhí)行的方法的工藝流程圖。如所示，將包含氫氣和/或烴和污染含量的C02的不純進(jìn)料氣流102供入逆流吸收分離(或“吸收”)塔152中。不純進(jìn)料氣流102在15°C (60° F)至65°C (150。F)的溫度和 21barg(300psig)至 1500barg(100psig)的壓力下提供。在吸收塔152中，不純進(jìn)料氣體向上流過(guò)填充床，在那里它與向下流動(dòng)的液相物理溶劑接觸。代表性物理溶劑包括聚乙二醇的二烷基醚如聚乙二醇二甲醚、碳酸亞丙酯、磷酸三丁酯、甲醇、四氫噻吩二氧化物(或環(huán)丁砜)。其它可能的物理溶劑包括烷基-和鏈烷醇-取代的雜環(huán)烴，例如鏈烷醇吡啶(例如3-(吡啶-4-基)-丙-1-醇)和烷基吡咯烷酮(例如N-甲基吡咯烷酮)。氣相與液相之間的接觸在它們各自通過(guò)填充床時(shí)增強(qiáng)，在那里主要C02以及一些烴和其它氣體從氣相轉(zhuǎn)移至液相(即氣體吸收到液相溶劑中)。處理的包含氫氣和/或烴的氣體通過(guò)塔頂部的去夾帶裝置，在那里它作為氫氣和/或烴產(chǎn)物流136離開(kāi)系統(tǒng)100。
[0023]在與不純進(jìn)料氣體接觸以后，在塔底部收集的來(lái)自C02吸收塔152的溶劑部分或完全“富含”或“載有”(即吸收)C02。富0)2溶劑料流104在塔152的底部離開(kāi)并送入第一壓力基分離系統(tǒng)如第一閃蒸分離罐154中。在第一閃蒸分離罐154中，使富0)2溶劑經(jīng)受第一減壓環(huán)境以導(dǎo)致一些溶解的C02和任何溶解的烴轉(zhuǎn)移至氣相中。第一閃蒸分離罐154通常在小于或等于27barg(400psig)(例如2barg (30psig)至27barg (400psig))的壓力下操作。在一個(gè)實(shí)施方案中，閃蒸分離罐154在21barg(300psig)至27barg(400psig)的壓力下操作。
[0024]主要包括0)2和一些烴雜質(zhì)的分離頂部氣流106從第一閃蒸分離罐