专利名称：从流体流中去除二氧化碳的方法以及流体分离装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及从流体流中去除二氧化碳的方法。特别地，本发明的实施方案涉及从天然气流中去除二氧化碳的方法。本发明还涉及流体分离装置。
背景技术：
来自贮藏或产品储藏的天然气通常包含二氧化碳(CO2)。这样的天然气记为“酸性”气体。在流体流中代表“酸性”的另一物质是硫化氢(H2S)。不含任何上述酸性物质的流体流记为“净(sweet) ”流体。CO2促进管道内部的腐蚀。此外，在某些管辖区域内，与流体流中CO2的最大浓度有关的法律和商业要求可能是有效的。因此，期望从酸性流体流中去除co2。流体脱硫过程，即从流体去除诸如二氧化碳的酸性物质的过程是本领域已知的。 这样的过程通常包括化学吸收、物理吸收、吸附、低温蒸馏(还称为深冷分离)和膜分离中的至少一种。使用这类用于从流体流中去除二氧化碳的方法是复杂且昂贵的。发明概述期望具有比上述方法更有效地运作的从流体流中去除二氧化碳的方法。为此，本发明的实施方案提供了通过流体分离装置从流体流中去除二氧化碳的方法，所述流体分体装置包括-旋流分离器，其包括布置在汇聚流体入口部分和分流流体出口部分之间的喉部和配置以在至少一部分所述旋流分离器内引起包含二氧化碳的流体涡旋运动的涡旋发生装置，所述汇聚流体入口部分包括用于流体组分的第一入口，并且所述分流流体出口部分包括用于二氧化碳贫乏流体的第一出口和用于二氧化碳富集流体的第二出口 ；-分离容器，其具有与收集槽连接的第一部分，所述第一部分具有与所述旋流分离器的第二出口连接的第二入口，并且所述收集槽具有用于凝固的二氧化碳的第三出口，其中在位于或邻近气/液/固共存区(IVb)与气/固共存区(IVa)之间相界的压力和温度组合下操作所述分离容器；所述方法包括_在所述第一出口提供流体流，所述流体流包含二氧化碳；-给予所述流体流涡旋运动，从而诱导在涡旋发生装置下游的流体流内的凝结组分和凝固组分中的至少一种向外运动并形成向外的流体流；-扩大所述涡旋流体流，从而在所述流体流内形成亚稳态的液化的二氧化碳组分， 并在所述涡旋运动的影响下诱导处于所述亚稳态的液化的二氧化碳组分向外移动；-通过所述第二出口从所述旋流分离器中提取包含所述亚稳态的液化的二氧化碳组分的向外的流体流；_通过所述第二入口向所述分离容器提供混合物形式的所述提取的向外的流体流；-引导所述混合物通过所述分离容器的第一部分流向所述收集槽，而在所述第一部分中提供处理条件使得所述亚稳态的液化的二氧化碳组分形成凝固的二氧化碳；-通过所述第三出口提取所述凝固的二氧化碳。 在实施方案中，本发明还涉及用于从流体流中去除二氧化碳的流体分离装置，所述流体分离装置包括-旋流分离器，其包括在汇聚流体入口部分和分流流体出口部分之间布置的喉部以及配置以在至少一部分所述分离器内引起包含二氧化碳的流体涡旋运动的涡旋发生装置，所述汇聚流体入口部分包括用于流体组分的第一入口，并且所述分流流体出口部分包括用于二氧化碳贫乏流体的第一出口和用于二氧化碳富集流体的第二出口 ；-分离容器，其具有与收集槽连接的第一部分，所述部分具有与所述旋流分离器的第二出口连接的第二入口，并且所述收集槽具有用于凝固的二氧化碳的第三出口，其中在位于或邻近气/液/固共存区(IVb)与气/固共存区(IVa)之间相界的压力和温度组合下操作所述分离容器；其中布置所述流体分离装置以-在所述第一入口接收包含二氧化碳的流体流；-给予所述流体流涡旋运动从而诱导在涡旋发生装置下游的流体内的凝结组分和凝固组分中的至少一种向外移动并形成向外的流体流；-扩大所述涡旋流体流从而在所述流体流内形成亚稳态的液化的二氧化碳组分， 并且在所述涡旋运动的影响下诱导所述亚稳态的液化的二氧化碳组分向外移动。-通过所述第二出口从所述旋流分离器中提取包含所述亚稳态的液化的二氧化碳组分的向外的流体流；_通过所述第二入口向所述分离容器提供混合物形式的所述提取的向外的流体流；-引导所述混合物通过所述分离容器的第一部分流向所述收集槽，而在所述第一部分中提供处理条件使得所述亚稳态的液化的二氧化碳组分形成凝固的二氧化碳；-通过所述第三出口能够提取所述凝固的二氧化碳。在整个说明书中使用术语“流体”。该术语用于指液体和/或气体。
现在参考随附的示意图仅以实例的方式描述本发明的实施方案，其中所述示意图中相应的参考符号表示相应的部分，并且其中-图1示意性地描述了可在实施方案中使用的旋流分离器的纵向剖视图；-图2示意性地描述了可在实施方案中使用的分离容器的截面图；-图3a、3b描述了含二氧化碳的天然气的示例性相图，其中将所述方法的示意且不同的实施方案具体化；-图4、5、6、7、8a和8b示意性地描述了另外的实施方案。详细描述图1示意性地描述了可以在本发明的实施方案中使用的旋流分离器1的纵向剖视图。在国际专利申请WO 03/029739中更详细地描述了这类旋流分离器。必须理解在本发明的实施方案中还可以使用不同类型的旋流分离器，例如在WO 99/01194、W0 2006/070019和WO 00/23757中描述的旋流分离器。 旋流分离器1包括汇聚流体入口部分3、分流流体出口部分5和布置于汇聚流体入口部分3和分流流体出口部分5之间的管状喉部4。所述旋流分离器1还包括配置以在至少一部分旋流分离器1内产生流体的涡旋运动的涡旋发生装置，例如若干涡旋给予叶片2。旋流分离器1包括在其上安装涡旋给予叶片2的梨形中心体11，并所述涡旋给予叶片2布置为与旋流分离器1的中心轴I同轴且在旋流分离器内，从而在中心体1和分离器外壳20之间产生环形流动通路。环形部分的宽度设计为使涡旋给予叶片2下游的环形部分的截面面积逐渐减小， 从而在使用中环形部分的流体速度逐渐增加且在涡旋给予叶片2的下游位置达到超音速。旋流分离器1还包括管状喉部4，在使用中涡旋流体流从所述喉部排至装备有用于气体组分的中央第一出口管道6和用于凝结富集液体组分的外部第二出口管道7的分流流体分离室5。中心体1具有在其上安装流动矫直叶片装置19的基本上为圆柱形的细长尾部8。所述中心体11具有大于管状喉部4的最小内部宽度或直径2Rn■、的最大外部宽度或直径2R。最大。管状喉部4包括具有最小截面面积的环形部分3的一部分。中心体1的最大直径大于管状喉部4的最小直径。汇聚流体入口部分3包括第一入口 10。分流流体出口部分5包括第一出口 6和第二出口 7。按照本发明的实施方案，现以将旋流分离器1用于从包含二氧化碳的流体流中分离二氧化碳的实例来解释旋流分离器1的各种部件的功能。通过汇聚流体入口部分3中的第一入口 10给料包含二氧化碳的流体流。在本发明的实施方案中，流体流包含大于10%的摩尔百分比的二氧化碳。涡旋给予叶片2在流体流中产生循环并以相对于旋流分离器1的中心轴呈α角的方向定位，即旋流分离器1围绕的轴约为旋转对称。然后将涡旋流体流扩大至高速。在本发明的实施方案中，在喉部4中放置若干涡旋给予叶片2。在本发明的其它实施方案中，在汇聚流体入口部分3中放置若干涡旋给予叶片2。此外，所述中心体11具有大于管状喉部4的最小内部宽度或直径2Rn·、 的最大外部宽度或直径 ο最大°在本发明的实施方案中，涡旋流体流具有跨音速。在本发明的其它实施方案中，涡旋流体流可以达到超音速。迅速进行扩大。对于扩大，可以定义双时标。第一时标涉及传质时间，即与恢复平衡状态有关的时间。依赖两相体系中的界面面积密度、两相间的扩散系数和偏离平衡的等级。用于液态至固态转变的通常比气态至液态转变的大两个数量级。第二时标涉及装置中流体的扩大停留时间t_。tMS涉及装置中流体的平均速度和流体移动所沿的装置的轴长。当t〉1时，扩大记为“迅速的”。由于引起高速流体流的迅速扩大，涡旋流体流可以达到低于200K的温度且其压力低于汇聚入口部分3的第一入口 10的压力的50%。由于上述扩大，在流体流内部形成亚稳态的二氧化碳组分。在入口部分3的流体流为气体流的情况下，二氧化碳组分将形成为液化的二氧化碳组分。在入口部分3的流体流为液体流的情况下，将形成碳氢化合物蒸汽， 同时大部分二氧化碳组分保持液体形式。在管状喉部4中，可诱导流体流进一步扩大至高速或保持基本恒定的速度。 在第一种情况中，即流体流扩大至高速的情况，上述二氧化碳组分的形成正在进行并且颗粒增加质量。优选地，将扩大延伸至固体共存区(图3a、3b中的区域IVa或IVb)。 然而，平衡态的凝固将延迟，因为从液态至固态的相变与形成的自由能垒有关。如图3a、3b 的进一步讨论，一部分二氧化碳可凝固。在流体流保持基本恒定速度的情况下，在所定义的弛豫时间之后二氧化碳组分的形成几乎停止。在两种情况中，即流体流扩大至高速和保持流体流基本恒定速度，离心作用引起二氧化碳颗粒漂移至与旋流分离器1外壳的内壁邻近的流动区域的外周，从而形成向外的流体流。在该情况中，向外的流体流为二氧化碳富集流体流，在其中的二氧化碳组分液化和/或部分固化。管状喉部4的下游，通过旋流分离器1的第二出口 7从旋流分离器1中提取包含上述亚稳态的二氧化碳组分的向外的流体流。非上述向外的流体流部分的流体流内的其它组分通过旋流分离器1的第一出口 6而从旋流分离器1中提取。图2示意性地描述了可在本发明实施方案中使用的分离容器21的截面图。分离容器21具有还称为管状部分22的第一部分，其在使用中具有放置在收集槽23上且与收集槽23连接的基本垂直的方向。收集槽23具有第三出口 28和第四出口 26。管状部分22具有第二入口 25和第五出口 29。第二入口 25与旋流分离器1的第二出口 7连接。在实施方案中，第二入口 25布置为向分离容器21提供相切的流体流，例如第二入口 25布置为与分离容器21的圆周相切。分离容器21还包括在图2中由编号31示意性地表示的冷却布置和在图2中由编号33示意性地表示的分离装置。按照本发明的实施方案，现以实例来解释分离容器21的各种部件的功能，在所述实例中将分离容器21用于从流体流中去除二氧化碳的方法。冷却布置31配置为在分离容器21中提供预定温度条件。所述温度条件使其能让以混合物形式通过第二入口 25进入分离容器21的二氧化碳富集流体凝固。换言之，分离容器21内部的温度应保持低于二氧化碳的凝固温度，后者依赖分离容器21中的压力条件。在分离容器21内，将包含源自旋流分离器1的第二出口 7的二氧化碳的混合物分为至少三部分。这些部分是气体组分的第一部分、主要处于液态的碳氢化合物的第二部分以及主要处于凝态的二氧化碳的第三部分。第一部分由沿第二出口 7离开的液体所卷入的气体组分形成。冷却布置31配置为保持分离容器21内的温度低于流体的凝固温度。气体组分不包含二氧化碳，因为大部分二氧化碳溶解在混合物液体中，参考图3更详细的解释。二氧化碳贫乏气体组分可通过第五出口 29离开分离容器21。容器21可以具有放置为与垂直部分22的圆周相切的一个或多个入口 25，从而在部分22中产生旋流。此外，上部气体出口 29可以外延为在所述垂直部分22中的垂直管以形成所谓的涡旋探测器。所述涡旋探测器的边缘与入口 25的垂直位置相比位于更低的垂直位置。参考图7对其更详细地描述。涡旋探测器的边缘(即气体出口 29的最低部分)低于入口 25以使通过入口 25 进入的组分在达到涡旋探测器的边缘之前分离。因此，提供这样的距离以防止液体和固体进入涡旋探测器。由于旋转力，液体和固体被推至外部边缘而不进入气体出口 29。
可通过锥形防涡器物理地分离容器21的部分22和23，所述防涡器的外部边缘与垂直部分22的内周具有空隙C。通常，该空隙C为部分22的内径的0.05倍至0.3倍。参考图7对其更详细地解释。由于从混合物内的液体凝固出二氧化碳，所以可以通过分离布置33将不再包含气体组分的混合物分为包含碳氢化合物的液体组分和二氧化碳的凝固组分，图3更详细地解释了该现象。可能的分离布置33包括重力分离器、离心机和水力旋流器。在使用重力分离器的情况下，其优选包括若干叠板。在使用离心机的情况下，其优选包括堆叠盘碗(disc bowl)。分离容器21中的分离布置33配置为能使二氧化碳富集碳氢化合物液体组分通过第四出口 26离开分离容器21，并能使凝固的二氧化碳通过第三出口 28离开分离容器21。在实施方案中，液体分离装置还包括与第三出口 28连接的螺旋输送机或涡旋型卸料器35。涡旋型卸料器35配置为从分离容器21中提取凝固的二氧化碳。在另一实施方案中，暴露于流体的流体分离装置的元件的内表面具有非粘性涂层，所述流体分离装置即旋流分离器1、分离容器21和连接旋流分离器1的第二出口 7和分离容器21的第二入口 25的一个或多个管。所述非粘性涂层防止凝固流体组分，即上述内表面上的二氧化碳。这样的粘附降低流体分离装置的效率。图3a、3b示出包含二氧化碳的天然气的例示性相图，其中将本发明方法的示意且不同的实施方案具体化。将该相表示为以巴为单位的压力和以摄氏度为单位的温度的函数。在该特别情况中，天然气包含71摩尔％的0)2。此外，天然气包含0.5摩尔％的氮气 (N2) ；0.5摩尔％的硫化氢(H2S) ；27摩尔％的Cl，即在其中具有一个碳原子的碳氢化合物； 以及1摩尔％的C2，即在其中具有两个碳原子的碳氢化合物。将该相如下标记V =蒸汽、 L =液体、C =凝固的C02。通过计算相界来分离不同共存相的区域。在图3a中，相应于图1中80巴和-40°C的坐标示意性地描述了旋流分离器1的第一入口 10的流体流的条件，在图3a的图表中由[开始]表示。沿着箭头A的等熵轨线在液体区(II)中，而沿着箭头B的等熵轨线在气/液共存区(III)中。由于共存区(III) 的扩大，当沿着箭头B时可以达到液/气状态中的亚稳态，直至在某一过饱和条件下发生相变。然后，产生的蒸发过程恢复平衡态。沿着箭头C的流体流的进一步扩大导致流体在气 /液/固共存区(IVb)或气/固共存区(IVa)中达到亚稳态。当更多的二氧化碳溶解在液体中时，即使沿着用箭头C表示的扩大轨线，也不会瞬时发生形成固态二氧化碳的相变，蒸汽中的二氧化碳部分将贫化。在本发明的实施方案中，在由箭头C表示的扩大轨线末端的二氧化碳富集流体流和二氧化碳贫乏流体流中可通过旋流分离器来分离流体流，例如国际专利申请WO 2006/070019中所描述的旋流分离器。分离的二氧化碳富集流体处于非平衡态，其仅持续有限的一段时间，大约10毫秒。因此，优选在亚稳状态存在的阶段内，在旋流分离器1的分流出口部分5的第二出口 7中压缩二氧化碳富集流体，并通过第二出口 7将其释放至分离容器21。所述亚稳态的破坏导致固体形成，其实际上表示凝固在液体中溶解的二氧化碳。由于二氧化碳的凝固，释放潜伏热引起流体温度的升高。因此，将进入分离容器21的分离的二氧化碳富集流体冷却以保证流体保持在气/固或气/液/固共存区。由箭头D表示所述冷却和再压缩二氧化碳富集流体的过程。在本发明的实施方案中，进一步凝固的过程发生在分离容器21中。将在分离容器21内新发展的平衡下的流体状态表示为 [结束]。如上所述通过第三出口 28去除凝固的二氧化碳。
在图3b中，相应于图1中的约85巴和约18°C的坐标示意性描述了旋流分离器1 的第一入口 10的流体流的条件，由图3b的图表中的[开始]表示。沿箭头A’的等熵轨线在气体区(I)中，而沿箭头B’的等熵轨线在气/液共存区(III)中。由于在共存区(III) 中扩大，当沿着箭头B’时可达到气/液状态中的亚稳态，直至在某一过冷条件下发生相变。 然后，产生的凝固过程恢复平衡态。沿箭头C’的流体流的进一步扩大导致流体在气/液/ 固共存区(IVb)或气/固共存区(IVa)中达到亚稳态。即使沿着由箭头C’表示的扩大轨线，也不会瞬时发生形成固态二氧化碳的相变。在本发明的实施方案中，如上述图1所述过程，在由箭头C’表示的扩大轨线末端的二氧化碳富集流体流和二氧化碳贫乏流体流中通过旋流分离器1来分离流体流。此外，可以在国际申请W003/029739中获得对这类过程的进一步描述。分离的二氧化碳富集流体处于非平衡态，其仅持续有限的一段时间，大约10毫秒。因此，优选在所述亚稳态存在的阶段内，在旋流分离器1的分流出口部分5压缩二氧化碳富集流体，并通过第二出口 7将其释放至分离容器21。所述亚稳态的破坏导致从流体流的液化的部分中形成固态二氧化碳。由于二氧化碳的凝固，释放潜伏热引起流体温度的升高。因此，可将进入分离容器21的分离的二氧化碳富集流体冷却以保证流体保持在气/固或气/液/固共存区中。由D’表示所述冷却和再压缩二氧化碳富集流体的过程。在本发明的实施方案中，在分离容器21中发生凝固过程。将在分离容器21内新发展的平衡态的流体状态表示为[结束]。此外，如上所述通过第三出口 28去除凝固的二氧化碳。对于参考图3a和3b提供的上述实例，在区域LVC(IVb)和VC(IVa)之间的交叉相界的压力P下获得给定温度T的最大二氧化碳固态部分。如上所述，分离容器21的功能是去除固相中最大量的二氧化碳。因此，根据实施方案，在位于或接近区域LVC(IVb)和VC(IVa)间的相界的压力P和温度T下操作分离容器 21。在图3a和3b中示出该相界。在图3a和3b提供的实例中，由箭头D穿过该相界，其表示在分离容器21中发生的二氧化碳富集流体的冷却和再压缩过程。如图所示，在分离容器21内处于新发展的平衡态的流体流状态由[结束]表示。根据所述实施方案，在位于或邻近区域LVC(IVb)和VC(IVa) 之间的相界位置选择[结束]。当凝固的二氧化碳的量在该相界达到其最大值时完成上述选择。在该实施方案中，术语“邻近相界”用于表示与所示相界有关的士5°C的温度余量以及与所示相界有关的士2巴或士5巴的压力余量或者10%或20%的余量。因此按照实施方案，在区域LVC(IVb)和VC(IVa)之间的相界内的5巴范围内的压力P和5°C范围内的温度T下操作分离容器21。可以通过控制分离容器21内的压力和温度来控制该条件。可以通过使用冷却布置31来控制分离容器21的温度。可以通过设置于气体出口流29中的压力调节阀来控制分离器21中的压力。按照实施方案，在位于或邻近气/液/固共存区(IVb)和气/固共存区(IVa)之间的相界的压力和温度组合下操作分离容器21。按照图3a和3b提供的实例，可以在5巴至25巴的压力下操作分离容器21。对这些实例所推荐的温度范围为-70°C至-90°C。
图4、5、6示意性地描述了另外的实施方案，其中用多孔板筛40代替螺旋输送机或涡旋型卸料器35。根据合适的实施方案，图4图示这类多孔板筛40的侧视图，其中图5图示这类多孔板筛的顶视图。图6示意性地描述了与分离容器21结合的这类多孔板筛40。根据该实施方案，通过包含锥形开口 /狭槽或圆锥孔的多孔筛板40从分离容器21 中去除凝固的二氧化碳。可加热多孔筛板41，并可在进料侧42和收集侧43之间保持压力差，以使进料侧压力总是高于或等于收集侧的压力。多孔筛板40可以具有多个穿孔或开口 41。开口 41可以为矩形开口、狭槽形式形成的开口或可为图5所示的圆形开口。如图4所示，将通过第三出口 28离开分离容器21的凝固的二氧化碳颗粒传送至多孔板筛40的进料侧42。通过开口 41将凝固的二氧化碳颗粒从进料侧42传送至多孔板筛40的收集侧43。开口 41的尺寸和形状使得在使用中的凝固的二氧化碳颗粒充满开口 41并形成凝固的二氧化碳层，由此防止气体和液体从收集侧43向进料侧42的传送。为制造这类凝固的二氧化碳层并且由此避免液体或气体通过开口 41从收集侧43 向进料侧42的渗流，开口 42可以具有锥形或圆锥形，即开口 41具有大于收集侧43的开口 41横截面的进料侧41的横截面。这在图4中示出。相对于开口 41的纵轴44，这些开口 41的收敛角α能够为5°至30°。根据另外的实施方案，开口 41的收敛角α为10°至20°。多孔板筛40进料侧42的开口 41的通常入口尺寸D42 (例如圆形开口 41的直径) 可以为凝固的二氧化碳的通常粒度的至少两倍。收集侧43的开口 41的通常出口尺寸D43(例如圆形开口 41的直径)可以约等于凝固的二氧化碳的平均粒度。然而，根据另外的实施方案，收集侧43的开口 41的通常出口尺寸D43基本上小于凝固的二氧化碳的平均粒度。尽管出口部分的圆形开口 41的直径D43 优选为Imm至3mm，然而其能为0. 5mm至5mm。在纵轴44方向测量的开口 41的深度D41通常可为开口 41的入口尺寸D42的两倍。然而，开口 41的深度D41还可以大于开口 41的入口尺寸D42的两倍。优选地，深度 D41小于入口尺寸D42的5倍。开口 41的锥形和尺寸允许在开口 41中形成密集堆积的凝固的二氧化碳，并可能在开口 41上形成密集堆积的凝固的二氧化碳。在使用中，凝固的二氧化碳颗粒在开口 41 中以及多孔板筛40的上部存在。密集堆积的凝固的二氧化碳颗粒具有相对低的孔隙率，并且确保不存在气体或液体从进料侧42渗透至收集侧43的泄漏通道。此外，可通过提供向凝固的二氧化碳颗粒应用静电磁头的手段来实现封闭所述泄漏通道，以获得在多孔板筛40位置的凝固的二氧化碳的不渗透层。术语磁头用于指在多孔板筛40的固体上引起压力的液体或固体的柱或层。这增加了二氧化碳颗粒间和二氧化碳颗粒与开口 41的侧壁间的相互接触压力。 通过增加内聚力和粘附力，使得二氧化碳层更紧密。为了使凝固的二氧化碳颗粒通过开口 41移动至收集侧43，熔化来自收集侧43的凝固的二氧化碳颗粒。这可以通过在收集侧43维持适当的温度T43和/或在收集侧43维持适当的压力P43而实现。在通常比进料侧42和分离容器21中的压力P42低2巴的压力下控制收集侧43
12下的收集压力P43。因此，在20巴的压力下操作分离容器21的情况下，进料侧的压力P42 大约等于20巴并且可以将收集侧的压力P43控制为约10巴至18巴。可以选择多孔板筛40的收集侧43的温度T43以给出二氧化碳处于液相的相关压力。例如对于通常为10巴至18巴的压力，可选择约为-55°c至0°C的温度。可以通过温度布置(未示出)或通过将多孔板筛加热至二氧化碳液相内的期望温度的布置来控制收集侧温度以从多孔板筛40中熔化液态二氧化碳。由于收集侧43的温度和压力T43、P43，形成的二氧化碳层的底部将熔化，并且二氧化碳将滴落并可在适当的容器等中对其收集。上述实施方案提供了分离二氧化碳的有效方法。通过使二氧化碳在分离容器21 内处于固态而从例如甲烷(其在液相会以其它方式与二氧化碳混合)中分离二氧化碳。同时，在多孔板筛40的收集侧43位置，二氧化碳可处于液相，从而便于进一步的转运和处理。通过提供多孔板筛40，在进料侧42和收集侧43之间提供固态二氧化碳屏障，允许在不同条件(压力/温度)下控制收集侧和分离部分。图7图示了另外的实施方案。容器21可以具有放置为与垂直部分22的圆周相切的一个或多个入口 25，使得在部分22中产生旋流。此外，上部气体出口 29可以外延为在所述垂直部分22中的垂直管以形成所谓的涡旋探测器。所述涡旋探测器的边缘与入口 25的垂直位置相比位于更低的垂
直位置。可以通过外圆周与垂直部分22的内圆周存在空隙C的圆锥形导流板或防涡器30 来物理分离容器21的部分22和23。该空隙C通常为部分22的内径的0. 05倍至0. 3倍。防涡器30破坏从第一部分22至收集侧23的流动物的涡旋运动，以防止在收集槽 23中形成涡旋。同样，防涡器可防止气体组分从垂直部分22移动至收集槽23并且使这些气体组分转向上部气体出口 29。现在将多孔板筛40作为收集槽23的一部分。在使用中，在多孔板筛40的上部将形成CO2层。形成溢出墙34以提供溢出连接。溢出连接使通常在CO2层的上部形成的液体通过溢出墙34并通过第四出口 26离开收集槽23。图8a示意性地描述了另外的实施方案。图8a描述了上述容器21和两个旋流分离器1。然而，应当理解可以提供任何合适量的旋流分离器1来替代上述两个。根据该实施方案，流体分离装置还包括一侧与第四出口 26连接且另一侧与旋流分离器1的返回入口连接的返回管道81。返回管道81还包括泵PU。通过通向一个或多个旋流分离器1的返回入口的返回管道81，由泵PU泵送经过第四出口 26流出的二氧化碳富集碳氢化合物液体组分。根据图8a，返回入口位于梨形中心体 11的上游且与旋流分离器1的“标准”入口 82相一致。然而，还可以在另一个位置提供返回入口，例如旋流分离器1的中途。通过提供这类返回管道81，有可能实现部分或甚至完全凝固的CO2,而不需要在温度达到最低值的容器21中额外冷去。相反，首先将二氧化碳富集碳氢化合物流体流泵送至进料压力且与管道82的流结合，从而形成由管道81+82所表示的新的进料流传送，在其后， 可以将所述总进料流冷却至新的温度，其低于管道82的温度且高于容器21中存在的温度水平。通常，管道81+82中进料流温度与容器21的温度之间的差值为25°C。为了实现冷却，可以在管道81+82中提供冷却布置85，如图8b所示。旋流分离器1的第一出口 6可以与管状部分22的第五出口 29共同结合以形成出口 83。通过旋流分离器1的入口 81的流体可以包含约70%的CO2和30%的CxHy，而出口 83可以包含约15%的CO2和85%的CxHy。讲一步说明根据实施方案，提供了通过流体分离装置从流体流中去除二氧化碳的方法，所述流体分离装置包括-旋流分离器，其包括在汇聚流体入口部分和分流流体出口部分之间布置的喉部和配置以在至少一部分所述分离器内引起包含二氧化碳的流体产生涡旋运动的涡旋发生装置，所述汇聚流体入口部分包括用于流体组分的第一入口，并且所述分流流体出口部分包括用于二氧化碳贫乏流体的第一出口和用于二氧化碳富集流体的第二出口 ；-分离容器，其具有与收集槽连接的第一部分，所述部分具有与所述旋流分离器第二出口连接的第二入口，并且所述收集槽具有用于凝固的二氧化碳的第三出口 ；所述方法包括-在所述第一出口提供流体流，所述流体流包含二氧化碳；-给予所述流体流涡旋运动，从而诱导在涡旋发生装置下游的流体流内部的凝结组分和凝固组分中的至少一种向外运动并形成向外的流体流；-扩大所述涡旋流体流，从而在所述流体流内形成亚稳态的液化的二氧化碳组分， 并在所述涡旋运动的影响下诱导处于所述亚稳状态的液化的二氧化碳组分向外移动；-通过所述第二出口从所述旋流分离器中提取包含所述亚稳态的液化的二氧化碳组分的向外的流体流；_通过所述第二入口向所述分离容器提供混合物形式的所述提取的向外的流体流；-引导所述混合物通过所述分离容器的第一部分流向所述收集槽，而在所述第一部分中提供处理条件使得所述亚稳态的液化的二氧化碳组分形成凝固的二氧化碳；-通过所述第三出口提取所述凝固的二氧化碳。其中所述方法还包括-形成从多孔板筛40的进料侧42上的第三出口28中提取的凝固的二氧化碳层， 所述多孔板筛40包括朝向收集侧43的开口 41 ；-在多孔板筛40的收集侧43上应用温度和压力条件以熔化所述层的二氧化碳并通过在收集侧43上的开口 41收集所述熔化的二氧化碳。可以在二氧化碳为液体的温度和压力组合下操作收集侧43。可以在第一压力下操作进料侧42且可以在第二压力下操作收集侧43，第二压力等于或低于第一压力。收集侧43的温度可以为-55°C至0°C，并且高于进料侧的温度。开口 41具有大于收集侧43的出口尺寸D43的进料侧42的入口尺寸D42。出口尺寸D43可以近似等于或基本上小于凝固的二氧化碳的粒度。尽管上面已经描述了本发明的具体实施方案，应当理解能以除上述之外的其它方法实施本发明。上述描述旨在说明而非限制。因此，在不违背下述权利要求的范围内对上述本发明的实施方案进行修改对本领域技术人员而言显而易见。
权利要求
1.通过流体分离装置从流体流中去除二氧化碳的方法，所述流体分离装置包括-旋流分离器，其包括布置在汇聚流体入口部分和分流流体出口部分之间的喉部和配置以在至少一部分所述旋流分离器内引起包含二氧化碳的流体涡旋运动的涡旋发生装置， 所述汇聚流体入口部分包括用于流体组分的第一入口，并且所述分流流体出口部分包括用于二氧化碳贫乏流体的第一出口和用于二氧化碳富集流体的第二出口 ；-分离容器，其具有与收集槽连接的第一部分，所述第一部分具有与所述旋流分离器的第二出口连接的第二入口，并且所述收集槽具有用于凝固的二氧化碳的第三出口，其中在位于或邻近气/液/固共存区(IVb)与气/固共存区(IVa)之间相界的压力和温度组合下操作所述分离容器； 所述方法包括-在所述第一出口提供流体流，所述流体流包含二氧化碳；-给予所述流体流涡旋运动，从而诱导在涡旋发生装置下游的流体流内的凝结组分和凝固组分中的至少一种向外运动并形成向外的流体流；-扩大所述涡旋流体流，从而在所述流体流内形成亚稳态的液化的二氧化碳组分，并在所述涡旋运动的影响下诱导所述亚稳态的液化的二氧化碳组分向外移动；-通过所述第二出口从所述旋流分离器中提取包含所述亚稳态的液化的二氧化碳组分的向外的流体流；-通过所述第二入口向所述分离容器提供混合物形式的所述提取的向外的流体流； -引导所述混合物通过所述分离容器的第一部分流向所述收集槽，而在所述第一部分中提供处理条件使得所述亚稳态的液化的二氧化碳组分形成凝固的二氧化碳； -通过所述第三出口 08)提取所述凝固的二氧化碳。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括-形成凝固的二氧化碳层，所述凝固的二氧化碳从包含朝向收集侧^幻的开口 Gl)的多孔板筛GO)的进料侧上的第三出口 08)中提取，-对多孔板筛GO)的收集侧应用温度和压力条件以从所述层熔化二氧化碳并通过在收集侧上的开口 Gl)收集所述熔化的二氧化碳。
3.如权利要求1至2中任一权利要求所述的方法，其中在二氧化碳为液体的温度和压力组合下操作所述收集侧G3)。
4.如权利要求2至3中任一权利要求所述的方法，其中在第一压力下操作所述进料侧 (42)，并且在第二压力下操作所述收集侧G3)，所述第二压力等于或低于所述第一压力。
5.如权利要求2至4中任一权利要求所述的方法，其中所述收集侧03)的温度为-55°C至O°C且高于所述进料侧02)的温度。
6.如权利要求2至5中任一权利要求所述的方法，其中所述开口具有大于所述收集侧(43)的出口尺寸(D43)的所述进料侧(42)的入口尺寸(D42)。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述入口尺寸(D43)近似等于或基本上小于凝固的二氧化碳的粒度。
8.如前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中向与所述第一部分圆周相切的所述分离容器提供所述提取的向外的流体流，从而在所述第一部分0 中产生涡流。
9.如前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述分离容器的第一部分还具有第五出口，并且所述方法还包括通过所述第五出口提取二氧化碳贫乏气体组分。
10.如权利要求8至9中任一权利要求所述的方法，其中通过涡旋探测器来形成所述第五出口，其包括以下行方向通过所述第一部分上部延伸至所述第一部分的基本垂直的管道，其中所述管道的下端位于比所述第二入口低的垂直位置。
11.如前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中在所述第一部分和所述收集槽之间提供防涡器(30)。
12.如前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述收集槽还具有第四出口 ( )，并且所述方法还包括通过所述第四出口 06)提取碳氢化合物液体组分。
13.如权利要求12所述的方法，其中将通过所述第四出口06)的所述碳氢化合物液体组分返回至所述旋流分离器。
14.如前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述分离容器还包括配置以在其中提供预定温度条件的冷却布置，所述温度条件能使二氧化碳富集的流体凝固。
15.如前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述流体分离装置还包括与所述第三出口 08)连接的涡旋型卸料器，并且通过所述涡旋型卸料器的传送来进行所述提取凝固的二氧化碳。
16.如前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述流体流包含大于10%的摩尔百分比的二氧化碳。
17.如前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述涡旋流体流的扩大使得所述涡旋流体流达到超声速。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述扩大进一步使得温度达到低于200K。
19.如权利要求17或18所述的方法，其中所述扩大进一步使得压力达到低于位于旋流分离器第一出口的压力的50 %。
20.如前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中布置通过所述第二入口向所述分离容器提供混合物形式的向外的流体流以提供切向流体流。
21.用于从流体流中去除二氧化碳的流体分离装置，所述流体分离装置包括-旋流分离器，其包括布置在汇聚流体入口部分和分流流体出口部分之间的喉部以及配置以在至少一部分所述分离器内引起包含二氧化碳的流体涡旋运动的涡旋发生装置，所述汇聚流体入口部分包括用于流体组分的第一入口，并且所述分流流体出口部分包括用于二氧化碳贫乏流体的第一出口和用于二氧化碳富集流体的第二出口 ；-分离容器，其具有与收集槽连接的第一部分，所述部分具有与所述旋流分离器的所述第二出口连接的第二入口，并且所述收集槽具有用于凝固的二氧化碳的第三出口( )，其中在位于或邻近气/液/固共存区(IVb)与气/固共存区(IVa)之间相界的压力和温度组合下操作所述分离容器；其中布置所述流体分离装置以-在所述第一入口接收包含二氧化碳的流体流；-给予所述流体流涡旋运动，从而诱导在涡旋发生装置下游的流体内的凝结组分和凝固组分中的至少一种向外运动并形成向外的流体流；-扩大所述涡旋流体流从而在所述流体流内形成亚稳态的液化的二氧化碳组分，并在所述涡旋运动的影响下诱导所述亚稳态的液化的二氧化碳组分向外移动；-通过所述第二出口从所述旋流分离器中提取包含所述亚稳态的液化的二氧化碳组分的向外的流体流；-通过所述第二入口向所述分离容器提供混合物形式的所述提取的向外的流体流；-引导所述混合物通过所述分离容器的第一部分流向所述收集槽，而在所述第一部分中提供处理条件使得所述亚稳态的液化的二氧化碳组分形成凝固的二氧化碳；-通过所述第三出口(28)能够提取所述凝固的二氧化碳。
22.如权利要求21所述的流体分离装置，其中所述流体分离装置还包括-多孔板筛(40)，其包括进料侧(42)和收集侧(43)，安置所述进料侧(42)以从第三出口(28)收集凝固的二氧化碳，所述多孔板筛还包括朝向收集侧(42)的开口(41)；其中还布置所述流体分离装置以_形成凝固的二氧化碳层，所述凝固的二氧化碳从所述多孔板筛(40)的进料侧(42)上的第三出口(28)提取；-对多孔板筛(40)的收集侧(43)应用温度和压力条件以从所述层熔化二氧化碳并通过位于所述收集侧(43)的开口(41)收集所述熔化的二氧化碳。
23.如权利要求22所述的流体分离装置，其中所述收集侧(43)布置为在二氧化碳为液体的温度和压力组合下进行操作。
24.如权利要求22至23中任一权利要求所述的流体分离装置，其中所述进料侧(42) 布置为在第一压力下进行操作，并在第二压力下操作所述收集侧(43)，所述第二压力等于或低于所述第一压力。
25.如权利要求22至24中任一权利要求所述的流体分离器，其中所述流体分离装置布置为处于所述收集侧(43)的_55°C至0°C的温度下，但高于所述进料侧(42)的温度。
26.如权利要求22至25中任一权利要求所述的流体分离装置，其中所述开口(41)具有大于所述收集侧(43)的出口尺寸(D43)的所述进料侧(42)的入口尺寸(D42)。
27.如权利要求26所述的流体分离装置，其中所述出口尺寸(D43)近似等于或基本上小于凝固的二氧化碳的粒度。
28.如权利要求21至27中任一权利要求所述的流体分离装置，其中所述第二入口为与所述第一部分的圆周相切的入口，从而在所述第一部分(22)中产生涡旋。
29.如权利要求21至28中任一权利要求所述的流体分离装置，其中所述第一部分还具有第五出口，所述第五出口配置为能够提取二氧化碳贫乏气体组分。
30.如权利要求28至29中任一权利要求所述的流体分离装置，其中通过涡旋探测器来形成所述第五出口，其包括以下行方向通过所述第一部分上部延伸至所述第一部分的基本垂直的管道，其中所述管道的下端位于比所述第二入口低的垂直位置。
31.如权利要求21至30中任一权利要求所述的流体分离装置，其中在所述第一部分和所述收集槽之间提供防涡器(30)。
32.如权利要求21至31中任一权利要求所述的流体分离装置，其中所述收集槽还具有第四出口(26)，所述第四出口(26)配置为能够提取碳氢化合物液体组分。
33.如权利要求32所述的流体分离装置，其中所述流体分离装置还包括返回管道 (81)，所述返回管道(81)布置为从所述第四出口(26)向所述旋流分离器返回所述碳氢化合物液体组分。
34.如权利要求21至33中任一权利要求所述的流体分离装置，其中所述分离容器还包括配置以在其中提供预定温度条件的冷却布置，所述温度条件能使二氧化碳富集流体凝固。
35.如权利要求21至34中任一权利要求所述的流体分离装置，其中所述流体分离装置还包括与所述第三出口(28)连接的涡旋型卸料器，所述涡旋型卸料器配置为能够通过传送来通过所述第三出口(28)提取所述凝固的二氧化碳。
36.如权利要求21至35中任一权利要求所述的流体分离装置，其中所述分离容器的所述第二入口布置为与所述分离容器圆周相切。
全文摘要
本发明涉及通过流体分离装置从流体流中去除二氧化碳的方法。所述流体分离装置具有旋流分离器和涡旋发生装置，所述旋流分离器具有布置在汇聚流体入口部分和分流流体出口部分之间的管状喉部。分离容器具有位于收集槽上并与所述收集槽连接的管状部分。在所述方法中，提供了包含二氧化碳的流体流。随后，给予流体流涡旋运动从而诱导向外的移动。然后扩大涡旋流体流以在流体流内形成亚稳态的二氧化碳组分。随后，从旋流分离器中提取包含二氧化碳组分的向外流体流并将其以混合物的形式提供至分离容器。然后，引导所述混合物通过管状部分流向收集槽，而在提供处理条件时使得凝固的二氧化碳形成。最后，提取凝固的二氧化碳。
文档编号C01B31/22GK102307642SQ200980156303
公开日2012年1月4日 申请日期2009年12月18日 优先权日2008年12月22日
发明者巴特·布拉斯特, 科尼里斯·安东尼耶·特金克韦灵克, 雅克布·艾瑞·科尼里斯·朗格帕克, 马尔科·贝廷 申请人:缠绕机公司