对包含二氧化的气体脱水的方法和装置制造方法
【专利摘要】提供一种对包含二氧化碳的气体（1）脱水的方法，其通过对气体（1）进行冷却并且将冷凝水从所述气体（1）中分离出去而进行，气体（1）与用于冷却该气体（1）的液态二氧化碳接触，以便将包含在所述气体（1）中的水冷凝，并且从剩余气体中分离出冷凝物。此外，提供一种对包含二氧化碳的气体脱水的装置，包括：气体馈送系统，用于馈送需要脱水的气体（1），装置包括：用于馈送液态二氧化碳的二氧化碳馈送系统，用于让气体（1）与二氧化碳接触以便对气体进行冷却进而将包含在气体（1）中的水冷凝的接触装置（C），并且包括用于让冷凝物从剩余气体中分离出去的第一分离器（4）。
【专利说明】对包含二氧化的气体脱水的方法和装置
[0001]本发明涉及一种对包含二氧化的气体脱水的方法，该方法通过对其进行冷却，并且将冷凝水从气体中分离而进行，其中气体与液态二氧化碳接触，以便将包含在气体的水冷凝，并且将冷凝物从剩余气体中分离出来。此外，提供一种对包含二氧化碳的气体脱水的装置，其包括:气体馈送系统，用于馈送需要脱水的气体，其中，该装置包括:用于馈送液态二氧化碳的二氧化碳馈送系统，用于让气体与二氧化碳接触以便对气体进行冷却进而将包含在气体中的水冷凝的装置，并且包括用于让冷凝物从剩余气体中分离出去的第一分离器。
[0002]根据本发明，需要脱水并且包含二氧化碳的气体包括天然气，以及包含甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、氢化硫、氮气、氧气等而不是包含碳氢气体的气体。
[0003]这是公知的:通过持续地在两个压缩机内压缩气体而对碳酸气体脱水(参考专利CA325811, 1932)。此后，在空气冷却器中将压缩气体冷却，并且将压缩气体导入容器中，在所述容器中，冷凝后的水分已经被清除。来自容器中的气体被导入吸附剂中，在吸附剂中进行着以水蒸气吸附为主的碳酸气体脱水过程。
[0004]上述方法的缺陷是实现这种方法的设备的尺寸较大，这是由吸附剂的存在及成本以及为实现吸附剂的再生所需要的能量供应所引起的。
[0005]另一种对气体脱水的方法描述于DE2065941C2中，在此，借助冷却气体和注入氨而在热交换器中对气体进行冷却。
[0006]DE2014776教导在热交换器中使用二氧化碳作为冷却件，以便对天然气进行冷却。
[0007]另一种已知的方法是对富含碳酸气体的高压气体脱水(与JP63074908，1988形成对照)，在此，利用空气冷却器对包含二氧化碳的气体进行冷却，其中，气体延伸进入了节流阀中。膨胀之后形成的水在分离器中被从气体中分离出去。获得的气体在压缩机内被压缩，在空气冷却器中被冷却，并且供应给最终的消费者。
[0008]所描述方法的严重缺陷是无法实现大幅度的气体脱水。这是因为在低温时可能形成的水合物所弓I起的气体膨胀过程中，无法获得低温气体。
[0009]因此，本发明的目的是提供一种方法和对应装置，用于对包含二氧化碳的气体进行有效和闻度脱水。
[0010]通过提供一种对包含二氧化的气体脱水的方法解决了本发明的技术问题，在该方法中，气体与液态二氧化碳混合，以便将气体冷却，进而将包含在气体中的水冷凝，并且将冷凝物从剩余气体中分离出去。也就是说，气体直接与液态二氧化碳接触，以便将包含在气体中的水冷凝。
[0011]可以在分离器中进行可能的水合物中的冷凝水的分离及溶解于液态二氧化碳中的水中的冷凝水的分离。
[0012]借助液态二氧化碳进行冷却，可以获得非常低的温度，并且可以以非常高效的方式进行冷凝过程。本方法的另一个优点是可以以非常低的成本实现从水蒸气到水的冷凝。
[0013]在本发明的优选实施例中，在与液态二氧化碳接触后获得并且包含气态二氧化碳的气体膨胀，以便冷凝气体中的剩余水，并且所获得的包含液态二氧化碳、水及可选的水合物在内的液相从脱水后的气体中分离出去。进而将得到脱水气体。
[0014]由于通过与流体二氧化碳混合实现的气体强冷的缘故，可以借助非常小的能量输入实现膨胀。此外，可选地在膨胀过程中形成的水合晶体溶解于也是在膨胀过程中形成的液态二氧化碳中。通过这种方式，提高了气体脱水的效率。
[0015]在本发明特别优选的实施例中，所获得的包括液态二氧化碳、水及可选的水合物在内的液相局部或全部用于与需要脱水的气体混合。可以在分离器中将液相分离。
[0016]这意味着:在冷却过程中作为副产品产生的液态二氧化碳用于在本发明的另一个冷却过程中对气体冷却，以便对气体脱水。此外，在低于形成水合物的温度下进行的待脱水气体的膨胀允许将所形成的水合物进行分离，因为水合物溶解于也是在膨胀过程中产生的液态二氧化碳中。
[0017]优选地，与待脱水的气体混合后的液态二氧化碳的温度范围是-60°c到20°C。最优选的范围是-40V到-20°C。
[0018]与液态二氧化碳混合后的气体的温度范围是_40°C到50°C。最优选的范围是30°C到-50 0C ο
[0019]在特别优选的实施例中，气体的温度大约为40°C，而液态二氧化碳的温度大约为-27 V。气体的压力范围优选地为4000-6000kPa，更优选地为大约5000kPa。
[0020]通过膨胀，气体温度可以优选地降低到低于0°C，最优选地为最低_20°C。气体压力优选地通过膨胀降低到低于7000kPa，最优选地降低到最低2000kPa。
[0021]在特别优选的实施例中，在膨胀之前，气相温度大约为15°C，而压力则大约为5000kPa。在通过膨胀而冷却之后，气相温度大约为-20°C，而压力则为最低2000kPa。
[0022]所获得的包含液态二氧化碳和水的液相的压力范围在100kPa_7000kPa之间，而温度范围在_63°C _20°C之间。在最优选的实施例中，所获得的包含液态二氧化碳和水的液相的压力范围在1200kPa-1600kPa之间，而温度范围在_40°C _20°C之间。
[0023]优选地，所获得的包含液态二氧化碳和水的液相的压力为1400kPa，而温度为-30 0C ο
[0024]所获得的包含液态二氧化碳和水的液相优选地泵抽到大约5000kPa的压力，其中，温度增加到大约_27°C。
[0025]所获得的包含液态二氧化碳和水并且具有高压的液相与接下来的气体混合，在此，连续过程是适用的。
[0026]根据本发明，同时提供一种用于对包含二氧化碳的气体脱水的装置。所述装置包括:气体馈送系统，用于馈送需要脱水的气体，其中，该装置包括:用于馈送液态二氧化碳的二氧化碳馈送系统，用于让气体与二氧化碳接触以便对气体进行冷却进而将包含在气体中的水局部或全部冷凝的接触装置，并且包括用于让冷凝物从剩余气体中分离出去的第一分离器。
[0027]接触装置可以为混合装置，用于将气体与液态二氧化碳混合起来。在一些情况下，接触装置可以为容器或水塔。
[0028]优选地，所述装置包括膨胀装置，用于对包含气态二氧化碳的剩余气体进行冷却，并且用于获得包含液态二氧化碳和水及可选地包括水合物在内的液相，并且用于获得脱水气体。[0029]为了将包含液态二氧化碳和水的液相从脱水气体中分离出去，装置包括第二分离器，其中，第二分离器以射流形式与接触装置连接。
[0030]设置射流连接的目的是将包含液态二氧化碳和水的液相馈送到接触装置内，以便对气体冷却。
[0031]优选地，膨胀装置为涡轮机，或所谓的涡轮膨胀器。
[0032]在这种情况下，装置可以包括用于将压力作用于气体的压缩机，在此，涡轮机通过机械方式连接到压缩机，从而使得涡轮机产生的扭矩可用于驱动压缩机。作为备选，涡轮机产生的扭矩用于驱动发电机，在此，发电机产生的电能用于驱动压缩机和/或其他主体。
[0033]根据本发明的装置可以为用于将二氧化碳从气体尤其是从天然气中提取出的系统的一部分。
[0034]本发明的另一个主题是根据本发明的用于对包含二氧化碳的气体脱水的装置的用途，，该用途用于对包含二氧化碳的气体尤其是天然气脱水。
[0035]即，本发明的主题是使用根据本发明的装置执行根据本发明的方法的用途。
[0036]本发明提供一种用于对包含二氧化碳的气体脱水的方法，该方法基于双相混合在其膨胀时的收纳和在分离器中从液相混合物中的提取。根据本发明，优选地，原料气被冷却，并且与其内溶解了水的液态二氧化碳接触或混合。收纳到的混合物分割为气相和含水的液相。气相膨胀，从而获得了包含二氧化碳和水的液体，其中，液体局部或全部与原料气混合，因此在低于形成水合物的温度下进行膨胀是可行的。
[0037]在膨胀过程中，气体可通过节流阀或通过涡轮机，即所谓的涡轮膨胀器。
[0038]在气体在涡轮膨胀器中膨胀的情况下，利用涡轮膨胀器产生的扭矩在压缩机内对干燥的或原料气进行能压缩是可行的。也就是，可以将涡轮膨胀器的主轴与压缩机机械连接。
[0039]气体也可以在旋风分离器的通道内或在涡流管的通道内膨胀为回旋流。膨胀过程可以至少在两个阶段发生，在其中一个阶段中，膨胀在旋风分离器和/或节流阀内发生。
[0040]膨胀之后收集到的双相混合物可以分离为干燥气体和双相流，可以在另外的分离器中从双相流中提取出液体。所述另外的分离器的液相被压缩，冷却，并且与原料气混合。
[0041]下文中将基于附图所示的例子对本发明进行解释。
[0042]图1展示了根据本发明第一个实施例的装置的示意图。
[0043]图2展示了根据本发明第二个实施例的装置的示意图。
[0044]图3展示了根据本发明第三个实施例的装置的示意图。
[0045]图4展示了根据本发明第四个实施例的装置的示意图。
[0046]图5展示了根据本发明第五个实施例的装置的示意图。
[0047]图6展示了根据本发明第六个实施例的装置的示意图。
[0048]图7展示了根据本发明第七个实施例的装置的示意图。
[0049]图8展示了根据本发明第八个实施例的装置的示意图。
[0050]图1展示了用于实现所提出的对包含二氧化碳的气体进行低温脱水的方法的装置的安装图。也就是，图1展示了实现根据本发明的方法的安装方案，其中，气体膨胀在焦耳-汤姆逊阀中进行。包含二氧化碳的原料气I通过与其内溶解了水的液态二氧化碳的脉流2接触或混合而被冷却。[0051]也就是，原料气2直接与包含二氧化碳的脉流2接触，以便冷却气体，进而将包含在原料气I中的水冷凝。
[0052]所获得的混合物3在分离器4中被分割为气相5和含水的液相6。脉流6可以含水，水可以为自由形式，溶解后的形式，以及水合物的形式。也就是，脉流6可以包含液态水、液态二氧化碳和/或包含在原料气I中的其他冷凝组分。气相5在节流阀7中膨胀，从而获得双相混合物8，在分离器9中，包含液态二氧化碳和水的液体10从双相混合物8中分离出去。借助水泵11，该液体或液体的一部分与原料气I进行混合。如果需要，可以对干燥后的气体12进行进一步处理，以便可以直接将脱水气体供应给气体消费者。
[0053]在节流阀7中，在低于形成水合物的温度下发生了气体膨胀。
[0054]为了限定节流阀或其他膨胀装置之后的脉流中形成水合物的温度，可以使用广为人知的软件程序比如HYSYS等。通过选择足够程度的气体膨胀来提供获得低于水合物形成的温度的脉流温度的条件。
[0055]在所描述的装置中，借助气体在节流阀7中的膨胀过程中的气体冷却来进行气体脱水。在该过程中形成的包括液态二氧化碳和水的液体被引导至原料气I中。将水从在原料气I与包括液态二氧化碳和水的液体混合之后形成的液相中分离出去。值得注意:通过将原料气I与包含液态二氧化碳的液体2接触或混合，气体通过液态二氧化碳的蒸发而得到强冷。
[0056]气体膨胀到低于形成水合物的温度能够增加根据本发明的气体脱水的效率。如果在膨胀过程中形成了水合晶体，这些水合晶体将溶解于也是在膨胀过程中形成的液态二氧化碳中。
[0057]在一定的情况下，当脉流中存在自由水，并且当脉流3的温度低于形成水合物的温度时，水的水合物在分离器4中被分离，并且通过对其加热或通过注入水合物形成抑制剂而被破坏。
[0058]为了增强气体脱水，可以通过图2所示的涡轮膨胀器进行气体的预先制冷，这是本发明的一个优选实施例。也就是说，在图2中，利用涡轮膨胀器13进行气体膨胀。在该实施例中，安装了涡轮膨胀器13，而不是图1所示的节流阀，在此，压缩机11的主轴可以连接到涡轮膨胀器13的主轴。
[0059]在图2中，压缩机14安装在排出的气体中。然而，压缩机11也可以位于排出的气体脉流中，或位于原料气脉流中。图2所示的系统的脉流参数展示于以下表I中。在以下考虑的情况下，原料气I主要包括碳酸气。优选地，原料气的入口压力为6000kPa，原料气的温度为40°C。干燥后的气体的目标压力为3000kPa。
[0060]如图3所示，压缩机14安装在原料气I的脉流中。为了降低压缩机14之后的原料气的温度，安装额外的空气冷却装置18是合适的。优选地，在该实施例中，压缩机11的主轴连接到涡轮膨胀器的主轴。
[0061 ] 使用所推荐的方法的脱水装置可以为用于从气体中提取二氧化碳的复合单元的一部分。
[0062] 在一些情况下，为了降低成本和运行费用，可以安装旋风分离器或涡流管代替涡轮膨胀器。在这些情况下，在气体于旋风分离器或涡流管的通道内膨胀的过程中，可以获得较低压力，并且能够让气体达到较低温度，因此提高了气体脱水过程的效率。[0063]图4展示了根据本发明的具有用于气体膨胀的旋风分离器或涡流管的装置和方法的另一个可能的例子。位置20表示旋风分离器或涡流管。
[0064]在一些情况下，无法定性地在旋风分离器或涡流管中将气体脉流从液体中分离出去。因此，来自旋风分离器或涡流管的双相脉流21被导向至分离器9，在此，液体10被分离并且导向至与原料气混合，如图5所示。也就是说，在该实施例中，进行了气体的二级膨胀。
[0065]为了能在较大范围内控制脱水过程中的参数，可以在至少两个阶段内进行气体膨胀。在其中一个阶段内，膨胀是在旋风分离器和/或节流阀中进行的。
[0066]图6展示了实现本发明的二阶段气体膨胀的一个变型实施例。在此，从旋风分离器或涡流管流出的双相脉流被导向至额外的分离器，在此，发生了液体的分离及与原料气的混合。在该变型实施例中，首先气体在涡轮膨胀器13中膨胀，然后在旋风分离器或涡流管20的通道内进行。
[0067]在图7中，示出了方法和装置，其中，膨胀后获得的双相混合物从干燥气体中分离出去。在额外的分离器中将液体从双相脉流中分离出去。来自该额外的分离器中的气体被压缩，冷却，然后与原料气混合。也就是说，膨胀之后获得的双相混合物从干燥气体及双相脉流中分离出去，在所述额外的分离器中将液体从双相脉流中提取出去。图7展示了实现这种情况的例子。
[0068]在气体在涡轮膨胀器13中膨胀之后，气体在涡流管(或旋风分离器)20的通道内进行额外的膨胀。在气体导入涡流管(比如旋风分离器)之前，能够从气体中分离冷凝物29。来自涡流管的双相被引导至额外的分离器9中，来自该额外的分离器中的液体被引导至原料气中，并且气体在压缩机14内被进一步压缩，在空气冷却装置18中被冷却，并且与原料气混合。
[0069]为了对气体进行强冷，并且因此降低排出的气体的水的露点，可以对原料气和/或在将原料气与包含溶解形式的水的液体混合后形成的混合物进行冷却。
[0070]图8展示了实现这种冷却的一个例子。在此，对在将原料气与包含溶解形式的水的液体混合后形成的原料气进行冷却。也就是说，给定的实施例中的原料气在空气冷却装置18内及在再生式热交换器中持续冷却。
[0071]在根据本发明的方法的所有实施例中，在实现原料气的膨胀之前，能够将包含自由水的液体加入原料气中，其中，液体可以被额外冷却。
[0072]下面的表I展示了本发明方法的运行及所获得的结果，尤其是通过图2所示的装置获得的结果。
[0073]表I
[0074]
【权利要求】
1.一种对包含二氧化碳的气体脱水的方法，其通过对气体(I)进行冷却并且将冷凝水从所述气体(I)中分离出去而进行，其特征在于:所述气体(I)与用于冷却该气体(I)的液态二氧化碳接触，以便将包含在所述气体(I)中的水冷凝，并且从剩余的气体中分离出冷凝物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:包含气态二氧化碳的剩余气体膨胀，进而将所述气体中的水冷凝，并且所获得的包含液态二氧化碳、水及可选的水合物在内的液相(10)从脱水后的气体中分离出去。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于:所获得的液相(10)至少局部用于与需要脱水的气体接触。
4.根据前述任何一项权利要求所述的方法，其特征在于:将与所述气体混合的液态二氧化碳的温度范围是_60°C到20°C。
5.根据前述任何一项权利要求所述的方法，其特征在于:将与液态二氧化碳混合的气体的温度范围是_40°C到50°C。
6.根据权利要求2-5中任何一项所述的方法，其特征在于:通过膨胀，气体温度降低到低于(TC。
7.根据权利要求2-6中任何一项所述的方法，其特征在于:气体压力通过膨胀降低到低于 7000kPa。
8.根据权利要求2-7中任何一项所述的方法，其特征在于:所获得的包含液态二氧化碳和水和可选的水合物的液相(10)的压力范围在100kPa-7000kPa之间，而温度范围在-63°C -20°C之间。
9.一种对包含二氧化碳的气体脱水的装置，包括:气体馈送系统，用于馈送需要脱水的气体(1)，其特征在于:该装置包括:用于馈送液态二氧化碳的二氧化碳馈送系统，用于让气体(I)与二氧化碳接触以便对气体进行冷却进而将包含在气体(I)中的水冷凝的接触装置(C)，并且包括用于让冷凝物从剩余气体中分离出去的第一分离器(4)。
10.根据权利要求9所述的对包含二氧化碳的气体脱水的装置，其特征在于:所述装置包括膨胀装置，用于对包含气态二氧化碳的剩余气体进行冷却，并且用于获得包含液态二氧化碳和水及可选地包括水合物在内的液相(10 )。
11.根据权利要求10所述的对包含二氧化碳的气体脱水的装置，其特征在于:所述膨胀装置为涡轮机(13)。
12.根据权利要求9-11中任何一项所述的对包含二氧化碳的气体脱水的装置，其特征在于:所述装置包括第二分离器(9)，用于将液相(10)从脱水气体中分离出去，其中，第二分离器(9)以射流形式与所述接触装置(C)连接。
13.根据权利要求11或12所述的对包含二氧化碳的气体脱水的装置，其特征在于:所述装置包括用于将压力作用于脱水气体(12)的压缩机(14)，在此，所述涡轮机(13)通过机械方式连接到所述压缩机(14)，从而使得涡轮机(13)产生的扭矩可用于驱动所述压缩机(14)。
14.根据前述权利要求10-13中任何一项的用于对包含二氧化碳的气体脱水的装置在对包含二氧化碳的气体尤其是天然气脱水时的用途。
【文档编号】B01D53/26GK103747847SQ201280015363
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2012年10月10日 优先权日:2011年10月18日
【发明者】沙拉维特·扎内特蒂诺威驰·伊曼福, 雷纳德·马克罗威驰·多美特丽芙 申请人:维多利亚资本投资集团有限公司