二氧化碳分离系统和方法与流程

本申请涉及分步分离，更具体而言，涉及分步分离含二氧化碳的气体混合物的系统和方法。

背景技术：
油井在一次采油阶段期间通常收集其来自于地下油层的油的大约30%。使用二次采油技术，比如增加地下压力的注水开发，可以采收额外20%的油。提高采收率法采油(“EOR”)提供能够从地下油层采收额外20%或更多油的三次采油技术。在EOR过程期间，大量的气体被注入地下油层中，从而从井中推动额外的油。通常用二氧化碳作为EOR气体，因为其具有与地下油混合并且使油粘性更小且更容易提取的能力。注入到油井中的大部分二氧化碳随着采收的油一同被采收。然而，采收的二氧化碳通常含有大量的其它组分，比如水蒸气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷。在EOR过程中再利用被这些组分污染的二氧化碳被认为显著降低作业效率。现存的分离技术，比如胺分离、溶剂分离和分子筛分离，对于从气态油井流出物中分离二氧化碳是低效的，这是因为二氧化碳在流出物中相对高的百分比。其它技术，比如氧燃烧(oxygenburning)，浪费了流出物中的烃资源。因此，本领域技术人员继续在从气态油井流出物中分离二氧化碳的领域中进行研究和开发工作。

技术实现要素：
根据本公开内容的方面提供了分离系统，其包括气体混合物的源，所述气体混合物至少包含第一组分和第二组分；以及分离单元，其与所述源连通以便接收气体混合物并且将所述第一组分至少部分地与所述第二组分分离，其中所述分离单元包括涡流分离器和压力容器中至少一个。有利地，所述分离系统进一步包括在所述源和所述分离单元之间的泵。有利地，所述第一组分包括二氧化碳。优选地，所述第二组分包括烃和水的至少一种。有利地，所述分离系统进一步包括放置用于接收所述第一组分的第一容器和放置用于接收所述第二组分的第二容器。优选地，所述分离系统进一步包括与所述第一容器和所述第二容器中的一个流体连通的发电机。根据本公开内容的另一个方面，提供了涡流诱导(vortex-induced)分离气体混合物的系统，其可以包括气体混合物的源，所述气体混合物至少包含第一组分和第二组分；以及与所述源连通的涡流分离器，所述涡流分离器配置用于接收所述气体混合物并且将涡流施加至所述气体混合物以便将所述第一组分至少部分地与所述第二组分分离。根据本公开内容的进一步方面，提供了分离系统，其包括气体混合物的源，所述气体混合物至少包含第一组分和第二组分；与所述源连通的压力容器；以及与所述源和所述压力容器流体连通的泵，其中所述泵以足以使所述气体混合物至少分离为液态部分和气态部分的压力将所述气体混合物泵入所述压力容器中。根据本公开内容的又进一步方面，提供了涡流诱导分离气体混合物的方法。所述方法可以包括以下步骤：(1)提供至少具有第一组分和第二组分的气体混合物，所述第一组分为所述气体混合物的第一百分比；(2)将所述气体混合物引入涡流路径，其中所述涡流路径实现所述第一组分与所述第二组分的至少部分分离；并且(3)从所述涡流路径俘获所述气体混合物的第一部分，所述第一部分包含所述第一组分并且所述第一组分为所述第一部分的第二百分比，其中所述第二百分比大于所述第一百分比。有利地，所述第一组分包括二氧化碳。优选地，所述第二组分包括烃和水的至少一种。有利地，所述第一组分包括二氧化碳并且所述第二组分包括甲烷。有利地，第一重量百分比是至少80%。有利地，第二重量百分比是至少90%。有利地，所述第一组分由具有第一分子量的分子组成并且所述第二组分由具有第二分子量的分子组成，并且其中所述第一分子量大于所述第二分子量。有利地，所述方法进一步包括将所述第一部分发送到油井中的步骤。有利地，所述方法进一步包括从所述涡流路径俘获所述气体混合物的第二部分的步骤，所述第二部分包括所述第二组分。优选地，所述第二组分是烃。优选地，所述方法进一步包括燃烧来自所述第二部分的所述烃以产生电能的步骤。根据本公开内容的另一个方面，提供了涡流诱导分离气体混合物的方法，其可以包括以下步骤：(1)提供包含二氧化碳和甲烷的气体混合物，所述二氧化碳占所述气体混合物的第一重量百分比；(2)将所述气体混合物引入涡流路径，其中所述涡流路径实现所述二氧化碳与所述甲烷的至少部分分离；并且(3)从所述涡流路径俘获所述气体混合物的第一部分，所述第一部分包含二氧化碳，所述二氧化碳占所述第一部分的第二重量百分比，其中所述第二重量百分比大于所述第一重量百分比。根据本公开内容的又另一个方面，提供了通过液化将气体从气体混合物中分离的方法。所述方法可以包括以下步骤：(1)提供至少具有第一组分和第二组分的气体混合物，所述第一组分形成所述气体混合物的第一重量百分比；(2)将所述气体混合物加压以形成液态部分和气态部分，所述第一组分形成所述液态部分的第二重量百分比，所述第二重量百分比大于所述第一重量百分比；并且(3)将所述液态部分与所述气态部分分离。根据本公开内容的另一个方面，提供了分离方法，其包括以下步骤：(1)提供包含二氧化碳和甲烷的气体混合物，所述二氧化碳占所述气体混合物的第一重量百分比；(2)将所述气体混合物加压以形成液态部分和气态部分，所述二氧化碳占所述液态部分的第二重量百分比，所述第二重量百分比大于所述第一重量百分比，并且(3)将所述液态部分与所述气态部分分离。有利地，所述第一组分包括二氧化碳。优选地，所述第二组分包括烃和水的至少一种。有利地，所述第一重量百分比是至少80%。有利地，所述第二重量百分比是至少90%。有利地，所述加压步骤包括将所述气体混合物加压至至少1000psi的压力。有利地，所述方法进一步包括将所述液态部分发送到油井中的步骤。有利地，所述气态部分包括所述第二组分，并且其中所述第二组分是烃。优选地，所述方法进一步包括燃烧所述烃以产生电能的步骤。有利地，所述加压步骤包括将所述气体混合物泵入压力容器。通过下面的详述、附图和所附的权利要求书，公开的分离系统和方法的其它实施方式将变得明白。附图说明图1是公开的二氧化碳分离系统的一个实施方式的示意性工艺流程图。图2是用作图1分离系统的分离单元的涡流分离器的透视图。图3是用作图1分离系统的分离单元的压力容器的侧面截面正视图。图4是描述公开的二氧化碳分离方法的一个实施方式(涡流法)的流程图。图5是描述公开的二氧化碳分离方法的另一个实施方式(液化法)的流程图。具体实施方式参考图1，公开的二氧化碳分离系统的一个实施方式——一般指定为10——可以包括分离单元12和工艺气体(processgas)源14。系统10可额外包括泵16、第一容器18和第二容器20。工艺气体源14可以是气体混合物的源。气体混合物可以是能够通过分离单元12以下面进一步详细描述的方式被分离为至少两份(或部分)的任何气体混合物。气体源14供应的气体混合物可以包含两种或更多种组分气体。在第一种表达中，供应的气体混合物可以包含三种组分气体。在第二种表达中，供应的气体混合物可以包含四种组分气体。在第三种表达中，供应的气体混合物可以包含五种组分气体。在第四种表达中，供应的气体混合物可以包含六种或更多种组分气体。气体混合物的组分气体可以是标准温度和压力下(即，在0℃和1巴下)的气体。然而，本领域技术人员将明白，在不偏离本公开内容范围的情况下，气体混合物的温度和压力可由于各种原因(例如，源14处的温度和压力条件)而变化。考虑随着气体混合物经过系统10在其中存在液相和/或固相，并且不会造成偏离本公开内容的范围。在公开的系统10的一个具体应用中，气体源14可以是油井，并且供应到分离单元12的气体混合物可以是来自于油井的油气分离器的气态流出物。当油井经受使用二氧化碳的提高采收率法采油(“EOR”)过程时，从气体源14获得的气体混合物可以主要是二氧化碳，并且有显著浓度的其它组分，比如水蒸气和烃。气体混合物的烃组分可以主要是甲烷，但也可以包含较长链烃，比如乙烷、丙烷、丁烷和戊烷。作为一个实例，油井(源14)供应的气体混合物可以包含按重量计至少80%的二氧化碳，余量为其它组分比如水蒸气和烃。作为另一个实例，油井(源14)供应的气体混合物可以包含按重量计至少85%的二氧化碳，余量为其它组分比如水蒸气和烃。作为另一个实例，油井(源14)供应的气体混合物可以包含按重量计至少90%的二氧化碳，余量为其它组分比如水蒸气和烃。作为又另一个实例，油井(源14)供应的气体 混合物可以包含按重量计至少95%的二氧化碳，余量为其它组分比如水蒸气和烃。气体源14可以通过流体管线22与分离单元12流体连通。可以在流体管线22上提供泵16以促进气体混合物从气体源14转移至分离单元12。可以控制泵16以便控制供应到分离单元12的气体混合物的压力。对此，本领域技术人员将明白可以从气体源14以相对高的压力接收气体混合物，特别是当气体源14是油井时。因此，可不需要或不期望由泵16进行额外加压。分离单元12可以通过流体管线22接收气体混合物，并且可以将气体混合物分离为至少第一部分23和第二部分25。分离单元12可以使用在下面进一步详细描述的各种技术，比如涡流分离和液化，以实现将气体混合物分离为至少第一部分23和第二部分25。可以通过流体管线24将来自分离单元12的第一部分23发送至第一容器18。第一容器18可以是集油油轮、运输油轮等等。可以通过流体管线28将第一部分23从第一容器18发送至各种下游应用30。例如，当从油井采收气体混合物并且第一部分23是基本上纯化的二氧化碳时，下游应用30可以是油井应用，比如EOR。可以通过流体管线26将来自分离单元12的第二部分25发送至第二容器20。第二容器20可以是集油油轮、运输油轮等等。可以通过流体管线32将第二部分25从第二容器20发送至各种下游应用34。例如，当从油井采收气体混合物并且第二部分25包括与二氧化碳分离的烃时，下游应用34可以是能够将烃转化成电能(例如，通过燃烧)的发电机。参考图2，在公开的二氧化碳分离系统的一种实现中，分离单元12可以是(或者可以包含)涡流分离器40。涡流分离器40可以是能够使气体混合物（流体管线22）经受涡流以便将气体混合物分离为至少第一分部23和第二部分25的任何装置或系统。因此，涡流分离器40可配置用于通过流体管线22接收气体混合物并且使得气体混合物在涡流路径中行进。通过流体管线22供应的气体混合物的至少两种组分气体可以具有足以促进涡流诱导分离的分子量差别。作为第一个实例，气体混合物的至少一种组分气体可以具有为气体混合物另一种组分气体的分子量的至多70%的分子量。作为第二个实例，气体混合物的至少一种组分气体可以具有为气体混合物另一种组分气体的分子量的至多60%的分子量。作为第三个实例，气体混合物的至少一种组分气体可以具有为气体混合物另一种组分气体的分子量的至多50%的分子量。作为第四个实例，气体混合物的至少一种组分气体可以具有为气体混合物另一种组分气体的分子量的至多40%的分子量。作为第五个实例，气体混合物的至少一种组分气体可以具有为气体混合物另一种组分气体的分子量的至多37%的分子量。当从油井中采收气体混合物并且气体混合物主要由二氧化碳组成时，如上所述，第一部分23可以是基本纯化的二氧化碳，并且第二部分25可以包含较轻分子量的组分，比如水蒸气和甲烷。作为一个实例，第一部分23可以包含按重量计至少95%的二氧化碳。作为另一个实例，第一部分23可以包含按重量计至少96%的二氧化碳。作为另一个实例，第一部分23可以包含按重量计至少97%的二氧化碳。作为另一个实例，第一部分23可以包含按重量计至少98%的二氧化碳。作为又另一个实例，第一部分23可以包含按重量计至少99%的二氧化碳。不限于任何具体的理论，认为使气体混合物经受涡流可以使得气体混合物的相对较高分子量的组分(例如，二氧化碳)通过涡流分离与相对较低分子量的组分(例如，水蒸气和甲烷)分离。在涡流分离期间，较重组分的较大动量可促使较重组分相对于较轻组分径向向外，从而提供了将较重组分与较轻组分分离的机会。另外，不限于任何具体的理论，认为依照焦耳-汤姆孙效应，气体混合物随着其在涡流分离器40中膨胀而冷却可进一步促进从气体混合物中分离至少一种组分。例如，气体混合物的充分冷却可以造成二氧化碳的相改变(例如，变为液态)，同时气体混合物的其它组分保持为气相，从而使分离简化。进入涡流分离器40的气体混合物的温度、压力和流量可以是可控的参数，并且可被控制以实现期望的分离。在一种构造中，涡流分离器40可以是静态的装置或系统。静态的涡流分离器40可基本上没有移动部件，并且可配置用于基于涡轮分离器40的形状和构造以及气体混合物通过流体管线22进入涡流分离器40的角度和方向实现气体混合物的涡流。作为一个具体的但非限制性的实例，涡流分离器40可配置为具有大致截头圆锥形主体42的静态旋风分离器，其具有锥形的第一端44和较宽的第二端46。主体42的第一端44可以限定与流体管线24连接的第一出口48。主体42的第二端46可以包括入口50和第二出口52。可布置入口50使得气体混合物周向地进入主体42，从而将气体混合物引入涡流路径。第二出口52可以与主体42轴向地对齐，并且可以相对于主体42大致居中。第二出口52可以包括至少部分地轴向延伸进主体42中的管子或类似物。因此，随着气体混合物通过入口50进入涡流分离器40的主体42，气体混合物可以膨胀(冷却)并且可被推进入涡流路径中。气体混合物可以分离为可通过流体管线24离开涡流分离器40的第一部分23和可通过流体管线26离开涡流分离器40的第二部分25。在另一种构造中，涡流分离器40可以是动态的装置或系统。动态的涡流分离器40可以包含风扇叶片、叶轮、涡轮或类似物，其可以或可以不与轴相连接并且通过电机驱动，而且其可以促使气体混合物进入涡流路径中。也考虑使用动态涡流分离器和静态涡流分离器二者。参考图3，在公开的二氧化碳分离系统的另一种实现中，分离单元12可以是(或可以包括)压力容器60，在其中可以增加气体混合物的压力以实现液化。具体而言，通过增加压力容器60内气体混合物的压力，气体混合物可以分离为至少第一部分62和第二部分64。第一部分62可以处于液相并且第二部分64可以处于气相。第一部分62可以通过流体管线24离开压力容器60并且第二部分64可以通过流体管线26离开压力容器。压力容器60可以是能够在高压容纳气体混合物的任何容器。在一种构造中，压力容器60可以能够耐受至少80atm的压力。在另一种构造中，压力容器60可以能够耐受至少90atm的压力。在另一种构造中，压力容器60可以能够耐受至少100atm的压力。在另一种构造中，压 力容器60可以能够耐受至少150atm的压力。在又另一种构造中，压力容器60可以能够耐受至少200atm的压力。当从油井中采收气体混合物并且气体混合物主要由二氧化碳组成时，如上所述，第一部分62可以是基本纯化的二氧化碳，并且第二部分64可以包含较轻分子量组分，比如水蒸气和甲烷。作为一个实例，第一部分62可以包含按重量计至少95%的二氧化碳。作为另一个实例，第一部分62可以包含按重量计至少96%的二氧化碳。作为另一个实例，第一部分62可以包含按重量计至少97%的二氧化碳。作为另一个实例，第一部分62可以包含按重量计至少98%的二氧化碳。作为又另一个实例，第一部分62可以包含按重量计至少99%的二氧化碳。在压力容器60内实现液化所需的压力可以取决于各种因素，包括气体混合物的组成以及构成气体混合物的各种组分的浓度。当从油井中采收气体混合物并且气体混合物主要由二氧化碳组成时，如上所述，相对低的压力可以足以实现液化。与许多其它气体比如烃相比，二氧化碳以相对低的分压冷凝成液体。例如，纯二氧化碳可以以大约1000psi(68atm)冷凝成液体。作为另一个实例，含有按重量计大约90%的二氧化碳(余量为甲烷)的气体混合物可以以大约1300psi(88atm)进行液化。因此，不限于任何具体的理论，认为液化可以是相对低成本的从气体混合物中分离二氧化碳的方法，特别是当气体混合物包含相对高浓度的二氧化碳时，这是因为实现液化所需的压力相对低。因此，可将压力容器60加压至足以冷凝气体混合物的至少一种组分(例如，二氧化碳)的压力。在一种变型中，可将压力容器60加压至至少1000psi(68atm)的压力。在另一种变型中，可将压力容器60加压至至少1300psi(88atm)的压力。在另一种变型中，可将压力容器60加压至至少1400psi(95atm)的压力。在另一种变型中，可将压力容器60加压至至少1600psi(109atm)的压力。在另一种变型中，可将压力容器60加压至至少1800psi(122atm)的压力。在又另一种变型中，可将压力容器60加压至至多2000psi(136atm)的压力。还公开了将气体混合物分离为第一部分和第二部分的方法。公开的分离方法可用于从例如油井的油气分离器的气态流出物中分离二氧化碳，不过也考虑公开方法的各种其它应用。参考图4，公开的分离气体混合物的方法的一个实施方式——一般指定为100——可以在方框102开始于获得气体混合物的步骤。如上所述，气体混合物可以是在EOR期间从油井中采收的含二氧化碳的混合物。也考虑使用其它气体混合物。如方框104处所示，可将气体混合物引入涡流路径。各种装置和系统可用于对气体混合物施加涡流。例如，可以使用静态或动态的涡流分离器。随着气体混合物处于涡流中，气体混合物的第一部分(例如，含二氧化碳的部分)可与第二部分(例如，含轻质烃的部分)分离，如方框106处所示。在分离之后，第一部分可被发送至第一容器(方框108)并且第二部分可被发送至第二容器(方框110)。任选地，比如通过使用串联的多个涡流分离器，可以将方框104和106中所示的步骤重复一次或多次，以便进一步纯化第一部分、第二部分或这两个部分。参考图5，公开的分离气体混合物的方法的另一个实施方式——一般指定为200——可以在方框202开始于获得气体混合物的步骤。如上所述，气体混合物可以是在EOR期间从油井中采收的含二氧化碳的混合物，并且可以具有相对高浓度(例如，按重量计80%或更多)的二氧化碳。也考虑使用其它气体混合物。如方框204中所示，可将气体混合物加压至足以形成液相和气相的压力。例如，通过将气体混合物泵入压力容器可以使气体混合物加压以便达到期望的压力。随着气体混合物被加压，气体混合物的液态第一部分(例如，含二氧化碳的部分)可以与气态第二部分(例如，含轻质烃的部分)分离，如方框206处所示。在分离之后，第一部分可被发送至第一容器(方框208)并且第二部分可被发送至第二容器(方框210)。因此，公开的系统和方法可以促进气体混合物的一个或多个组分(例如，二氧化碳)与气体混合物的一个或多个其它组分分离并且不消耗 (例如，燃烧)任何组分。因此，分离的第一和第二部分可用于各种下游应用，比如EOR和发电。虽然已经显示和描述了公开的二氧化碳分离系统和方法的各种实施方式，但本领域技术人员在阅读该说明书之后可以想到改型。本申请包含这些改型并且仅受权利要求的范围限制。