用于气体分离的方法和系统的制作方法
【专利说明】用于气体分离的方法和系统
[0001]优先权声明
[0002]本申请要求2013年6月14日提交的美国申请N0.13/918，657的优先权，通过引用将其内容全部并入本文中。
技术领域
[0003]本公开内容一般性地涉及用于气体分离的方法和系统。更特别地，本公开内容涉及用于将二氧化碳与天然气或合成气流分离的方法和系统。
[0004]背景
[0005]除其它原因外，二氧化碳(C02)与含有氢气或烃的不纯气流分离和脱除是改进气体产物的热值以及满足关于0)2俘获的适用环境方针想要的。0)2与氢气或轻质烃(即烃)之间的大量性能区别用作气体分离的潜在基础。这些区别包括溶解度、水溶液中的酸度以及分子大小和结构。因此，可能的分离依赖于例如物理或化学吸收到液体溶剂中或者用固体吸收剂的变压吸收。
[0006]液体溶剂吸收(即“湿”)体系例如常用于气体分离以除去次要量的C02。该污染物优先吸收在物理溶剂如聚乙二醇的二甲基醚或者化学溶剂如链烷醇胺或碱金属盐中。随后通过压力基分离方法将所得富(即“载有”)C02的溶剂再生以回收C02和再生溶剂，所述再生溶剂可再循环以进一步用于吸收中。溶剂再生通常在相对于上游吸收压力降低的压力下进行以促进吸收的0)2从溶剂中蒸发。溶剂吸收和溶剂再生通常在包含填料、泡罩板或其它蒸气-液体接触装置的不同塔中进行以改进相之间的质量传递效率。co2可以以多于一个料流，例如以多个压力基分离器的蒸气馏分回收。
[0007]化学溶剂，特别是胺和其它碱性化合物与污染物C02，酸性气体反应形成污染物-溶剂化学键。在热力学有利的酸-碱反应期间，相当的能量释放与该键形成有关。由于打破作为化学反应产物形成的热稳定盐的键所需的实质性热输入，化学溶剂不能经济地再生。另一方面，物理溶剂不与气体污染物化学反应，而是基于不纯气体中在其分压下的较高污染物平衡溶解度(即较高的亨利定律常数)促进物理吸收。
[0008]由于溶剂再生的容易性，保持对不纯气流呈非化学反应性的物理溶剂因此在气体分离系统中是理想的。然而，物理溶剂的一个缺点是它们倾向于连同C02—起同时吸收少量烃。当随后使溶剂再生时，烃与co2—起从溶剂中释放出来，产生不纯的C02产物。因此，现有技术系统要求不纯的0)2再循环返回吸收塔中。该不纯C02再循环必需吸收塔尺寸的提高、溶剂循环速率的提高、系统冷却需求的提高和溶剂总量的提高，这都提高所用辅助设备和材料方面的系统操作成本。
[0009]因此，理想的是提供降低或消除对不纯0)2再循环的需要的用于将C02与包含氢气和烃的气流分离的系统和方法。进一步理想的是提供降低输入成本如效用成本和材料成本的这类系统和方法。此外，本公开内容的其它理想特征和特性从随后的详细描述和所附权利要求书，连同附图和该公开内容背景中获悉。
[0010]概述
[0011]公开了用于气体分离的系统和方法。在一个示例实施方案中，气体分离方法包括步骤:使包含产物气体和杂质气体的进料气流与液相吸收溶剂接触，和将进料气流中的杂质气体和一部分产物气体吸收到液相吸收溶剂中。该示例方法进一步包括步骤:使液相吸收溶剂经受第一减压环境以将一部分产物气体和一部分杂质气体从液相吸收溶剂中除去，和将一部分产物气体与一部分杂质气体分离。
[0012]在另一示例实施方案中，用于气体分离的系统包括:吸收分离装置，其配置用于使包含产物气体和杂质气体的进料气流与液相吸收溶剂接触以将一部分产物气体和杂质气体吸收到液相吸收溶剂中。系统进一步包括:第一压力基分离装置，其配置用于使液相吸收溶剂经受第一减压环境以将一部分杂质气体和一部分产物气体从液相吸收溶剂中除去。又进一步，系统包括:膜分离装置，其配置用于将一部分产物气体与一部分杂质气体分离。
[0013]附图简述
[0014]下文连同以下附图一起描述气体分离系统和相关方法，其中类似的数字表示类似的构件，且其中:
[0015]图1为阐述根据本公开内容的各个实施方案在气体分离系统上执行的方法的工艺流程图；
[0016]图2为适用于图1所述在气体分离系统上执行的方法的示例膜分离系统；和
[0017]图3为适用于图1所述在气体分离系统上执行的方法的可选膜分离系统。
[0018]详述
[0019]以下详细描述在性质上仅为示例，且不意欲限制所公开实施方案的公开内容或应用和用途。本文所述气体分离系统和相关方法的所有实施方案和执行为示例实施方案，其用于使本领域技术人员能够做出或者使用它且不限制由权利要求书限定的其范围。此外，不意欲受先前的技术领域、背景、概述或以下详细描述中呈现的任何明确或暗示的理论束缚。
[0020]本公开内容的实施方案一般性地涉及气体分离方法，其中将作为不纯进料气体的次要组分存在的污染物选择性地吸收到溶剂中。该方法有利地回收净化产物气流中明显部分的不纯进料气体组分，包括污染物。代表性杂质气流包括包含氢气(?)和/或轻质烃(例如(；-(:3烃如甲烷、乙烷和丙烷)和非烃气体污染物如二氧化碳(C02)的那些。这类气流的实例包括通常衍生自含碳材料气化或蒸汽重整的合成气体和通常衍生自陆地来源的天然气。天然气和合成气体料流通常包含污染含量，即10体积％或更少的量，例如1%至10体积％ (其余90体积％或更多由氢气和/或上述烃气体占据)或者5体积％或更少的量的C02。为了简化，下文关于该氢气和/或烃和co2体系描述说明性实施方案，其中后一种组分以污染含量存在，但应当理解本公开内容宽泛地适用于杂质气体与不纯气体进料分离，其中以次要量存在的杂质气体优先吸收到液体溶剂，特别是物理溶剂中。
[0021]本文公开的实施方案进一步使用膜分离系统将由用于将C02与包含氢气和/或烃的气流分离的物理溶剂再生而产生的不纯C02产物中的烃与C02分离。通过在从溶剂中释放以后将烃杂质与0)2产物分离，不必使任何不纯C02产物再循环返回吸收塔中。这又降低吸收塔的所需尺寸并进一步降低操作系统所需的辅助设备和材料成本。发现所述实施方案特别用于合成气体和天然气加工和提纯应用中，但其它执行也是可能的。
[0022]现在参考图1，其为阐述根据本公开内容的各个实施方案在气体分离系统100上执行的方法的工艺流程图。如所示，将包含氢气和/或烃和污染含量的C02的不纯进料气流102供入逆流吸收分离(或“吸收”)塔152中。不纯进料气流102在15°C (60° F)至65°C (150。F)的温度和 21barg(300psig)至 1500barg(100psig)的压力下提供。在吸收塔152中，不纯进料气体向上流过填充床，在那里它与向下流动的液相物理溶剂接触。代表性物理溶剂包括聚乙二醇的二烷基醚如聚乙二醇二甲醚、碳酸亚丙酯、磷酸三丁酯、甲醇、四氢噻吩二氧化物(或环丁砜)。其它可能的物理溶剂包括烷基-和链烷醇-取代的杂环烃，例如链烷醇吡啶(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)。气相与液相之间的接触在它们各自通过填充床时增强，在那里主要C02以及一些烃和其它气体从气相转移至液相(即气体吸收到液相溶剂中)。处理的包含氢气和/或烃的气体通过塔顶部的去夹带装置，在那里它作为氢气和/或烃产物流136离开系统100。
[0023]在与不纯进料气体接触以后，在塔底部收集的来自C02吸收塔152的溶剂部分或完全“富含”或“载有”(即吸收)C02。富0)2溶剂料流104在塔152的底部离开并送入第一压力基分离系统如第一闪蒸分离罐154中。在第一闪蒸分离罐154中，使富0)2溶剂经受第一减压环境以导致一些溶解的C02和任何溶解的烃转移至气相中。第一闪蒸分离罐154通常在小于或等于27barg(400psig)(例如2barg (30psig)至27barg (400psig))的压力下操作。在一个实施方案中，闪蒸分离罐154在21barg(300psig)至27barg(400psig)的压力下操作。
[0024]主要包括0)2和一些烃杂质的分离顶部气流106从第一闪蒸分离罐