用于从包含氮和甲烷的混合流中分离出氮的方法及设备的制作方法

专利名称：用于从包含氮和甲烷的混合流中分离出氮的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及从包含氮和甲烷的混合流中分离出氮的方法及其设备。
背景技术：
已知了若干种用于从包含氮和甲烷的混合流中移出氮的方法和设备，诸如闪蒸液化天然气流。从混合流中移出氮的一个原因可能是为了根据具体的气体类别或消费者的要求得到具有期望的加热值(即，在气体燃烧时能量的含量)的天然气。已知的一种用于从包含氮和甲烷的混合流中移出氮的方法在美国专利公开 2008/282885中公开。该美国专利公开2008/282885公布了一种用于从包含第一重气体组分(诸如氮)和第二较轻气体组分(诸如甲烷)的混合气体中分离出第一重的气体组分 (诸如氮)的方法。该第一重的气体组分以整体平行通道接触器的形式被微孔吸收剂所吸收。美国专利公开2008/282885公布了将吸收剂层涂覆到由非吸收材料构成的预制整体的通道上，以用于变热吸收过程。还讨论了有必要也施加陶瓷或金属釉或溶液-凝胶涂层以密封通道的壁，从而防止流经通道的气体进入预制整体的主体中。整体接触器还可设置有可用于加热/冷却吸收剂的通路或分离通道。包括涂覆有吸收剂的通道的这种预制整体的设置可能不得不被上釉以防止气体进入整体的主体并保持加热和冷却通路或通道的流体分离，该设置需要复杂的构造过程， 从而导致接触器价格更昂贵，并且假若分离加热和冷却通道的涂层失效，则增加了操作困难的可能性。

发明内容
在第一方面，本发明提供了一种用于从包含氮和甲烷的混合流中分离出氮的方法，该方法至少包括以下步骤(a)提供由活性炭的单一构造形成的整体吸附接触器，所述接触器容纳贯穿整体吸附接触器的一条或多条分离流动通道，所述一条或多条分离流动通道具有通入所述接触器的至少一个入口和来自所述接触器的至少一个出口，所述一条或多条分离流动通道限定了整体吸附接触器的一个或多个第一内表面，所述接触器还包括设有屏障层的一个或多个第一外表面，所述第一外表面与所述第一内表面不同；(b)使混合流经由所述至少一个入口通入至少一条所述一条或多条分离流动通道中；(c)在低于或等于-60°C的温度下经由至少一条所述一条或多条分离流动通道中的所述一个或多个第一内表面将甲烷吸附到吸附接触器中，以便在所述至少一个出口处提
供富氮流；(d)中断混合流通过接触器的通路；(e)通过下述方式使接触器再生在设有屏障层的所述一个或多个第一外表面上将接触器与热交换流体接触，以将接触器加热到-60°C以上的温度，从而使甲烷脱附并提供冷的热交换流体流；(f)从来自接触器的所述至少一个出口回收脱附的甲烷，作为富甲烷流；其中屏障层用来提供防止热交换流体通入整体吸附接触器中的流体屏障。另一方面，本发明提供一种用于从包含氮和甲烷的混合流中分离出氮的设备，该设备至少包括-混合流源，该混合流源在混合流管线中包含处于低于或等于-60°C温度的甲烷和氮；-暖的热交换流体流管线中的暖的热交换流体流源；-冷的热交换流体流管线中的冷的热交换流体流源；-由活性炭的单一构造形成的整体吸附接触器，所述接触器容纳贯穿整体吸附接触器的一条或多条分离流动通道，所述一条或多条分离流动通道具有与混合流管线流体连通的至少一个入口和与富氮流管线流体连通的至少一个出口，所述一条或多条分离流动通道限定了整体吸附接触器的一个或多个第一内表面，所述接触器还包括一个或多个第一外表面，所述第一外表面与所述第一内表面不同，并且与所述暖的热交换流体流管线和所述冷的热交换流体流管线进行热交换连通；-屏障层，所述屏障层设在所述一个或多个第一外表面上，以提供防止热的热交换流体和冷的热交换流体通入整体吸附接触器中的流体屏障。


现在将参照所附的非限制性附图仅通过举例的方式来描述本发明的实施例，附图中图1显示出整体吸附接触器的示意图；图2显示出整体吸附接触器在根据本发明一个实施例的方法中的示例性应用的一个实施例；图3显示出根据本发明的一个实施例的一种典型处理方案的一个实施例；图4显示出用于根据本发明的一个实施例的整体吸附接触器的再生的典型处理流的一个实施例。为描述的目的，一个参考数字被分配给一条管线以及承载在该管线中的流。相同的参考数字表示相似的部件、流或管线。
具体实施例方式在此提出了一种用来从包含氮和甲烷的混合流中分离出氮的方法，该方法使用由活性炭的单一构造形成整体吸附接触器，其不需要带吸收剂涂层的预制整体，或者不需要进行处理以密封通道壁。图1显示出一种典型的整体吸附接触器2。它是由吸收材料(例如，活性炭)的单一构造形成的，而且它设置有屏障层2f。接触器容纳贯穿整体吸附接触器2的一条或多条分离流动通道加。如图1所示，分离流动通道贯穿整体吸附接触器2的端面2g。分离流动通道中的一条或多条具有至少一个入口 Ob)以允许混合流进入流动通道加。在另一侧
5上，有至少一个出口(未示出)。一条或多条分离流动通道加限定了整体吸附接触器2的一个或多个第一内表面2d。接触器2还包括与第一内表面2d不同的一个或多个第一外表面加。一个或多个第一外表面加的至少一部分设置有屏障层2f。为清楚起见，图1中的屏障层2f显示为被部分移除，以部分地露出整体吸附接触器2的外表面2e。由如在此所使用的活性炭的单一构造形成的整体吸附接触器2是有利的，这是因为活性炭的热膨胀系数小。这允许在很宽的温度范围内使用温度变动吸附将氮从混合流中分离出，同时使在加热和冷却过程中由接触器的热膨胀和收缩所引起的任何问题最小化。而且，用于以特定的流动速率从具有选定百分比含量的甲烷的混合流中将甲烷与氮分离开的变热过程所需要的吸附剂的量显著低于传统变热吸附构造。接触器通过吸附混合流中的甲烷成分的至少一部分以提供富氮流进行操作。然后，被吸收的甲烷组分可随后从接触器中脱附，以提供富甲烷流。在此所使用的术语“吸附” 用于指吸附和吸收之一或两者。在一个优选实施例中，对于活性炭吸收剂来说，一种分子或吸附物(诸如甲烷)比第二种分子或吸附物(诸如氮)具有更优的亲和力。将整体吸附接触器暴露于热交换流体中以提高其温度可促进脱附。在允许混合流进入分离流动通道之前(和/或同时)，热交换流体还可用于将整体吸附接触器带到低温。在本公开的上下文中，“暖的热交换流体”可以指进入整体吸附接触器以对其加热的热交换流体，或者它可以指使整体吸附接触器冷却所产生的热交换流体(在这种情况下，在它进入整体吸附接触器时，它的温度要高于初始的热交换流体)。类似地，“冷的热交换流体”可以指用来使整体吸附接触器变暖所产生的热交换流体，或者它可以指进入整体吸附接触器以对其冷却的热交换流体。因此，根据热交换流体与整体吸附接触器热交换的结果是被变暖还是被冷却，整体吸附接触器能够分别形成热的热交换流体流源的一部分和冷的热交换流体流源的一部分。因此，该方法还可在步骤(C)之前包括一个可选的步骤通过将一个或多个第一外表面中的至少一个经由屏障层冷的热交换流体流接触来使接触器冷却，从而产生热的热交换流体流。在准备进行吸附步骤(C)时，在再生步骤(e)中从接触器中移出的冷能量可返回到冷的接触器中。这样，通过使吸附剂被再生时所释放的冷能再循环以便随后冷却接触器， 而使得步骤(a)到(f)的吸附循环的能量需求最小化，从而提供更加有效率的分离方法。这可与变热吸附法形成对比，变热吸附法通过加热元件来升高接触器的温度，这种方法可能导致接触器在吸附温度下损失冷能量。在此所描述的用于整体接触器的活性炭单一构造促进更加有效率的能量转换以便加热或冷却接触器。用来加热或冷却接触器的任何能量将改变活性炭吸附剂的温度，以及显著减小的能量被损失以改变相关联部件的温度，该相关联部件比如是壳式接触器或管式接触器或者陶瓷的预制整体或者金属的预制整体。在本方法和设备中使用的整体吸附接触器与现有技术的那些方法和设备相比具有简单的结构。它不需要密封流体通道以使它们对于混合流和/或热交换流体来说是不能渗透的。它也不需要使用提前预制整体，在预制整体中，吸附剂必须应用到分离流动通道中。替代的是，屏障层设置在整体的一个或多个第二外表面上。将屏障层施加在整体外表面与将屏障层施加在分离流动通道的内表面相比是一种简单的工艺，并且减小了屏障层在操作过程中失效的可能性。接触器的单一构造与非单一结构或者预制整体相比也是有利的，因为它减小分离方法的能量需求，非单一结构例如是微流量反应器(诸如壳式反应器或管式反应器)，其在管子中容纳特定的吸附剂，预制整体在分离流动通道上具有吸附剂涂层。这些现有技术的结构包括非吸附性部件(诸如金属壳式和管式反应器，或者金属预制整体或陶瓷预制整体)，这些结构也必须在变温吸收过程中被加热或冷却，从而需要额外的能量。在此所描述的吸附剂是活性炭。活化炭或活性炭由一种已被处理以为其提供大表面积的炭形成，其对于吸附分子个体可以是有效的。对于吸附有效的BET表面积可超过 500平方米/克，这是通过现有技术所已知的BET表面积测量方法确定的，诸如氮的吸附性在液态氮温度下使用P/P。(相对压力/蒸汽压力)为0. 08,0. 14,0. 20的多点压力进行测定，使用的吸收分析仪例如是美国麦克仪器公司的TriStar 3000。BET表面积测定法已经在 Brunauer, S. Emmett, P.H.&Teller, Ε. in "Adsorption of gases in multimolecular layers (多分子层中的气体吸附)” J. Am. Chem. Soc. 60，pp. 309-319(1938)中提出和描述。整体吸附接触器的单一构型优选主要由活性炭或可选的其它吸附剂以及生产过程中偶然的杂质组成。更优选地，整体吸附接触器的单一构型主要由活性炭以及生产过程中偶然的杂质组成。因此，这种整体接触器在结构上与现有技术的那些接触器不同，现有技术的那些接触器由金属或陶瓷材料的预制的整体形成，具有涂覆有活性炭的通道。整体吸附接触器可具有任何期望的形状，诸如棒形，三棱柱形，四棱柱等。棒形接触器是优选的，因为这些接触器最容易结合到分离单元中。接触器包括一条或多条分离流动通道。优选地，该分离流动通道沿着它的最长尺寸(纵向)延伸通过接触器。流动分离通道为大致线性的。流动分离通道可具有各种横截面，诸如环形、三角形、四边形、五边形、六边形、七边形、八边形等。流体通道沿其长度的一个或多个壁限定了接触器的第一内表面。接触器还包含一个或多个外表面，诸如棒形接触器的管状纵向表面和两个圆形端表面，或者三棱柱形接触器的三个矩形纵向表面和两个三角形端表面。这些外表面中的一个或多个的至少一部分设有(适当地覆盖有)屏障层(诸如环氧树脂涂层)，以便提供具有屏障层的一个或多个第一外表面。如下文所讨论，屏障层用于提供流体屏障，以减小(更优选防止)热交换流体传送到接触器的主体中。结果，明显的是，热交换流体应该仅仅被提供给接触器的具有屏障层的那些外表面。由活性炭的单一构造形成的整体吸附接触器例如可由诸如N0VACARB (MAST Carbon Technology, Guildford, UK)酚醛树脂制成。整体可通过下述方式来提供在通过挤、压和/或模制的方法形成期望的三维形状之前，受控的固化，其后通过磨制和分级以提供期望的宏观结构，随后是炭化和活化步骤。在下述文章中公开了一种合适的制备方法 "Phenolic-resin-derived activated carbons (由酚醛树脂生成的活性炭)”，Applied Catalysts A =General 173(1998)，pages 289-311。已经发现使用以上所讨论的极其简单的方法和/或设备提供从混合流中高效率地分离出一种或多种烃组分(诸如甲烷)。其提供富氮流，该富氮流更容易被处理，如排放到大气中，而无需任何处理或任何大量的进一步处理。以上所讨论的方法和/或设备在吸附甲烷和其它较重的烃组分之后，可通过使整
7体吸附接触器再生提供富甲烷流(或贫氮流)以用于续使用。富甲烷流可比原始的混合流更高效率地使用。例如，富甲烷流(是贫氮流而且可主要包括甲烷和一种或多种其它烃) 的再压缩由于氮含量减小而更加有效率地进行。任何这些被压缩的烃可例如被用作燃料或烃产品。替代地，富甲烷流可被液化以提供液化的烃流，诸如液化天然气(LNG)。这样，可显著降低后续处理富甲烷流的资本支出(CAPEX)和运转成本。另外，由于在此公开的方法和/或设备的简单性和高效率，期望其与已知的生产线设备(line-ups)相比有很强的坚固耐用性。图2显示出用于在此公开的方法和/或设备中的如图1所示的典型整体吸附接触器2的第一实施例。接触器以纵向横截面显示。包含氮和甲烷的混合流40经过混合流减压装置45 (诸如所示的阀和/或液压涡轮机)到达整体吸附接触器2。氮要从其中分离出的混合流40可以是任意气态的、液态的或者部分冷凝或蒸发的流，适当地源自天然，更优选地是源自液化天然气的流，适当地呈闪蒸蒸气流的形式。如本领域所已知的，液化天然气流可以具有各种组成。通常，要被蒸发或闪蒸的液化天然气流主要包含甲烷，例如包含至少60-65mOl% (摩尔百分数)甲烷。闪蒸蒸气通常富含具有一些较低沸腾温度的组分，而且甲烷含量可在40mOl%至70mOl%之间，更为典型地，甲烷含量为40mOl%至60mOl%之间，这取决于诸如氮的低沸点组分的浓度。液化天然气流可包含不同含量的重于甲烷的烃，以及包含其它非烃化合物，诸如氮、氦和氢。任何重于甲烷的烃可与甲烷一起被活性炭吸附剂吸附。根据来源的不同，混合流40还可包含不同量的化合物，诸如水、二氧化碳、硫化氢及其它硫化物等。但是，如果混合流是被(预先)液化的混合流，诸如液化天然气，则后面的这些成分通常已经被基本上去除了，因为否则它们在液化过程中被冷冻，从而导致液化设备中的阻塞及相关问题。因为对于本领域技术人员来说对于液化步骤以及对于去除不期望组分(诸如水、二氧化碳和硫化氢)的步骤是公知的，所以在此不进行进一步讨论。形成整体吸附接触器2的活性炭用作甲烷吸附物及任何较重烃(如果存在的话) 的吸附剂。优选的是活性炭对甲烷吸附物的亲和力为活性炭对氮吸附物的亲和力的至少5 倍。吸附步骤在低于或等于_60°C的温度下进行。不希望受理论限制，认为活性炭对甲烷及任何其它较重烃组分的吸附亲和力在甲烷组分的露点大约100°c范围内是最佳的，例如在-165°C至-60°c范围内，优选地在-160°c至-60°c范围内。整体吸附接触器2可被混合流40本身(若其处于适合温度)冷却到吸附温度范围，并且/或者被外部的热交换流体(诸如制冷剂)冷却到吸附温度范围。作为对其的一种替代或补充，整体吸附接触器2可通过使冷的富氮流经过整体中的分离流动通道加而被冷却。优选的是使用尽可能更冷的富氮流。而且，富氮流中的残留甲烷也可以通过这种方式被吸附。已经发现整体2具有与气体流经过分离流动通道相关联的低压降，以使得富氮流更容易进行经过分离流动通道第二次通过。外部的制冷剂作为热交换流体的使用，或者是用于整体吸附接触器的全部冷却或者是补充冷却，将参照图4进行详细讨论。在接触器2冷却到吸附温度范围的至少一部分通过混合流40来提供的情况下， 混合流例如可以是来自液化单元的部分冷凝的液化天然气流，而且可以具有在-165°C 至-140°C之间的温度。如果混合流用于在吸附之前冷却接触器2，则流的该部分可被再循环到液化单元以用于在返回用于分离的现在被冷却的接触器2之前进行再液化。图2还显示出一条或多条分离流动通道2a，它们经过接触器2的主体。分离流动通道的壁2d因而由活性炭吸附剂组成。一旦接触器被冷却到吸附温度，混合流40流向一条或多条分离流动通道加的一个或多个入口 2b，适合经由可选的入口总管12流入。混合流中的甲烷的至少一部分将在经过分离流动通道加时经由内表面2d被接触器2吸收，该内表面由活性炭形成。混合流40在接触器内有停留时间，这使得能够吸收混合流40中的甲烷的至少一部分。停留时间是指混合流流过分离流动通道时所占用空间的内部容积除以混合流在所使用的温度和压力下流过该空间的平均体积流量。经由出口 2c及可选的出口总管13离开一条或多条分离流动通道加的流体是富氮流70，该富氮流甲烷和可选的较重烃贫乏。在一个优选实施例中，在接近或等于接触器2的吸附温度下提供混合流40，即，在低于或等于_60°C的温度下提供混合流40。如果在高于吸附温度的温度下提供混合流40， 则它将不得不被预冷却到吸附温度，或者接触器2将被冷冻以保持温度处于吸附范围内。 可由用于使接触器2变暖和冷却接触器2的热交换流体进行接触器2的冷冻，下文将进行详细讨论。当接触器2接近吸收剂全负载时(诸如存在甲烷或任何较重烃)，混合流减压装置 45可被关闭，从而中断混合流40继续流入接触器2。于是接触器2可被再生以释放所吸附的甲烷或任何较重烃组分，作为富甲烷流80。在流向接触器2的混合流40被中断之后且在再生之前，优选的是使净化流体流经过一条或多条分离流动通道2a。例如，净化流体流可沿着第一辅助管线75进入流体通道加的一个或多个入口 2b。净化流体可在脱附甲烷及任何较重烃组分之前从分离流动通道加移除混合流中的任何残留组分(诸如氮和未吸收的甲烷)。用过的净化流体流可经由出口 2c离开流体通道2a，而且通过第二辅助管线(未示出)从接触器2中移出。还可想到逆流的净化流体，其中净化流体流从流体通道出口 2c经由第二和第一辅助管线流向流体通道入口北。在可选的净化步骤之后，接触器2可通过变温吸收/吸附而再生。接触器2的温度被升高到低于或等于-60°C的甲烷吸收温度范围以上，以脱附甲烷及任何较重烃。脱附的组分可在出口 2c处离开一条或多条分离流动通道2a，并且作为富含甲烷流体80从分离器 2移出。富甲烷流也可流经可选的出口总管13。在一个优选实施例中，富甲烷流80在降低的压力下从接触器2中移出，以促进甲烷及任何较重烃吸附物的脱附。可选地，冲洗流体流(诸如富甲烷流本身)在可选的压缩之后，可经由接触器2的辅助输入管线75被供给到分离流动通道2a，以移出任何残留的脱附的烃。如果冲洗流体流不是由富甲烷流构成的，则它可从分离流动通道加的出口 2c经由辅助退出管线(未示出)移出，以便防止用冲洗流体污染富甲烷流80。热交换流体腔11可被设置成围绕接触器2的纵向外表面加，它可填充有热交换流体。暖的热交换流体100可经由暖的热交换流体管线100进入热交换流体腔或离开热交换流体腔，而冷的热交换流体110可经由冷的热交换流体管线110分别离开热交换流体腔和进入热交换流体腔。优选地，在热交换流体腔11内部的外表面加上的任何位置处存在屏障层2f。在接触器2是棒形的实施例中，热交换流体腔11可以是环形腔。
作为一个实例，接触器2的外表面加可限定管子，该管子被涂覆有屏障层2f。以这种方式，接触器2被暖的热交换流体100加热的外表面2e面积可被最大化，同时保持热交换流体与接触器2的环形端部2g分开，环形端部2g与分离流动通道加的一个或多个入口 2b和一个或多个出口 2c相邻。接触器2的温度可在脱附步骤期间通过接触器2在具有屏障层2f的一个或多个第一外表面2e处与热交换流体100接触而被升高。允许热交换流体与屏障层2f在其背离设置有屏障层2f的外表面2e的表面处接触。热交换流体流优选较暖，如优选具有比接触器2的温度高的温度。屏障层2f设置用于防止热交换流体到达接触器2的主体以及防止污染分离流动通道加。优选的屏障层是环氧树脂。将暖的热交换流体100供给到接触器2的外表面2e (设有屏障层2f)是有利的，这是因为它简化了接触器2的构造。将屏障层2f施加到接触器2的外表面2e是直接向前的过程。不必将屏障层施加到接触器2的所有外表面，只要可满足施加到可与热交换流体接触的那些表面即可。因此， 在图2所示的实施例中，不必将屏障层施加到与分离流动通道加的入口 2b和出口 2c相邻的端部外表面2g，这是因为这些部位与热交换流体是分离的。在所示的实施例中，屏障层 2f仅需要施加到纵向外表面2e。如果内部的热交换通道要被设置在接触器的主体内，则这些热交换通道不得不被处理以密封它们的壁，防止热交换流体透过以污染邻近的分离流动通道加。这是一个复杂的过程，需要用陶瓷或金属釉料密封这些热交换通道的壁。替代地，不得不设置具有分离流动通道和热交换通道的预制整体，其中分离流动通道不得不涂覆有一层吸附剂层，又增加了完成的整体吸附接触器的成本和制造操作的复杂性。在此所使用的接触器因此在构造简单和使用容易方面提供了很多优点。在接触器2的吸附温度以上的温度下提供暖的热交换流体100，如在-60°C以上， 优选在等于或高于_50°C的温度下，甚至更优选在等于或高于_40°C的温度下。例如，暖的热交换流体100的温度可在环境温度下或者在大约-10°C至0°C。在某些情况下，温度还可在-40°C至-30°C的范围内，例如，在使用液化天然气生产过程中也用作制冷剂流的流的情况下。暖的热交换流体流100的温度在与接触器2的屏障层接触之后被降低，以提供呈较冷的(被冷却的)热交换流体流110形式的冷的热交换流体流，与此同时接触器2的温度被升高以促进脱附。明显的是，冷的热交换流体流110具有接触器2的吸附步骤所需的冷能量。因此， 在被加热的接触器2再生之后，冷的热交换流体110的至少是一部分(优选所有部分)可用来将接触器2的温度降低到符合吸附操作所要求的温度，这是通过将冷的热交换流体流 110返流到接触器2中(或者将冷的热交换流体经由管线100循环返回处理过程，从而保持流动方向，但使用暖的热交换流体管线来供应冷的热交换流体以及使用冷的热交换流体管线来移出变暖的热交换流体)来实现的。以这种方式，每次再生操作之后可以将接触器 2置于吸附模式所需的冷能量再循环到接触器，从而提高了这种方法和设备的效率。因此，可通过下述方式提供一个吸附和再生循环利用热交换流体将冷能量移出并返回到接触器。因此，在混合流40被供给到接触器2以用于吸附步骤之前，接触器2可通过使具有屏障层2f的一个或多个第一外表面加中的至少一个与冷的热交换流体流110接触而被冷却，从而提供暖的热交换流体流100。在一个优选实施例中，两个或更多个接触器2可被并联布置，以使得当接触器2接近全负载时，混合流40可流向第二个未加载荷的接触器(未示出)，以便可实现混合流40 的连续处理。因此，整体吸附接触器2可作为接触器单元的一部分，该接触器单元形成任何适合的包括一个或多个整体吸附接触器的设备、系统或装置，能够从混合流中选择性地吸收甲烷及任何较重烃。本领域的技术人员将理解的是，接触器单元可具有很多形式，包括一个或多个串联的、并联的或者既串联又并联的一个或多个整体吸附接触器。例如，可能有至少一个整体吸附接触器处于吸附模式，而有至少一个整体吸附接触器处于再生或脱附模式。根据实际需要，可能是两个、三个、四个或更多个整体吸附接触器的组合，其中一个处于吸附模式，其它的处于再生或脱附模式的不同阶段。使多个整体吸附接触器在循环的不同阶段操作产生通过从一个接触器向另一个接触器传送热交换流体来回收能量的可能性。这样，属于进入再生模式中的接触器之一的冷能可通过使用其来冷却其它整体接触器而被保存。图3示意性地显示出用于从来自液化天然气的包含氮和甲烷的混合流40中分离出氮的处理方案，由此，得到具有较高加热值的富甲烷流80。图3的处理方案包括整体吸附接触器2 (亦可以是包括一个或多个整体吸附接触器的一个接触器单元)、气/液分离器3、膨胀装置4(诸如涡轮膨胀机)、第二减压装置5(诸如焦耳-汤姆逊阀)、液化单元6 (包括一个或多个与制冷循环相关联的热交换器(未示出)、泵7和储液罐8 (诸如天然气储罐)。本领域的技术人员将会理解如果需要的话可存在其它元件。在操作中，液化单元6产生至少部分液化(优选完全液化)的烃流10，诸如液化天然气流。这种至少部分液化的烃流10在膨胀装置4中被膨胀以提供膨胀的烃流20，随后经过减压装置5以提供受控的膨胀烃流30，其可能是部分冷凝的液化天然气流。受控的膨胀烃流30于是流向气/液分离器3的第一入口 31，气液分离器3可以是终端闪蒸器。典型地，受控的膨胀烃流30在入口 31处的压力可以在0. 5巴至10巴之间，更优选在1巴至5巴之间，甚至更优选在1巴至2巴之间。气/液分离器3的入口温度可以在-165°C至_140°C 之间。当流30为部分冷凝的液化天然气流时，它可包含约大于SOmol %的甲烷和约大于 Imol %的氮。在气/液分离器3中，受控的膨胀烃流30被分离成气态的顶部流(从出口 32移出)和液态的底部流50 (从出口 33移出)，该气态的顶部流是包含氮和甲烷的混合流40。液态的底部流50通常比流30富含甲烷，而且包括受控的膨胀烃流30的大部分。 使用泵7可将液态的底部流50作为流60泵到储液罐8 (诸如液化天然气储罐)中。液态的底部流暂时储存在储液罐8中。在图3的处理方案位于液化天然气输出终端的情况下，储存在罐中的液化天然气可随后被装载到运输容器中(未示出)，然后输往国外。在图3的处理方案形成再气化终端的一部分的情况下(在液化天然气输入位置，在该处液化天然气通常由运输容器供给，而不是由气化单元6供给)，罐8中的液化天然气随后流向汽化器(未示出)。由于气/液分离器3的作用，流30中的氮有利于通过出口 32向上流出。因此，提供在分离器3的出口 32处移出的气态顶部流作为包含氮和甲烷的混合流40。该流40流向整体吸附接触器2的入口 21。通常，流40包含大于15m0l%或大于25m0l%的氮，诸如在 30mol%至 60mol%之间。在混合流40通过接触器2期间，存在于混合流40中的一种或多种烃中的至少一部分(尤其是甲烷)被接触器2中的活性炭吸附剂吸附；而氮相的至少大部分继续通过并在出口 22处从接触器2中移出。该富氮流被收集以作为富氮流70。在如上所述富氮流已被收集以作为流70之后，被接触器2中的活性炭吸附的烃可进行脱附，从而使接触器2再生。这使用变热吸附/吸收来进行，通常引入冲洗流、净化流和热交换流等，以便从活性炭吸附剂中移除脱附的烃。脱附烃在出口 23处移出，或者被直接收集，或者在与净化气体分离后被收集以作为富甲烷流(贫氮)80。流80可用作燃料。 替代地，流80可与液化天然气流50重新组合，可选地在第一次压缩和再液化流80之后进行重新组合。本领域的技术人员应理解出口 22和23可以是分离的出口或者是同一出口。并且， 本领域的技术人员应理解代替一个接触器2的是，可以使用若干个并联的接触器。再者，若干个接触器(包含不同的吸附材料，其中至少一个是由在此所述的活性炭的单一构造形成的整体吸附接触器)也可串联地安放以便能够分离一种或更多种其它流(含氮)。来自富氮流70和/或贫氮流80中的冷能回收可受到本领域已知的方式影响。例如，富氮流70在进一步处理或排向大气之前可流入第一冷能回收单元(未示出)。同时，富甲烷流80可经过第二冷能回收单元(未示出)以提供变暖的流，该变暖的流然后经过压缩机以提供压缩的烃流，该压缩的烃流可用作燃料，或者甚至被再循环到烃液化设备中(未示出)。在接触器2直接置于气/液分离器3后面的情况下，流向接触器2中的一条或多条分离流动通道的混合流的条件(如1巴和_160°C )为了用于脱附的变温吸附/吸收技术而被优化。富氮流70的冷能量可被用于工艺，之后富氮流可排向大气。同时，甲烷被吸收在活性炭上。在此所公开的方法和设备由于一种或多种脱附烃(诸如甲烷)的再液化比现有技术的工艺需要更少的能量而有进一步的优势，这是因为不再需要随之同时进行的氮低温分离过程。在图3所示布置的第一可替代实施例中，接触器2可置于气/液分离器3之前，以便从作为混合流的受控的膨胀烃流中分离出氮，该混合流通常是直接由至少部分液化的烃流(诸如液化天然气)的一次或多次膨胀得到的。图4根据在此所述的另一个实施例示意性地示出了从包含氮和甲烷的混合流40 中分离出氮的一个处理方案。以与已讨论过的方式相似的方式，气/液分离器3(诸如端部闪蒸分离器)可从合适的供给流(诸如部分冷凝的液化天然气30)提供包含甲烷和氮的上部混合流40。如参照图1和图2所讨论的，混合流40可经过整体吸附接触器2以用于将氮与甲烷和任何较重烃组分分离成富氮流70和富甲烷流80。在图4所示的实施例中，用来改变接触器2温度的热交换流体可以是制冷剂，该制冷剂可从制冷剂回路提供，制冷剂回路优选是相关联的液化单元的冷却阶段的制冷剂回路，例如，在天然气处理的情况下，是根据图3的液化单元6。例如，热交换流体可以是液态或气态的丙烷，例如来自液化单元的预冷却循环，或者来自在_40°C至_30°C温度下的用于天然气液化中的低温热交换器的热混合制冷剂。图4显示出制冷剂回路，该制冷剂回路包括带有相关联的驱动器Dl的制冷压缩机9 ；和冷却器10 (诸如空气冷却器或水冷却器)，该冷却器已被结合到将热交换流体传送到接触器2的回路中。由冷却接触器2产生的暖的热交换流体100可流向制冷剂压缩机9，或者随后用来加热接触器2以使被接触器2吸附的甲烷和任何较重烃组分再生。如果暖的热交换流体100流向制冷剂压缩机9，则热交换流体100被压缩以提供压缩的热交换流体95。该压缩的热交换流体95然后在冷却器10中被冷却，以提供冷的热交换流体流110，该冷的热交换流体流可用来冷却或者优选使天然气流液化；或者流向接触器2 以将接触器2的温度降低至吸附范围，从而提供暖的热交换流体100。假若混合流处于较高的温度，则这样的流程还可用来使接触器2保持在吸附温度范围，尽管这种实施例不是优选的，因为接触器所需的冷却任务于是分派给制冷剂回路。可替代地，通过将接触器2加热到脱附温度而产生的冷的热交换流体流110可用于液化过程中的天然气冷却，或者被存储以便在完成再生操作之后将接触器2冷却到吸附温度。优选地，脱附的富甲烷流被冷却和被液化。有多种选择用于实现这样的再液化例如通过将初始的供给流再循环到液化系统(如图3的液化单元6)中。优选地，来自整体吸附接触器的富甲烷流在再生模式中使用源自被热交换流体加热的同一整体吸附接触器和/ 或并联布置的整体吸附接触器的冷的热交换流体流进行液化。这种冷的制冷剂流体可首先被膨胀，再与富甲烷流体热交换以在较低压力水平为富甲烷流体降温。在附图所示布置的另一个可替代的实施例中，接触器2可位于包含烃(包括甲烷) 以及高浓度的氮的气态混合流流路中，从而包括在高压力(例如小于70巴)下的流。本领域的技术人员应理解的是，在不偏离所附权利要求书的范围的情况下可以多种方式实施本发明。
权利要求
1.一种用于从包含氮和甲烷的混合流中分离出氮的方法，该方法至少包括以下步骤(a)提供由活性炭的单一构造形成的整体吸附接触器，所述接触器容纳贯穿整体吸附接触器的一条或多条分离流动通道，所述一条或多条分离流动通道具有通入所述接触器的至少一个入口和来自所述接触器的至少一个出口，所述一条或多条分离流动通道限定了整体吸附接触器的一个或多个第一内表面，所述接触器还包括设有屏障层的一个或多个第一外表面，所述第一外表面与所述第一内表面不同；(b)使混合流经由所述至少一个入口通入至少一条所述一条或多条分离流动通道中；(c)在低于或等于-60°C的温度下经由至少一条所述一条或多条分离流动通道中的所述一个或多个第一内表面将甲烷吸附到吸附接触器中，以便在所述至少一个出口处提供富氮流；(d)中断混合流通过接触器的通路；(e)通过下述方式使接触器再生在设有屏障层的所述一个或多个第一外表面上将接触器与热交换流体接触，以将接触器加热到-60°C以上的温度，从而使甲烷脱附并提供冷的热交换流体流；(f)从来自接触器的所述至少一个出口回收脱附的甲烷，作为富甲烷流；其中屏障层用来提供防止热交换流体通入整体吸附接触器中的流体屏障。
2.根据权利要求1所述的方法，其中吸附步骤(c)在从-160°C至-60°C范围内的温度下进行。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，步骤(e)中的再生通过将接触器的温度升高到从_40°C至_30°C范围内的温度。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述方法还包括通过使富氮流经过所述一条或多条分离流动通道中的一条或多条来冷却接触器。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述方法还包括在步骤(c)之前的一个可选步骤通过将具有屏障层的所述一个或多个第一外表面中的至少一个与冷的热交换流体流接触来冷却接触器，从而提供暖的热交换流体流。
6.根据权利要求4和/或5所述的方法，其中冷却接触器将接触器的温度降低到低于或等于-60°C。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中屏障层包括环氧树脂。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中混合流源自液化单元，而热交换流体是来自所述液化单元的制冷剂。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中步骤(e)还包含使冲洗流体流经过所述一条或多条分离流动通道。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述方法还包括在步骤(d)和步骤(e) 之间使净化流体通过所述一条或多条分离流动通道的步骤。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中混合流从气/液分离器获得，所述气/液分离器提供气态的含烃流和液态的含烃流，该液态的含烃流优选是液化天然气。
12.根据权利要求10所述的方法，其中气态的含烃流中的至少一部分作为混合流与活性炭接触。
13.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中混合流处于0°C以下的温度下，优选处于_30°C、-100°C、-140°C或-150°C以下的温度。
14.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中混合流处于低于或等于10巴的压力下，优选处于从1巴至2巴范围内的压力下。
15.根据前述权利要求11至14中的一项或多项所述的方法，其中混合流中的至少一部分在气/液混合器上游已被液化。
16.一种用于从包含氮和甲烷的混合流中分离出氮的设备，所述设备至少包括-混合流源，该混合流源在混合流管线中包含处于低于或等于-60°C温度的甲烷和氮；-暖的热交换流体流管线中的暖的热交换流体流源；-冷的热交换流体流管线中的冷的热交换流体流源；-由活性炭的单一构造形成的整体吸附接触器，所述接触器容纳贯穿整体吸附接触器的一条或多条分离流动通道，所述一条或多条分离流动通道具有与混合流管线流体连通的至少一个入口和与富氮流管线流体连通的至少一个出口，所述一条或多条分离流动通道限定了整体吸附接触器的一个或多个第一内表面，所述接触器还包括一个或多个第一外表面，所述第一外表面与所述第一内表面不同，并且与所述暖的热交换流体流管线和所述冷的热交换流体流管线进行热交换连通；-屏障层，所述屏障层设在所述一个或多个第一外表面上，以提供防止热的热交换流体和冷的热交换流体通到整体吸附接触器中的流体屏障。
全文摘要
本发明公开了用于从包含氮和甲烷的混合流中(40)中分离出氮的方法和设备，其采用由活性炭的单一构造形成的整体吸附接触器(2)，所述接触器(2)容纳一条或多条贯穿整体吸附接触器(2)的分离流动通道(2a)，所述一条或多条分离流动通道具有至少一个通入所述接触器(2)的入口(2b)和至少一个来自所述接触器的出口(2c)，所述一条或多条分离流动通道(2a)限定了整体吸附接触器(2)的一个或多个第一内表面(2d)，所述接触器(2)还包括设有屏障层(2f)的一个或多个第一外表面(2e)，所述第一外表面(2e)不同于所述第一内表面(2d)。混合流(40)经过流体分离通道(2a)中的至少一条，在该处甲烷被吸收。接触器(2)可通过在外表面(2e)中的一个或多个上经由屏障层(2f)使接触器(2)与热交换流体(100)接触而再生。
文档编号B01D53/04GK102281936SQ201080004486
公开日2011年12月14日 申请日期2010年1月13日 优先权日2009年1月15日
发明者E·L·J·范泽斯特-韦卡门, R·弗尔杰恩特杰 申请人:国际壳牌研究有限公司