高压高co2去除构造和方法

专利名称：高压高co2去除构造和方法
技术领域：
本发明的领域为从进料气体去除酸气体，特别是涉及从具有高CO2含量的高压气体去除酸气体，并且涉及生产管线品质气体和浓缩的CO2流用于增强的石油回收。
背景技术：
由于脱硫气田正在枯竭，从不同的气体流去除酸气体，特别是从天然气流去除CO2,已变得日益重要。高CO2气田保持未经勘探，主要是由于它们较低的热值和高的资金和操作成本。然而，随着近来天然气价格的提高，气体生产者开始勘探这些高CO2田。高CO2气田在 世界的许多区域存在，包括美国阿拉斯加州、墨西哥湾、南美和南中国，特别是北美的煤床甲烷田。这些田的CO2含量可达到40 mol%和更高，这需要非常规的CO2去除技术，以满足当今销售的气体管线规格、排放要求和能效。另外，从这些田除去的CO2必须再压缩至高压以用于增强的石油回收以及CO2封存(sequestration)以降低总的温室气体排放。此外，可行的CO2去除过程必须还是经济上可行和环境上顺从的。存在众多本领域已知的酸气体去除过程，并且所有或几乎所有这些过程可归类为以下三类之一。在第一类中，采用与酸气体反应的化学溶剂，以与酸气体形成(通常非共价的)复合物。在包括酸气体与溶剂之间的化学反应的过程中，进料气体通常用弱无机酸的碱性盐溶液(例如，在美国专利3，563，695号中所述的)或用有机酸或碱的碱性溶液(例如在美国专利2，177，068号中所述的)洗涤。此类化学反应过程通常需要热量再生和冷却化学溶剂，并且通常包括大量的化学溶剂的再循环，因此使得对于高CO2气田，使用化学溶剂是不经济的。在第二类中，基于气体组分的不同的渗透性，使用一个或多个膜将CO2与气体流分离。典型的膜系统包括预处理滑道和一系列膜模件。膜系统通常为高度可适应的，以处理高CO2含量气体，并且相对致密，使得它们特别适用于海上应用。然而，它们容易由重质烃而劣化，并且往往需要频繁和昂贵的更换。此外，将CO2去除至相对低CO2含量(2 mol%或更低)以满足销售气体规格通常需要多级膜分离器和在各级之间再压缩。由于甲烷也是快速气体(fast gas)，更大的问题在于CO2渗透物含有显著量的甲烷。使用高CO2进料气体，来自膜系统的甲烷损失可能显著，使得这些应用也通常不经济。在第三类中，采用物理溶剂从进料气体去除酸气体，其中酸气体以明显的量被溶剂吸收。酸气体的物理吸收主要取决于使用对特定的酸气体(例如，CO2或H2S)具有选择性溶解度的溶剂，并且进一步取决于该溶剂的压力和温度。由于物理溶剂单元操作遵循亨利定律的原理，溶剂的CO2载荷随着进料气体中的CO2分压而提高，这使得物理溶剂理想地用于高压高CO2气田。通过快速再生(flash regeneration)可实现溶剂再生至某一程度，最小化或消除加热的需求。然而，物理溶剂过程需要大的冷却负荷(duty)以除去CO2吸收热，并且还可需要显著的加热用于溶剂再生。如果没有改进的方法和构造，物理过程也可能成本高昂。对CO2去除进行了示例性努力。例如，美国专利7，273，513号教导了将气体流和液体流进料至第一接触器，在该第一接触器中它们并流接触并经受湍流混合条件，并且将该多相流从第一接触器通到第二接触器。虽然此种过程提供了适用于胺溶剂(化学过程)的改进的接触装置，但是它不能解决用于物理溶剂过程的热量去除、溶剂再生、烃损失和CO2生产的方法和构造。使用物理溶剂的改进的CO2去除过程描述于W02004/052511、美国专利7，424，808号和美国专利7，192，468号，其中通过再循环/清洁的气体汽提或使用真空汽提塔生产超贫溶剂，并且其中通过由经处理的气体和闪蒸溶剂得到的制冷来冷却进料气体。虽然此类过程有利地改进能效，仍存在各种缺点。例如，吸收器需要相对大量的接触阶段，并且总过程相对复杂。在其他已知的过程中，如在W02010/039785中所述，使用在设备中产生的废热使贫溶剂再生，并且通过经处理的气体实现进料气体冷却。虽然该过程通常简化了设备构造，但是不满足冷却要求，并且需要用于贫溶剂的单独冷却回路。因此，虽然已知各种构造和方法用以从进料气体除去酸气体，但是它们全部或几 乎全部具有一个或多个缺点。其中，在经处理的气体中CO2水平通常高，并且使用物理溶剂需要显著的溶剂循环和制冷冷却。因此，仍需要提供用于有效的酸气体去除的改进的方法和构造。发明概述
本发明主题涉及使用溶剂过程从进料气体除去酸气体的系统、构造和方法，所述进料气体最优选具有相对高CO2含量(例如，等于或大于10 mol%)的高压烃进料气体(例如，超过1000 psia)，其中从处理过程内提供用于吸收的制冷需求和用于再生的加热需求。在本发明主题的特别优选的方面，从进料气体除去CO2的方法包括在吸收器上游使进料气体与半富溶剂接触的步骤，以生产包括富溶剂和经部分处理的进料气体的两相混合物。在另一个步骤中，使用通过富溶剂的压力下降产生的制冷含量将半富溶剂和进料气体冷却。最优选，将该两相混合物闪蒸进入吸收器的底部，其中经部分处理的进料气体逆流接触贫溶剂，以因此生产半富溶剂。特别优选半富溶剂和进料气体的冷却将压力下降的富溶剂加热至某一温度，该温度足以从该加热的和压力下降的富溶剂闪蒸富CO2的蒸气。富溶剂的压力下降通常包括闪蒸富溶剂的步骤，以生产经闪蒸的蒸气和压力下降的富溶剂，其中将经闪蒸的蒸气再循环至进料气体。随后将压力下降的富溶剂进一步闪蒸，以生产富CO2的蒸气和贫溶剂。虽然不是限制本发明主题，通常优选由富溶剂生产贫溶剂所需的基本上所有的热量通过进料气体和半富溶剂的热含量提供，和/或从进料气体吸收CO2所需的基本上所有的制冷通过富溶剂的压力下降产生。因此，在本发明主题的另一个方面，从进料气体除去CO2的方法包括使用经处理的气体的制冷含量和压力下降的富溶剂的制冷含量来冷却进料气体以形成冷却的进料气体的步骤。在另一个步骤中，将冷却的进料气体与半富溶剂合并，以形成包含富溶剂和经部分处理的进料气体的两相混合物。在再一个步骤中，将两相混合物闪蒸进入吸收器的底部，而经部分处理的进料气体在吸收器中与贫溶剂逆流接触，以因此形成半富溶剂和经处理的气体。最典型地，通过进料气体和半富溶剂将压力下降的富溶剂加热至某一温度，该温度足以允许由该加热的压力下降的富溶剂闪蒸富CO2的蒸气。如前所述，通常优选由富溶剂生产贫溶剂所需的基本上所有的热量通过进料气体和半富溶剂的热含量提供，和/或从进料气体吸收CO2所需的基本上所有的制冷通过富溶剂的压力下降和水轮机的冷却作用产生。在其他优选的方面，将冷却的进料气体与半富溶剂合并的步骤使用静态混合机进行，和/或在将冷却的进料气体与半富溶剂合并的步骤之前，将半富溶剂从吸收器操作压力泵至进料气体压力。预计的构造和方法允许贫溶剂的相对高温度，通常在30 ° F以上。从不同的视角看，用于从进料气体去除酸气体的设备包括吸收器，其在底部接收包含富溶剂和经部分处理的进料气体的两相混合物，并生产来自贫溶剂的半富溶剂和经处理的进料气体。第一换热器使用压力下降的富溶剂的制冷含量冷却半富溶剂，由此生产冷却的半富溶剂，而第二换热器使用压力下降的富溶剂的制冷含量冷却进料气体，由此生产冷却的进料气体。混合装置(例如，静态混合机)随后接收并混合冷却的半富溶剂与冷却的进料气体，以生产两相混合物。在此类设备的特别优选的方面，一级多个闪蒸罐与吸收器流体连接，并且使用水轮机或下泄阀产生压力下降的富溶剂和经闪蒸的蒸气，而二级多个闪蒸罐任选与一级多个 闪蒸罐流体连接，其中所述二级多个闪蒸罐生产贫溶剂和富CO2的蒸气。最典型地，泵与吸收器流体连接，接收半富溶剂，并将半富溶剂的压力从吸收器压力提高至进料气体压力，和/或硫清除器床与吸收器流体连接并接收至少一部分经处理的进料气体和使该至少一部分经处理的进料气体脱硫。由以下本发明的优选实施方案的详细描述，本发明的各种目的、特征、方面和优点将变得更显而易见。附图
简述
图I为对于本发明主题的设备，使用物理溶剂去除酸气体的示例性示意图。详述
本发明涉及在过程中使用物理溶剂处理具有相对高压和CO2含量的进料气体的构造和方法，其中进料气体首先与冷却的半富溶剂接触，并且其中将因此生产的混合物闪蒸进入吸收器的底部，该吸收器生产富溶剂底部产物、半富溶剂和经处理的进料气体。最优选，随后使用水轮机将富溶剂减压至较低的压力，以产生具有足够的制冷含量的压力下降的富溶齐U，以冷却半富溶剂和进料气体。特别应理解的是，此种通过JT作用和/或水轮机产生的冷却不仅降低(更典型地为甚至消除)对外部制冷的需求，而且将压力下降的富溶剂加热至允许再生贫溶剂的温度，其中将该加热的压力下降的富溶剂进一步闪蒸至大气压或低于大气压。因此，由该过程内提供制冷需求和热负荷两者。在本发明主题的一个特别优选的方面中，预计的设备和方法使用来自吸收器的半富溶剂，将其从吸收器压力泵至进料气体压力，并冷却，随后与急冷的进料气体混合(例如，在静态混合机、动态混合机、喷射混合机等中)，以因此形成平衡混合物，随后将该平衡混合物在吸收器(其通常起闪蒸罐作用，并且在大多数情况下，不具有多个平衡阶段)的底部分离。因此，应理解的是，进料气体的此种混合和预冷将进料气体中的CO2含量降低至少50%，显著降低吸收器中的填充高度。此外，预计的构造和方法还允许从进料气体回收高压高CO2流，在压力降低的富溶剂通过半富溶剂和进料气体(任选还使用另外的或备选的废热源)加热之后，通常使用多个闪蒸阶段。更进一步，在来自吸收器底部的富溶剂的压力下降期间生产的经闪蒸的蒸气通常烃含量高并且将再循环至进料气体。采用此方式，烃损失降低至等于或小于5%，更典型地为等于或小于3%，最典型为等于或小于1%。本发明主题的一种示例性设备构造描绘于图I。在这里，在脱水单元51中干燥进料气体流1，其通常为1315 psia和110° F，流速为200 MMscfd，含有50 mol% CO2，脱水通常是必要的，以避免在下游气体处理设备中形成水合。合适的脱水过程包括甘醇脱水单元和分子筛脱水单元。将干燥的进料气体流2与再循环气体流3混合，形成流4，在换热器52中通过经处理的气体流9将流4冷却至约80° F。冷却的气体流5在换热器53中通过经闪蒸的溶剂流26进一步冷却至约30° F。随后急冷的进料气体流7与急冷的半富溶剂流6 (泵56提高半富溶剂的压力，通常从吸收器操作压力提高至进料气体压力)在静态混合机54中混合，形成两相混合物。静态混合机可包括多个接触元件或提供用于混合的湍流的喷嘴。应注意到，静态混合机(或大多数其他混合装置)提供一个平衡阶段，该平衡阶段除去超过50%的CO2内容物，显著降低吸收器57中的填充高度。
将来自静态混合机的流8闪蒸至吸收器57的底部40，通常在400-900 psia的压力下操作。最典型地，吸收器含有接触装置，包括填充物或塔板或用于CO2吸收的其他合适的介质。来自底部的经闪蒸的蒸气上升通过烟囱式塔板，并通过与约4000 GPM的贫溶剂流12接触，将它的CO2含量降低至等于或小于2 mol%，在约30° F生产半富溶剂，该半富溶剂通过泵56从吸收器压力泵至进料气体压力，通过经闪蒸的溶剂17在换热器55中冷却，并与急冷的进料气体流7混合，最后闪蒸至吸收器的底部，以形成离开底部的富溶剂流10。随后经由水轮机58，将富溶剂泄压至400 psia，以形成流11。将流11闪蒸至分离器59，生产经闪蒸的液体流13和经闪蒸的蒸气流19。将蒸气流19进料至再循环压缩机70的级间。经闪蒸的液体13经由JT阀64泄压至200 psia,形成流14，将该流14闪蒸至分离器60，生产经闪蒸的液体流16和经闪蒸的蒸气流15。将蒸气流15进料至再循环压缩机70的抽吸口，这生产再循环流30，将其在冷却器71中冷却，以形成再循环流3。经闪蒸的液体流16在JT阀65中泄压至约70-100 psia,由此形成急冷的流17。这样急冷的经闪蒸的溶剂用于为换热器55中的半富溶剂和换热器53中的进料气体提供冷却。在换热器53中将经闪蒸的溶剂加热至约15-30° F，形成加热的流18，其随后在分离器61中闪蒸，在约100 psia下生产高压CO2流19。经闪蒸的溶剂20在JT阀66中进一步泄压，以形成流21，将该流21进料至分离器62，生产低压CO2蒸气22和经闪蒸的液体23，经闪蒸的液体23在JT阀67中进一步泄压，以形成低于大气压(通常在2-5 psia)的流24，其随后闪蒸至真空分离器63。来自分离器63的经闪蒸的蒸气25通过真空泵68升压，形成流27，将流27与低压CO2流22混合，以形成合并的流28，随后进料至CO2压缩机73中。压缩的CO2流35随后封存或用于增强的石油回收。经闪蒸的贫溶剂流14通过泵69泵送形成流12，将其进料至吸收器，完成溶剂循环。来自吸收器的经处理的气体流9通常含有I. 2mol% CO2和约6 ppmv H2S0为了满足4 ppmv H2S销售气体规格，经处理的气体31的至少一部分32在硫清除器床72中进一步处理(按需)，而另一部分33绕过床72，以因此形成合并的经处理的气体流34。总设备平衡示于表I。表IMslI进料气体I再循环气体I低压COa I高压COa I经处理的气体 组分，Mol%
CQ^50.471.698.4—98.01.3
N2~0.60.10.0—0.01.3
~46.925.40.0—0.494.8
~1.32.00.1—0.42.3
~0.40.70.3—0.50.3
IC40.10.10.2—0.10.0
NC40.10.10.3—0.20.0
IC50.00.00.1—0.10.0
NC50.10.00.2—0.10.0
NC60.10.00.2—0.10.0
H2SIOOppmv4ppmv
蔽推(Std)气体流，MMscfd|200+49|加 \82|θ9
特别优选本文预计的设备和方法采用包括上部填充部分和底部闪蒸部分的吸收器，其中吸收器的底部生产富溶剂和蒸气，蒸气随后在上部逆流接触(在通过烟 式塔板之后)贫溶剂，产生半富溶剂。或者，两相混合物也可在单独的高压闪蒸罐中闪蒸，其中将富溶剂与经部分处理的进料气体分离。还应理解的是，不像以前已知的物理溶剂过程，贫溶剂在更高的温度下操作，因此，在30° F以上的甚至更高的温度生产半富溶剂，更典型地在35° F以上，其随后可通过经闪蒸的溶剂冷却，避免在换热器中的温度交叉。因此，预冷、混合和闪蒸操作在约0° F生产压力下降的富溶剂。因此，应认识到，不像常规的物理溶剂过程，本文呈现的过程冷却基本上完全(即，需要小于总制冷需求的20%，更典型地为小于10%的量的外部制冷)，并且在大多数情况下，专门用压力下降的溶剂的制冷含量实现。还应认识到，进料气体和半富溶剂的冷却会将压力下降的富溶剂加热至相对高的温度，以增强溶剂再生。因此，由压力下降的富溶剂生产贫溶剂所需的基本上所有的热量(即，所需的总热量的至少80%，更典型地为至少90%)由进料气体和半富溶剂的热含量提供。预计的设备和方法还使用多级闪蒸罐，该多级闪蒸罐分离富烃的闪蒸气体，将其再循环至吸收器，回收至少95%，更典型地为至少98%的烃含量。加热的压力下降的富溶剂富集酸气体，并且下泄至较低的压力到至少一个分离器，用于生产酸气体。因此，使用此类构造和方法，CO2蒸气流可在相对高压(并且，另外在中压和/或低压)下生产，这有利地降低对CO2压缩机的压缩需求。应认识到，在此类构造中，水轮机操作了有能效的设备，因为它通过酸气体内容物的膨胀和闪蒸而产生制冷冷却，同时提供轴功以作功(例如驱动溶剂循环泵或产生电能)。还应认识到，多级分离器可用于进一步改进效率，并且可设置为堆叠的分离器，使得场地覆盖区和设备成本最小化，导致甚至更有效的设计。关于合适的进料气体，应理解的是，此类气体的压力可显著变化，并且气体的性质至少部分决定压力。特别优选进料气体的压力为至少400 psig，更典型地为至少1000psig，还更典型地为至少1200 psig。类似地，溶剂的性质可显著变化，并且所有物理溶剂和它们的混合物可视为适用于本文。存在众多本领域已知的物理溶剂，示例性优选的物理溶剂包括FLUOR SOLVENT (碳酸丙二酯)、NMP (η-甲基吡咯烷酮)、SELEXOL (聚乙二醇二甲醚)和TBP (磷酸三丁酯)，和/或各种聚乙二醇二烷基醚。或者，可采用作为物理溶剂具有类似性质的其他溶剂，包括增强的叔胺(例如，哌嗪)或其他溶剂或溶剂的混合物。同样，可使用众多装置进行富溶剂的闪蒸，并且通常预计所有的压力下降装置适用于本文使用。然而，关于压力下降的量，通常优选将富溶剂(在作功和/或冷却之后)泄压至某一压力，该压力足以释放甲烷含量为约20-70%的经闪蒸的蒸气。将这些蒸气再循环至吸收器，使得甲烷损失最小化至小于5%，更优选小于3%，最优选小于1%。因此，应认识到，与常规的酸气体去除过程(包括胺或其他物理溶剂或膜)相比，对于高CO2去除，本发明主题的构造显著降低总能耗和资金成本。此外，预计的构造和过程通常不需要外部热源，并且热源(如果需要)可通过进料气体或来自制冷和/或进料气体压缩系统的压缩热量提供，进一步降低能耗和对环境的影响。更进一步，增强的石油回收项目通常会遇到在进料气体中酸气体浓度的提高，通常达到高达60%。使用基本上相同的溶剂 循环，预计的构造和过程可适应这些变化。因此，已公开了 CO2去除的具体组成和方法。但是，明显地，对本领域技术人员来说，在不偏离此处的本发明概念的情况下，除那些已经描述的变体之外的许多变体都是可能的。因此，除在所附权利要求的精神内之外，本发明主题不受到限制。而且，在解释说明书和权利要求二者时，所有的术语都应当解释成与语境一致的尽可能最广泛的含义。具体而言，“包括”和“包含”在提及元素、成分或步骤时应以非排他的方式解释，表明所提及的元素、成分或步骤可存在、或被利用，或者与其它没有清楚地提及的元素、成分或步骤相结合。此外，当参考文献(通过引用结合到本文中)中的定义或术语的使用与本文提供的该术语的定义不一致或相反时，使用本文提供的该术语的定义，而不采用参考文献中该术语的定义。
权利要求
1.一种从进料气体除去CO2的方法，所述方法包括 在吸收器上游使进料气体与半富溶剂接触，以生产包含富溶剂和经部分处理的进料气体的两相混合物； 使用通过富溶剂的压力下降产生的制冷含量冷却半富溶剂和进料气体。
2.权利要求I的方法，其中将所述两相 混合物闪蒸进入吸收器的底部，并且其中所述经部分处理的进料气体在吸收器中逆流接触贫溶剂，以因此生产半富溶剂。
3.权利要求I的方法，其中半富溶剂和进料气体的冷却将压力下降的富溶剂加热至某一温度，该温度足以允许由该加热的压力下降的富溶剂闪蒸富CO2的蒸气。
4.权利要求I的方法，其中所述富溶剂的压力下降包括闪蒸富溶剂的步骤，由此生产经闪蒸的蒸气和压力下降的富溶剂，并且其中将所述经闪蒸的蒸气与进料气体合并。
5.权利要求4的方法，其中将所述压力下降的富溶剂进一步闪蒸，以生产富CO2的蒸气和贫溶剂。
6.权利要求I的方法，其中由富溶剂生产贫溶剂所需的基本上所有的热量由进料气体和半富溶剂的热含量提供。
7.权利要求I的方法，其中从进料气体吸收CO2所需的基本上所有的制冷通过富溶剂的压力下降产生。
8.一种用于从进料气体除去CO2的方法，所述方法包括 使用经处理的气体的制冷含量和压力下降的富溶剂的制冷含量冷却进料气体，以形成冷却的进料气体； 将冷却的进料气体与半富溶剂合并，以形成包含富溶剂和经部分处理的进料气体的两相混合物； 将两相混合物闪蒸进入吸收器的底部；和 经部分处理的进料气体在吸收器中与贫溶剂逆流接触，以因此形成半富溶剂和经处理的气体。
9.权利要求8的方法，其中通过进料气体和半富溶剂将所述压力下降的富溶剂加热至某一温度，该温度足以允许由该加热的压力下降的富溶剂闪蒸富CO2的蒸气。
10.权利要求8的方法，其中由富溶剂生产贫溶剂所需的基本上所有的热量由进料气体和半富溶剂的热含量提供。
11.权利要求8的方法，其中从进料气体吸收CO2所需的基本上所有的制冷通过富溶剂的压力下降产生。
12.权利要求8的方法，其中所述将冷却的进料气体与半富溶剂合并的步骤使用静态混合机进行。
13.权利要求8的方法，其中在将冷却的进料气体与半富溶剂合并的步骤之前，将所述半富溶剂泵至进料气体压力。
14.权利要求8的方法，其中所述贫溶剂的温度为至少30° F。
15.一种从进料气体去除酸气体的设备，所述设备包括 吸收器，其设置为在底部接收包含富溶剂和经部分处理的进料气体的两相混合物，并且其进一步设置为生产来自贫溶剂的半富溶剂和经处理的进料气体； 第一换热器，其设置为允许使用压力下降的富溶剂的制冷含量冷却半富溶剂，由此生产冷却的半富溶剂； 第二换热器，其设置为允许使用压力下降的富溶剂的制冷含量冷却进料气体，由此生产冷却的进料气体；和 混合装置，其设置为接收和混合该冷却的半富溶剂和该冷却的进料气体，以因此生产两相混合物。
16.权利要求14的设备，所述设备进一步包含一级多个闪蒸罐，其与吸收器流体连接，并且设置为允许生产压力下降的富溶剂和经闪蒸的蒸气。
17.权利要求14的设备，所述设备进一步包含与一级多个闪蒸罐流体连接的二级多个闪蒸罐，其中所述二级多个闪蒸罐设置为允许生产贫溶剂和富CO2的蒸气。
18.权利要求14的设备，所述设备进一步包含泵，其与吸收器流体连接以接收半富溶齐U，其中设置所述泵以将半富溶剂的压力从吸收器压力提高至进料气体压力。
19.权利要求14的设备，所述设备进一步包含硫清除器床，其与吸收器流体连接，并且设置为接收至少一部分经处理的进料气体。
20.权利要求14的设备，其中所述混合装置为静态混合机。
全文摘要
在本发明主题的构造和方法中，通过如下将CO2从高压进料气体中除去使进料气体与冷却的半富溶剂接触以形成两相混合物，将该两相混合物闪蒸进入吸收器的底部。随后将来自吸收器的富溶剂降低压力，以产生用于半富溶剂的制冷，并且在吸收器中将贫溶剂逆流接触该经部分处理的进料气体，以生产半富溶剂。除了其他优点，通过压力降低的富溶剂对进料气体和半富溶剂的冷却加热该富溶剂，允许增强溶剂的再生，并且可完全避免溶剂的外部制冷和加热。
文档编号B01D53/14GK102740951SQ201080052376
公开日2012年10月17日 申请日期2010年9月16日 优先权日2009年9月18日
发明者J.马克 申请人:氟石科技公司