专利名称：从天然气物流中脱除污染气体组分的方法
技术领域：
本发明提供一种从天然气物流中脱除污染气体组分如二氧化碳(C02)和硫化氢(H2S)的方法。
技术背景从天然气物流中脱除污染气体组分的各种方法是已知的。所述方 法可以基于物理和/或化学分离技术。物理分离技术应用各种污染组分 沸点、冷凝点和/或冷冻点的不同，在分馏塔中选择性地脱除这些组分 中的一种或多种，或者应用密度的不同在离心或旋风分离器中分离出 不同密度的组分。化学技术可以采用选择吸咐或催化反应使污染组分 转化为可容易分离的组合物。从天然气中脱除硫化氢和二氧化碳的标准技术是基于溶剂吸收的 胺处理。在此方法中，污染组分被结合于含水溶液中的分子如二乙醇 胺上。干净的烃气体不被吸收，并且出现在产品气体物流中。使含有 所吸收的污染物的溶液循环，并被加热升温约IOO"C以驱除气体，然后所述气体在废物流中收集。在该方法中，主要的费用因素是废气再 生所需的能量、溶剂损失以及废气在接近常压条件下再生使得如再注 入的任何过程均需要进行压缩的事实。对于任何气体纯化方法来说，操作费用需要占所产生的清洁气体 价值相对较小的份额。如果气体物流中含有大量的污染物，具有大的 气液接触系统的胺装置将会相当大、昂贵和不经济。已知的气体分离离心机在每分钟约50， 000转(RPM)下旋转，以分 离密度仅有微小差别的气体馏分。这些快速旋转的离心机已知为超离 心机，其具有有限的分离效率，并且只能处理有限的气体通量。当通 过离心机来纯化含有大量污染物的大量天然气物流时，则需要大量的 帛心机或超离心机，这使得离心分离不太经济。 US专利4,994, 097、 5， 221， 300和5,902, 224以及由J. J. H. Brouwers在杂志Experimental Thermal and Fluid Science 26 (2002) 的第325—334页发表的论文"Phase separation in centrifugal fields with emphasis on the rotational particle separator" 均公开了用于从气体混合物中分离固体杂质的离心机。发明内容本发明的一个目的是提供一种以有效且经济的方式从天然气物流 中脱除污染气体组分如二氧化碳和/或疏化氩的方法，即使所述天然气 包含大量污染气体组分时也是如此。本发明的方法用于从污染的天然气物流中脱除污染气体组分如 C02和/或H2S，包括-在膨胀机中膨胀所述污染气体物流，从而得到膨胀气体物流；-使膨胀气体物流中的至少部分污染物液化，以在贫含污染物的气 相中形成富含污染物的液相的分散体；和-在离心分离器中使至少部分富含污染物的液相与贫含污染物的 气相分离，其中所述离心分离器包含在旋转管内平行于旋转管的旋转 轴设置的平行通道束。任选地，贫含污染物的气体物流在压缩机中再压缩。当膨胀机是 透平膨胀机且压缩机为透平压缩机时，透平膨胀机和透平压缩机可以 包括安装在同一轴上的转子。在本文所附的权利要求、实施例、摘要以及如下参考附图的优选 实施方案的详细描述中更详细地描述了本发明方法的这些和其它特 征、优点和实施方案。
图1描述了用于本发明方法的包含两个串联的通道式离心分离器 的冷却和分离组件。图2以更大规模描述了图1的一个通道式离心分离器。 图2A-2D描述了在图2的分离器中通道的各种形状。
具体实施方式
本发明涉及应用一个或多个通道式离心分离器2,3以有效的方式 从包含甲烷(OU、乙烷、丙烷、丁烷和/或冷凝物的天然气物流中分 离出污染气体组分如0)2和/或H2S，即使含有大量污染物(25-75wtW 的天然气物流进行纯化时也是如此。图1描述了按照本发明使污染的天然气物流在透平膨胀机1中冷 却，从而得到具有一定温度和压力的膨胀气体物流，其中在所述温度 和压力下，主要含污染组分如0)2和/或H2S的相达到其露点条件。代 替透平膨胀机，也可以应用任何其它类型的膨胀机使污染的天然气物 流膨胀，例如缩扩喷嘴、阀、节流孔或多孔塞。将来自膨胀机1的膨胀气体物流提供给分段的离心分离器2。在 膨胀机1的出口和分离器2的入口之间，膨胀气体物流的停留时间使至少部分污染物通过成核和凝结的组合而液化。因此在离心分离器2 的上游形成富含污染物的液相在贫含污染物的气相中的分散体。膨胀机和离心分离器之间的停留时间优选为0. 5-5秒，从而允许富含污染 物的相充分成核，之后使液滴充分凝结形成微米级直径的液滴。分散 体的形成合适地在连接膨胀机l与离心分离器2的保温管道中进行。在离心分离器2中，至少部分富含污染物的液相与贫含污染物的 气相分离。因此，得到了纯化的天然气物流(CH,)和液化的污染物物流 线和/或H2S)。在图l所示的实施方案中，在第二段的离心分离器3中从纯化后 的天然气物流中脱除进一步的污染物。图1还描述了每一段离心分离器2， 3包含旋转管4， 5。管子4， 5 安装在同一轴6上，其绕中心旋转轴7旋转。每一个离心分离器2，3 包含外部的液化污染物出口 8,9和中心的纯化天然气出口 10， 11。所 述出口可以接近每一个旋转管4，5的下游端和/或接近上游端设置。在 图l的实施方案中，出口接近每一个旋转管4，5的下游端设置。第一离心分离器2的中心纯化天然气出口 IO通过再压缩透平12、 任选的段间冷却器(图中未示出)以及透平膨胀机14，将0)2和/或H2S含量减少了的部分纯化天然气物流进料至第二离心分离器3的入口。图1还给出了再压缩透平15和冷却器16与第二离心分离器3的 中心纯化天然气出口 ll相连，及膨胀和再压缩透平1、 12、 14和15 被安装在同一轴17上。在正常操作过程中，第一和第二离心分离器2和3的轴6和管子 4和5绕中心旋转轴7旋转，通常旋转速度为每分钟500-5, 000转 (RPM)，优选为500-1， 500 RPM。该速度通常比超离心机的速度小10%。 电动机或其它发动机可以使轴6旋转。替代地，进料至离心分离器2 和3的气体物流可以被一个或多个涡流形成叶片所诱导而产生涡流， 从而进入离心分离器2和3的涡流气体诱使分离器2和3绕中心旋转 轴7以500-5， 000 RPM的理想旋转速度旋转。图2和图2A-2D更为详细地描述了第一离心分离器2的构造，其 与第二离心分离器3的构造相同。图2示意性给出了在中心轴6和旋转管4的内表面之间存在有环 形空间18。该环形空间18填充有基本沿轴向流动的通道19的组件， 所述通道组件可以具有图2A-2D中更详细描述的各种形状。图2A-2D放大地给出了图2的阴影片段A-D，并描述了流动通道 19A-19D可以具有管状、长方形或波紋形状，并基本上与管4的旋转 轴7共轴设置。流动通道19A-19D有效地分隔与高通量相关的轴向湍 流和保持的径向层流。根据流动条件，通道19A-19D的径向宽度通常 为0. 5-5mm之间。冷凝的成核废物通常为通道19A-19D体积的5-50%， 并且通过离心力引导至外通道壁，在那里形成流动更慢的膜，其可以 通过液化污染物出口 8从旋转管4的下游和上游端径向收集，而至少 部分纯化的天然气物流CH4通过图1所示的离心分离器1的中心气体出口 io排出。按照本发明，在第一离心分离器2中进行液化污染物C02和/或H2S 的分离之后，通过中心纯化天然气出口 10排出的纯化后富含CH4的天 然气物流在第二离心分离器3中以参考图1所述方式进一步分离。任 选地，通过第二离心分离器3的中心出口 ll排出的纯化后天然气物流
可以利用相关的进一步深度切分纯化过程在较小规模的胺处理器、选 择吸收系统或膜分离系统中进一步处理(图中未示出)，以使纯化后的天然气物流适合于在LNG装置中分配或液化。替代地，对于严重污染的天然气物流，可以应用笫三和任选的第 四离心分离器(图中未示出)来纯化天然气物流，从而使它具有足够低 的0)2和/或H2S含量。任选地，通过离心分离器2和3的外部出口 8和9排出的冷凝C02 和/或H2S物流被收集起来，然后被加热(任选通过与冷却器16联合的 加热器实施)，从而使含有大量再蒸发C02和/或H2S的再加压废气物流 可用于再引入地下地层，例如含气贮层，从而节省对压缩机的需求。据观察在通道19A-19D中的液化污染物可能含有少量的天然气 (CH4)。作为补充， 一些C02必然终止于中心出口 11内的纯化天然气物 流中。计算机的计算结果表明，在图1和2中所示的按照本发明的单段 离心分离器2组件每天能够纯化l-30百万标准立方米的天然气物流， 所述天然气物流含有约15-40wt。/。的污染物如CO2和/或H2S，从而使纯 化的气体物流中含有少于10wt。/。的污染物。这些计算机的计算结果还表明，含约40-60wt。/。污染物的类似天然 气物流可以应用图1所示的两个离心分离器2, 3序列纯化至类似的纯 度水平，并且含60-75wtW污染物的天然气物流可以应用本发明的三个 离心分离器序列纯化至类似的纯度水平。计算机的计算结果还表明与本发明的离心分离器组件相比，传统 的胺,处理器过程可以在明显更高的操作费用(OPBX)下达到相似程度的 绰化水平。例如，通过胺技术纯化含25-75wt54C02和/或H2S的污染气体的估 计能耗极高，其为所产生的清洁气体价值的45%-200%，而本发明的离 心分离器组件的估计能耗比该值低一个数量级以上，为产生的清洁气 体价值的0.5-2%。由于H2S具有比C02更低的露点压力，因此用本发明的离心分离器
组件可以从受污染的天然气物流中与0)2相比更容易地分离H2S。令人惊奇的是本发明的方法比使不同密度的气相相互分离的传统的胺处理分离技术和超离心分离技术更为能量有效。据观察本发明的方法也可用于从天然气物流中脱除除C02和H2S之外的其它污染物。这些其它污染物可以为水、固体如灰尘和砂粒以及 不同于曱烷的烃如乙烷、丙烷和丁烷。 实施例通过如下非限定性实施例更进一 步地描述本发明的方法。在一个实验室规模的试验中，含50 w"/。甲烷和50 wt 4二氧化碳的、 温度为303 K和压力为150巴的60标准m7hr(80 kg/hr)天然气物流 用焦耳-汤姆森膨胀阀膨胀至温度226 K和压力27巴。然后通过保温 管道将膨胀后的气体物流提供给离心分离器。在保温管道中的停留时 间为1秒，并且在气体物流进入分离器之前，在管道中形成富含液体 二氧化碳污染物的小液滴相。离心分离器在密封室中垂直安装。高度为262 mm，和直径为130 mm。旋转元件由长度为250 mm和直径为83 mm的双联钢整体圆柱体机 加工而成。对于该相对低的气体通量，旋转元件上的单环通道就足够 了。但对于较高的通量来说，旋转元件的整个径向范围较大，并且完 全利用基于波紋薄层钢连续包裹的结构而使用，从而当绕轴缠绕时， 通道过滤器类的结构尺寸与本实施例中描述的类似。.在圆柱体的表面上和平行于轴之处，多个沟槽通道被磨制成每个 2 mm高和2.mm宽,且中心到中心的距离为5咖，机加工类似材料的 中空圆柱体，以形成具有相同轴长度但内径为83 mm和外径为85咖 的套管。该中空圆柱体通过如下步骤绕带槽的圆柱体收缩包装将通 道材料冷却至243 K而将套管加热至573 K。然后将后者置于前者之 上，且使二者在室温下在水浴中急冷。含有在保温管道中形成的富含液体二氧化碳污染物的液滴的气体 物流通过径向入口进料至室入口，并进入分离器，所述分离器通过应 用由电动机驱动的磁耦合系统旋转。旋转速率为500 RPM。在轴向的 沟槽通道内，富含液体二氧化碳污染物的相在壁上形成。如此产生的 液滴比入口气体的液滴大至少一个数量级，并离心旋转至壁上的出口 通道，在此处收集的液体从离心机排放至废物收集容器。通过应用旋 转元件的下游和上游终端出口处的液位密封阻止气体吸入。两个液体 出口汇集至废液收集容器。由于下游出口通常比上游出口压力更低， 两个出口管子不能在单个收集容器中汇合，因为这会简单地会造成液 体循环。另外，更高压力的液体出口会通过虹吸管引导，其中超出低 压出口的过量压力会被用于克服高于收集容器液位的液柱。正如所示 的，低压出口被直接排放至收集容器。从离心分离器回收含90 w"/。二氧化碳和10 wt 4甲烷的34 kg/hr 废物流和含67 wtM甲烷和33 wtX二氧化碳的46 kg/hr纯化天然气物 流。以天然气输入物流中的甲烷量为基准，甲烷的回收率为95 wt%。
权利要求
1.一种从污染的天然气物流中脱除污染气体组分如CO2和/或H2S的方法，所述方法包括-在膨胀机中膨胀所述污染气体物流，从而得到膨胀气体物流；-使膨胀气体物流中的至少部分污染物液化，以在贫含污染物的气相中形成富含污染物的液相的分散体；和-在离心分离器中使至少部分富含污染物的液相与贫含污染物的气相分离，其中所述离心分离器包含在旋转管内平行于旋转管的旋转轴设置的平行通道束。
2. 权利要求1的方法，其中所述膨胀机为透平膨胀机。
3. 权利要求1或2的方法，其中所述分离的贫含污染物的气相在 压缩机中再压缩。
4. 权利要求3的方法，其中所述压缩机为透平压缩机。
5. 权利要求2和4的方法，其中所述透平压缩机和透平膨胀机包 括安装在同一轴上的转子。
6. 前述权利要求任一项的方法，其中所述分离的贫含污染物的气 相通过离心分离器的中心流体出口排出，并提供给第二离心分离器， 该第二离心分离器也包含在旋转管内基本平行于旋转管的旋转轴设置 的平行通道束。
7. 权利要求6的方法，其中所述离心分离器安装在共同的中心轴上。
8. 前述权利要求任一项的方法，其中每一个离心分离器通过向旋 转管内加入涡流气体物流而旋转。
全文摘要
一种从污染的天然气物流中脱除污染气体组分如CO<sub>2</sub>和/或H<sub>2</sub>S的方法，所述方法包括在膨胀机(1)中膨胀所述污染的气体物流，从而形成富含污染物的液相和贫含污染物的气相；使膨胀气体物流中的至少部分污染物液化，以在所述贫含污染物的气相中形成富含污染物的液相的分散体；和在一个或多个离心分离器(2，3)中使至少部分富含污染物的液相与贫含污染物的气相分离，其中所述离心分离器均包含在旋转管(4，5)内平行于旋转管(4，5)的旋转轴(7)设置的平行通道(19A)束。
文档编号C10L3/10GK101119788SQ200680004971
公开日2008年2月6日 申请日期2006年2月15日 优先权日2005年2月17日
发明者伯特·布罗威尔斯, 瑞夫·梵威森, 麦克·希威·高罗包克 申请人:国际壳牌研究有限公司