使用垂直定向并流接觸系統從氣體物流中分離雜質的制作方法
【專利說明】使用垂直定向并流接觸系統從氣體物流中分離雜質
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年05月09日提交的題目為"使用垂直定向并流接觸系統從氣體 物流中分離雜質"的U.S.在先專利申請61/821，614的權益，其全部內容通過參考文獻并入 本發明。 發明領域
[0003] 本發明技術設及使用垂直定向并流接觸系統從氣體物流中分離雜質。更特別的， 本發明技術設及由液體物流形成的液滴混合進入氣體物流中W實現使用垂直定向并流接 觸系統從氣體物流中除去雜質。
[0004] 發明背景
[0005] 本部分意在介紹現有技術的不同方面，其可W與本發明技術的示例性實施方案相 關。運一討論相信可W輔助提供方便更好的理解本發明技術特殊方面的框架。因此，應當 理解的是本部分應當基于運一點進行閱讀，并且沒有必要將其作為現有技術的陳述。
[0006] 由儲層制備的控時常攜帶有偶然產生的非控氣體。運些氣體包括污染物，例如硫 化氨化S)、二氧化碳（C〇2)和水。當&S或％作為控氣體物流，例如甲燒或乙燒的一部分 制備時，原料氣體物流有時候指的是"酸氣"。&S和c〇2通常一起指的是"酸性氣體"。
[0007] 除了控產品物流，酸性氣體可W與合成氣體物流或精煉氣體物流相關。酸性氣體 還可W存在于氣體處理設備中所謂的閃蒸氣體物流中。此外，酸性氣體可W通過煤炭、天然 氣或其他控類燃料的燃燒而產生。 陽00引天然氣物流不僅可W包含&S或c〇2,而且可W包含其他"酸性"雜質。運些包括硫 醇和其他痕量的硫化合物（SOy)。除此之外，天然氣物流可W包含水。運些雜質通常在工業 或居家使用前除去。
[0009] 已經設計了一些方法W便從原料天然氣物流中除去污染物。在酸性氣體的情形 中，有時候會使用低溫氣體處理，特別除去0)2W防止生產線凝固和孔堵塞。在其他實例中， 特別是除去&S，用溶劑處理控流體物流。溶劑可W包括化學溶劑例如胺。用于酸氣處理的 胺的實例包括單乙醇胺（MEA)、二乙醇胺值EA)和甲基二乙醇胺（MDEA)。
[0010]物理溶劑有時候用于替代胺溶劑。其實例包括Selexol③和Rectisol?。在一 些實例中使用混合溶劑，其表示物理和化學溶劑的混合物。它的一個實例是 除此之外，胺基酸性氣體除去溶劑的使用也很普遍。
[0011] 胺基溶劑依賴于與酸性氣體的化學反應。反應過程有時候稱為"氣體脫 硫"，運些化學反應通常比物理基溶劑更有效，特別是對于在物料氣體壓力低于大約 3(K)psia(2. 07MPa)時。還存在其中使用特殊化學溶劑例如Flexsorb?的實例，特別用于從 含C〇2的氣體物流中選擇性的除去H2S。
[0012] 作為氣體脫硫處理的結果，產生處理過的或"脫硫"的氣體物流。脫硫氣體物流實 質上貧含&S和/或c〇2組分。脫硫氣體物流可W進一步進行處理用于液體回收，即，通過 濃縮出重質控氣體。如果C〇2濃度例如低于大約50ppm，脫硫氣體物流可w進入管線出售或 者可W用于液化天然氣（LNG)原料。此外，脫硫氣體物流可W用作用于氣體到液體處理的 原料，并且之后最終用于制備蠟、下燒、潤滑劑、二醇或其他石油基產品。萃取的C〇2可W出 售，或者可W組合如到地下儲層中用于增強油品回收巧OR)操作。
[0013] 當天然氣物流包含水時，通常在除去酸性氣體之前進行脫水處理。運通過在水分 離器中使用二醇或其他干燥劑進行。進行天然氣的脫水W控制水合氣的產生并且防止分布 管線的腐蝕。水合氣的形成和分布管線的腐蝕可W導致流動體積的降低并且凍住控制閥 n，堵塞孔桐和其他操作問題。
[0014] 傳統上，使用化學溶劑（或干燥劑）從原料天然氣物流中除去酸性氣體或水包括 使原料天然氣物流與化學溶劑進行逆流接觸。將原料天然氣物流引入接觸塔的底部區段。 同時，化學溶劑直接進入塔的頂部區段。該塔具有塔板、填料或其他"內部設施"。作為貫穿 內部的化學溶劑噴流，它吸收了不期望的組分，攜帶它們作為一部分"富"溶劑的溶液穿過 接觸塔底部離開。同時，極大地貧含不期望組分的氣態流體在塔的頂部離開。
[0015] 離開接觸器的富溶劑或富二醇有時候稱為吸收劑液體。在吸收之后，可W使用再 生處理（還稱為"脫吸"）W便從吸收劑液體的活性溶劑中分離污染物。運產生了之后典型 的再循環進入接觸塔用于進一步吸收的"貧"溶劑或"貧"二醇。
[0016] 已知用于脫水或用于吸收&S和c〇2的逆流接觸器傾向于非常龐大和沉重。運在 近海石油和氣體制備應用方面產生了特別的難度，其中期望的是更小型的設備。此外，大型 塔基設備的運輸和安裝也難W用于經常在偏遠地區發生的頁巖氣體制備操作。
[0017] 發明概述
[0018] 一個示例性的實施方案提供了一種用于從氣體物流中分離雜質的垂直定向并流 接觸系統。該垂直定向并流接觸系統包括嵌入式位于管道中的垂直定向并流接觸器。該垂 直定向并流接觸器包括垂直定向混合器，其包括配置為使得垂直定向混合器保持在管道中 的環狀支撐環，多個配置為允許液體物流流入垂直定向混合器中的徑向葉片，W及配置為 允許氣體物流流過垂直定向混合器中的中空區域的中屯、氣體入口錐體。該垂直定向并流接 觸器還包括垂直定向混合器下游的垂直定向物質輸送區段。垂直定向混合器和垂直定向物 質輸送區段提供了由液體物流形成的液滴進入氣體物流的有效引入。該液滴包括來自氣體 物流的雜質。垂直定向并流接觸系統還包括配置為從氣體物流中除去包括雜質的液滴的分 離系統。
[0019] 另一個示例性的實施方案提供了一種用于從氣體物流中分離雜質的方法。該方法 包括使液體物流通過環狀支撐環和從環狀支撐環延伸出來的多個徑向葉片流入垂直定向 并流接觸器的垂直定向混合器中，其中環狀支撐環確保垂直定向混合器嵌入管道中。該方 法還包括使氣體物流通過被徑向葉片支撐的中屯、氣體入口錐體流入垂直定向混合器中，其 中氣體物流的第一部分流過中屯、氣體入口錐體并且氣體物流的第二部分在徑向葉片之間 的中屯、氣體入口錐體周圍流動。該方法還包括使氣體物流與液體物流在垂直定向并流接觸 器的垂直定向混合器和垂直定向物質輸送區段中接觸W提供由液體物流形成的液滴混合 到氣體物流中，其中液滴包括來自氣體物流的雜質。該方法還進一步包括在分離系統中將 包括雜質的液滴與氣體物流分離。
[0020] 另一個示例性的實施方案提供了一種用于從天然氣物流中分離雜質的方法。該方 法包括使半貧溶劑物流流入垂直定向并流接觸系統的第一垂直定向并流接觸器中并且使 天然氣物流流入第一垂直定向并流接觸器中。該方法包括使天然氣物流與半貧溶劑物流在 第一垂直定向并流接觸器中接觸W提供第一多相物流，其中該第一多相物流包括混合了由 半貧溶劑物流形成的液滴的天然氣物流，所述液滴包括來自天然氣物流的雜質。該方法還 包括使第一多相物流流入垂直定向并流接觸系統的第二垂直定向并流接觸器中并且使貧 溶劑物流流入第二垂直定向并流接觸器中。該方法還包括使第一多相物流與貧溶劑物流在 第二垂直定向并流接觸器中接觸W提供第二多相物流，其中第二多相物流包括額外混合了 由貧溶劑物流形成的液滴的天然氣物流，所速液滴包括來自天然氣物流的剩余雜質。該方 法還進一步包括在垂直定向并流接觸系統的分離系統中將第二多相物流分離成純化的天 然氣物流和富溶劑物流。
[0021] 附圖概述
[0022] 本發明技術的優點通過參考W下詳細說明和附圖而得W更好的理解，其中：
[0023] 圖1是化學溶劑基氣體處理系統的工藝流程圖；
[0024] 圖2A是包括垂直定向并流方案的氣體處理系統的工藝流程圖；
[00巧]圖2B是包括垂直定向并流方案的另一個氣體處理系統的工藝流程圖；
[0026] 圖3是將原料物流分離成氣體物流和液體物流的塔的示意圖；
[0027] 圖4A是包括多個可W放置在外殼中的垂直定向并流接觸系統的分離系統的工藝 流程圖；
[0028] 圖4B是外加了多個換熱器的圖4A包括垂直定向并流接觸系統的分離系統的工藝 流程圖；
[0029] 圖5是與一個或多個閃蒸罐相連操作的多個垂直定向并流接觸系統的工藝流程 圖；
[0030] 圖6是包括多個垂直定向并流接觸系統的氣體再生設備的工藝流程圖；
[0031] 圖7A是包括垂直定向并流接觸器和垂直定向分離系統的垂直定向并流接觸系統 的工藝流程圖；
[0032] 圖7B是圖7A的垂直定向并流接觸系統的工藝流程圖，其包括垂直定向并流接觸 器和水平定向的分離系統；
[0033] 圖7C是圖7A的垂直定向并流接觸系統的工藝流程圖，其包括在垂直定向分離系 統的上游的多個串聯連接的垂直定向并流接觸器；
[0034] 圖8是垂直定向并流接觸系統的工藝流程圖，其包括可W用于純化天然氣物流的 多個垂直定向并流接觸器和垂直定向分離系統；
[0035] 圖9是垂直定向并流接觸系統的示意圖；
[0036] 圖10A是垂直定向混合器的頂視圖；
[0037] 圖10B是圖10A的垂直定向混合器的頂部透視圖； 陽03引圖10C是圖10A和10B的垂直定向混合器的橫截面側視圖；
[0039] 圖10D是圖10A-C的垂直定向混合器的另一個橫截面側視圖；
[0040] 圖11是用于從氣體物流中分離雜質的方法的工藝流程圖；
[0041] 圖12是用于從天然氣物流中分離雜質的方法的工藝流程圖，該方法使用了垂直 定向的并流接觸系統，其包括在單獨分離系統上游的多重垂直定向的并流接觸器。 陽0創詳細說明
[0043] 在W下詳細說明部分中描述了本發明技術的具體實施方案。然而，在運個意義上，W下說明對于特殊的實施方案是明確的或者是本發明技術的特殊用途，運意在僅示例性的 意圖并且簡單的提供了示例性實施方案的說明。因此，該技術不限于W下描述的具體實施 方案，但是其更包括了所有的替代方案、改進方案W及落入附屬權利要求真實的精神和范 圍內的等價方案。
[0044] 為了易于參考，首先陳述某些用于本申請的術語W及在上下文中使用的它們的含 義。在運個意義上，本發明中使用的術語并不限于W下，應當假設本領域技術人員給出的至 少一種印刷出版物或發行專利反應該術語時給出的最寬泛的定義。此外，本發明技術并不 通過使用W下顯示的術語、W及等價術語、同義詞、新的發展形式進行限制，并且認為服務 于相同或類似目的術語和技術在本發明權利要求的范圍內。
[0045] "酸性氣體"指的是當溶解于水時產生酸性溶液的任何氣體。酸性氣體的非限定 性實例包括硫化氨（HzS)、二氧化碳（C〇2)、二氧化硫（S〇2)、二硫化碳（CS2)、幾基硫化物 (COS)、硫醇或它們的混合物。
[0046] "并流接觸器"指的是W使氣體物流與溶劑物流通常在相同的方向上流動時相互 接觸的方式接收氣體物流和分離溶劑物流的容器。其非限定性實例包括噴射器和凝聚過濾 器，或者是靜態混合器加脫液器。
[0047] 術語"并流"指的是單元操作中可W分成多個子區段的工藝物流的內部排列，通過 它使工藝物流在相同的方向上流動。
[0048] 正如本發明中使用的，"塔"是其中基于不同的性質將逆流流動用于分離物質的分 離容器。在一個吸收塔中，將溶劑注入頂部，同時待分離的氣體混合物流動通過底部。隨著 氣體向上流過向下的溶劑物流，一種氣體物種被優先吸收，降低了它在離開塔頂部的蒸氣 物流中的濃度。
[0049] 在蒸饋塔中，液體和蒸氣相逆流接觸W實現基于沸點或蒸氣壓差的流體混合物的 分離。高蒸氣壓，或較低沸點的組分將傾向于在蒸氣相中濃縮，而低蒸氣壓或較高沸點的組 分將傾向于在液相中濃縮。深冷分離是在等于或低于150開爾文度（K)的溫度下至少部分 地在塔中進行的分離過程。為了強化分離，塔的類型可W使用一系列垂直間隔安裝在塔中 的塔盤或塔板和/或組裝部件，例如結構化或散機填料。該塔通常在底部具有再循環物流 W提供用于沸騰流體的能量，其通常指的是"再沸"。此外，一部分頂部蒸氣可W濃縮并且作 為回流物流累回到塔的頂部，運可W用于提高頂部產物的分離和純度。一批液體汽提塔與 塔相關。然而，運批液體汽提塔并不使用回流物流發揮其功能，并且因此不產生高純度頂部 產品。
[0050] "脫水的氣體物流"指的是進行了脫水處理W便從天然氣物流中除去至少一部分 水分的天然氣物流。可W使用任何合適的用對天然氣物流進行脫水的過程。合適的脫水處 理的典型實例包括但不限于用分子篩處理天然氣物流，或者使用二醇或甲醇脫水。選擇性 的，天然氣物流可W通過形成水合甲燒脫水，例如，使用如W0 2004/070297中描述的脫水 方法。
[0051] 正如本發明中使用的，術語"脫水"指的是原料物料氣體物流的預處理W便部分或 全部除去水分，并且任選的，除去一些重質控。運可W通過例如預冷卻循環、反向冷卻回路 或冷卻內部工藝物流的方法實現。還可w通過用分子篩預處理的方法除去水，例如沸石或 硅膠或氧化侶或其他干燥劑。還可W通過用二醇、單乙二醇（MEG)、二乙二醇值EG)、S乙二 醇（TEG)或丙S醇除去水分。
[0052] 術語"蒸饋"（或"分饋"）指的是基于特定溫度和壓力下組分的沸點和蒸氣壓的 差異將化學組分物流分離為蒸氣相和液相。蒸饋典型的在"蒸饋塔"中進行，其包括一系列 垂直放置的塔板。原料物流在將蒸饋塔分為兩個區段的中點處進入蒸饋塔。頂部區段可W 指的是精饋區段，并且底部區段可W指的是汽提區段。在每個塔板上發生濃縮和蒸饋，導致 較低沸點的組分升高到蒸饋塔的頂部，并且較高沸點的組分下降到底部。再沸器位于蒸饋 塔底部W增加熱能。從蒸饋塔底部除去"底部"產物。冷凝器位于蒸饋塔頂部W便濃縮從 蒸饋塔頂部散發出來的產物，運稱為蒸饋。回流累用于通過將一部分蒸饋物累回蒸饋塔而 在蒸饋塔的精饋區段中保持流動。
[005引術語"提高油品回收"(E0R)指的是提高從地下儲層回收控的過程。用于改進轉移 效率或清掃效率的技術可W通過將替代流體或氣體引入注射井W便驅使石油通過儲層到 生產油井處而用于油田開發。
[0054] 正如本發明中使用的，術語"流體"可W用于指代氣體、液體、氣體和液體的聯合， 氣體和固體的聯合，或者液體和固體的聯合。
[0055] 術語"煙氣"指的是作為控燃燒的副產物而產生的任何氣體物流。
[0056] 術語"氣體"用于與"蒸氣"互換使用，并且定義為與液體或固體狀態區別開的氣 態狀態的物質或物質的混合物。同樣的，術語"液體"表示與氣體或固體狀態區分開的液體 狀態的物質或物質的混合物。
[0057] "控"是有機化合物，其主要包括元素氨和碳，雖然也可W存在少量的氮、硫、氧、金 屬或任何多種其他元素。正如本發明中使用的，控通常指的是在天然氣、石油或化學處理設 備中發現的組分。
[0058] 對于流體處理設備，術語"串聯"表示兩個或更多個裝置沿著流動管線放置W至于 流體物流從設備的一個項目處到