[发明专利]从烃气流中去除酸性气体的低温系统和去除酸性气体的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年4月20日提交的美国临时申请号61/170,919的权益。

发明背景

此章节意欲介绍本领域的各个方面，其可能与本公开的示例性实施方式有关。相信本讨论有助于为促进本公开的具体方面的更好理解提供框架。因此，应当理解应该以这个角度阅读本章节，并且不必承认是现有技术。

发明领域

本发明涉及流体分离领域。更具体地，本发明涉及从烃流体流中分离二氧化碳和其它酸性气体。

技术讨论

从储层中采收烃时常与它一起携带有非烃气体的附带产物。这种气体包括如硫化氢(H₂S)和二氧化碳(CO₂)的污染物。当H₂S和CO₂作为烃气流(如甲烷或乙烷)的部分产生时，该气流有时被称作为“酸气”。

酸气通常被处理以去除CO₂、H₂S和其它污染物，然后将它送往下游以进一步加工或出售。分离过程产生了关于处置分离的污染物的问题。在某些情况下，浓的酸性气体(主要由H₂S和CO₂组成)被送到硫回收单元(“SRU”)。SRU转化H₂S为良性的元素硫。但是，在一些地区(如里海区域)，因为有限的市场，额外的元素硫生产是不合需要的。因此，成百万吨的硫已经存放在世界一些地区的大的地上区域中，最为显著的是加拿大和哈萨克斯坦。

硫被贮存在陆地上，而二氧化碳气体常常地被排至大气中。但是，实行排放CO₂有时是不期望的。减小CO₂排放的一项建议是被称为酸性气体注入(“AGI”)的方法。AGI意指不需要的酸气在压力下被重新注入至地下地层(subterranean formation)并且被隔绝以备可能以后的应用。可选地，酸气可用于形成人工储层压力，用于提高采收率法采油操作。

关于AGI，需要有气体处理设备，其从烃气中分离出酸性气体成分。但是，对于“高酸性”流，即含有大于大约15％CO₂和H₂S的生产流，设计、构造和操作能够经济地从所需烃中分离污染物的设备可能是极具挑战的。许多天然气储层含有相对低的烃百分含量(例如少于40％)和高的酸性气体百分含量，主要是二氧化碳，但也有硫化氢、硫化羰、二硫化碳和各种硫醇。在这些情况下，可有利地采用低温气体处理。

低温气体处理是有时用于气体分离的蒸馏方法。低温气体分离在中度压力(例如350-600磅每平方英寸表压(psig))下产生冷却和液化气流。在酸气低温蒸馏的情况下，液化酸性气体作为“塔底”产物产生。因为液化酸性气体具有相对高的密度，静水压头有利地用于AGI井，以协助注入过程。这意味着泵送液化酸性气体至地层所需的能量比压缩低压酸性气体至储层压力所需的能量低。因此，低温气体处理尤其适用于AGI。

关于酸气低温蒸馏也存在挑战。当待处理气体中二氧化碳存在的浓度大于大约5mol.％时，它将在标准的低温蒸馏设备中冻结为固体。作为固体的CO₂的形成中断了低温蒸馏过程。为了克服这个问题，本受让人先前已经设计了各种“控制冻结区^TM”(CFZ^TM)方法。CFZ^TM方法利用二氧化碳形成固体颗粒的倾向，通过使冷冻的CO₂颗粒在蒸馏塔的开口部分内形成，并且然后在融化塔盘中捕获该颗粒。结果，在塔顶端产生干净的甲烷流(连同在原料气体中的任意氮气或氦气)，同时在塔底产生液体CO₂/H₂S流。

在美国专利4,533,372、美国专利4,923,493、美国专利5,062,270、美国专利5,120,338和美国专利6,053,007中描述了CFZ^TM方法和相关设备的某些方面。

如在以上美国专利中一般性描述的，用于低温气体处理的蒸馏塔或柱包括下部的蒸馏区和中间的控制冻结区。优选地，也包括上部的精馏区。通过提供在那个压力下温度范围在二氧化碳凝固点以下、但在甲烷沸腾温度以上的一部分柱，柱运转以形成固体CO₂颗粒。更优选地，在使甲烷和其它轻质烃气蒸发，同时引起CO₂形成冻结(固体)颗粒的温度和压力下操作该控制冻结区。