[发明专利]碳氢化合物气体处理

说明书

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发明背景

在如天然气、炼油气以及从其它碳氢化合物材料(例如煤、原油、石油脑、油页岩、沥青砂以及褐煤)获得的合成气流等各种气体中可发现碳氢化合物化合物。许多情况下，来自这些来源的气流混有高浓度的二氧化碳，而使所述气流不适用于燃料、化学工厂进料或其它用途。已研发出使用化学性、物理性与混合溶剂去除二氧化碳的各种方法。也已研发出使用由重(通常C₄~C₁₀)碳氢化合物组成的冷却的吸收剂流体来去除蒸馏管柱中的二氧化碳的其它方法，如美国专利号4,318,723中所述的方法。当气流中的二氧化碳浓度提高时，所有这些方法的投资成本及操作成本也随之提高，这通常使此类气流的处理方法不符经济效益。

一种用于改善处理含高浓度二氧化碳的气流的经济效益的方法是在使用溶剂或吸收剂处理所述气流前，从所述气流中分离出大部分的二氧化碳，这样使得随后仅须从所述气流中去除小部分的二氧化碳。例如，目前经常使用半透膜去除大部分的二氧化碳。然而，所述气流中经常有相当量的轻碳氢化合物会“遗留”在利用此种大量去除方法所分离出的二氧化碳流中。

另一种用于大量去除二氧化碳的较佳替代方法是利用蒸馏法使所述气流分馏成轻碳氢化合物流和二氧化碳流，这样使得仅要求从所述轻碳氢化合物流中去除残余二氧化碳以产生出可用作燃料、化学工厂进料等用途的管线输出质量气体。已去除的大部分二氧化碳是以液体形式(非以蒸汽形式)回收，从而容许泵送(而不是压缩)所述二氧化碳以便后续用于三次石油回收作业(tertiary oil recovery operation)或用于其它用途，因此产生投资成本和操作成本的实质降低。

本发明大体上涉及从此类气流中去除大部分二氧化碳。要根据本发明进行处理的气流的典型分析显示含约44.3摩尔％的氢气、13.0摩尔％的一氧化碳、4.0摩尔％的甲烷以及38.5摩尔％的二氧化碳，其余为氮气和氩气。有时也存在含硫气体。

在去除二氧化碳的典型蒸馏方法中，通过使处于压力下的进料气流与所述方法的其它流体和/或外部冷却来源(如丙烷压缩冷却系统)进行热交换来冷却所述进料气流。当所述气体冷却时会冷凝，并且使所述高压液体膨胀至中间压力，从而由于所述液体膨胀期间发生汽化而使所述流体进一步冷却。所述已膨胀的流体包含液体和蒸汽的混合物，所述已膨胀的流体在蒸馏管柱中分馏而使残余的甲烷、氮气以及其它挥发性气体成为顶部蒸汽而与二氧化碳分离并且重碳氢化合物组分则成为底部液态产物。一部分的液态二氧化碳可快速膨胀(flashexpand)至低压并且如有需要那么可随后用以向所述处理流体提供低程度的冷却。

本发明采用新的手段来冷凝蒸馏管柱的顶部蒸汽以提高二氧化碳的去除效率。代替使所述管柱顶部蒸汽冷却以冷凝用于所述分馏管柱的回流，使所述顶部蒸汽压缩至更高压力且随后冷却所述顶部蒸汽以使所述顶部蒸汽部分冷凝。所得冷凝物主要为液态二氧化碳，在所述液态二氧化碳返回所述蒸馏管柱的中段管柱进料点前，可使所述液态二氧化碳快速膨胀至中间压力，并且所述液态二氧化碳可用以向所述处理流体提供中程度的冷却。此外，在去除所述冷凝物后余留的残余气体适合被送去进行处理而无需进一步压缩。出乎意料的是，申请人发现此种新型方法安排不仅允许去除更多二氧化碳，而且可减少达到指定的二氧化碳去除程度所需要的功率消耗，从而提高所述方法效率并且降低设施的操作成本。

根据本发明，发现在去除75％以上的二氧化碳的同时，还能保留所述残余气流中99.8％以上的甲烷和轻质组分。虽然本发明可应用于低压和温热的温度条件，但当在要求蒸馏管柱顶部温度为-50℉[-46℃]或更冰冷的条件下处理400psia至1500psia[2,758kPa(a)至10,342kPa(a)]范围内或更高压力的进料气体时，本发明特别有利。

可参阅以下实施例及附图以求更佳地理解本发明。参阅以下附图：

图1为现有技术合成气体处理厂的流程图；以及

图2为根据本发明的合成气体处理厂的流程图。

在以下附图说明中，提供表格概述代表性方法条件所计算的流速。在本文所列的表格中，为方便起见，流速(摩尔/小时)的数值已四舍五入为最接近的整数。表中展示的总流的速率包括所有非碳氢化合物成分，因而通常大于碳氢化合物成分的流的总流速。所指示的温度是四舍五入到最接近程度的近似值。还应注意，出于比较附图所描绘的方法的目的而进行的所述方法设计的计算，是基于周围环境没有热泄漏到此方法或此方法没有热泄漏到周围环境的假设下。市售隔热材料的质量使此成为非常合理的假设，且本领域的技术人员通常会作这种假设。