專利名稱：從天然氣中除去污染物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過形成固體污染物以及后續(xù)適當(dāng)?shù)厝刍摴腆w污染物，以從天然氣進料物流中除去污染物的方法與裝置。
當(dāng)污染物為水時，本發(fā)明尤其(但非排除性地)涉及一種將天然氣進料物流脫水的方法和裝置。
當(dāng)污染物為酸性物質(zhì)，例如硫化氫或二氧化碳時，本發(fā)明尤其(但非排除性地)涉及一種用于天然氣進料物流脫硫(sweetening)的方法與裝置。
本發(fā)明也尤其(但非排除性地)涉及一種依續(xù)將天然氣進料物流脫水與脫硫的方法與裝置。
不管是來自生產(chǎn)儲槽或儲存儲槽的天然氣，其通常都含有水，以及其它會在生產(chǎn)液化天然氣(LNG)的液化過程中形成固體的物質(zhì)。一般做法是在液化之前先讓天然氣經(jīng)受脫水工藝。將水除去，以防止發(fā)生水合物形成于管路內(nèi)和液化容器上游的熱交換器內(nèi)。
如果未將水除去，則固體水合物可能會在管路工件、熱交換器和/或液化容器內(nèi)生成。該水合物是含有水與具有冰的外觀的天然氣的穩(wěn)定固體，且天然氣儲存在水合物的晶格內(nèi)。
天然氣水合物的形成以歷史觀點來看認為是應(yīng)該避免的非所需的結(jié)果。然而，已經(jīng)開發(fā)了一些促進天然氣水合物生成的方法，如國際專利申請?zhí)?1/00755以及01/12758。在這些國際專利申請的第一個中，描述了一種在適合降低天然氣與水之間的界面張力以促進天然氣水合物的生成的試劑的存在下混合天然氣和水的方法和裝置。在這些國際專利申請的第二個中，描述了一種生產(chǎn)裝置，其包含回旋狀流動路徑，以在降低溫度制備天然氣水合物之前引起作為第一步驟的水與天然氣的混合。
本領(lǐng)域公知的是，將天然氣進料物流脫水的方法包括以乙二醇吸收水，或是使用固體(如水合氧化鋁、硅凝膠、硅石-氧化鋁凝膠以及分子篩)吸收水。
典型地，天然氣也含有酸性物質(zhì)，如硫化氫(H2S)和二氧化碳(CO2)。此種天然氣被稱為“酸性氣體”。當(dāng)H2S與CO2從天然氣進料物流中被除去時，則該氣體被稱為“脫硫氣體(sweet)”。因為在即使低濃度下從未經(jīng)脫硫氣體中所散發(fā)出的不良氣味，術(shù)語“酸性氣體”是指含有H2S的天然氣。H2S是必須被除去以符合法律規(guī)定的天然氣污染物，因為H2S及其二氧化硫與三氧化硫的燃燒產(chǎn)物也是有毒性的。此外，H2S對大部分通常與氣體管路相關(guān)的金屬是有腐蝕性的，使得酸性氣體的加工與處理可能導(dǎo)致此種系統(tǒng)的過早損壞。
如同脫水，氣體脫硫工藝是本領(lǐng)域公知的，該工藝典型地包括使用固體吸附方法的吸附，或是使用胺方法、分子篩等的吸收。現(xiàn)有的脫水和脫硫方法是極其復(fù)雜和昂貴的。
本發(fā)明是對國際專利申請公開號03/062725中所述的方法和裝置的改進。
為此目的，根據(jù)本發(fā)明的從含水的天然氣進料物流中除去污染物的方法包括以下步驟在第一容器中將天然氣進料物流冷卻至水合物形成的第一操作溫度；以及從第一容器中移出經(jīng)脫水的氣體物流。
本發(fā)明方法的基本特征在于故意形成水合物以除去水。一般而言，要避免水合物的形成。
當(dāng)天然氣進料物流進一步包含酸性物質(zhì)時，根據(jù)本發(fā)明的方法適當(dāng)?shù)剡M一步包括在第二容器中將經(jīng)脫水的氣體冷卻至形成固體酸性物質(zhì)或該酸性物質(zhì)溶于液體中的第二操作溫度；以及從該第二容器中移出經(jīng)脫水、脫硫的物流。
術(shù)語“操作溫度”用以指低于污染物在操作第一或第二容器的給定壓力下的固體/液體轉(zhuǎn)變溫度的溫度。
在本說明書中，“溫?zé)帷币后w物流可為任何相容的液體物流，其具有高于污染物在操作第一或第二容器的給定壓力下固體/液體轉(zhuǎn)變溫度的溫度。因此溫?zé)嵋后w物流具有高至足以引起污染物固體熔化的溫度。溫?zé)嵋后w可能使或可能不會使污染物全部形成溶液。
現(xiàn)將參照附圖更詳細地描述本發(fā)明，其中

圖1為本發(fā)明第一實施方案的示意性流程圖；以及圖2為本發(fā)明另一實施方案的示意性流程圖。
現(xiàn)請參照圖1。圖1顯示進行本發(fā)明的方法的裝置10。裝置10包括第一容器12。在第一容器12中除去的污染物是水，因此離開第一容器12的氣體是干燥的。移出重質(zhì)烴也是本方法的結(jié)果，且因此離開第一容器12的氣體物流為由第一容器12中的條件決定的烴的露滴。然而，離開第一容器12的氣體的水露點，由于水合物的形成，所以較其平衡露點低。
如圖1所述的具體實施方案，來自水源的濕進料氣體由導(dǎo)管15進料到第一閃蒸罐16，其中冷凝液從進料氣體中分離。第一閃蒸罐16內(nèi)的壓力和溫度條件典型地為約75-130巴和25-40℃(約高于水合物形成溫度5-10℃)。經(jīng)由導(dǎo)管17離開第一閃蒸罐16的冷凝液物流為如前所定義的“溫?zé)嵋后w”。該冷凝液由與天然氣一起生成的液態(tài)烴組成。在第一閃蒸罐16中與酸性濕進料氣體分離的氣體物流經(jīng)由濕酸性氣體進料物流入口20進入第一容器12。中間熱交換器22可用來冷卻介于第一閃蒸罐16與第一容器12間的濕酸性氣體。中間熱交換器22使?jié)袼嵝詺怏w的溫度降低到正好高于在進料物流的特定壓力下水合物的形成溫度。在進料物流的特定壓力下水合物的形成溫度為第一操作溫度的最大值，該第一操作溫度為第一容器12內(nèi)的操作溫度。
可使用Joule-Thompson閥24或其它適當(dāng)?shù)呐蛎浹b置(如渦輪膨脹機)來膨脹進料到第一容器12的濕氣體進料物流，以在該物流進入第一容器12時進一步冷卻。Joule-Thompson閥24另可限定進入第一容器12的入口20。在膨脹進入第一容器12的濕酸性氣體進料物流之后，容器12內(nèi)的氣體壓力-溫度條件使得形成水合物。必要的冷卻程度可通過流經(jīng)Joule-Thompson閥24的濕酸性氣體進料物流的膨脹度來達到。
將第一容器12內(nèi)的第一操作溫度與壓力維持在水合物可借以形成的水平。進入Joule-Thompson閥24下游而至第一容器12的天然氣進料物流處于第一操作溫度。
如果天然氣進料物流也含有酸性物質(zhì)，第一容器12內(nèi)的進料氣體被冷卻到的第一操作溫度為低于水合物形成的溫度，但高于固體酸性物質(zhì)(如H2S與CO2)的形成溫度。這是用來產(chǎn)生水合物及避免在第一容器12內(nèi)形成固體酸性物質(zhì)。
干燥的酸性氣體經(jīng)由干燥酸性氣體出口34離開第一容器12。典型地，離開第一容器12的干燥酸性氣體具有10-30巴、且低于膨脹裝置24上游壓力的標稱壓力，以及10-25℃、且低于膨脹裝置24上游溫度的溫度。術(shù)語“干燥氣體”是指不含水的氣體。
含有水合物的液體物流經(jīng)由水冷凝液出口28從第一容器12中移出，并經(jīng)導(dǎo)管29流至分離器30。水在水冷凝液分離器30中從冷凝液中分離出來。此分離器例如可以是帶有擋板的重力分離單元。由于水比冷凝液重，故任何適當(dāng)?shù)闹亓Ψ蛛x技術(shù)都可使用。所分離出的冷凝液經(jīng)由導(dǎo)管31移出，而分離出的水經(jīng)由導(dǎo)管33移出。
將進入第一容器12的天然氣進料物流冷卻至第一操作溫度?；蛘?，可使用經(jīng)由過冷卻液體入口26導(dǎo)入的一或多個過冷卻液體噴射液來冷卻天然氣進料物流。于另一替代具體實施方案中，天然氣進料物流是用Joule-Thompson閥24與經(jīng)由入口26提供的過冷卻液體兩者來冷卻的。在噴射液冷卻的例子中，天然氣進料物流可于水合物形成溫度或高于水合物形成溫度進入第一容器12。
過冷卻液體入口26應(yīng)設(shè)置于第一容器12內(nèi)、濕酸性氣體進料物流的入口20之上。在所述具體實施方案中，過冷卻液體入口26為多個噴嘴。特別的過冷卻液體為從本方法循環(huán)和噴灑入第一容器12的冷凝液。使用噴射液以使過冷卻液體與氣體的接觸面積最大化，并因此使過冷卻液體與濕酸性氣體接觸的冷卻效果最大化。
將在10-30巴的壓力(低于膨脹裝置24的上游壓力)以及第一容器12的操作溫度下的干燥酸性氣體，經(jīng)由導(dǎo)管35中的第二交換器36導(dǎo)入第二閃蒸罐40。其于第二熱交換器36中冷卻而形成高于-56℃的溫度的氣體與冷凝液的兩相混合物。未顯示可通過與經(jīng)外部冷凍循環(huán)(如丙烷冷凍循環(huán))循環(huán)的冷凍劑間接熱交換提供的額外冷卻。在第二閃蒸罐40中，將冷凝液從干燥酸性氣體物流分離。液體物流經(jīng)由液體出口42離開第二閃蒸罐40，且被充分冷卻以滿足可能被送入第一容器12內(nèi)的過冷卻液體入口26的過冷卻液體所需的標準。過冷卻液體經(jīng)由設(shè)置有泵44的導(dǎo)管43供應(yīng)至過冷卻液體入口26。
干燥酸性氣體經(jīng)由氣體出口44離開第二閃蒸罐40，并經(jīng)由導(dǎo)管45進入中間熱交換器22，并由此至終端使用者(未顯示)。
如同較早所觀察到的，本發(fā)明涉及通過形成水合物來將天然氣脫水。為防止水合物堵塞出口28和導(dǎo)管29，優(yōu)選將存在于第一容器12底部的冷凝液加熱。這可適當(dāng)?shù)亟柚箿責(zé)嵋后w導(dǎo)入低于進料物流被導(dǎo)入的高度來導(dǎo)入第一容器12中。
在第一閃蒸罐16中分離的一部份溫?zé)崂淠何锪鹘?jīng)由導(dǎo)管17和入口18供入到第一容器12。該溫?zé)崂淠鹤銐驘?，以至于可液化在第一容?2的第一區(qū)域內(nèi)形成的水合物。當(dāng)水合物熔化時，在水合物晶格內(nèi)捕捉的氣體被釋放出來，而水進入含有冷凝液的溶液中。此外，至少一部分在水/冷凝液分離器30中分離的冷凝液可(于加熱后，未顯示)經(jīng)由導(dǎo)管37被循環(huán)，而當(dāng)作用以加熱第一容器12內(nèi)的固體可冷凍物質(zhì)的溫?zé)嵋后w來使用。
任何存在于水冷凝液分離器內(nèi)的氣體皆可被循環(huán)至第一容器12中?；蛘呋蛄硗獾?，在水/冷凝液分離器30中分離的一部份氣體可被循環(huán)至經(jīng)由入口20進入第一容器12的濕酸性氣體進料物流中。
適當(dāng)?shù)?，?jīng)由入口26噴灑入第一容器的液體為天然氣液體，此天然氣液體是C2，液化石油氣組分，C3和C4以及C5+烴組分的混合物。
適當(dāng)?shù)?，?jīng)由入口18導(dǎo)入第一容器的溫?zé)嵋后w也為天然氣液體。
現(xiàn)請參照圖2，其顯示本發(fā)明的另一實施方案。于此另一實施方案中，處理已脫水的酸性氣體以從其除去酸性組分。脫水工藝已參照圖1進行了討論，故于此將不再重復(fù)。與圖1所示部件具有相同功能的部件使用相同的參考符號。
干燥酸性氣體經(jīng)由氣體出口44離開第二閃蒸罐40，并經(jīng)由干燥酸性氣體入口46進入第二容器14。就如同第一容器12一樣，供應(yīng)到第二容器14的干燥酸性氣體可通過Joule-Thompson閥48或其它適當(dāng)?shù)呐蛎浹b置(如渦輪膨脹機)膨脹，以進一步冷卻該氣體。如同先前的第一容器12，Joule-Thompson閥可限定干燥酸性氣體入口46。進入第二容器14的干燥氣體溫度處于第二操作溫度。第二操作溫度是固體酸性物質(zhì)形成的最高溫度，或是酸性物質(zhì)溶于液體中的溫度。
對經(jīng)由出口62離開第二容器14的氣體進行脫水和脫硫。干燥經(jīng)脫硫的氣體通常的壓力為20-50巴以及溫度不低于-85℃。此經(jīng)脫硫的干燥氣體的產(chǎn)物流典型地于室溫下送至終端使用者。
可通過使干燥經(jīng)脫硫的氣體于膨脹裝置63中膨脹而進一步冷卻該氣體的產(chǎn)物流，且該進一步冷卻的干燥經(jīng)脫硫的氣體被用于一或多個熱交換器38、36或22，以影響裝置10內(nèi)的一或多個其它工藝物流的冷卻。請注意，干燥氣體在熱交換器36內(nèi)被冷卻到的溫度高于在給定管線壓力下固體酸性物質(zhì)形成的溫度。
從出口52移出的液體含有酸性物質(zhì)。
通過使干燥酸性氣體于Joule-Thompson閥48中膨脹而將干燥酸性氣體冷卻至第二操作溫度?；蛘?，可使用經(jīng)由入口49提供的一或多個過冷卻液體噴射液來冷卻干燥酸性氣體。在另一實施方案中，天然氣進料物流同時被Joule-Thompson閥48和經(jīng)由入口49提供的過冷卻液體所冷卻。在噴灑冷卻的例子中，干燥氣體可以處于或高于固體酸性物質(zhì)形成的溫度或酸性物質(zhì)溶于液體中的溫度進入第二容器14。
過冷卻液體入口49應(yīng)該位于第二容器14中且在干燥酸性氣體入口46之上。在舉例說明的實施方案中，過冷卻液體入口49為多個噴霧噴嘴。可調(diào)節(jié)第二容器14內(nèi)的溫度和壓力條件，以形成固體可冷凍物質(zhì)。對于氣體的脫硫，只需調(diào)節(jié)溫度-壓力條件以形成固體硫化氫(H2S)和二氧化碳(CO2)。然而，第二容器內(nèi)的工藝條件足以導(dǎo)致其它烴(如苯、甲苯、乙基苯和二甲苯)的固體可冷凍物質(zhì)的形成。
適當(dāng)?shù)?，過冷卻液體為流經(jīng)導(dǎo)管43的一部份液體。為了降低溫度，該液體流經(jīng)導(dǎo)管50而后到達熱交換器38，在此處，可通過與干燥的脫硫氣體進行間接熱交換而冷卻。然后，干燥的脫硫氣體流經(jīng)導(dǎo)管65而至熱交換器36，以冷卻來自第一容器12的干燥酸性氣體。
申請人已發(fā)現(xiàn)，特別的是C2-C4烴組分于液體中的濃度為進料氣體中的每摩爾CO2具有0.5-1.5摩爾。第二容器14中的液體是從入口49噴灑入容器的液體。因此，C2-C4烴組分于過冷卻液體中的濃度應(yīng)該在指定范圍內(nèi)。應(yīng)當(dāng)理解，如果在導(dǎo)管50中C2-C4烴組分于液體物流中的濃度太低，則可將額外的C2-C4烴組分加入到此物流中。
為防止酸性物質(zhì)堵塞出口52，優(yōu)選對存在于第二容器14底部的冷凝液進行加熱。這可通過將溫?zé)嵋后w經(jīng)由低于進料物流導(dǎo)入的高度的溫?zé)崂淠喝肟?6導(dǎo)入第二容器14中而適當(dāng)?shù)剡M行。適當(dāng)?shù)囊后w為流經(jīng)導(dǎo)管50的液體?；蛘咭部墒褂昧鹘?jīng)導(dǎo)管31的液體。
進一步優(yōu)化上述流程圖以改善熱整合是有可能的。例如，部分經(jīng)由出口52離開第二容器14的烴液體物流可被循環(huán)至第一容器12的入口26。為了這樣做，于是使用分離容器(未顯示)來將富含酸性物質(zhì)的液體物流從循環(huán)的烴物流中分離出來。
權(quán)利要求
1.一種從含有水的天然氣進料物流中除去污染物的方法，該方法包括以下步驟在第一容器中將該天然氣進料物流冷卻至形成水合物的第一操作溫度；以及從該第一容器中移出脫水的氣體物流。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中該天然氣進料物流進一步包括酸性物質(zhì)，該方法進一步包括以下步驟在第二容器中將該脫水的氣體冷卻至固體酸性物質(zhì)形成或該酸性物質(zhì)溶于液體中的第二操作溫度；以及從該第二容器中移出脫水、脫硫的氣體物流。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中在第一容器中將該天然氣進料物流冷卻至第一操作溫度的步驟包括于低于該第一操作溫度的溫度下將天然氣進料物流導(dǎo)入第一容器。
4.如權(quán)利要求2的方法，其中在第二容器中將該脫水的氣體冷卻至第二操作溫度的步驟包括于低于該第二操作溫度的溫度下將脫水的氣體導(dǎo)入第二容器。
5.如權(quán)利要求2的方法，其中在第一容器中將該天然氣進料物流冷卻至第一操作溫度的步驟包括于低于該第一操作溫度的溫度下將天然氣進料物流導(dǎo)入第一容器，以及其中在第二容器中將該脫水的氣體冷卻至第二操作溫度的步驟包含于低于該第二操作溫度的溫度下將脫水的氣體導(dǎo)入第二容器。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中在第一容器中將該天然氣進料物流冷卻至第一操作溫度的步驟包括將天然氣進料物流導(dǎo)入第一容器，以及于低于該第一操作溫度的溫度下將液體物流導(dǎo)入第一容器，以與水合物形成漿液。
7.如權(quán)利要求2-5中任一項的方法，其中在第二容器中將該脫水的氣體冷卻至第二操作溫度的步驟包括將脫水的氣體導(dǎo)入第二容器，以及于低于該第二操作溫度的溫度下將液體物流導(dǎo)入第二容器，以與酸性污染物形成漿液或混合物。
8.如權(quán)利要求2-5中任一項的方法，其中在第一容器中將該天然氣進料物流冷卻至第一操作溫度的步驟包括將天然氣進料物流導(dǎo)入第一容器，以及于低于該第一操作溫度的溫度下將液體物流導(dǎo)入第一容器，以與水合物形成漿液，且其中在第二容器中將該脫水的氣體冷卻至第二操作溫度的步驟包括將脫水的氣體導(dǎo)入第二容器，以及于低于該第二操作溫度的溫度下將液體物流導(dǎo)入第二容器，以與酸性污染物形成漿液或混合物。
9.如權(quán)利要求5-8中任一項的方法，其中該液體為天然氣液體。
10.如權(quán)利要求1的方法，其進一步包括于該第一容器中加熱水合物至高于該第一操作溫度的溫度以獲得含水液體的步驟。
11.如權(quán)利要求2-9中任一項的方法，其進一步包括在該第二容器中加熱酸性物質(zhì)至高于該第二操作溫度的溫度以獲得含酸性物質(zhì)的液體的步驟。
12.如權(quán)利要求2-9中任一項的方法，其進一步包括在該第一容器中加熱水合物以獲得含水液體以及在該第二容器中加熱酸性物質(zhì)以獲得含酸性物質(zhì)的液體的步驟。
13.如權(quán)利要求10或12的方法，其中在該第一容器中加熱水合物包括向水合物中加入溫?zé)嵋后w。
14.如權(quán)利要求11或12的方法，其中在該第二容器中加熱酸性物質(zhì)包括向酸性物質(zhì)中加入溫?zé)嵋后w。
15.如權(quán)利要求13或14的方法，其中該溫?zé)嵋后w為天然氣液體。
全文摘要
一種從含有水和酸性物質(zhì)的天然氣進料物流中除去污染物的方法，該方法包括以下步驟在第一容器(12)中將天然氣進料物流冷卻至水合物形成的第一操作溫度，和從第一容器(12)中移出脫水的氣體物流(34)；以及在第二容器(14)中將脫水的氣體冷卻至固體酸性物質(zhì)形成或該酸性物質(zhì)溶于液體中的第二操作溫度，和從第二容器(14)中移出脫水、脫硫的氣體物流(62)。
文檔編號C07C7/00GK1950657SQ200480003633
公開日2007年4月18日 申請日期2004年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月7日
發(fā)明者R·亞明, C·K·古魯蘇伊斯 申請人:國際殼牌研究有限公司