專利名稱：天然氣的深冷分離精制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)甲烷氣源精制的方法，更具體地說，涉及對(duì)含高濃度二氧化碳的甲烷氣源的深冷精制。
背景技術(shù)：
低品位的甲烷氣源，諸如由于有機(jī)物料腐爛的甲烷氣源，已被公認(rèn)為可用至少50年的潛在能源。這種氣源包括由拉圾填埋場及厭氧煮解池產(chǎn)生的主要包括甲烷及二氧化碳的“沼氣”的氣體。沼氣中也存在數(shù)量不同的許多其它痕量雜質(zhì)、氧氣及氮?dú)?。從拉圾填埋場逸散出來的沼氣既危害環(huán)境也影響安全。而且，沼氣中甲烷及二氧化碳這兩種組分，只要適當(dāng)?shù)丶右跃?，都是具有潛在價(jià)值的產(chǎn)物。因此，攝取沼氣的能量，又消除對(duì)環(huán)境及安全的危害，應(yīng)是有益的。盡管客觀需要利用來自填埋場及煮解器的沼氣，但這種甲烷氣源仍然利用不足，因?yàn)檫€存在涉及對(duì)這種氣體進(jìn)行有效精制，即脫除痕量的有毒物質(zhì)，及接著有效分離甲烷與二氧化碳組分的一些問題。采用厭氧腐爛有機(jī)物料方法產(chǎn)生的沼氣流約三分之一至一半都是二氧化碳。因此，未精制的沼氣流的容積能量含量實(shí)質(zhì)上比管道天然氣的更低。因此，對(duì)于未精制的沼氣，不加處理，脫出這種氣體混合物中的二氧化碳及其他雜質(zhì)，是不能輸入氣體管線或用于常規(guī)設(shè)備中的。
已經(jīng)提出有許多精制沼氣源的體系?；诒∧ぁ⒆儔何?、變溫吸附、化學(xué)吸收及深冷處理的分離體系均有報(bào)導(dǎo)。對(duì)于有大量沼氣可供處理或其最終純度在95％以下就合格的場合，這些體系都有可能在現(xiàn)場對(duì)沼氣進(jìn)行成功的精制。但是，它們之中沒有哪個(gè)體系能經(jīng)濟(jì)有效地處理一至二百萬標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/日以下的沼氣源。對(duì)于每日生產(chǎn)低于此容積量的沼氣源或需要高純度的場合，資本投資、生產(chǎn)費(fèi)用及/或體系的復(fù)雜性都限制了現(xiàn)有體系的實(shí)際或經(jīng)濟(jì)運(yùn)用。
拉圾填埋場的惡劣、腐蝕性及連續(xù)操作的環(huán)境限制了體系要求維護(hù)、管理或化學(xué)添加劑的有效性。復(fù)雜體系一般投資及保養(yǎng)費(fèi)用都較高。
原則上，對(duì)沼氣都可利用蒸餾技術(shù)使之深冷分離為其組分。但不幸的是，蒸餾技術(shù)對(duì)于二氧化碳及甲烷沼氣混合物的分離更為困難，因?yàn)槠胶饣旌衔锵嘀杏腥舾瑟?dú)特的特點(diǎn)。深冷分離可大致分為連續(xù)法及間斷(間歇)法。連續(xù)深冷體系利用了通過組分間相的差異使二氧化碳及甲烷彼此連續(xù)分離的區(qū)或區(qū)域。例如，在低于700磅/平方英寸絕壓(psia)的恒壓下，要獲得純度＞98％的甲烷，必須從這種混合物進(jìn)料流中分離出易形成固體的CO2。為保持清晰的相和允許相分離，要求在該混合物的臨界點(diǎn)以下進(jìn)行操作。對(duì)于這種常規(guī)低溫蒸餾可提供的溫度及壓力范圍是十分有限的。
在已有技術(shù)中，對(duì)二氧化碳及甲烷的分離提出有許多深冷方法。例如，霍姆斯(A.S.Holmes)等人(US 4,462,814)提出了避免蒸餾中二氧化碳固相的一種方法及設(shè)備。通常被稱為瑞安-霍爾姆斯法(Ryan-Holmesprocess)，將鏈烷添加劑，諸如丙烷或丁烷，用于基于液體蒸餾的分離過程中，避免固體CO2的形成。在與CH4蒸餾后，分離出CO2中的丁烷或丙烷，并再循環(huán)至蒸餾塔中。將重質(zhì)烴類(C3+)加入進(jìn)料流中，使操作壓力降低和溫度升高，不致形成固體CO2。在進(jìn)料流中添加正丁烷，可使混合物的蒸餾在液-汽相內(nèi)充分進(jìn)行，避免了在蒸餾塔內(nèi)形成固體CO2。另外，提高混合物的臨界壓力，以產(chǎn)生更大范圍的容許操作壓力。
但是，瑞安-霍爾姆斯法用于沼氣精制有二個(gè)明顯限制。首先，該體系復(fù)雜，以致投資費(fèi)用高，不能適應(yīng)較小的進(jìn)料流。如上所指，對(duì)于填埋場回收體系，這樣的投資也是有問題的。第二，這種方法需要供給一般在拉圾填埋場所不具備的丙烷或更重的烷烴。
近年來，珀特茲(Potts，Jr.)等人(US 5,120,338)提出利用蒸餾及控制凝固區(qū)來分離多組分進(jìn)料流的方法。這種方法不同于瑞安-霍爾姆斯法，因?yàn)樗砂此刂频姆绞叫纬晒腆w二氧化碳。將這種固體融化并摻混至液相的液體部分中。使第三氣相富集最易揮發(fā)的組分，甲烷，使其分離。通過小心控制固體形成的條件以及氣-液蒸餾的條件，可使這些組分分離成三股物流。實(shí)質(zhì)上，這種體系可使產(chǎn)品達(dá)到要求的純度，而勿須去避免形成固體二氧化碳或使用添加劑。這種方法的主要限制與其可縮放性有關(guān)。這種體系的復(fù)雜性及投資費(fèi)用也要求沼氣源大于二百萬立英尺/日，才能成為經(jīng)濟(jì)可行的。這種方法也太復(fù)雜，投資費(fèi)用過高，對(duì)較小氣源仍不可行。
還提出過幾種采用部分冷卻與第二類型分離機(jī)理相結(jié)合的方法。例如，斯威尼(Sweeney)等人(US 5,570,582)，索飛爾(Soffer)等人(US5,649,996)及歐桕(Ojo)等人(US 5,531,808)提出了通過在低溫或深冷溫度下操作強(qiáng)化吸附體系操作的一些方法。洛克漢德瓦拉(Lokhandwala)(US 5,647,227)指出了分離甲烷、氮?dú)饧爸辽僖环N其它組分(二氧化碳)的混合物的一種方法及設(shè)備。這種方法采用通過薄膜強(qiáng)化的深冷分離。這些體系并不依賴固相形成或蒸餾來實(shí)現(xiàn)分離。這些混雜體系的成本及復(fù)雜性也限制其用于流量大于約二百萬立方英尺/日的沼氣流。
在US 5,642,630中，阿卜杜瑪勒克(Abdelmalek)等人公開了對(duì)固體廢物填埋場氣體的一種處理及分離方法，其申請(qǐng)專利保護(hù)的是其對(duì)高品質(zhì)液化天然氣流、液化二氧化碳流及壓縮天然氣流的生產(chǎn)方法。該專利提出，采用能產(chǎn)生高達(dá)1800psia壓力的四級(jí)壓縮機(jī)和三個(gè)閃蒸罐，采用化學(xué)添加劑及多再循環(huán)回路，來獲得目的產(chǎn)品。這種體系的復(fù)雜性及相關(guān)投資費(fèi)用限定在小規(guī)模拉圾填埋場上實(shí)用。
在US 4,681,612中，歐’布賴恩(O’Brien)等人公開一種深冷分離體系，這種體系產(chǎn)生一種燃料級(jí)的甲烷產(chǎn)品流和構(gòu)成對(duì)二氧化碳產(chǎn)品流的選擇。這種方法依賴于低溫蒸餾塔，其中甲烷更易揮發(fā)，因此塔頂產(chǎn)物富集甲烷。此外，使用選擇性薄膜，可進(jìn)一步分離塔頂產(chǎn)物中的甲烷。塔底產(chǎn)物主要含二氧化碳及雜質(zhì)，可進(jìn)一步在單獨(dú)的提純蒸餾塔中加以精制，如果需要，塔底產(chǎn)物也可作為一種產(chǎn)品流。這種方法有二個(gè)問題。首先，因?yàn)樵擉w系是一種混雜體系，既采用了蒸餾塔，又用了薄膜，增大了其復(fù)雜性及投資費(fèi)用。第二，不采用后續(xù)加工步驟及追加投資費(fèi)，不易生產(chǎn)出高純度的二氧化碳及甲烷。不能生產(chǎn)高純度的產(chǎn)品，這種方法的實(shí)用性有限。
對(duì)采用化學(xué)添加劑分離填埋場氣體及其他氣物流中的二氧化碳及甲烷的幾種方法，也有報(bào)導(dǎo)。甲醇通常被用作為一種化學(xué)添加劑(見阿普菲爾(Apffel)(US 4,675,035))。在蒸餾過程中往氣體混合物中添加甲醇，會(huì)降低形成固體二氧化碳的溫度和壓力范圍。這樣就可使甲烷蒸餾進(jìn)行得更完全，從而獲得更高純度的產(chǎn)品。只要蒸餾完成，就可分離甲醇與二氧化碳，并循環(huán)甲醇。通常被稱為“冷甲醇”的分離，提供了迄今為止分離沼氣的最好方法。但是，由于體系復(fù)雜、投資費(fèi)用及與組合吸收及蒸餾操作裝置相關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)費(fèi)用，這些體系不適應(yīng)較小的沼氣源。
采用化學(xué)添加劑的第二種體系，由阿卜杜瑪勒克(Abdelmalek)(US5,642,630)提出。這種方法是一種采用化學(xué)吸收促進(jìn)分離的方法。正如前面提到的那樣，需要化學(xué)添加劑及吸收的體系，由于添加劑費(fèi)用、投資費(fèi)用以及添加劑分離和再循環(huán)的復(fù)雜性，增加了生產(chǎn)費(fèi)用。對(duì)于二百萬標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/日以下的沼氣生產(chǎn)源，這些體系不經(jīng)濟(jì)可行。
概括地說，本發(fā)明目的在于提供一種改良分離體系的方法及設(shè)備，用于分離含至少二氧化碳及甲烷兩種的氣流，使之成為高純度甲烷及高純度二氧化碳的產(chǎn)品流。
本發(fā)明還有進(jìn)一步的目的在于，提供利用形成固體二氧化碳實(shí)現(xiàn)高效分離的一種分離體系。
本發(fā)明進(jìn)一步目的在于，提供比已有技術(shù)體系投資費(fèi)用更低的一種分離體系。
本發(fā)明還有另一目的在于，提供比已有技術(shù)體系復(fù)雜程度更低的一種分離體系。本發(fā)明還有更進(jìn)一步目的在于，提供比已有技術(shù)體系生產(chǎn)費(fèi)用更低的一種分離體系。
對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員，閱讀以下本發(fā)明的詳細(xì)說明及附圖，本發(fā)明的這些及其它目的都是會(huì)顯得很清楚的。
發(fā)明綜述本發(fā)明涉及從包括CO2與第二氣體的氣體混合物中分離CO2的一種設(shè)備，該設(shè)備包括活性換熱器及再生換熱器。該活性換熱器包括與該氣體混合物接觸的換熱表面。該氣體混合物以預(yù)定壓力存在于活性換熱器中，該預(yù)定壓力要選擇在用其溫度低于在此預(yù)定壓力下CO2凝固溫度的致冷劑冷卻換熱表面時(shí)CO2能凝固在此換熱表面上的壓力。再生換熱器包括與該致冷劑接觸并也與凝固的CO2層接觸的換熱表面。該致冷劑是在其溫度高于CO2凝固層中CO2升華溫度下進(jìn)入該再生換熱器的。在致冷劑通過膨脹閥膨脹之前，固體CO2的升華冷卻了該致冷劑，使致冷劑的溫度降低至預(yù)定壓力下CO2的冰點(diǎn)以下。該致冷劑在離開活性換熱器之后受到壓縮機(jī)的再壓縮。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案中，由再生換熱器釋放出來的氣態(tài)CO2用于預(yù)冷卻進(jìn)入的氣體混合物。第二預(yù)冷卻換熱器通過提供與離開活性換熱器的致冷劑的熱接觸，預(yù)冷卻該壓縮后的致冷劑。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案中，是用第一和第二換熱器來構(gòu)成該活性和再生換熱器的。任何時(shí)候?qū)Q熱器是活性換熱器的選擇，都通過一個(gè)活門體系控制氣體混合物及致冷劑流往返于活性換熱器與再生換熱器之間來完成。
附圖簡述

圖1是按照本發(fā)明沼氣精制體系部分的簡圖。
圖2是按照本發(fā)明生產(chǎn)LNG的沼氣精制體系優(yōu)選實(shí)施方案的簡圖。
圖3是本發(fā)明在略低溫下生產(chǎn)高純度增壓甲烷氣的簡圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明提供對(duì)利用單段方法分離CO2及CH4為高純度產(chǎn)品流而無須進(jìn)一步精制提高產(chǎn)品純度的技術(shù)改進(jìn)。此外，在分離二氧化碳與甲烷的同一階段中，可液化甲烷產(chǎn)品流，形成高價(jià)值的產(chǎn)品。將這種處理結(jié)合至一步深冷中，會(huì)使體系投資費(fèi)用較低、生產(chǎn)費(fèi)用較低及復(fù)雜性降低。這種新而便宜的方法可開發(fā)利用許多用已有技術(shù)已不經(jīng)濟(jì)的較小填埋場，并可使那些能夠或目前正在用現(xiàn)行技術(shù)進(jìn)行開發(fā)的較大填埋場達(dá)到更高的氣體處理能力。
圖1是按照本發(fā)明的CO2精制體系200的簡化方案簡圖，用于分離沼氣進(jìn)料流中CO2與甲烷，參看圖1會(huì)更易理解本發(fā)明獲得效益的方法。為簡化以下的討論，只示出了其半個(gè)周期的體系結(jié)構(gòu)。
按照本發(fā)明的沼氣精制體系利用了二個(gè)換熱器，以216及221表示，和一臺(tái)壓縮機(jī)，壓縮用于冷卻沼氣至固體CO2析出程度的致冷劑。在以下討論中，分離CO2與甲烷的換熱器被稱為“活性換熱器”。另一換熱器稱為“再生換熱器”，其理由通過以下討論會(huì)更為清楚。在圖1所示結(jié)構(gòu)中，換熱器221是再生換熱器，換熱器216是活性換熱器。
在圖1所示體系的簡化方案中，沼氣在換熱器216中被通過膨脹閥215膨脹的致冷劑冷卻。CO2從沼氣中沉淀析出，在換熱表面上構(gòu)成一層覆蓋層，如214所示。
離開換熱器216的致冷劑，經(jīng)壓縮機(jī)218壓縮，在通過閥門215膨脹之前在換熱器221中被預(yù)冷卻。換熱器221以前是活性換熱器，現(xiàn)在卻成為了再生換熱器。換熱器221的換熱表面上有一層CO2固體覆蓋層，如222所示。此覆蓋層的升華對(duì)穿過換熱器221的致冷劑提供冷卻源。因此，在換熱器221為活性換熱器期間固化CO2使之從沼氣中沉析時(shí)所做的功，在換熱器221進(jìn)行再生期間作為有用功而被再吸收。
如果沼氣含有明顯量的水、非甲烷及CO2的氣體、或其它在最終甲烷流中不允許的有機(jī)化合物，則可使進(jìn)料沼氣通過一種碳及/或沸石的分離器或其它裝置加以處理，以脫除這些組分。這種分離體系在本領(lǐng)域是已知的，因此，此處不再對(duì)其詳加論述。
如上所述，圖1所示體系只說明半個(gè)分離循環(huán)。在后半個(gè)循環(huán)中，換熱器216和221的作用是相反的。這就是說，換熱器221成為再生換熱器，換熱器216成為活性換熱器。一旦再生換熱器中的固體CO2耗盡，就必須使這種作用反向。然而，只要再生換熱器回收了其傳熱量，即可切換換熱器。
現(xiàn)在參考圖2，圖2是按照本發(fā)明的CO2精制體系實(shí)施方案的簡圖，用于分離混合進(jìn)料流為純CO2和CH4產(chǎn)品流。含至少CO2和CH4的進(jìn)料流5進(jìn)入分離體系冷箱7，冷箱7中包括一個(gè)預(yù)冷卻/回?zé)?recuperative)換熱器10。該進(jìn)料流被看成為無任何明顯有機(jī)或無機(jī)痕量雜質(zhì)。該進(jìn)料流在壓力約200磅/平方英寸表壓(psig)下進(jìn)入。脫除通常填埋場氣中存在的雜質(zhì)的預(yù)處理體系，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員都是已知的，在此不予詳述。對(duì)于更完全的討論，讀者可參閱 “填埋場氣體資源評(píng)估與進(jìn)展”(Landfill GasResource Evaluation andDevelopment)，(天然氣研究所報(bào)告(GRI Report 85/0259)85/0259，芝加哥，IL，1985，8月)。本發(fā)明所用進(jìn)料流一般含約45-60％甲烷，35-50％二氧化碳，和1-5％氮及氧。冷箱7用于使分離設(shè)備與環(huán)境隔熱。預(yù)冷卻回?zé)崾綋Q熱器10起冷卻入口物流5的作用，以便按以下論述通過升華CO2回收最大量的熱能。保持換熱器10的溫度使換熱器10中不形成固體CO2。
冷卻后的進(jìn)料流出換熱器10后，流入轉(zhuǎn)換閥15，轉(zhuǎn)換閥15引導(dǎo)進(jìn)料流至當(dāng)前活性換熱器表面。在當(dāng)前的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換閥15引導(dǎo)預(yù)冷后的進(jìn)料流進(jìn)入左換熱表面組件20，左換熱表面組件中包含外冷換熱表面25，當(dāng)前它正起著固化析出工藝流中CO2的作用。
由輸送流過的冷致冷液建立組件20中的溫度梯度，此組件的進(jìn)料流入口端比出口端更熱。例如，此組件冷端可接近150K°，熱端接近195K°。隨著固體CO2沉積在換熱表面25上，進(jìn)料流不斷冷卻，變?yōu)楦籆H4的。在圖2所示實(shí)施方案中，組件20出口端的溫度是冷的，足以在約200磅/平方英寸表壓下液化進(jìn)料流中的純甲烷組分。液化天然氣(LNG)產(chǎn)品流30流出組件20，并流向閥門35，閥門35引導(dǎo)LGN經(jīng)導(dǎo)管40離開冷箱。
如果最終產(chǎn)品是壓縮天然氣(CNG)，則LGN在深冷泵中可受到壓縮，并通過進(jìn)入的工藝流的回?zé)徇M(jìn)行汽化，形成高純度的壓縮天然氣(CNG)。LGN的汽化可用于預(yù)冷卻進(jìn)入的進(jìn)料流或致冷劑，從而基本回收用于液化天然氣的能量。在換熱器10中，進(jìn)料流5被高純度是CO2氣流12預(yù)冷卻，CO2氣流壓力處于或接近15磅/平方英寸表壓。此物流在第二換熱組件45中產(chǎn)生，也就是說與組件20相同的，也另外用其循環(huán)。如圖2所示，組件45以前已用作活性換熱器，CO2層51已聚集在其換熱表面50上。組件45上CO2固體側(cè)的壓力被降低至近似于大氣壓。在這樣的壓力下CO2在約195K°溫度下升華。因此，組件45可用于冷卻致冷劑流至近似這個(gè)溫度。在此致冷器回路中致冷液提供熱源加溫再生組件的換熱表面，促成升華迅速進(jìn)行。組件45換熱器表面的溫度梯度從在冷端195K°至在熱端近220K°之間變化。升華能是通過將能量傳遞給在進(jìn)入膨脹閥75前流過組件45的致冷液的方式加以回收的。關(guān)閉在組件45下端的閥35，迫使升華產(chǎn)生的CO2氣體離開組件45，并流動(dòng)穿過轉(zhuǎn)換閥15。純CO2的冷氣體在換熱器10中起預(yù)冷卻入口進(jìn)料流的作用，回收CO2氣體中的顯熱。這種附加回收體系大大提高了該體系的效率。精制后的CO2流在略低溫度及大氣壓下流出換熱器10及冷箱7。
該深冷分離單元中的冷卻是由一種制冷劑回路提供的。在此實(shí)施方案中，致冷劑55進(jìn)入壓縮機(jī)60，其入口壓力為約50磅/平方英寸表壓，并在出口壓力300磅/平方英寸表壓下流出。該致冷劑流出壓縮機(jī)60，其溫度高于環(huán)境溫度，并通過后冷卻器65被冷卻至近似同于環(huán)境的溫度。然后，該致冷劑進(jìn)入冷箱7和回?zé)崾綋Q熱器67。換熱器67使該致冷劑在進(jìn)入轉(zhuǎn)換閥70之前冷卻。在該優(yōu)選實(shí)施方案中，換熱器67是一種焊接板翅式換熱器或一種盤管式換熱器。轉(zhuǎn)換閥70將致冷劑引導(dǎo)至適宜組件中，以進(jìn)行通過閥門75膨脹之前的預(yù)冷卻，使致冷劑冷卻至活性換熱表面的操作溫度。在圖2所示結(jié)構(gòu)中，將高壓致冷劑引導(dǎo)至組件45，使之在流經(jīng)傳熱面50的無沼氣側(cè)時(shí)進(jìn)一步受到固體CO2升華熱的預(yù)冷卻。因?yàn)樵诮o定壓力下CO2平衡升華溫度是已知及恒定的，不論再生每個(gè)階段的固體CO2存在量多少，只要有一些固體殘留，進(jìn)行準(zhǔn)確而又一致預(yù)測的預(yù)冷卻是有可能的。在再生組件中預(yù)冷后，該致冷劑通過膨脹閥75進(jìn)行等焓膨脹，從約300磅/平方英寸表壓膨脹至約50磅/平方英寸表壓，使該致冷劑進(jìn)一步冷卻至略低于有效凝固組件20冷端所需的低溫。然后，此近150K°的冷致冷劑進(jìn)入組件20內(nèi)換熱表面25的無沼氣側(cè)，在它對(duì)表面25冷卻及對(duì)CO2進(jìn)行凝固時(shí)受到加熱。然后，較熱致冷劑進(jìn)入換熱器67，在它對(duì)高壓致冷劑流預(yù)冷卻時(shí)，進(jìn)一步受到加熱。此致冷劑在流出冷箱7并進(jìn)入壓縮機(jī)60以完成致冷劑循環(huán)之前，被加熱至略低溫的溫度。
盡管此優(yōu)選實(shí)施方案利用一種膨脹閥來冷卻進(jìn)入CO2固化換熱器之前的致冷劑，但也可采用其它氣體膨脹機(jī)裝置或其它制冷方法而不會(huì)偏離本發(fā)明內(nèi)容。例如，可采用一種透平膨脹機(jī)代替閥門，膨脹及冷卻該致冷劑。
應(yīng)該承認(rèn)，控制機(jī)構(gòu)、補(bǔ)充氣體組成、相分離器、致冷劑過濾器、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、及氣體-循環(huán)致冷器的其他常見部件都已從圖2中刪除，以簡化描繪。致冷器的這些部件及元件都屬于本領(lǐng)域常規(guī)的。
也應(yīng)注意，本發(fā)明所用的具體冷卻體系對(duì)于分離體系的有效運(yùn)行并非關(guān)鍵性的。盡管在該優(yōu)選實(shí)施方案中采用了一種低壓混合致冷劑體系，但其它回?zé)崾街吕淦饕部蛇\(yùn)行。例如，該回?zé)崾街评潴w系可基于等熵透平膨脹機(jī)循環(huán)，諸如克勞德(Claude)或布瑞頓(Brayton)循環(huán)，采用氮?dú)狻鍤?、或純甲烷氣作為其致冷劑。其它膨脹循環(huán)，比如林德(Linde)、高氣壓混合致冷劑，或串級(jí)循環(huán)也都可采用。優(yōu)選制冷體系可利用產(chǎn)生高約300磅/平方英寸表壓壓力的一種壓縮機(jī)和使致冷劑由此壓力膨脹至約50磅/平方英寸表壓壓力的一種膨脹閥布局。這些壓縮機(jī)均可由Carrier or Copeland公司提供。這種致冷器是優(yōu)選的，因?yàn)樗侠碛行?、制造便宜和使用非常可靠。如上所述，在所有商業(yè)體系運(yùn)作領(lǐng)域中，其資本投資和可靠性兩方面都屬重要的方面。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案中，所用的致冷劑是按其摩爾百分率計(jì)分別為23、8、23、34、和12的丁烷、丙烷、乙烷、甲烷和氬氣的一種混合物。但是，其它那些避免使用丁烷和丙烷的致冷劑混合物也可使用。
在換熱表面25上積累足量CO2固體，造成傳熱不足或者因CO2固體堵塞換熱表面20導(dǎo)管，導(dǎo)致壓力降增大，而受到限制時(shí)，另一組件45則應(yīng)是無固體CO2的。此刻轉(zhuǎn)換閥15就起到切換物流的作用，閥35則起到令物流40從組件45流出的作用。同樣，轉(zhuǎn)換閥60改變制冷劑回路，使組件20起預(yù)冷致冷劑流的作用。應(yīng)當(dāng)注意，為簡化描繪，膨脹閥75表示為一種可逆閥。實(shí)際上，這種閥門是由使通過單膨脹閥的物流重新定向的閥門體系構(gòu)成的。這些閥門的調(diào)節(jié)變化可直接使組件20從有效凝固設(shè)備切換為CO2升華的再生設(shè)備。這種轉(zhuǎn)換對(duì)組件45也是如此。致冷劑流反向使預(yù)膨脹冷卻單元變?yōu)榻M件20，CO2凝固單元變?yōu)榻M件45。
在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案中，閥門順序允許短期不使進(jìn)料流進(jìn)入活性換熱器組件，直至由流動(dòng)的致冷劑流在組件20和45中重新建立起所要求的溫度梯度。物流短暫中斷大致為一個(gè)操作循環(huán)總時(shí)間的5％，可能持續(xù)時(shí)間幾分鐘。在這個(gè)時(shí)候，入口閥98關(guān)閉，以防止進(jìn)料流進(jìn)入該體系。
本發(fā)明可做到在略低溫下生產(chǎn)純甲烷氣流，而非液體甲烷。參考圖3，可更易理解本發(fā)明的這種變異，圖3為按照本發(fā)明的氣體處理體系的簡化方案示意圖，用于分離沼氣進(jìn)料流為純CO2和CH4產(chǎn)品流。進(jìn)料流105基本上為如上參照?qǐng)D2所述。
冷箱107是用于使分離設(shè)備與環(huán)境隔熱。預(yù)冷卻回?zé)崾綋Q熱器110是利用回收由CO2流112升華的能量和精制后甲烷物流195來冷卻入口流105的，如以下論述。在該優(yōu)選實(shí)施方案中，換熱器110為一有三路物流通過的換熱器。保持換熱器110中的溫度，以使換熱器110中沒有固體CO2形成。
冷卻后的進(jìn)料流在流出換熱器110后，進(jìn)入轉(zhuǎn)換閥115，閥115起引導(dǎo)進(jìn)料流至用于精制的活性換熱器的作用并選擇當(dāng)前再生換熱器作為一種冷卻源產(chǎn)出。轉(zhuǎn)換閥115引導(dǎo)預(yù)冷卻后物流105進(jìn)入換熱表面組件120，換熱表面組件120包含從其上脫出進(jìn)料流中CO2的換熱表面125。換熱器120和145基本按對(duì)圖2所示換熱器20和45所述的操作。
在當(dāng)前的實(shí)施方案中，物流中的甲烷組分以液態(tài)離開活性換熱器，其壓力約200磅/平方英寸表壓(psig)。甲烷產(chǎn)品流130流出組件120和流向閥門135，閥門135引導(dǎo)甲烷流至換熱器137。在換熱器137中LGN通過由高壓致冷劑傳遞的熱能進(jìn)行汽化。物流140離開換熱器137，進(jìn)入回?zé)?預(yù)冷換熱器110，在110它用于預(yù)冷卻進(jìn)入的沼氣進(jìn)料流，隨著在流出冷箱作為物流195之前它升溫到接近環(huán)境的溫度。必須小心操作，保證物流140在換熱器137中升溫到足以使換熱器110中沒有固粒形成。
在換熱器110中，沼氣進(jìn)料液流105被物流112預(yù)冷卻，物流112是一種高純度的CO2氣流，其壓力接近15磅/平方英寸表壓。此物流在第二換熱表面組件145中形成，在某種意義上類似于參考上述圖2所示的本發(fā)明實(shí)施方案。
采用類似于上述參照?qǐng)D2的一種氣體-循環(huán)致冷劑回路構(gòu)成深冷分離單元進(jìn)行的冷卻。在此實(shí)施方案中，致冷劑155進(jìn)入壓縮機(jī)160，其入口壓力約50磅/平方時(shí)表壓，出口壓力為300磅/平方時(shí)表壓。該致冷劑流出壓縮機(jī)160在環(huán)境溫度以上，并通過后冷卻器165被冷卻至近似等于環(huán)境的溫度。然后，該致冷劑進(jìn)入冷箱107和回?zé)崾綋Q熱器167。在該致冷劑進(jìn)入轉(zhuǎn)換閥170之前受換熱器167冷卻。轉(zhuǎn)換閥170引導(dǎo)該致冷劑至再生組件進(jìn)行預(yù)冷卻。致冷劑在再生組件中經(jīng)預(yù)冷卻后，通過轉(zhuǎn)換閥180被引導(dǎo)至預(yù)冷卻換熱器137，在137通過冷甲烷流130使之進(jìn)一步冷卻。隨后在換熱器137中進(jìn)行第三預(yù)冷卻階段，該致冷劑通過膨脹閥175進(jìn)行等焓膨脹，從約300磅/平方英寸表壓膨脹到約50磅/平方英寸表壓。這種膨脹使致冷劑冷卻至略低于有效凝固組件120冷端所需的低溫。然后，該致冷劑被送往活性換熱器轉(zhuǎn)換閥180。然后此約150K°的冷致冷劑進(jìn)入組件120中換熱表面125的無沼氣側(cè)，并在它通過使CO2凝固來冷卻表面125時(shí)受到加熱。然后，該溫?zé)岬闹吕鋭?，進(jìn)入換熱器167，在它預(yù)冷卻高壓致冷劑流時(shí)進(jìn)一步受到加熱。該致冷劑在流出冷箱107并進(jìn)入壓縮機(jī)160至完成致冷劑循環(huán)之前，被加熱至略低溫度。換熱器137對(duì)氣體分離體系的操作是重要的，因?yàn)樗档土丝缭脚蛎涢y的溫度，并能使甲烷流140升溫至不致引起換熱器110中形成固體的溫度。
在本發(fā)明該實(shí)施方案中，所用致冷體系基本上與上述參照?qǐng)D2所示的實(shí)施方案相同。因此，在此不再對(duì)其論述。
在本發(fā)明的此實(shí)施方案中，對(duì)活性與再生換熱器的轉(zhuǎn)換基本如上所述參照?qǐng)D2所示的實(shí)施方案相同。當(dāng)活性換熱器積累足夠固體CO2至明顯降低其性能時(shí)，就用再生后的換熱器切換它。
重要的是要注意，通過CO2升華提供的冷卻是在低于開始高壓液化及凝固沼氣流中CO2所要求的壓力下進(jìn)行的。這樣可使致冷劑膨脹所跨越的溫度大大降低，又使組件20/120及45/145中循環(huán)蓄熱物質(zhì)的溫度大大降低。因此，升華組件的操作壓力對(duì)有效設(shè)計(jì)至關(guān)重要。這個(gè)溫度可隨升華組件中所保持的壓力多少降低或升高一些。LGN的出口壓力應(yīng)接近于LNG儲(chǔ)罐的壓力。較冷的LGN被認(rèn)為更有價(jià)值。此外，LGN中殘留的CO2是壓力和溫度的函數(shù)。必須小心操作，保證CO2不在換熱組件下游能固化。應(yīng)該保持換熱器10/110及67/167中一致的溫度梯度、入口端溫度及出口端溫度。此外，應(yīng)該小心操作，保證在循環(huán)過程中通過換熱器的流動(dòng)不反向。同樣，在循環(huán)過程中通過膨脹閥75/175的流動(dòng)不應(yīng)明顯變向或波動(dòng)。對(duì)離開再生換熱表面組件的致冷劑出口氣溫，只要有CO2固體存在，就應(yīng)該保持其恒定。因此，這個(gè)溫度的升高是再生完成和循環(huán)應(yīng)反向的標(biāo)志。因此，在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案中這個(gè)溫度受到監(jiān)控，并用于起始對(duì)活性及再生換熱器的互換。
為了達(dá)到對(duì)CO2的適宜分離，圖2及3中的換熱器20/120必須運(yùn)行在壓力接近200磅/平方英寸表壓及最冷溫度低于約150K°之下。這些條件可保證流出換熱器20/120的氣體含有不超過約0.02％的CO2。另外，也可希望生產(chǎn)一種較高CO2含量的甲烷氣產(chǎn)品。如果活性換熱器中的最冷溫度提高到約150K°以上，精制產(chǎn)出的甲烷流會(huì)保持為氣體，且會(huì)使之在離開活性換熱器后的CO2濃度相應(yīng)較高。調(diào)節(jié)活性換熱器中的最冷溫度，CO2的濃度是可直接控制的。調(diào)節(jié)這個(gè)溫度可成為一種控制產(chǎn)出氣體品質(zhì)的手段，也可使本發(fā)明能夠由沼氣來生產(chǎn)管輸品級(jí)的天然氣，使CO2的容許濃度通常在2體積％以下。
雖然此優(yōu)選實(shí)施方案預(yù)定使用沼氣，但對(duì)于含二氧化碳及甲烷的其它氣流也同樣可用本發(fā)明來精制。例如，本發(fā)明可用于精煉含大量二氧化碳的井口氣。
根據(jù)上述說明及附圖對(duì)本發(fā)明的各種改進(jìn)，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都會(huì)是明顯的。因此，本發(fā)明完全受以下申請(qǐng)專利的范圍限制的。
權(quán)利要求
1.一種用于從包括CO2及第二氣體的氣體混合物中分離CO2的設(shè)備[2、20、200]，所述設(shè)備[2、20、200]包括用于凝固所述混合物中CO2的一種活性換熱器[216]，所述活性換熱器[216]包括與該氣體混合物接觸的換熱表面，該氣體混合物以預(yù)定壓力存在，該換熱表面通過一種致冷劑進(jìn)行冷卻，所述致冷劑溫度低于所述預(yù)定壓力下的CO2凝固溫度；用于預(yù)冷卻該致冷劑的一種再生換熱器[221]，所述再生換熱器[221]包括與該致冷劑接觸也與所述CO2凝固層接觸的換熱表面，該致冷劑進(jìn)入再生換熱器，其溫度高于所述CO2凝固層中CO2升華的溫度；用于使在再生換熱器[221]中預(yù)冷后進(jìn)入活性換熱器[216]之前的致冷劑進(jìn)行膨脹的膨脹閥[215]；及用于壓縮已離開活性換熱器[216]的致冷劑的壓縮機(jī)[60、160、218]，所述壓縮機(jī)[60、160、218]設(shè)有接受已離開活性換熱器[216]的致冷劑的入口，和排放壓縮后致冷劑的出口。
2.按照權(quán)利要求1的設(shè)備[2、20、200]，其中所述設(shè)備[2、20、200]包括第一和第二換熱器[2、25、120、145]，在任何給定時(shí)間下，所述換熱器[2、25、120、145]中之一就是所述活性換熱器[216]，另一個(gè)換熱器就是所述再生換熱器[221]，所述設(shè)備[2、20、200]還包括用于選擇第一和第二換熱器為活性換熱器[216]的一個(gè)閥門體系[15、75、115、170、180]。
3.按照權(quán)利要求2的設(shè)備[2、20、200]，其中各所述換熱器包括具有接受致冷劑的入口端和排放致冷劑的出口端的換熱盤管[50]，所述換熱盤管[50]具有與流過該換熱盤管的致冷劑進(jìn)行熱接觸的外表面；及用于使氣體與該換熱盤管外表面接觸的艙室，該艙室具有接受與排放經(jīng)與換熱盤管[50]外表面接觸而被冷卻的氣體的入口和出口，其中所述閥門體系[15、75、115、170、180]包括第一閥門體系[70、170]，此閥門體系用于連接壓縮機(jī)[60、160、218]出口與再生換熱器[221]中的換熱盤管的入口端和用于連接在活性換熱器[216]中換熱盤管的出口端與壓縮機(jī)[60、160、218]的入口端；和用于輸送所述氣體混合物至活性換熱器[216]的入口的第二閥門體系[15、115]。
4.按照權(quán)利要求1的設(shè)備[2、20、200]，還包括一種進(jìn)入氣體的預(yù)冷卻換熱器[110]，用于通過使該氣體混合物與離開再生換熱器[221]的CO2進(jìn)行熱接觸，來預(yù)冷卻所述氣體混合物。
5.按照權(quán)利要求1的設(shè)備[2、20、200]，還包括致冷劑預(yù)冷卻換熱器[167]，用于在壓縮后的致冷劑進(jìn)入再生換熱器[221]之前，通過使該壓縮后的致冷劑與離開活性換熱器[216]的致冷劑進(jìn)行熱接觸，來冷卻該壓縮后的致冷劑。
全文摘要
分離包括CO
文檔編號(hào)B01D53/00GK1342256SQ00804607
公開日2002年3月27日 申請(qǐng)日期2000年1月26日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月5日
發(fā)明者M·A·巴克萊, T·C·布洛克, J·A·巴克萊, R·R·蒂森 申請(qǐng)人:低溫燃料系統(tǒng)公司