專利名稱：從天然氣中清除污染物的方法
從天然氣中清除污染物的方法相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考本申請(qǐng)要求2010年5月6日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/331，970的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種從天然氣清除諸如氧氣和氮?dú)庵愇廴練怏w的方法。更具體地，本發(fā)明提供一種從天然氣中多級(jí)清除污染氣體、諸如二氧化碳、氧氣和氮?dú)獾姆椒?。已知從地下?chǔ)集層提取天然氣。天然氣將通常包含氮?dú)夂脱鯕庖约捌渌暈殡s質(zhì) 的氣體。這些有害氣體會(huì)是這樣的工藝的自然產(chǎn)物或結(jié)果，如作為提高石油采收率一部分的將氮?dú)庾⑷雰?chǔ)集層工藝。早期工藝已嘗試從天然氣中清除這些污染氣體。例如，變壓吸附(PSA)工藝通過兩個(gè)單獨(dú)的PSA階段從天然氣中分離氫氣，第一階段用于氮?dú)?，第二階段用于氫氣。作為替換方式，使用這樣的PSA工藝，其利用兩個(gè)單獨(dú)的PSA階段。第一階段從天然氣中清除碳?xì)浠衔?，并且第二階段清除氮?dú)?。在不同的方法中，通過PSA步驟的連續(xù)作業(yè)從原天然氣和固體廢物垃圾廢氣中采收甲烷，以清除揮發(fā)性有機(jī)化合物。將該氣流進(jìn)給至膜系統(tǒng)，由此從天然氣流清除二氧化碳。然而，這些工藝無法從天然氣流大量清除氧氣和氮?dú)?，它們也不清除大量二氧化碳，而清除這些量卻是使得將天然氣用作燃料源必需的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種從天然氣流清除污染氣體的方法，其包括將包含污染物的天然氣流進(jìn)給至干燥器、膜組件和真空變壓吸附(VSA)系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明提供從天然氣流清除污染物，其包括以下步驟a)將包含污染物的天然氣流進(jìn)給至干燥器，這可以是變壓吸附(PSA)或變溫吸附(TSA)工藝；b)將干燥天然氣流進(jìn)給至膜組件，在此從該天然氣流清除二氧化碳和氧氣；以及c)將天然氣流進(jìn)給至多床層、多層真空變壓吸附系統(tǒng)，其中從該天然氣流清除二氧化碳、氮?dú)夂脱鯕?。存在于天然氣中的污染物是氧氣、氮?dú)夂投趸肌＿@些氣體在天然氣中的量主要為0-5摩爾百分比的氧氣；5-15摩爾百分比的氮?dú)庖约?0-45摩爾百分比的二氧化碳。步驟a)的PSA或TSA工藝將從天然氣流清除水。通常，在PSA或TSA系統(tǒng)的吸附床層中會(huì)存在吸附材料，諸如活性氧化鋁。步驟b)的膜組件將大量清除二氧化碳。在一個(gè)實(shí)施例中，使用單組膜，而在不同實(shí)施例中，在第一組后添加第二組膜。該第二組膜將進(jìn)一步去除在天然氣流中存在的二氧化碳量。也能夠使用特定的膜，諸如改性中空纖維聚酰胺氮膜，以清除存在于天然氣中的高達(dá)一半的氧氣。這將降低在后續(xù)步驟中需要清除的氧氣量。
在步驟c)，多床層、多層VSA系統(tǒng)通常將包括四個(gè)吸附床層。然而，取決于天然氣流中的污染物量以及動(dòng)力成本考慮，能夠利用更多或更少的吸附床層。將每個(gè)吸附床層進(jìn)行層疊以用于清除二氧化碳、氮?dú)饣蜓鯕狻榱饲宄趸?，使?3X分子篩材料。為了清除氮?dú)?，使用鈦硅酸鹽分子篩材料。使用具有高的對(duì)氧親和力的碳分子篩或其他材料作為第三層，并且能夠由通過步驟b)的膜組件清除多少氧氣確定該材料。在本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例中，當(dāng)在天然氣中二氧化碳濃度低時(shí)，就將含有污染物的天然氣流進(jìn)給至變溫吸附系統(tǒng)以清除濕氣，并且然后將其進(jìn)給至多床層、多層真空變壓吸附系統(tǒng)，其中從天然氣流清除氮?dú)夂脱鯕?。在該?shí)施例中，可在變溫吸附步驟和真空變壓吸附步驟中使用三個(gè)步驟工藝中所描述的類似材料。在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，公開了一種除氧系統(tǒng)。首先將包含污染物的天然氣流進(jìn)給至膜組件，在此清除二氧化碳；然后將該天然氣流進(jìn)給至多床層、多層真空變壓吸附系統(tǒng)，在此清除二氧化碳和氮?dú)狻Ｈ缓髮⒃撎烊粴饬饕龑?dǎo)至液化器，并且然后到達(dá)氧脫離器塔，在此從天然氣清除在天然氣流中存在的剩余部分氧氣，能夠?qū)⒃撌Ｓ嗖糠盅鯕馑椭裂鯕獯鎯?chǔ)系統(tǒng)，用于以后使用。在本實(shí)施例中，在進(jìn)給至膜組件之前，首先對(duì)微量污染物處理天然氣流。膜組件可能為單個(gè)膜或串聯(lián)的兩個(gè)或更多膜。膜組件可從天然氣流清除二氧化碳，并且也可取決于使用的膜材料類型從天然氣流清除氧氣。將天然氣流引導(dǎo)至多床層VSA系統(tǒng)，其中每個(gè)床層是多層層疊的。該多床層、多層VSA系統(tǒng)將通常包括四個(gè)吸附床層。然而，取決于天然氣流中的污染物量以及動(dòng)力成本考慮，能夠利用更多或更少的吸附床層。對(duì)于每個(gè)床層進(jìn)行層疊，用于清除二氧化碳、氮?dú)饣蜓鯕?。為了清除二氧化碳，使?3X分子篩材料。為了清除氮?dú)猓褂免伖杷猁}分子篩材料。使用具有高的對(duì)氧親和力的碳分子篩或其他材料作為第三層，并且能夠由通過膜組件清除多少氧氣確定該材料。然后，在被進(jìn)給至能夠作為填充式或盤式氧脫離器塔前，先將天然氣流引導(dǎo)至液 化器。在此清除天然氣中存在的剩余部分氧氣，并且采收和清除天然氣，從而貯藏。


圖I示出使用單膜組件的天然氣凈化系統(tǒng)的示意圖。圖2示出使用兩個(gè)膜組件的天然氣凈化系統(tǒng)的示意圖。圖3示出其中不存在膜組件的天然氣凈化系統(tǒng)的示意圖。圖4示出用于液化天然氣生產(chǎn)系統(tǒng)的除氧系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式參考圖I，天然氣通過管線I進(jìn)給至PSA干燥器床層A，在此清除天然氣中的水。干燥天然氣通過管線2進(jìn)給至膜式二氧化碳清除單元C，在此清除天然氣流中存在的大部分二氧化碳。滲透天然氣通過管線3進(jìn)給至其他PSA干燥器床層B，在此滲透天然氣將再生床層B。PSA系統(tǒng)中的吸附床層A和B的運(yùn)行是這樣的，當(dāng)吸附床層A吸附水時(shí)，吸附床層B通過來自膜單元C的滲透天然氣再生。當(dāng)它們的角色互換時(shí)，吸附床層B將吸附來自天然氣流的水，而吸附床層A將通過滲透天然氣再生。再生的天然氣流將通過管線4離開吸附床層B，并且能夠用于發(fā)電。天然氣流將通過管線5離開膜式二氧化碳清除單元C，并且進(jìn)給至VSA系統(tǒng)D。VSA系統(tǒng)中存在的四個(gè)吸附床層中的每個(gè)吸附床層都具有三層——DI、D2和D3。四床層VSA系統(tǒng)以具有一個(gè)或兩個(gè)均化的典型循環(huán)運(yùn)行。下文表示出具有一個(gè)均化步驟的四循環(huán)VSA工藝。

權(quán)利要求
1.一種從天然氣流清除污染物的方法，所述方法包括以下步驟 a)將包含污染物的天然氣流進(jìn)給至干燥器； b)將所述干燥天然氣流進(jìn)給至膜組件，其中從所述天然氣流清除二氧化碳和氧氣；以及 c)將所述天然氣流進(jìn)給至多床層、多層真空變壓吸附系統(tǒng)，其中從所述天然氣流清除二氧化碳、氮?dú)夂脱鯕狻?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，從變壓吸附和變溫吸附單元組成的組中選擇所述干燥器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述氧氣、氮?dú)夂投趸荚谒鎏烊粴庵写嬖诘牧糠謩e為0-5摩爾百分比、5-15摩爾百分比和30-45摩爾百分比。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述變壓吸附和所述變溫吸附單元包括活性氧化鋁床層。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述膜組件包括超過一個(gè)膜組件。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述膜為改性中空纖維聚酰胺氮膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，還包括利用所述膜組件從所述天然氣流清除氧氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述多床層、多層真空變壓吸附系統(tǒng)包括四個(gè)吸附床層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，四個(gè)吸附床層中的每個(gè)吸附床層都包括三層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述三層分別包含13X分子篩、鈦硅酸鹽篩和碳分子篩。
11.一種從天然氣流清除污染物的方法，所述方法包括以下步驟 a)將包含污染物的所述天然氣流進(jìn)給至干燥器；以及 b)將所述干燥天然氣進(jìn)給至多床層、多層真空變壓吸附系統(tǒng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述干燥器為變溫吸附系統(tǒng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述變溫吸附系統(tǒng)包括活性氧化鋁床層。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述多床層、多層真空變壓吸附系統(tǒng)包括四個(gè)吸附床層。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述四個(gè)吸附床層中的每個(gè)吸附床層都包括三層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述三層分別包含13X分子篩、鈦硅酸鹽篩和碳分子篩。
17.—種從天然氣流除氧的方法，所述方法包括以下步驟 a)將所述天然氣流進(jìn)給至膜組件； b)將所述天然氣流進(jìn)給至多床層、多層真空變壓吸附系統(tǒng)； c)將所述天然氣流進(jìn)給至液化器；以及 d)將所述天然氣流進(jìn)給至氧脫離器塔。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述膜組件從所述天然氣流清除二氧化碳。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述多床層、多層真空變壓吸附系統(tǒng)從所述天然氣流清除二氧化碳和氮?dú)狻?br> 20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，從所述氧脫離器塔采收天然氣。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述膜組件包括超過一個(gè)膜組件。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述膜為改性中空纖維聚酰胺氮膜。
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其還包括利用所述膜組件從所述天然氣流清除氧氣。
24.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述多床層、多層真空變壓吸附系統(tǒng)包括四個(gè)吸附床層。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述四個(gè)吸附床層中的每個(gè)吸附床層都 >包括兩層。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，所述兩層分別包含13X分子篩和鈦硅酸鹽篩。
27.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，從填充式或盤式脫離器塔組成的組中選擇所述氧脫離器塔。
全文摘要
一種從天然氣流清除污染物的方法。將天然氣流進(jìn)給至干燥器，然后進(jìn)行膜組件和多床層、多層真空變壓吸附工藝，用于從天然氣流清除氧氣、氮?dú)夂投趸肌Ｗ鳛樘鎿Q方式，當(dāng)二氧化碳在天然氣流中濃度相對(duì)低時(shí)，不使用膜組件步驟。
文檔編號(hào)B01D53/047GK102883791SQ201180022515
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2011年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月6日
發(fā)明者R·H·塞斯娜, R·克里什納穆希 申請(qǐng)人:琳德股份公司