本申請(qǐng)涉及分步分離，更具體而言，涉及分步分離含二氧化碳的氣體混合物的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：
油井在一次采油階段期間通常收集其來自于地下油層的油的大約30%。使用二次采油技術(shù)，比如增加地下壓力的注水開發(fā)，可以采收額外20%的油。提高采收率法采油(“EOR”)提供能夠從地下油層采收額外20%或更多油的三次采油技術(shù)。在EOR過程期間，大量的氣體被注入地下油層中，從而從井中推動(dòng)額外的油。通常用二氧化碳作為EOR氣體，因?yàn)槠渚哂信c地下油混合并且使油粘性更小且更容易提取的能力。注入到油井中的大部分二氧化碳隨著采收的油一同被采收。然而，采收的二氧化碳通常含有大量的其它組分，比如水蒸氣、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷。在EOR過程中再利用被這些組分污染的二氧化碳被認(rèn)為顯著降低作業(yè)效率?，F(xiàn)存的分離技術(shù)，比如胺分離、溶劑分離和分子篩分離，對(duì)于從氣態(tài)油井流出物中分離二氧化碳是低效的，這是因?yàn)槎趸荚诹鞒鑫镏邢鄬?duì)高的百分比。其它技術(shù)，比如氧燃燒(oxygenburning)，浪費(fèi)了流出物中的烴資源。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員繼續(xù)在從氣態(tài)油井流出物中分離二氧化碳的領(lǐng)域中進(jìn)行研究和開發(fā)工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
根據(jù)本公開內(nèi)容的方面提供了分離系統(tǒng)，其包括氣體混合物的源，所述氣體混合物至少包含第一組分和第二組分；以及分離單元，其與所述源連通以便接收氣體混合物并且將所述第一組分至少部分地與所述第二組分分離，其中所述分離單元包括渦流分離器和壓力容器中至少一個(gè)。有利地，所述分離系統(tǒng)進(jìn)一步包括在所述源和所述分離單元之間的泵。有利地，所述第一組分包括二氧化碳。優(yōu)選地，所述第二組分包括烴和水的至少一種。有利地，所述分離系統(tǒng)進(jìn)一步包括放置用于接收所述第一組分的第一容器和放置用于接收所述第二組分的第二容器。優(yōu)選地，所述分離系統(tǒng)進(jìn)一步包括與所述第一容器和所述第二容器中的一個(gè)流體連通的發(fā)電機(jī)。根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個(gè)方面，提供了渦流誘導(dǎo)(vortex-induced)分離氣體混合物的系統(tǒng)，其可以包括氣體混合物的源，所述氣體混合物至少包含第一組分和第二組分；以及與所述源連通的渦流分離器，所述渦流分離器配置用于接收所述氣體混合物并且將渦流施加至所述氣體混合物以便將所述第一組分至少部分地與所述第二組分分離。根據(jù)本公開內(nèi)容的進(jìn)一步方面，提供了分離系統(tǒng)，其包括氣體混合物的源，所述氣體混合物至少包含第一組分和第二組分；與所述源連通的壓力容器；以及與所述源和所述壓力容器流體連通的泵，其中所述泵以足以使所述氣體混合物至少分離為液態(tài)部分和氣態(tài)部分的壓力將所述氣體混合物泵入所述壓力容器中。根據(jù)本公開內(nèi)容的又進(jìn)一步方面，提供了渦流誘導(dǎo)分離氣體混合物的方法。所述方法可以包括以下步驟：(1)提供至少具有第一組分和第二組分的氣體混合物，所述第一組分為所述氣體混合物的第一百分比；(2)將所述氣體混合物引入渦流路徑，其中所述渦流路徑實(shí)現(xiàn)所述第一組分與所述第二組分的至少部分分離；并且(3)從所述渦流路徑俘獲所述氣體混合物的第一部分，所述第一部分包含所述第一組分并且所述第一組分為所述第一部分的第二百分比，其中所述第二百分比大于所述第一百分比。有利地，所述第一組分包括二氧化碳。優(yōu)選地，所述第二組分包括烴和水的至少一種。有利地，所述第一組分包括二氧化碳并且所述第二組分包括甲烷。有利地，第一重量百分比是至少80%。有利地，第二重量百分比是至少90%。有利地，所述第一組分由具有第一分子量的分子組成并且所述第二組分由具有第二分子量的分子組成，并且其中所述第一分子量大于所述第二分子量。有利地，所述方法進(jìn)一步包括將所述第一部分發(fā)送到油井中的步驟。有利地，所述方法進(jìn)一步包括從所述渦流路徑俘獲所述氣體混合物的第二部分的步驟，所述第二部分包括所述第二組分。優(yōu)選地，所述第二組分是烴。優(yōu)選地，所述方法進(jìn)一步包括燃燒來自所述第二部分的所述烴以產(chǎn)生電能的步驟。根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個(gè)方面，提供了渦流誘導(dǎo)分離氣體混合物的方法，其可以包括以下步驟：(1)提供包含二氧化碳和甲烷的氣體混合物，所述二氧化碳占所述氣體混合物的第一重量百分比；(2)將所述氣體混合物引入渦流路徑，其中所述渦流路徑實(shí)現(xiàn)所述二氧化碳與所述甲烷的至少部分分離；并且(3)從所述渦流路徑俘獲所述氣體混合物的第一部分，所述第一部分包含二氧化碳，所述二氧化碳占所述第一部分的第二重量百分比，其中所述第二重量百分比大于所述第一重量百分比。根據(jù)本公開內(nèi)容的又另一個(gè)方面，提供了通過液化將氣體從氣體混合物中分離的方法。所述方法可以包括以下步驟：(1)提供至少具有第一組分和第二組分的氣體混合物，所述第一組分形成所述氣體混合物的第一重量百分比；(2)將所述氣體混合物加壓以形成液態(tài)部分和氣態(tài)部分，所述第一組分形成所述液態(tài)部分的第二重量百分比，所述第二重量百分比大于所述第一重量百分比；并且(3)將所述液態(tài)部分與所述氣態(tài)部分分離。根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個(gè)方面，提供了分離方法，其包括以下步驟：(1)提供包含二氧化碳和甲烷的氣體混合物，所述二氧化碳占所述氣體混合物的第一重量百分比；(2)將所述氣體混合物加壓以形成液態(tài)部分和氣態(tài)部分，所述二氧化碳占所述液態(tài)部分的第二重量百分比，所述第二重量百分比大于所述第一重量百分比，并且(3)將所述液態(tài)部分與所述氣態(tài)部分分離。有利地，所述第一組分包括二氧化碳。優(yōu)選地，所述第二組分包括烴和水的至少一種。有利地，所述第一重量百分比是至少80%。有利地，所述第二重量百分比是至少90%。有利地，所述加壓步驟包括將所述氣體混合物加壓至至少1000psi的壓力。有利地，所述方法進(jìn)一步包括將所述液態(tài)部分發(fā)送到油井中的步驟。有利地，所述氣態(tài)部分包括所述第二組分，并且其中所述第二組分是烴。優(yōu)選地，所述方法進(jìn)一步包括燃燒所述烴以產(chǎn)生電能的步驟。有利地，所述加壓步驟包括將所述氣體混合物泵入壓力容器。通過下面的詳述、附圖和所附的權(quán)利要求書，公開的分離系統(tǒng)和方法的其它實(shí)施方式將變得明白。附圖說明圖1是公開的二氧化碳分離系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方式的示意性工藝流程圖。圖2是用作圖1分離系統(tǒng)的分離單元的渦流分離器的透視圖。圖3是用作圖1分離系統(tǒng)的分離單元的壓力容器的側(cè)面截面正視圖。圖4是描述公開的二氧化碳分離方法的一個(gè)實(shí)施方式(渦流法)的流程圖。圖5是描述公開的二氧化碳分離方法的另一個(gè)實(shí)施方式(液化法)的流程圖。具體實(shí)施方式參考圖1，公開的二氧化碳分離系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方式——一般指定為10——可以包括分離單元12和工藝氣體(processgas)源14。系統(tǒng)10可額外包括泵16、第一容器18和第二容器20。工藝氣體源14可以是氣體混合物的源。氣體混合物可以是能夠通過分離單元12以下面進(jìn)一步詳細(xì)描述的方式被分離為至少兩份(或部分)的任何氣體混合物。氣體源14供應(yīng)的氣體混合物可以包含兩種或更多種組分氣體。在第一種表達(dá)中，供應(yīng)的氣體混合物可以包含三種組分氣體。在第二種表達(dá)中，供應(yīng)的氣體混合物可以包含四種組分氣體。在第三種表達(dá)中，供應(yīng)的氣體混合物可以包含五種組分氣體。在第四種表達(dá)中，供應(yīng)的氣體混合物可以包含六種或更多種組分氣體。氣體混合物的組分氣體可以是標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下(即，在0℃和1巴下)的氣體。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白，在不偏離本公開內(nèi)容范圍的情況下，氣體混合物的溫度和壓力可由于各種原因(例如，源14處的溫度和壓力條件)而變化?？紤]隨著氣體混合物經(jīng)過系統(tǒng)10在其中存在液相和/或固相，并且不會(huì)造成偏離本公開內(nèi)容的范圍。在公開的系統(tǒng)10的一個(gè)具體應(yīng)用中，氣體源14可以是油井，并且供應(yīng)到分離單元12的氣體混合物可以是來自于油井的油氣分離器的氣態(tài)流出物。當(dāng)油井經(jīng)受使用二氧化碳的提高采收率法采油(“EOR”)過程時(shí)，從氣體源14獲得的氣體混合物可以主要是二氧化碳，并且有顯著濃度的其它組分，比如水蒸氣和烴。氣體混合物的烴組分可以主要是甲烷，但也可以包含較長(zhǎng)鏈烴，比如乙烷、丙烷、丁烷和戊烷。作為一個(gè)實(shí)例，油井(源14)供應(yīng)的氣體混合物可以包含按重量計(jì)至少80%的二氧化碳，余量為其它組分比如水蒸氣和烴。作為另一個(gè)實(shí)例，油井(源14)供應(yīng)的氣體混合物可以包含按重量計(jì)至少85%的二氧化碳，余量為其它組分比如水蒸氣和烴。作為另一個(gè)實(shí)例，油井(源14)供應(yīng)的氣體混合物可以包含按重量計(jì)至少90%的二氧化碳，余量為其它組分比如水蒸氣和烴。作為又另一個(gè)實(shí)例，油井(源14)供應(yīng)的氣體 混合物可以包含按重量計(jì)至少95%的二氧化碳，余量為其它組分比如水蒸氣和烴。氣體源14可以通過流體管線22與分離單元12流體連通?？梢栽诹黧w管線22上提供泵16以促進(jìn)氣體混合物從氣體源14轉(zhuǎn)移至分離單元12?？梢钥刂票?6以便控制供應(yīng)到分離單元12的氣體混合物的壓力。對(duì)此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白可以從氣體源14以相對(duì)高的壓力接收氣體混合物，特別是當(dāng)氣體源14是油井時(shí)。因此，可不需要或不期望由泵16進(jìn)行額外加壓。分離單元12可以通過流體管線22接收氣體混合物，并且可以將氣體混合物分離為至少第一部分23和第二部分25。分離單元12可以使用在下面進(jìn)一步詳細(xì)描述的各種技術(shù)，比如渦流分離和液化，以實(shí)現(xiàn)將氣體混合物分離為至少第一部分23和第二部分25。可以通過流體管線24將來自分離單元12的第一部分23發(fā)送至第一容器18。第一容器18可以是集油油輪、運(yùn)輸油輪等等?？梢酝ㄟ^流體管線28將第一部分23從第一容器18發(fā)送至各種下游應(yīng)用30。例如，當(dāng)從油井采收氣體混合物并且第一部分23是基本上純化的二氧化碳時(shí)，下游應(yīng)用30可以是油井應(yīng)用，比如EOR。可以通過流體管線26將來自分離單元12的第二部分25發(fā)送至第二容器20。第二容器20可以是集油油輪、運(yùn)輸油輪等等?？梢酝ㄟ^流體管線32將第二部分25從第二容器20發(fā)送至各種下游應(yīng)用34。例如，當(dāng)從油井采收氣體混合物并且第二部分25包括與二氧化碳分離的烴時(shí)，下游應(yīng)用34可以是能夠?qū)N轉(zhuǎn)化成電能(例如，通過燃燒)的發(fā)電機(jī)。參考圖2，在公開的二氧化碳分離系統(tǒng)的一種實(shí)現(xiàn)中，分離單元12可以是(或者可以包含)渦流分離器40。渦流分離器40可以是能夠使氣體混合物（流體管線22）經(jīng)受渦流以便將氣體混合物分離為至少第一分部23和第二部分25的任何裝置或系統(tǒng)。因此，渦流分離器40可配置用于通過流體管線22接收氣體混合物并且使得氣體混合物在渦流路徑中行進(jìn)。通過流體管線22供應(yīng)的氣體混合物的至少兩種組分氣體可以具有足以促進(jìn)渦流誘導(dǎo)分離的分子量差別。作為第一個(gè)實(shí)例，氣體混合物的至少一種組分氣體可以具有為氣體混合物另一種組分氣體的分子量的至多70%的分子量。作為第二個(gè)實(shí)例，氣體混合物的至少一種組分氣體可以具有為氣體混合物另一種組分氣體的分子量的至多60%的分子量。作為第三個(gè)實(shí)例，氣體混合物的至少一種組分氣體可以具有為氣體混合物另一種組分氣體的分子量的至多50%的分子量。作為第四個(gè)實(shí)例，氣體混合物的至少一種組分氣體可以具有為氣體混合物另一種組分氣體的分子量的至多40%的分子量。作為第五個(gè)實(shí)例，氣體混合物的至少一種組分氣體可以具有為氣體混合物另一種組分氣體的分子量的至多37%的分子量。當(dāng)從油井中采收氣體混合物并且氣體混合物主要由二氧化碳組成時(shí)，如上所述，第一部分23可以是基本純化的二氧化碳，并且第二部分25可以包含較輕分子量的組分，比如水蒸氣和甲烷。作為一個(gè)實(shí)例，第一部分23可以包含按重量計(jì)至少95%的二氧化碳。作為另一個(gè)實(shí)例，第一部分23可以包含按重量計(jì)至少96%的二氧化碳。作為另一個(gè)實(shí)例，第一部分23可以包含按重量計(jì)至少97%的二氧化碳。作為另一個(gè)實(shí)例，第一部分23可以包含按重量計(jì)至少98%的二氧化碳。作為又另一個(gè)實(shí)例，第一部分23可以包含按重量計(jì)至少99%的二氧化碳。不限于任何具體的理論，認(rèn)為使氣體混合物經(jīng)受渦流可以使得氣體混合物的相對(duì)較高分子量的組分(例如，二氧化碳)通過渦流分離與相對(duì)較低分子量的組分(例如，水蒸氣和甲烷)分離。在渦流分離期間，較重組分的較大動(dòng)量可促使較重組分相對(duì)于較輕組分徑向向外，從而提供了將較重組分與較輕組分分離的機(jī)會(huì)。另外，不限于任何具體的理論，認(rèn)為依照焦耳-湯姆孫效應(yīng)，氣體混合物隨著其在渦流分離器40中膨脹而冷卻可進(jìn)一步促進(jìn)從氣體混合物中分離至少一種組分。例如，氣體混合物的充分冷卻可以造成二氧化碳的相改變(例如，變?yōu)橐簯B(tài))，同時(shí)氣體混合物的其它組分保持為氣相，從而使分離簡(jiǎn)化。進(jìn)入渦流分離器40的氣體混合物的溫度、壓力和流量可以是可控的參數(shù)，并且可被控制以實(shí)現(xiàn)期望的分離。在一種構(gòu)造中，渦流分離器40可以是靜態(tài)的裝置或系統(tǒng)。靜態(tài)的渦流分離器40可基本上沒有移動(dòng)部件，并且可配置用于基于渦輪分離器40的形狀和構(gòu)造以及氣體混合物通過流體管線22進(jìn)入渦流分離器40的角度和方向?qū)崿F(xiàn)氣體混合物的渦流。作為一個(gè)具體的但非限制性的實(shí)例，渦流分離器40可配置為具有大致截頭圓錐形主體42的靜態(tài)旋風(fēng)分離器，其具有錐形的第一端44和較寬的第二端46。主體42的第一端44可以限定與流體管線24連接的第一出口48。主體42的第二端46可以包括入口50和第二出口52?？刹贾萌肟?0使得氣體混合物周向地進(jìn)入主體42，從而將氣體混合物引入渦流路徑。第二出口52可以與主體42軸向地對(duì)齊，并且可以相對(duì)于主體42大致居中。第二出口52可以包括至少部分地軸向延伸進(jìn)主體42中的管子或類似物。因此，隨著氣體混合物通過入口50進(jìn)入渦流分離器40的主體42，氣體混合物可以膨脹(冷卻)并且可被推進(jìn)入渦流路徑中。氣體混合物可以分離為可通過流體管線24離開渦流分離器40的第一部分23和可通過流體管線26離開渦流分離器40的第二部分25。在另一種構(gòu)造中，渦流分離器40可以是動(dòng)態(tài)的裝置或系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)的渦流分離器40可以包含風(fēng)扇葉片、葉輪、渦輪或類似物，其可以或可以不與軸相連接并且通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而且其可以促使氣體混合物進(jìn)入渦流路徑中。也考慮使用動(dòng)態(tài)渦流分離器和靜態(tài)渦流分離器二者。參考圖3，在公開的二氧化碳分離系統(tǒng)的另一種實(shí)現(xiàn)中，分離單元12可以是(或可以包括)壓力容器60，在其中可以增加氣體混合物的壓力以實(shí)現(xiàn)液化。具體而言，通過增加壓力容器60內(nèi)氣體混合物的壓力，氣體混合物可以分離為至少第一部分62和第二部分64。第一部分62可以處于液相并且第二部分64可以處于氣相。第一部分62可以通過流體管線24離開壓力容器60并且第二部分64可以通過流體管線26離開壓力容器。壓力容器60可以是能夠在高壓容納氣體混合物的任何容器。在一種構(gòu)造中，壓力容器60可以能夠耐受至少80atm的壓力。在另一種構(gòu)造中，壓力容器60可以能夠耐受至少90atm的壓力。在另一種構(gòu)造中，壓力容器60可以能夠耐受至少100atm的壓力。在另一種構(gòu)造中，壓 力容器60可以能夠耐受至少150atm的壓力。在又另一種構(gòu)造中，壓力容器60可以能夠耐受至少200atm的壓力。當(dāng)從油井中采收氣體混合物并且氣體混合物主要由二氧化碳組成時(shí)，如上所述，第一部分62可以是基本純化的二氧化碳，并且第二部分64可以包含較輕分子量組分，比如水蒸氣和甲烷。作為一個(gè)實(shí)例，第一部分62可以包含按重量計(jì)至少95%的二氧化碳。作為另一個(gè)實(shí)例，第一部分62可以包含按重量計(jì)至少96%的二氧化碳。作為另一個(gè)實(shí)例，第一部分62可以包含按重量計(jì)至少97%的二氧化碳。作為另一個(gè)實(shí)例，第一部分62可以包含按重量計(jì)至少98%的二氧化碳。作為又另一個(gè)實(shí)例，第一部分62可以包含按重量計(jì)至少99%的二氧化碳。在壓力容器60內(nèi)實(shí)現(xiàn)液化所需的壓力可以取決于各種因素，包括氣體混合物的組成以及構(gòu)成氣體混合物的各種組分的濃度。當(dāng)從油井中采收氣體混合物并且氣體混合物主要由二氧化碳組成時(shí)，如上所述，相對(duì)低的壓力可以足以實(shí)現(xiàn)液化。與許多其它氣體比如烴相比，二氧化碳以相對(duì)低的分壓冷凝成液體。例如，純二氧化碳可以以大約1000psi(68atm)冷凝成液體。作為另一個(gè)實(shí)例，含有按重量計(jì)大約90%的二氧化碳(余量為甲烷)的氣體混合物可以以大約1300psi(88atm)進(jìn)行液化。因此，不限于任何具體的理論，認(rèn)為液化可以是相對(duì)低成本的從氣體混合物中分離二氧化碳的方法，特別是當(dāng)氣體混合物包含相對(duì)高濃度的二氧化碳時(shí)，這是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)液化所需的壓力相對(duì)低。因此，可將壓力容器60加壓至足以冷凝氣體混合物的至少一種組分(例如，二氧化碳)的壓力。在一種變型中，可將壓力容器60加壓至至少1000psi(68atm)的壓力。在另一種變型中，可將壓力容器60加壓至至少1300psi(88atm)的壓力。在另一種變型中，可將壓力容器60加壓至至少1400psi(95atm)的壓力。在另一種變型中，可將壓力容器60加壓至至少1600psi(109atm)的壓力。在另一種變型中，可將壓力容器60加壓至至少1800psi(122atm)的壓力。在又另一種變型中，可將壓力容器60加壓至至多2000psi(136atm)的壓力。還公開了將氣體混合物分離為第一部分和第二部分的方法。公開的分離方法可用于從例如油井的油氣分離器的氣態(tài)流出物中分離二氧化碳，不過也考慮公開方法的各種其它應(yīng)用。參考圖4，公開的分離氣體混合物的方法的一個(gè)實(shí)施方式——一般指定為100——可以在方框102開始于獲得氣體混合物的步驟。如上所述，氣體混合物可以是在EOR期間從油井中采收的含二氧化碳的混合物。也考慮使用其它氣體混合物。如方框104處所示，可將氣體混合物引入渦流路徑。各種裝置和系統(tǒng)可用于對(duì)氣體混合物施加渦流。例如，可以使用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的渦流分離器。隨著氣體混合物處于渦流中，氣體混合物的第一部分(例如，含二氧化碳的部分)可與第二部分(例如，含輕質(zhì)烴的部分)分離，如方框106處所示。在分離之后，第一部分可被發(fā)送至第一容器(方框108)并且第二部分可被發(fā)送至第二容器(方框110)。任選地，比如通過使用串聯(lián)的多個(gè)渦流分離器，可以將方框104和106中所示的步驟重復(fù)一次或多次，以便進(jìn)一步純化第一部分、第二部分或這兩個(gè)部分。參考圖5，公開的分離氣體混合物的方法的另一個(gè)實(shí)施方式——一般指定為200——可以在方框202開始于獲得氣體混合物的步驟。如上所述，氣體混合物可以是在EOR期間從油井中采收的含二氧化碳的混合物，并且可以具有相對(duì)高濃度(例如，按重量計(jì)80%或更多)的二氧化碳。也考慮使用其它氣體混合物。如方框204中所示，可將氣體混合物加壓至足以形成液相和氣相的壓力。例如，通過將氣體混合物泵入壓力容器可以使氣體混合物加壓以便達(dá)到期望的壓力。隨著氣體混合物被加壓，氣體混合物的液態(tài)第一部分(例如，含二氧化碳的部分)可以與氣態(tài)第二部分(例如，含輕質(zhì)烴的部分)分離，如方框206處所示。在分離之后，第一部分可被發(fā)送至第一容器(方框208)并且第二部分可被發(fā)送至第二容器(方框210)。因此，公開的系統(tǒng)和方法可以促進(jìn)氣體混合物的一個(gè)或多個(gè)組分(例如，二氧化碳)與氣體混合物的一個(gè)或多個(gè)其它組分分離并且不消耗 (例如，燃燒)任何組分。因此，分離的第一和第二部分可用于各種下游應(yīng)用，比如EOR和發(fā)電。雖然已經(jīng)顯示和描述了公開的二氧化碳分離系統(tǒng)和方法的各種實(shí)施方式，但本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀該說明書之后可以想到改型。本申請(qǐng)包含這些改型并且僅受權(quán)利要求的范圍限制。