本申請(qǐng)要求2014年6月30日提交的美國(guó)申請(qǐng)No.62/019,373的優(yōu)先權(quán)。

發(fā)明背景

本發(fā)明涉及從含有酸性氣體的氣體混合物，如合成氣體(合成氣)或天然氣中除去酸性氣體-二氧化碳(CO₂)和含硫組分，如硫化氫(H₂S)和羰基硫(COS)，它們簡(jiǎn)稱為硫組分或硫。在通過(guò)溶劑脫除酸性氣體的方法中，下游硫回收單元要求生成的酸性氣體料流中的指定硫濃度。為了滿足酸性氣體料流的硫規(guī)格，在酸性氣體脫除單元中使用用于富集酸性氣體料流中的硫含量的設(shè)備，如富硫溶劑閃蒸罐、具有產(chǎn)物氣體汽提的濃縮器和兩者的組合。例如，在US 2013/0036911中，提供具有兩個(gè)閃蒸罐以富集酸性氣體的合成氣處理配置以產(chǎn)生具有Claus硫回收單元所要求的40摩爾％或更高的H₂S的酸性氣體料流。再吸收器的主要概念在于，在再吸收器的底部通過(guò)用汽提氣體，如來(lái)自富硫溶劑閃蒸罐頂部的閃蒸氣(富閃蒸氣)和氮?dú)馄岢龆趸级鴿饪s來(lái)自硫吸收器底部的富硫溶劑中的硫含量，這產(chǎn)生富CO₂氣體(濃縮器的功能)，并在再吸收器頂部中通過(guò)與溶劑接觸而吸收富CO₂氣體中的硫組分(再吸收功能)。再吸收器設(shè)計(jì)優(yōu)于傳統(tǒng)富硫溶劑閃蒸罐/濃縮器設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于再吸收器的塔頂產(chǎn)物作為CO₂產(chǎn)物排出或輸出而非再循環(huán)回硫吸收器，這避免與來(lái)自富硫閃蒸罐/濃縮器的再循環(huán)氣體造成的硫吸收器和二氧化碳吸收器(如果配備)的吞吐量的提高相關(guān)的額外資本和運(yùn)行成本。

本發(fā)明還涉及通過(guò)溶劑脫除酸性氣體的方法中的熱集成。在這些類型的方法中，各種含二氧化碳的氣體料流可具有極低溫度?？梢岳眠@些料流中的冷氣體冷卻需要低溫的單元中的其它工藝料流，如貧溶劑，以減少冷卻其它工藝料流所需的設(shè)施。

發(fā)明概述

提供一種系統(tǒng)和方法，其中再吸收器和富硫溶劑閃蒸罐或富硫溶劑汽提塔在避免使用任何壓縮機(jī)將富硫溶劑閃蒸罐或富硫溶劑汽提塔的塔頂產(chǎn)物，即富閃蒸氣，送往再吸收器的壓力下運(yùn)行并提供明顯較低的運(yùn)行成本。在本發(fā)明的另一方面中，提供使各種氣體料流視需要加熱或冷卻其它料流的能力最大化并由此顯著降低能量要求的配置。

附圖簡(jiǎn)述

圖1顯示針對(duì)具體情況優(yōu)化再吸收器壓力的研究的結(jié)果。

圖2是根據(jù)本發(fā)明具有與富硫溶劑閃蒸罐集成的低壓再吸收器并具有允許各種含CO₂或富CO₂的氣體料流冷卻其它料流的配置的酸性氣體脫除系統(tǒng)和方法的一個(gè)示例性示意圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明具有與富硫溶劑閃蒸罐集成的低壓再吸收器并具有允許各種含CO₂或富CO₂的氣體料流冷卻其它料流的配置的酸性氣體脫除系統(tǒng)和方法的另一示例性示意圖。

圖4是根據(jù)本發(fā)明具有與富硫溶劑汽提塔(或汽提器)集成的低壓再吸收器并具有允許各種含CO₂或富CO₂的氣體料流冷卻其它料流的配置的酸性氣體脫除系統(tǒng)和方法的另一示例性示意圖。

發(fā)明詳述

本發(fā)明涉及低壓再吸收器及其與富硫溶劑閃蒸罐或富硫溶劑汽提塔集成在使用吸收溶劑如聚乙二醇二甲醚、甲醇、碳酸亞丙酯和N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)的酸性氣體脫除法中。在本申請(qǐng)中，低壓意味著不需要壓縮機(jī)將富硫溶劑閃蒸罐或汽提塔的塔頂氣體，即富閃蒸氣，送往再吸收器。

已對(duì)再吸收器運(yùn)行壓力和再吸收器與富硫溶劑閃蒸罐的集成進(jìn)行優(yōu)化研究。借助在低壓下運(yùn)行的再吸收器，可以通過(guò)在剛好高于再吸收器壓力的壓力下運(yùn)行富硫溶劑閃蒸罐以克服富硫溶劑閃蒸罐的塔頂與再吸收器之間的壓降來(lái)避免任何富閃蒸氣壓縮機(jī)和相關(guān)分離罐和冷卻器。已經(jīng)表明，存在最優(yōu)化的再吸收器運(yùn)行壓力，其平衡滿足酸性氣體料流中的硫規(guī)格所需的氮?dú)馄釟怏w流速和滿足再吸收器塔頂氣體中的硫規(guī)格所需的溶劑流速。如圖1中所示，在使用溶劑和酸性氣體中30摩爾％的硫規(guī)格的特定情況下，所需氮?dú)饬魉匐S再吸收器塔頂壓力(圖1中的P)提高而線性提高。而決定所需溶劑流速的再吸收器塔頂氣體(圖1中的排氣)中的硫含量在較低壓力范圍內(nèi)隨再吸收器壓力提高而迅速降低，當(dāng)該壓力高于414kPa(60psia)時(shí)其變化趨平。因此，414kPa(60psia)是對(duì)這種情況而言最佳的(平衡的)再吸收器運(yùn)行壓力。

下表顯示比較再吸收器和集成的富硫溶劑閃蒸罐的不同壓力配置并例示冷卻富閃蒸氣(或表中的再循環(huán)物)(即送回再吸收器的富硫溶劑閃蒸罐的塔頂氣體)的作用的另一研究的結(jié)果。對(duì)于該表中研究的情況，酸性氣體料流中的硫規(guī)格為30摩爾％且再吸收器塔頂料流(如表中的CO₂排氣)中的硫規(guī)格為16摩爾ppm。從該表中可以看出，在414kPa(60psia)的再吸收器壓力和448kPa(65psia)的富硫溶劑閃蒸罐(表中的富閃蒸氣)壓力和在不冷卻再循環(huán)氣體的情況下(Run 2)，滿足這些規(guī)格所需的氮?dú)馄崃魉贋?30.4kgmol/hr(508lbmol/hr)且所需溶劑流速為742.5kgmol/hr(1637lbmol/hr)。當(dāng)再吸收器和富硫溶劑閃蒸罐在更低壓力—分別386kPa(56psia)和421kPa(61psia)—下運(yùn)行并且不冷卻再循環(huán)氣體時(shí)(Run 6)，不需要氮?dú)馄岵⑶宜枞軇┧俾嗜詾?42.5kgmol/hr(1637lbmol/hr)，這是最佳配置。富閃蒸氣的冷卻(這需要富硫溶劑閃蒸罐的更高壓力設(shè)置以克服富閃蒸氣冷卻器的壓降)在這一特定情況中沒(méi)有益處。不同情況可能表現(xiàn)不同。這可通過(guò)比較Runs 1和2和Runs 4和5看出。

表:

在集成再吸收器和富硫溶劑閃蒸罐的最佳壓力配置下，對(duì)于某些應(yīng)用例可以避免氮?dú)馄釟怏w。這種避免以及富閃蒸氣壓縮機(jī)和相關(guān)分離罐和冷卻器的消除改進(jìn)酸性氣體脫除法的經(jīng)濟(jì)性。一個(gè)實(shí)例表明，通過(guò)僅消除氮?dú)馄?，可以?shí)現(xiàn)每年1.3MM US$的運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用節(jié)省。

對(duì)于集成再吸收器和富硫溶劑閃蒸罐系統(tǒng)，由于富硫溶劑閃蒸罐的壓力高于再吸收器，需要泵將富硫溶劑從再吸收器的底部送往富硫溶劑閃蒸罐并且可能需要從富硫閃蒸罐到再生器的泵。

除改進(jìn)工藝經(jīng)濟(jì)性外，消除氮?dú)馄岬氖褂靡彩沟眉词乖诋a(chǎn)物中不允許氮?dú)鈺r(shí)，該再吸收器塔頂產(chǎn)物也可作為二氧化碳產(chǎn)物。

在一些情況下，完全消除氮?dú)馄崾遣豢赡艿?，但可以通過(guò)如上所示設(shè)置再吸收器和富硫溶劑閃蒸罐的壓力來(lái)優(yōu)化再吸收器所需的氮?dú)饬魉俸腿軇┝魉?。在酸性氣體脫除工藝單元中，含CO₂或富CO₂的料流——其可包括中壓(MP)二氧化碳閃蒸罐塔頂料流、低壓(LP)二氧化碳閃蒸罐塔頂料流和再吸收器塔頂料流，可具有極低溫度?？梢岳眠@些料流中的冷氣體冷卻需要低溫的單元中的其它工藝料流，如貧溶劑，以減少冷卻其它工藝料流所需的設(shè)施。

在一個(gè)實(shí)例中，MP CO₂閃蒸罐塔頂料流具有-12℃(10.4℉)的溫度，LP CO₂閃蒸罐塔頂料流具有-17.2℃(1.0℉)的溫度，且再吸收器塔頂料流具有-14.8℃(5.4℉)的溫度。它們用于將貧溶劑從4.1℃(39.3℉)冷卻至1.72℃(35.1℉)。這三個(gè)二氧化碳料流和貧溶劑之間的熱交換的利用可將貧溶劑激冷器的冷卻負(fù)荷降低17％。

二氧化碳料流(MP二氧化碳閃蒸罐塔頂料流、LP二氧化碳閃蒸罐塔頂料流和再吸收器塔頂料流)在與貧溶劑熱交換后的溫度仍低(在上述實(shí)例中<1.66℃(35℉))。當(dāng)二氧化碳料流的壓力允許時(shí)，這些二氧化碳料流可進(jìn)一步用于冷卻其它熱工藝料流，例如以冷卻二氧化碳再循環(huán)料流和富閃蒸氣。用二氧化碳料流進(jìn)一步冷卻其它熱工藝料流可以完全或部分節(jié)省與如果不與二氧化碳料流熱交換則冷卻這些熱工藝料流所需的空氣或水冷卻器相關(guān)的設(shè)施或如果需要，可以除空氣或水冷卻外進(jìn)一步降低這些熱料流的溫度。

圖2顯示用于加工含硫氣進(jìn)料(sour gas feed)1的本發(fā)明的系統(tǒng)和方法，該進(jìn)料據(jù)顯示送往氣液分離器(其顯示為進(jìn)料氣體分離罐2)，除去液體4并將含硫蒸氣6送往硫吸收器8?，F(xiàn)在低硫的處理過(guò)的氣體10任選送往CO₂吸收段中的二氧化碳吸收器12以除去二氧化碳。從該系統(tǒng)中取出處理過(guò)的氣體14。將含有更高二氧化碳濃度的料流16送往料流120或在經(jīng)過(guò)泵18和管線20后返回硫吸收器8。變成料流120的那部分首先據(jù)顯示送往二氧化碳再循環(huán)閃蒸罐56。載有二氧化碳的溶劑料流經(jīng)管線110送往再吸收器24或經(jīng)管線55送往中壓CO₂閃蒸罐54。從中壓閃蒸罐54中除去的液體53隨后送往低壓CO₂閃蒸罐50并且現(xiàn)在已再生并具有低CO₂濃度的液體料流48隨后通往泵46并經(jīng)管線44返回二氧化碳吸收器12。富二氧化碳的蒸氣料流52從低壓閃蒸罐50經(jīng)過(guò)熱交換器32以與貧溶劑33熱交換，然后作為CO₂產(chǎn)物或排氣輸出該系統(tǒng)。富CO₂的蒸氣料流58從中壓閃蒸罐54送往熱交換器34以與貧溶劑35熱交換，然后經(jīng)管線60通往熱交換器62以進(jìn)一步與富閃蒸氣75熱交換，然后通往二氧化碳產(chǎn)物或排氣料流112。CO₂再循環(huán)蒸氣料流125離開(kāi)二氧化碳再循環(huán)閃蒸罐56到壓縮機(jī)122再到壓縮的CO₂再循環(huán)料流124再到熱交換器114，然后與處理過(guò)的氣體10混合，然后通往二氧化碳吸收器12。富硫溶劑料流22從硫吸收器8通往再吸收器24的底部24A的頂部。在再吸收器24的底部24A中，通過(guò)富閃蒸氣64并任選也通過(guò)氮?dú)?從富硫溶劑22中汽提出二氧化碳。從再吸收器24的底部24A到上部24B的蒸氣也含有含硫組分，其與再吸收器24的上部24B中的載有CO₂的溶劑110接觸以除去含硫組分。將來(lái)自再吸收器24的上部24B的塔頂?shù)暮珻O₂的蒸氣料流26送往熱交換器30以與貧溶劑31熱交換，然后通往熱交換器114以進(jìn)一步與壓縮的CO₂再循環(huán)料流124熱交換，然后作為CO₂排氣或產(chǎn)物輸出該系統(tǒng)。具有更高的硫濃度的富硫溶劑料流66離開(kāi)再吸收器24的底部24A的底部到泵68再到貧-富熱交換器70。在與貧溶劑108熱交換后，該富硫溶劑料流經(jīng)管線72送往富硫溶劑閃蒸罐74。含有二氧化碳和一些含硫組分75的蒸氣料流(其被稱作富閃蒸氣)離開(kāi)富硫溶劑閃蒸罐74的塔頂，在熱交換器62中與富CO₂的蒸氣料流60熱交換，然后經(jīng)管線64送回再吸收器24的底部24A。富硫溶劑料流76離開(kāi)富硫溶劑閃蒸罐74的底部到泵78再到管線80再到再生器82。再生器塔頂料流92離開(kāi)再生器82的頂部，然后通往冷凝器94，然后經(jīng)管線96通往回流罐98。酸性氣體料流100據(jù)顯示離開(kāi)該系統(tǒng)以在硫回收單元中進(jìn)一步處理。液體料流102返回再生器82的頂部。貧溶劑料流104離開(kāi)再生器82的底部并送往泵106再到管線108，然后送往貧-富熱交換器70。該貧溶劑料流然后經(jīng)管線71到泵36、管線35、熱交換器34、到管線33、到熱交換器32、到管線31、到熱交換器30、到管線38、到熱交換器40、到管線42，其隨后通往二氧化碳吸收器12。貧溶劑如上所述在熱交換器34、32和30中分別與來(lái)自MP CO₂閃蒸罐54、LP CO₂閃蒸罐50和再吸收器24塔頂?shù)母籆O₂或含CO₂的料流熱交換。

圖3顯示與圖2中所示的系統(tǒng)和方法類似的用于加工含硫氣進(jìn)料的本發(fā)明的系統(tǒng)和方法，區(qū)別如下：來(lái)自硫吸收器8的富硫溶劑料流22通往貧-富熱交換器70而非如圖2中通往再吸收器24。再吸收器只有一個(gè)部分而非如圖2中的兩個(gè)部分(底部和上部)。不將氮?dú)饬狭?如圖2中的料流3)作為汽提氣體送往再吸收器24。

圖4顯示與圖3中所示的系統(tǒng)和方法類似的用于加工含硫氣進(jìn)料的本發(fā)明的系統(tǒng)和方法，區(qū)別如下：富硫溶劑閃蒸罐74被以氮?dú)?作為汽提氣體的富硫溶劑汽提塔(或汽提器)替代且富硫溶劑料流72供入汽提塔74的頂部。

具體實(shí)施方案

盡管下面聯(lián)系具體實(shí)施方案進(jìn)行描述，但要理解的是，該描述意在舉例說(shuō)明而非限制上述說(shuō)明書和所附權(quán)利要求書的范圍。

本發(fā)明的第一實(shí)施方案是一種處理氣體料流的方法，其包括將氣體料流送往硫吸收單元以與溶劑接觸以產(chǎn)生富硫溶劑料流和貧硫氣體料流，將富硫溶劑料流送往再吸收器單元，然后送往富硫溶劑閃蒸罐，將富硫溶劑閃蒸罐的塔頂氣體料流(富閃蒸氣)送往再吸收器，以濃縮所述溶劑中的硫含量并確保來(lái)自再吸收器單元塔頂?shù)臍怏w料流滿足供入再吸收器頂部的溶劑料流所需的硫含量規(guī)格。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是從這一段中所述的第一實(shí)施方案引申出的這一段中的一個(gè)、任一或所有在先實(shí)施方案，其中將來(lái)自硫吸收單元的貧硫氣體料流送往二氧化碳吸收段以進(jìn)一步除去二氧化碳。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是從這一段中所述的第一實(shí)施方案引申出的這一段中的一個(gè)、任一或所有在先實(shí)施方案，其中所述方法在再吸收器中無(wú)氮?dú)馄岬那闆r下運(yùn)行。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是從這一段中所述的第一實(shí)施方案引申出的這一段中的一個(gè)、任一或所有在先實(shí)施方案，其中再吸收器單元和富硫溶劑閃蒸罐在比使用氮?dú)馄釟怏w料流的方法中低的壓力下運(yùn)行。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是從這一段中所述的第一實(shí)施方案引申出的這一段中的一個(gè)、任一或所有在先實(shí)施方案，其中再吸收器單元在低壓下運(yùn)行并與富硫溶劑閃蒸罐集成，以致不需要壓縮機(jī)將來(lái)自富硫溶劑閃蒸罐的塔頂富閃蒸氣送往再吸收器。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是從這一段中所述的第一實(shí)施方案引申出的這一段中的一個(gè)、任一或所有在先實(shí)施方案，其中富硫溶劑閃蒸罐在略高于再吸收器單元運(yùn)行壓力的壓力下運(yùn)行以克服任何壓降，以使富閃蒸氣從富硫溶劑閃蒸罐的塔頂送往再吸收器。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是從這一段中所述的第一實(shí)施方案引申出的這一段中的一個(gè)、任一或所有在先實(shí)施方案，其中在富硫溶劑閃蒸罐的塔頂和再吸收器之間存在一個(gè)或多個(gè)熱交換器和/或一個(gè)或多個(gè)冷卻器以冷卻來(lái)自富硫溶劑閃蒸罐的塔頂?shù)母婚W蒸氣。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是從這一段中所述的第一實(shí)施方案引申出的這一段中的一個(gè)、任一或所有在先實(shí)施方案，其中再吸收器單元的底部和上部是兩個(gè)分開(kāi)的塔。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是從這一段中所述的第一實(shí)施方案引申出的這一段中的一個(gè)、任一或所有在先實(shí)施方案，其中送往再吸收器單元的溶劑來(lái)自CO₂再循環(huán)閃蒸罐的底部。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是從這一段中所述的第一實(shí)施方案引申出的這一段中的一個(gè)、任一或所有在先實(shí)施方案，其中送往再吸收器單元的溶劑來(lái)自MP CO₂閃蒸罐的底部。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是從這一段中所述的第一實(shí)施方案引申出的這一段中的一個(gè)、任一或所有在先實(shí)施方案，其中送往再吸收器單元的溶劑來(lái)自LP CO₂閃蒸罐的底部。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是從這一段中所述的第一實(shí)施方案引申出的這一段中的一個(gè)、任一或所有在先實(shí)施方案，其中來(lái)自硫吸收單元的富硫溶劑料流通往貧-富熱交換器而不通往再吸收器。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是從這一段中所述的第一實(shí)施方案引申出的這一段中的一個(gè)、任一或所有在先實(shí)施方案，其中富硫溶劑閃蒸罐被富硫溶劑汽提塔替代。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是從這一段中所述的第一實(shí)施方案引申出的這一段中的一個(gè)、任一或所有在先實(shí)施方案，其中再吸收器單元在386kPa的壓力下運(yùn)行。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是從這一段中所述的第一實(shí)施方案引申出的這一段中的一個(gè)、任一或所有在先實(shí)施方案，其中富硫溶劑閃蒸罐在421kPa的壓力下運(yùn)行。

本發(fā)明的另一實(shí)施方案是一種通過(guò)溶劑脫除酸性氣體的方法，其中所述貧溶劑在一系列熱交換器中分別被來(lái)自MP CO₂閃蒸罐、LP CO₂閃蒸罐和再吸收器塔頂?shù)母籆O₂或含CO₂的氣體料流冷卻。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是從這一段中所述的第一實(shí)施方案引申出的這一段中的一個(gè)、任一或所有在先實(shí)施方案，其中所述貧溶劑被來(lái)自上述實(shí)施方案中列舉的一個(gè)或兩個(gè)來(lái)源的富CO₂或含CO₂的氣體料流冷卻。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是從這一段中所述的第一實(shí)施方案引申出的這一段中的一個(gè)、任一或所有在先實(shí)施方案，其中來(lái)自MP CO₂閃蒸罐的富CO₂的氣體料流在冷卻貧溶劑后用于進(jìn)一步冷卻來(lái)自富硫溶劑閃蒸罐的富閃蒸氣。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是從這一段中所述的第一實(shí)施方案引申出的這一段中的一個(gè)、任一或所有在先實(shí)施方案，其中來(lái)自再吸收器塔頂?shù)暮珻O₂的氣體料流在冷卻貧溶劑后用于進(jìn)一步冷卻來(lái)自CO₂再循環(huán)閃蒸罐的CO₂再循環(huán)料流。

無(wú)需進(jìn)一步闡釋，但相信，利用上文的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在最大程度上利用本發(fā)明并容易確定本發(fā)明的基本特征，在不背離其精神和范圍的情況下，可以對(duì)本發(fā)明作出各種變動(dòng)和修改并使其適應(yīng)各種用途和條件。上述優(yōu)選的具體實(shí)施方案因此應(yīng)被解釋為僅示例性的，而不以任何方式限制本公開(kāi)的剩余部分，并且意在涵蓋包括在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的各種修改和等同布置。

在上文中，除非另行指明，所有溫度以攝氏度表示，并且所有份數(shù)和百分比按摩爾計(jì)。