CN107073356A - 在天然气的处理和提纯期间用于过程监视的集成分析器 - Google Patents

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Abstract

一种用于分析天然气的气体色谱方法以及使用所述气体色谱方法分析天然气的天然气提纯***。所述方法包含将所述天然气输送通过冷冻器，将所述天然气从所述冷冻器输送到至少两个气体提纯隔膜，以及操作具有至少一个上游气体色谱仪和至少两个下游气体色谱仪的气体色谱***。所述至少一个上游气体色谱仪、第一下游气体色谱仪以及第二下游气体色谱仪全部同时操作且利用同一加热炉来加热天然气的样本。

Description

在天然气的处理和提纯期间用于过程监视的集成分析器
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年11月20日提交的标题为《在天然气的处理和提纯期间用于过程监视的集成分析器(Integrated Analyzer For Process Monitoring During ProcessingAnd Upgrading of Natural Gas)》的第14/548,432号(代理案号SA 6004 PA)美国专利申请的优先权权益，所述申请的内容特此以全文引用的方式并入。
技术领域
本公开的实施例大体上涉及天然气的处理，且更具体来说涉及在天然气提纯操作期间对天然气组份的实时监视。
背景技术
对天然气的需求至少部分地由于其可用于产生能量以及其适用于石油化工行业中的额外应用而持续增加。最近在例如沙特***等地方发现的许多新的天然气田含有高含量的酸性气体(硫化氢和二氧化碳)和氮气。天然气中高含量的酸性气体和氮气由于低BTU值而限制了其作为能量源的使用，因为所生产天然气的质量和市场价值取决于其组份。高含量的氮气、硫化氢和/或二氧化碳的存在是天然气在产生能量和/或石油化工行业中的应用中不适用的主要原因之一。无用的天然气的富余产生了通过选择性移除例如氮气、水分和酸性气体等成分而使无用天然气变为有用的新机会。这些成分的选择性移除已经通过低温技术、隔膜的使用或者变压吸附(PSA)技术而实现。在一些情况下，已经应用两种或三种技术的组合来实现所需结果。不需要的成分从大量气体的选择性移除过程通过对过程的可靠且连续监视而得到辅助。此监视可以通过使用例如气体色谱法等技术或者其它基于光谱或激光的技术来实现。在新的或改进过程的开发期间，重要的是通过基于连续的基础精确地确定传入和传出气态产品的组份而知道提纯模块的性能。
传统的气体色谱法技术当串联使用时具有超过±3％的准确度极限；意味着如果在单个应用上使用两个不同的气体色谱仪，那么在同一气体样本的结果之间预期至少±3％变化。提纯天然气的目的涉及低温、基于隔膜或类似的技术的使用，在此情况下，处理结果取决于气体流中的温度、压力、流量以及水分的存在。过程提纯配置中的任何改变会导致经处理气体的组份的1％到2％改善。对经处理气体的组份中的此微小改变的监视在做出最适当隔膜的选择或者修改现有隔膜或类似提纯技术中是重要的。
气体色谱法和其它分析器技术从气体提纯过程的早期阶段就已在使用中，但多个气体色谱仪的常规使用缺乏准确性。因此当前***不能在正处理时区分天然气的组份中的微小改变。因此，一直需要在处理期间确定天然气的实时组份中的微小改变的改进的方法。
发明内容
参见图1，本公开的实施例是针对使用集成气体色谱***监视天然气的连续提纯的过程。本公开的方法和***具有工业适用性，尤其在石油、天然气和电力行业中，原因在于从新的天然气田获得的无用天然气的富余。有机会通过选择性移除例如氮气、水分和酸性气体等成分而使来自新天然气田的无用天然气变为有用。
根据一个实施例，提供一种用于分析天然气的气体色谱方法。所述方法包含将天然气输送通过冷冻器，以及从冷冻器输送到至少两个气体提纯隔膜。所述两个气体提纯隔膜包含至少三个经提纯产品流出口，所述至少三个经提纯产品流出口被放置成分别提供经提纯天然气的第一分割、经提纯天然气的第二分割以及经提纯天然气的第三分割。所述方法进一步包含操作气体色谱***，所述气体色谱***具有至少一个上游气体色谱仪和至少两个下游气体色谱仪，所述至少两个下游气体色谱仪包含第一下游气体色谱仪和第二下游气体色谱仪。另外，所述至少一个上游气体色谱仪、所述第一下游气体色谱仪以及所述第二下游气体色谱仪全部同时操作，所述至少一个上游气体色谱仪、所述第一下游气体色谱仪以及所述第二下游气体色谱仪全部使用同一校准馈送进行校准，且所述至少一个上游气体色谱仪、所述第一下游气体色谱仪以及所述第二下游气体色谱仪全部利用同一加热炉来加热天然气的样本。此外，所述方法包含将天然气的样本输送到气体色谱***。具体来说，将退出所述冷冻器的所述天然气的样本、进入所述至少两个气体提纯隔膜中的第一隔膜的所述天然气的样本以及进入所述至少两个气体提纯隔膜中的第二隔膜的所述天然气的样本输送到所述至少一个上游气体色谱仪，且将退出所述经提纯产品流出口中的每一者的所述经提纯天然气的样本输送到所述至少两个下游气体色谱仪。最终，所述方法包含以控制器监视退出所述冷冻器的所述天然气的所述样本、进入所述至少两个气体提纯隔膜中的第一隔膜的所述天然气的所述样本、进入所述至少两个气体提纯隔膜中的第二隔膜的所述天然气的所述样本以及退出所述产品流出口中的每一者的所述经提纯天然气的所述样本的组份，以确定所述天然气的提纯。
在替代的气体色谱方法实施例中，所述方法可以包含将进入冷冻器的天然气的样本输送到所述至少一个上游气体色谱仪，以及或作为代替，将退出冷冻器的天然气的样本输送到所述至少一个上游气体色谱仪。
在进一步实施例中，提供一种天然气提纯***，其具有气体色谱***、冷冻器、至少两个气体提纯隔膜以及控制器。所述气体色谱***包含至少一个上游气体色谱仪和至少两个下游气体色谱仪，其中所述至少两个下游气体色谱仪表示第一下游气体色谱仪和第二下游气体色谱仪。另外，所述冷冻器流体连接到所述至少两个气体提纯隔膜，且被配置成从天然气供应馈送移除重烃。此外，所述至少两个气体提纯隔膜被配置成选择性允许某些气体渗透通过，以从天然气移除杂质。每一气体提纯隔膜还包含入口和至少三个产品流出口，所述至少三个产品流出口被放置成分别提供经提纯天然气的第一分割、经提纯天然气的第二分割以及经提纯天然气的第三分割。另外，所述至少一个上游气体色谱仪流体连接到所述冷冻器的出口、所述至少两个气体提纯隔膜中的第一隔膜的所述入口以及所述至少两个气体提纯隔膜中的第二隔膜的所述入口以允许将样本输送到所述至少一个上游气体色谱仪。类似地，所述产品流出口中的每一者流体连接到所述至少两个下游气体色谱仪中的至少一者以用于将样本输送到所述至少两个下游气体色谱仪。此外，所述控制器被配置成监视来自所述冷冻器的所述出口、所述至少两个气体提纯隔膜中的所述第一隔膜的所述入口、所述至少两个气体提纯隔膜中的所述第二隔膜的所述入口的所述天然气的所述样本以及来自所述产品流出口中的每一者的所述样本的组份，以确定所述天然气的提纯。最终，所述至少一个上游气体色谱仪和所述至少两个下游气体色谱仪被配置成同时操作，由单个校准气体馈送进行校准，且提供单个加热炉或串联的一组加热炉以加热用于所述至少一个上游气体色谱仪和所述至少两个下游气体色谱仪的天然气样本。
本文描述的实施例的额外特征和优点将在随后的详细描述中陈述，且本领域的技术人员从所述描述将容易部分地了解或通过实践本文描述的实施例而认识到所述特征和优点，包含随后的详细描述、权利要求书以及附图。
应理解，前述一般描述和以下详细描述两者描述了各种实施例，且希望提供概述或框架以用于理解所要求标的物的性质和特征。包含附图以提供对各种实施例的进一步理解，附图被并入本说明书且构成本说明书的一部分。附图图示了本文描述的各种实施例，且连同描述内容一起用以阐释所要求标的物的原理和操作。
附图说明
图1是根据本公开的一个或多个实施例的集成分析器的示意性图示。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的天然气提纯***和方法的实施例。尽管提供图1的***为示例性的，但应理解，本发明***和方法涵盖其它配置。
大体上，本发明涉及在允许在分离和提纯的不同阶段测量气体组份改变的模式中使用集成气体色谱法监视天然气的连续提纯的过程。所述分析方法是基于集成气体色谱***，其具有利用单个加热炉的多个色谱仪。此集成多色谱***的使用允许所有色谱分离实体暴露于同一环境。个别色谱仪之间的一致环境允许监视和量化过程中的小改变。
所述集成气体色谱***基于使用注射器、柱和检测器的基本气体色谱法的原理而工作。所述集成气体色谱***能够在使用内部或外部校准技术适当校准时量化各种组成成分。然而，当在两个不同气体色谱仪上分析同一样本流时，即使当使用同一校准气体校准时，从典型的独立气体色谱仪接收的分析数据也具有±3％变化。此变化的原因据信是由于使用两个不同的加热炉、不同的样本递送模式，以及专用于每一色谱仪的独立控制器。相反，本文进一步描述的集成气体色谱***独立于许多这些变量，例如多个独立的加热炉、不同的样本递送模式以及专用于每一色谱仪的独立控制器。由于单个加热炉、单个控制器以及一致的样本递送的协同组合而带来的每一气体色谱仪的分析之间的变量减少将气体色谱仪之间的偏差减小到小于±1％。由于当评估天然气提纯性能时气体组份的小改变的可靠测量是必要的，因此分析结果中的±3％变化太高，因为组份的改变隐藏于变化中，而减小到小于±1％允许进行评估。
执行天然气的分离以从天然气流的总组份移除惰性或酸气体含量成分，例如氮气、硫化氢、二氧化碳和水。提纯过程增加了气体流中存在的各种碳氢化合物的摩尔含量，尤其是甲烷气体的含量，这在天然气中当出售时是较优选的。由于各种成分从天然气的分离取决于气体的流量、温度、压力和水含量，因此极为重要的是知道天然气分离和提纯过程的效率的改变。所提供天然气的物理性质的微小改变，例如改变的流量、温度、压力或水含量，会导致分离和提纯过程的不同性能，从而造成来自样本流的气体组份的改变。只有附接到过程的分析仪器足够敏感以测量传入气体与所处理提纯气体之间的差异组份时才可测量这些改变。
用于提纯天然气的一个一般过程涉及使天然气通过提纯隔膜。具体来说，为了执行天然气的提纯，使天然气最初通过一系列步骤，其中移除重烃和过量的水。另外，在天然气流的提纯和相关联分析之前从天然气流除去任何颗粒和碳材料。随后在下文详细论述的气体提纯隔膜分离天然气流的成分以提供具有不同最终组份的多个经提纯天然气流。随后使天然气的样本和经提纯天然气流中的每一者与例如氦气、氢气或氮气等载气混合，且提供到气体色谱仪。将样本引入到气体色谱仪的柱中，其能够基于极性、沸点和其它分离准则而分离样本流中存在的成分。在适当分离之后的每一成分通过气体色谱仪中的一系列检测器，且使用专用软件报告其存在。馈送天然气流和经提纯天然气流中的每一者中的成分的报告允许对***的操作参数的改变以及对气体提纯隔膜的性能的监视。
参见图1的实施例，示出了天然气提纯***100。天然气提纯***100包括气体色谱***10、冷冻器20、至少两个气体提纯隔膜30，以及控制器60。如图1中所示，气体色谱***10包括至少一个上游气体色谱仪12和至少两个下游气体色谱仪，包括第一下游气体色谱仪14和第二下游气体色谱仪16。
冷冻器20是降低通过例如天然气供应馈送70的流的温度的装置。因此天然气供应馈送70的组份随着某些成分沉淀和/或冷凝出而改变。冷冻器20的非限制性实例包含来自田纳西州瓦特堡的Pioneer Air Systems Inc.的型号C9600AS。冷冻器另外由例如TRANE(Ingersoll Rand的分部)制造。
冷冻器20被配置成从天然气供应馈送70移除重烃，且流体连接到所述至少两个气体提纯隔膜30。在各种实施例中，重烃定义为C5或更高的那些烃，意味着中心碳链由至少5个碳原子组成。在进一步实施例中，重烃定义为C7或更高的那些烃，意味着中心碳链由至少7个碳原子组成。在又进一步实施例中，重烃定义为C9或更高的那些烃，意味着中心碳链由至少9个碳原子组成。
冷冻器20降低由天然气供应馈送70提供的通过其中的天然气的温度。由天然气供应馈送70提供的天然气的温度降低导致天然气的各种成分的冷凝。具体来说，温度降低有助于重烃的移除，因为它们从气态冷凝到液态，以及有助于水的移除，因为水从水蒸气冷凝到液体水。举例来说，冷冻器20可以作为再循环水***而操作。待冷凝的蒸气循环通过冷凝盘管，其通过再循环水***在外部连续加湿。向上吹送空气经过盘管，造成少量的水蒸发。此蒸发从盘管移除热，将盘管中的蒸气冷却和冷凝到比空气冷却或水冷却冷凝器低的温度。在实施例中，使用此技术使天然气的温度下降到大约85°F。在至少一个实施例的正常操作条件下，总天然气流量为大约8百万SCF(标准立方英尺)/日通过冷冻器20，然而，本领域的技术人员将了解，可以针对不同的所需天然气流量而缩放冷冻器。另外，冷冻器20具有允许I类2分区D组分类区域中的操作的设计特性。
所述至少两个气体提纯隔膜30被配置成选择性允许某些气体透过，因此从天然气供应馈送70移除杂质。在一实施例中，所述至少两个气体提纯隔膜30包括第一隔膜40和第二隔膜50。第一隔膜40包括第一隔膜入口42和至少三个产品流出口44、46、48，其被放置成分别提供经提纯天然气的第一分割、经提纯天然气的第二分割以及经提纯天然气的最终分割。类似地，第二隔膜50包括第二隔膜入口52和至少三个产品流出口54、56、58，其被放置成分别提供经提纯天然气的第一分割、经提纯天然气的第二分割以及经提纯天然气的第三分割。为了本公开的目的，将分割定义为通过气体提纯隔膜30的层的处于给定温度、压力和流率的天然气的某些组份，其产生不同组份的产品流。本领域的技术人员将了解与从原油的分馏过程产生流的类似性，所述分馏过程根据从分馏过程移除的不同部分产生例如石脑油分割、煤油分割、柴油分割、重燃油分割以及底部产品。
经提纯天然气包括原天然气，其已减少或移除例如氮气、水分和酸性气体等过量和不需要的成分。经提纯天然气的优选组份是产生1020到1050的btu值的组份。作为基本规则，当氮气的百分比变为高于10％时，btu值急剧下降，从而导致低值气体。然而，原天然气大体上具有通常超过大约13％的高氮气含量，以及大体上在65-70％(v/v)的范围中的甲烷。另外，原天然气可含有大约1-4％酸性气体，例如H2S和CO2。
在实施例中，所述至少一个上游气体色谱仪12流体连接到冷冻器20的出口、第一隔膜入口42以及第二隔膜入口52，用于将样本输送到所述至少一个上游气体色谱仪12。另外，产品流出口44、46、48、54、56、58中的每一者流体连接到所述至少两个下游气体色谱仪14、16中的至少一者，用于将样本输送到第一下游气体色谱仪14和第二下游气体色谱仪16。
至少一个上游气体色谱仪12和至少两个下游气体色谱仪14、16的非限制性实例包含ProGC+(Thermo Fisher Scientific Inc)，以及来自Yokogawa、ABB和Emerson的气体色谱仪。
控制器60被配置成监视来自冷冻器20的出口、第一隔膜入口42、第二隔膜入口52的天然气的样本以及来自产品流出口44、46、48、54、56、58中的每一者的样本的组份，以确定天然气供应馈送70的提纯。在各种实施例中，控制器60是可编程逻辑控制器(PLC)。在进一步实施例中，控制器60是微处理器。控制器60可以是从每一气体色谱仪接收数据的独立单元，或者可以集成到气体色谱仪中的至少一者中。
提供专用样本处置***以输送天然气样本用于分析。如先前指示，气体色谱***10与例如第一隔膜入口42、产品流出口44、46、48、54、56、58或冷冻器20的出口等取样点之间提供众多连接。取样点的总数目仅受气体色谱***10中的气体色谱仪的数目以及每一取样点的样本分析所需的频率的限制。在各种实施例中，提供至少9个取样点。在进一步实施例中，提供至少15个取样点。在又进一步实施例中，提供至少25个取样点。
由于每次在给定气体色谱仪上仅可分析单个样本，因此流体连接到气体色谱***10中的每一个别气体色谱仪的取样点的数目决定了可确定每一取样点处的天然气组份的频率。每一流的分析时间范围可从几分钟到超过一小时，且因此如果三个取样点连接到单个气体色谱仪，则在给定取样点处的取样与分析之间可能少到几分钟或者多达几小时。在各种实施例中，气体色谱***10中的一个或多个个别气体色谱仪各自连接到单个取样点，从而提供专用气体色谱仪。在进一步实施例中，气体色谱***10中的每一气体色谱仪连接到3个取样点。在又进一步实施例中，气体色谱***10中的每一气体色谱仪连接到5个取样点。在再进一步实施例中，每一取样点连接到气体色谱***10中的多个气体色谱仪，从而允许同时分析的特定样本改变。
取决于样本流的组份，每一取样点可能含有从两种到二十种或更多成分。这些成分大部分是碳氢化合物、氮气以及酸性气体，例如硫化氢和二氧化碳。
除了碳氢化合物、酸性气体和氮气，样本还可能含有水分。在各种实施例中，控制器60分析样本流中存在的所有成分，水分含量除外。在进一步实施例中，控制器60分析样本流中存在的所有成分加上在大气压或操作温度下以气相存在的任何水。
至少一个上游气体色谱仪12和至少两个下游气体色谱仪14、16被配置成同时操作。具体来说，至少一个上游气体色谱仪12和至少两个下游气体色谱仪14、16中的每一者同时分析不同样本。气体色谱***10中的气体色谱仪中的每一者的同时操作另外允许分析所述至少两个气体提纯隔膜30中的单个一者的有效性，而没有关于实际分析所需的时间的问题。举例来说，至少一个上游气体色谱仪12分析来自第一隔膜入口42的样本，第一下游气体色谱仪14分析来自提供经提纯天然气的第一分割的产品流出口44的样本，且第二下游气体色谱仪16分析来自提供经提纯天然气的最终分割的产品流出口48的样本，这全部同时提供第一隔膜40的有效性的实时分析。相反，在没有气体色谱***10中的气体色谱仪的同时操作的情况下，从来自第一隔膜入口42的样本、来自提供经提纯天然气的第一分割的产品流出口44的样本以及来自提供经提纯天然气的最终分割的产品流出口48的样本收集的组份日期将不一定在时间上类似，且因此当分析第一隔膜40的有效性时不能考虑来自第一隔膜入口42的样本中的波动。
另外，至少一个上游气体色谱仪12和至少两个下游气体色谱仪14、16由单个校准气体馈送进行校准。单个校准气体馈送的含量是基于将由集成气体色谱***分析的成分的数目。具体来说，配制校准气体以近似匹配于待分析的天然气流的组份。在特定实施例中，校准气体的基本成分是氮气。校准气体中的氮气是有益的，因为通过减少天然气中存在的氮气量来执行天然气的提纯。在进一步实施例中，以另一惰性气体作为基本成分来制备校准气体。
汽缸或合格校准气体的其它通常已知的器皿可从专门提供合格校准气体混合物的厂商购买。在各种实施例中，例如汽缸等合格气体器皿是从两个不同厂商购买。使用从一个厂商接收的校准气体混合物校准气体色谱***10中的气体色谱仪中的每一者，且随后利用来自第二厂商的校准气体检验气体色谱仪中的每一者的所接受校准作为验证过程。在进一步实施例中，使用从单个厂商接收的校准气体混合物校准气体色谱***10中的气体色谱仪中的每一者而没有单独的验证。
单个校准气体提供气体色谱***10中的个别气体色谱仪之间的较精确测量。具体来说，以由相同组份组成的校准气体校准每一气体色谱仪为每一气体色谱仪提供了相同的校准。当利用具有不同组份的校准气体时，气体色谱仪的传感器的校准中的稍微变化会提供不同结果。举例来说，具有乙烷或丙烷的较高摩尔％的校准气体可能提供与氮气或二氧化碳较高的校准气体稍微不同的校准。这是另外为何希望校准气体近似表示天然气的实际组份的原因。
提供单个加热炉90或串联的一组加热炉以加热用于至少一个上游气体色谱仪12和至少两个下游气体色谱仪14、16的天然气样本。加热炉中可含有气体色谱仪的柱，其温度受到精确控制。样本通过柱的速率与柱的温度成正比。柱温度越高，样本移动通过柱越快。然而，样本移动通过柱越快，其与柱的固定相相互作用越少，且分离的分析物越少。因此，容纳用于气体色谱***10的所有气体色谱仪的柱的单个加热炉90提供样本通过柱的一致速率，无论使用的特定气体色谱仪如何。无论使用的特定气体色谱仪如何都实现样本通过柱的一致速率是因为各种气体色谱仪中的每一者的柱全部被同一个炉加热到相同温度。消除了恒温器中的可变性或者多个炉之间的热产生容量。样本通过柱的一致速率是合意的，因为这减少了个别气体色谱仪之间的变化，从而允许直接比较来自至少一个上游气体色谱仪12、第一下游气体色谱仪14以及第二下游气体色谱仪16的分析物。
在各种实施例中，被放置成提供第一隔膜40的经提纯天然气的第一分割的产品流出口44以及被放置成提供第二隔膜50的经提纯天然气的第一分割的产品流出口54流体连接到第一下游气体色谱仪14。
此外，在各种实施例中，被放置成提供第一隔膜40的经提纯天然气的第二分割的产品流出口46流体连接到第一下游气体色谱仪14，且被放置成提供第二隔膜50的经提纯天然气的第二分割的产品流出口56流体连接到第二下游气体色谱仪16。
在又进一步实施例中，被放置成提供第一隔膜40的经提纯天然气的第三分割的产品流出口48以及被放置成提供第二隔膜50的经提纯天然气的第三分割的产品流出口58流体连接到第二下游气体色谱仪16。
虽然在各种实施例中提供特定取样点到至少一个上游气体色谱仪12、第一下游气体色谱仪14和第二下游气体色谱仪16中的每一者的详细连接，但将取样点连接到所提供特定布置中的气体色谱仪不是必要的。同样有可能且设想使用气体色谱***10中的任何可用气体色谱仪分析来自取样点的样本。
在各种实施例中，控制器60耦合到流量调节器80以可控地调整天然气供应馈送70提供到冷冻器20的速率。流量调节器的非限制性实例包含可调整的阀和泵。通过冷冻器20的流率决定了天然气流过气体提纯隔膜30有多快。气体通过冷冻器20，然后进入气体提纯隔膜30以用于所需的分离。流量需要调节，因为气体提纯隔膜30的效率取决于传入天然气的流率和压力。隔膜的效率取决于传入气体流的温度。调节流量以维持气体的温度，且还从天然气流移除重物质以使得重物质不会冷凝。
在各种实施例中，控制器60耦合到冷冻器20以调整冷冻器20的操作温度。在优选实施例中，冷冻器20操作的范围在85与100°F之间。冷冻器20的降低的操作温度允许气体冷却到较低温度，这又增加了气体提纯隔膜30的效率，从而得到天然气的所需一种或多种分割的较好比率。
在进一步实施例中，控制器60耦合到图形显示器，所述图形显示器被配置成提供由气体色谱***10输出的过程操作参数。过程操作参数的非限制性实例包含每一气体色谱仪的状态、进行中的分析的剩余时间，以及样本分析的结果。另外，样本分析的结果可例如提供作为一个轨迹，其示出每一样本组成作为水平基线上的‘峰’(色谱)或作为组成的列表，其中色谱的峰已经通过软件包来识别。图形显示器的非限制性实例包含LCD显示器、LED显示器、CRT显示器和等离子显示器。图形显示器可例如为能够显示图像的全色显示器、能够显示图像的灰阶显示器、能够显示图像的单色显示器，或一系列指示灯/LED/信标。
图形显示器将信息提供到人类操作者。在各种实施例中，信息用于信息化或监视目的，且控制器60自动调整***参数以优化天然气提纯操作。在进一步实施例中，由图形显示器提供的信息由人类操作者使用以手动地调整***参数，以例如优化天然气提纯操作。
再次参见图1，控制器60可以包括处理器，以及至少一个图形显示器作为以通信方式耦合到所述处理器的操作者接口。本领域的普通技术人员熟悉的各种硬件预期用于所述处理器中，例如且不限于输入/输出模块、可编程逻辑控制器、天线、电力供应器等。如下文描述，下文实施例中描述的许多决策制定和控制特征是由可编程逻辑控制器执行。也就是说，可编程逻辑控制器的替代方案也是预期的，例如微处理器控制器单元。如图1的实施例中所示，控制器60可以从至少一个上游气体色谱仪12和至少两个下游气体色谱仪14、16接收数据。基于这些数据读数，控制器60以指令编程以经由流量调节器80、冷冻器20的操作和/或第一隔膜40和第二隔膜50的操作而自动调整例如从天然气供应馈送70的入口流率，包含从第一隔膜40的经提纯产品流出口44、46、48以及第二隔膜50的经提纯产品流出口54、56、58的流率。
由控制器60提供的信息以及由气体色谱***10输出的过程操作参数的图形用户界面允许调整***参数以如上详述自动地或者在来自操作者的输入后改进或优化天然气提纯操作。举例来说，如果重烃的水平在第一隔膜入口42和第二隔膜入口52处太高，那么冷冻器20中的温度和/或通过冷冻器20的天然气供应馈送70的流率可以由控制器60自动减小以允许额外的重烃移除。另外，如果氮气的水平在第一隔膜40的经提纯天然气的第一分割和/或第二隔膜50的经提纯天然气的第一分割中太高，那么第一隔膜40和/或第二隔膜50可能经过其有用寿命并需要更换。替代地，第一隔膜40和/或第二隔膜50可能具有用于正处理的天然气供应馈送70的不合意的分离参数，从而必须用具有较合意的分离参数的替代隔膜进行更换。大体上，当在低温下传入天然气的压力存在较高差异时，气体提纯隔膜30的效率增加。如果氮气含量太高，那么在天然气供应馈送70的原天然气中，在通过冷冻器20下降温度的同时增加气体的馈送压力。在低甲烷的情况下，气体提纯隔膜30的隔膜材料的组份改变。
完整的***可被配置成分析天然气样本中存在的所有成分作为一个报告，或者其可划分为两个或更多个部分，使得气体的某些元素在一个分析报告中报告，且其它元素在第二、第三或后续分析报告中报告。
至少两个气体提纯隔膜30根据通过隔膜表面的选择性渗透的原理而工作。至少两个气体提纯隔膜30被退出冷冻器20的天然气混合物加压。来自天然气供应馈送70的天然气成分通过至少两个气体提纯隔膜30的纤维的内侧和外侧上的压力和浓度的差异而分离。在来自天然气供应馈送70的天然气的组份分离以形成经提纯天然气流期间，二氧化碳、硫化氢、C1、C2、C3、C4、C5和水蒸气具有强趋势渗透通过隔膜，而氮气在隔膜内被抑制而无法作为富含氮气的流通过隔膜。在各种实施例中，第一隔膜40和第二隔膜50在材料和构造方面是相同或类似的，且被配置成从天然气供应馈送70选择性移除大体上相同的组份。在进一步实施例中，第一隔膜40和第二隔膜50在材料和/或构造方面大体上不类似，且使得它们被配置成从天然气供应馈送70选择性移除不同组份和/或从天然气供应馈送70更有效地移除不同组份。在各种实施例中，第一隔膜40和第二隔膜50的构造材料可以是任何人造聚合物，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚硅酮、聚酰亚胺或这些聚合物的组合。大多数气体提纯隔膜30涂覆有第二聚合物溶液的额外薄层以使其特定用于基于应用而实现某些分离水平。聚合物薄片包裹在多孔钢管上，形成隔膜的多层，以基于每一气体的渗透率/溶解度实现气体彼此的所需分离。
当选择至少两个气体提纯隔膜30时应当考虑以下因素：1.天然气供应馈送70的组份；2.所需的经提纯天然气组份；3.天然气供应馈送70的压力；以及4.气体在进入至少两个气体提纯隔膜30之前的温度。这些因素取决于隔膜的种类以及由至少两个气体提纯隔膜30实现的所需分离。
在操作中，如图1中所示，天然气提纯***100在天然气提纯程序之前和之后都分析天然气供应馈送70以确定至少两个气体提纯隔膜30的有效性。具体来说，天然气供应馈送70提供未经处理天然气通过冷冻器20以产生不含液体的天然气24。如先前指示，通过冷冻器20从未经处理的天然气移除了重烃以及液体。退出冷冻器20的不含液体的天然气24随后输送到至少两个气体提纯隔膜30。天然气通过至少两个气体提纯隔膜30产生来自第一隔膜40的经提纯产品流出口44、46、48以及第二隔膜50的经提纯产品流出口54、56、58的至少经提纯天然气的第一分割、经提纯天然气的第二分割，以及经提纯天然气的第三分割。
此外，天然气的样本传递到气体色谱***用于分析。具体来说，退出冷冻器20的天然气的样本、在第一隔膜入口42处进入第一隔膜40的天然气的样本以及在第二隔膜入口52处进入第二隔膜50的天然气的样本输送到至少一个上游气体色谱仪12。另外，退出经提纯产品流出口44、46、48、54、56、58中的每一者的经提纯天然气的样本输送到至少两个下游气体色谱仪14、16。在进一步实施例中，进入冷冻器20的天然气的样本、在第一隔膜入口42处进入第一隔膜40的天然气的样本以及在第二隔膜入口52处进入第二隔膜50的天然气的样本输送到至少一个上游气体色谱仪12。
在接收到天然气样本后，至少一个上游气体色谱仪12和至少两个下游气体色谱仪14、16同时分析天然气样本的组份。举例来说，至少一个上游气体色谱仪12可以分析从第二隔膜入口52提供的天然气样本的组份，第一下游气体色谱仪14可以同时分析来自被放置成提供第一隔膜40的经提纯天然气的第一分割的产品流出口44的天然气样本的组份，且第二下游气体色谱仪16也可以同时分析来自被放置成提供第二隔膜50的经提纯天然气的最终分割的产品流出口58的天然气样本的组份。本领域的技术人员基于气体色谱***10与例如至少两个气体提纯隔膜30和冷冻器20等样本源之间的流体连接的本文具体公开将知晓其它样本组合。
实例
为了以上实施例中的一者或多者的说明，下文已提供示例性***。在此示例性***中，提供未经处理天然气和经提纯天然气流的各种成分的摩尔％。具体来说，通过至少一个上游气体色谱仪12、第一下游气体色谱仪14以及第二下游气体色谱仪16中的每一者监视十一种不同成分以提供天然气提纯过程的概要。下文在表1中提供具体数据。
本领域的技术人员应了解，在不脱离所要求标的物的精神和范围的情况下可以对本文描述的实施例做出各种修改和变化。因此希望说明书涵盖本文描述的各种实施例的修改和变化，前提是这些修改和变化属于所附权利要求书及其等效物的范围内。

Claims (17)

1.一种用于分析天然气的气体色谱方法，其包括：
将所述天然气输送通过冷冻器；
将所述天然气从所述冷冻器输送到至少两个气体提纯隔膜，所述至少两个气体提纯隔膜各自包括至少三个经提纯产品流出口，所述至少三个经提纯产品流出口被放置成分别提供经提纯天然气的第一分割、经提纯天然气的第二分割以及经提纯天然气的第三分割；
操作气体色谱***，所述气体色谱***包括至少一个上游气体色谱仪和至少两个下游气体色谱仪，所述至少两个下游气体色谱仪包括第一下游气体色谱仪和第二下游气体色谱仪，其中
所述至少一个上游气体色谱仪、所述第一下游气体色谱仪以及所述第二下游气体色谱仪全部同时操作，
所述至少一个上游气体色谱仪、所述第一下游气体色谱仪以及所述第二下游气体色谱仪全部使用同一校准馈送进行校准，且
所述至少一个上游气体色谱仪、所述第一下游气体色谱仪以及所述第二下游气体色谱仪全部利用同一加热炉来加热天然气的样本；
将天然气样本输送到所述气体色谱***，其中
将退出所述冷冻器的所述天然气的样本、进入所述至少两个气体提纯隔膜中的第一隔膜的所述天然气的样本以及进入所述至少两个气体提纯隔膜中的第二隔膜的所述天然气的样本输送到所述至少一个上游气体色谱仪，且
将退出所述经提纯产品流出口中的每一者的所述经提纯天然气的样本输送到所述至少两个下游气体色谱仪；以及
以控制器监视退出所述冷冻器的所述天然气的所述样本、进入所述至少两个气体提纯隔膜中的第一隔膜的所述天然气的所述样本、进入所述至少两个气体提纯隔膜中的第二隔膜的所述天然气的所述样本以及退出所述产品流出口中的每一者的所述经提纯天然气的所述样本的组份，以确定所述天然气的提纯。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将退出被放置成提供经提纯天然气的所述第一分割的所述产品流出口的所述经提纯天然气的所述样本输送到所述第一下游气体色谱仪。
3.根据权利要求1所述的方法，其中将退出被放置成提供来自所述第一隔膜的经提纯天然气的所述第二分割的所述产品流出口的所述经提纯天然气的所述样本输送到所述第一下游气体色谱仪，且将退出被放置成提供来自所述第二隔膜的经提纯天然气的所述第二分割的所述产品流出口的所述经提纯天然气的所述样本输送到所述第二下游气体色谱仪。
4.根据权利要求1所述的方法，其中将退出被放置成提供经提纯天然气的所述第三分割的所述产品流出口的所述经提纯天然气的所述样本输送到所述第二下游气体色谱仪。
5.一种用于分析天然气的气体色谱方法，其包括：
将所述天然气输送通过冷冻器；
将所述天然气从所述冷冻器输送到至少两个气体提纯隔膜，所述至少两个气体提纯隔膜各自包括至少三个经提纯产品流出口，所述至少三个经提纯产品流出口被放置成分别提供经提纯天然气的第一分割、经提纯天然气的第二分割以及经提纯天然气的第三分割；
操作气体色谱***，所述气体色谱***包括至少一个上游气体色谱仪和至少两个下游气体色谱仪，所述至少两个下游气体色谱仪包括第一下游气体色谱仪和第二下游气体色谱仪，其中
所述至少一个上游气体色谱仪、所述第一下游气体色谱仪以及所述第二下游气体色谱仪全部同时操作，
所述至少一个上游气体色谱仪、所述第一下游气体色谱仪以及所述第二下游气体色谱仪全部使用同一校准馈送进行校准，且
所述至少一个上游气体色谱仪、所述第一下游气体色谱仪以及所述第二下游气体色谱仪全部利用同一加热炉来加热天然气的样本；
将天然气样本输送到所述气体色谱***，其中
将进入所述冷冻器的所述天然气的样本、进入所述至少两个气体提纯隔膜中的第一隔膜的所述天然气的样本以及进入所述至少两个气体提纯隔膜中的第二隔膜的所述天然气的样本输送到所述至少一个上游气体色谱仪，且
将退出所述经提纯产品流出口中的每一者的所述经提纯天然气的样本输送到所述至少两个下游气体色谱仪；以及
以控制器监视进入所述冷冻器的所述天然气的所述样本、进入所述至少两个气体提纯隔膜中的第一隔膜的所述天然气的所述样本、进入所述至少两个气体提纯隔膜中的第二隔膜的所述天然气的所述样本以及退出所述产品流出口中的每一者的所述经提纯天然气的所述样本的组份，以确定所述天然气的提纯。
6.根据权利要求5所述的方法，其中将退出被放置成提供经提纯天然气的所述第一分割的所述产品流出口的所述经提纯天然气的所述样本输送到所述第一下游气体色谱仪。
7.根据权利要求5所述的方法，其中将退出被放置成提供来自所述第一隔膜的经提纯天然气的所述第二分割的所述产品流出口的所述经提纯天然气的所述样本输送到所述第一下游气体色谱仪，且将退出被放置成提供来自所述第二隔膜的经提纯天然气的所述第二分割的所述产品流出口的所述经提纯天然气的所述样本输送到所述第二下游气体色谱仪。
8.根据权利要求5所述的方法，其中将退出被放置成提供经提纯天然气的所述第三分割的所述产品流出口的所述经提纯天然气的所述样本输送到所述第二下游气体色谱仪。
9.一种天然气提纯***，其包括气体色谱***、冷冻器、至少两个气体提纯隔膜以及控制器，其中：
所述气体色谱***包括至少一个上游气体色谱仪和至少两个下游气体色谱仪，所述至少两个下游气体色谱仪包括第一下游气体色谱仪和第二下游气体色谱仪；
所述冷冻器被配置成从天然气供应馈送移除重烃，且流体连接到所述至少两个气体提纯隔膜；
所述至少两个气体提纯隔膜被配置成选择性允许某些气体渗透以从所述天然气移除杂质，且各自包括入口和至少三个产品流出口，所述至少三个产品流出口被放置成分别提供经提纯天然气的第一分割、经提纯天然气的第二分割以及经提纯天然气的第三分割；
所述至少一个上游气体色谱仪流体连接到所述冷冻器的出口、所述至少两个气体提纯隔膜中的第一隔膜的所述入口以及所述至少两个气体提纯隔膜中的第二隔膜的所述入口以用于将样本输送到所述至少一个上游气体色谱仪；
所述产品流出口中的每一者流体连接到所述至少两个下游气体色谱仪中的至少一者以用于将样本输送到所述至少两个下游气体色谱仪；
所述控制器被配置成监视来自所述冷冻器的所述出口、所述至少两个气体提纯隔膜中的所述第一隔膜的所述入口、所述至少两个气体提纯隔膜中的所述第二隔膜的所述入口的所述天然气的所述样本以及来自所述产品流出口中的每一者的所述样本的组份，以确定所述天然气的提纯；且
所述至少一个上游气体色谱仪和所述至少两个下游气体色谱仪被配置成同时操作，由单个校准气体馈送进行校准，且提供单个加热炉或串联的一组加热炉以加热用于所述至少一个上游气体色谱仪和所述至少两个下游气体色谱仪的天然气样本。
10.根据权利要求9所述的天然气提纯***，其中所述重烃是C7或更高。
11.根据权利要求9所述的天然气提纯***，其中被放置成提供所述第一隔膜的经提纯天然气的所述第一分割的所述产品流出口以及被放置成提供所述第二隔膜的经提纯天然气的所述第一分割的所述产品流出口流体连接到所述第一下游气体色谱仪。
12.根据权利要求9所述的天然气提纯***，其中被放置成提供所述第一隔膜的经提纯天然气的所述第二分割的所述产品流出口流体连接到所述第一下游气体色谱仪，且被放置成提供所述第二隔膜的经提纯天然气的所述第二分割的所述产品流出口流体连接到所述第二下游气体色谱仪。
13.根据权利要求9所述的天然气提纯***，其中被放置成提供所述第一隔膜的经提纯天然气的所述第三分割的所述产品流出口以及被放置成提供所述第二隔膜的经提纯天然气的所述第三分割的所述产品流出口流体连接到所述第二下游气体色谱仪。
14.根据权利要求9所述的天然气提纯***，其中所述控制器耦合到流量调节器，所述流量调节器被配置成可控地调整所述天然气供应馈送提供到所述冷冻器的速率。
15.根据权利要求9所述的天然气提纯***，其中所述控制器耦合到所述冷冻器以调整所述冷冻器的操作温度。
16.根据权利要求9所述的天然气提纯***，其中所述控制器耦合到图形显示器，所述图形显示器被配置成提供由所述气体色谱***输出的过程操作参数。
17.根据权利要求9所述的天然气提纯***，其中所述两个气体提纯隔膜被配置成从所述天然气供应馈送选择性移除氮气和酸性气体。
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