TWI541481B - 烴氣處理方法及設備 - Google Patents

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Description

烴氣處理方法及設備
本發明與含有烴(碳氫化合物，hydrocarbons)和二氧化碳之氣體的分離方法及設備有關。申請人基於35 U.S.C.美國專利法第119(e)條主張於2009年6月11日所申請之先前美國臨時申請案號61/186,361的權利。申請人同時基於35 U.S.C.美國專利法第120條主張於2010年5月17日申請之美國連續案第12/781,259號、於2010年5月3日申請之美國連續案第12/772,472號、於2010年3月31日申請之美國連續案第12/750,862號、於2010年3月4日申請之美國連續案第12/717,394號、於2010年1月19日申請之美國連續案第12/689,616號、以及於2009年2月17日申請之美國連續案第12/372,604號之權利。受讓人S.M.E. Products LP and Ortloff Engineer,Ltd.係一共同研究合約中的一方，該合約之生效係早於發明申請之提出。
烴氣係被發現於從其他碳氫化合物材料(例如煤、天然石油、石腦油、油頁岩、焦油砂與褐煤)所得之多種氣體中，例如天然氣、精鍊氣體與合成氣體流。天然氣中的烴氣成分通常具有大部分比例之甲烷與乙烷，亦即甲烷與乙烷一起包含了至少50莫耳百分率的總烴氣組成。氣體也通常含有相對較低量的較重碳氫化合物，例如丙烷、丁烷、戊烷等、以及二氧化碳、氫、氮與其他氣體。
在許多情形中，來自這些來源的氣體流係受高濃度之二氧化碳所污染，導至這些氣體流無法作為燃料、化學廠原料或其他用途使用。已發展出利用化學性、物理性及混合性溶劑移除二氧化碳之各種方法。也已發展出使用由重(一般是C4-C10)碳氫化合物組成之冷凍吸收劑流來移除蒸餾塔中之二氧化碳的其他方法，例如在美國專利號4,318,723中所描述之方法。這些方法都隨氣體流中二氧化碳濃度的增加而具有逐漸增加之高資金成本與運作成本，而使這些氣體流的處理變得不具經濟效益。
一種提升高濃度二氧化碳之氣體流處理之經濟效益的方法為，在以溶劑或吸收劑進行處理之前避免二氧化碳自氣體流中大量分離，因而後續只有較次要比例的二氧化碳必須自氣體流中移除。舉例而言，通常使用半透膜來大量移除二氧化碳；然而，在氣體流中明顯比例之較輕碳氫化合物則通常會損失於以此類大量移除程序所分離之二氧化碳流中。
一種大量移除二氧化碳之較佳替代方式為，利用蒸餾將氣體流分餾為輕質碳氫化合物流與二氧化碳流，因此從輕質碳氫化合物中移除殘餘二氧化碳即為產生供燃料、化學廠原料等所用之符合管線品質氣體所需。經移除之大部分二氧化碳係以液體方式回收、而非蒸氣方式，其使二氧化碳可被泵送(而非壓縮)而後續作為三級油料回收運作或其他用途之用，其可降低資金成本與運作成本。
本發明所關切者在於自這些氣體流中移除大部分的二氧化碳。根據本發明之待處理氣體流的典型分析為含約31.0%甲烷、0.4%乙烷與其他C2成分、0.1%丙烷與其他C3成分、0.1%丁烷(以上)、以及67.7%之二氧化碳(以莫耳百分率計之)，並含平衡之氮量。有時候也會存在含硫氣體。
在一般用於移除二氧化碳之蒸餾程序中，在壓力下之一進料氣體流係經與其他處理流及/或外部冷媒來源(例如氟氯昂壓縮冷媒系統)進行熱交換而冷卻，氣體在經冷卻時凝結，且高壓液體係膨脹至一中等壓力，使流體因液體膨脹期間發生之蒸氣化而進一步冷卻。包含液體與蒸氣混合物之膨脹流係於一蒸餾塔中分餾，以自二氧化碳中分離出殘餘之甲烷、氮與其他揮發性氣體成為上部蒸氣、以及較重碳氫化合物成分作為底部液體產物。一部分的液體二氧化碳係快速膨脹至較低壓力，然後在需要時對處理流提供較低程度的冷卻。
本發明應用新穎裝置來更有效率地、且利用更少設備來執行上述各種步驟，其係藉由將個別設備項目結合為一共同殼體而行，以減少處理廠所需之平面空間及降低設備資金成本。令人驚奇的是，申請人已發現更緊密的配置方式來減少為達到一預定程度之二氧化碳移除所需要的電力消耗，藉以增加處理效率並降低設施運作成本。此外，更緊密的配置方式也消除了傳統廠房設計中用於內部連接個別設備項目之許多管線，進而降低了資金成本也消除了相關之凸緣式管線連接。由於管線凸緣是二氧化碳(溫室效應氣體)與碳氫化合物(揮發性有機化合物VOCs，其有助於溫室效應氣體、而且也是大氣層中臭氧形成的前驅物)之可能洩漏來源，消除這些凸緣即可減少會破壞環境之可能大氣排放。
根據本發明，已知可移除87%以上的二氧化碳、同時在殘餘氣體流中保留99%以上的甲烷。雖然本發明係應用於較低壓力與較溫暖的溫度，但其亦特別有利於在需要蒸餾塔頂部溫度為-50℉(即-46℃)或更冷之條件下處理400至1500psia(2758至10342kPa(a))以上之範圍的進氣。
為進一步瞭解本發明，請參照下述實例及所附圖式，其中：第1圖為習知技術中天然氣處理廠的流程圖；第2圖為根據本發明之天然氣處理廠的流程圖；第3圖與第4圖說明了本發明應用至天然氣體流的替代方式流程圖。
在上述說明與圖式中，提供各列表來歸納針對個別處理條件所計算之流量。在本文所提出的列表中，為求便利，流量(單位為莫耳/每小時)值係已取為最接近之整數。在表中所顯示的總流量(total stream rates)包含了非碳氫化合物成分，因此其一般係大於碳氫化合物成分之流量總和。溫度數值也取最接近之整數。應知為比較圖式中所述方法而行之方法設計計算係基於假設處與與周圍環境間並無熱洩漏。目前市面尚可取得之隔熱材料、以及該領域技術人士一般所能製得者的品質使得這項假設變為非常合理。
為求便利，係以傳統英制單位與公制單位(SI Units)兩者來呈現製程參數。表中所提出的莫耳流量係解釋為每小時磅-莫耳數或每小時公斤-莫耳數。能量消耗量係以馬力(HP)及/或每小時千英制熱量單位數(MBTU/Hr)來表示，其對應於以每小時磅-莫耳數來表示所提莫耳流量。以千瓦(kW)所表示之能量消耗量係對應於以每小時公斤-莫耳數來表示莫耳流量。
習知技術說明
第1圖為說明利用習知方法來移除天然氣中二氧化碳的處理廠設計之方法流程圖。在此方法之模擬中，進流氣體係以81℉(27℃)與1100psia(7653kPa(a))進入廠房作為進料流31。進料流一般係經脫水以避免低溫時水合物(冰)之形成。固體與液體乾燥劑皆可用於此目的。
進料流31係於熱交換器10中藉由與43℉(6℃)之柱體中再沸器液體(流體36)、30℉(-1℃)之柱側再沸器液體(流體35)與氟氯昂(Freon)R134a冷媒進行熱交換而冷卻至1℉(-17℃)。流體31a係藉由與-49℉(-45℃)之冷二氧化碳蒸氣(流體39)、-60℉(-51℃)之冷殘餘氣體(流體33)以及-61℉(-51℃)之泵送液體(流體34a)進行熱交換而於熱交換器11中進一步冷卻。經進一步冷卻之流體31b之溫度為-14℉(-25℃)、壓力為1060psia(7308kPa(a))，其係藉由膨脹閥12而膨脹至分餾塔13的操作壓力(約為617psia(即4254kPa(a)))，在於頂柱進料點處供應至分餾塔13前使流體31c冷卻至-35℉(-37℃)。
頂部蒸氣流32以-35℉(-37℃)離開分餾塔13，且於熱交換器14中進行冷卻並部分凝結。部分凝結之流體32a以-60℉(-51℃)、610psia(4206kPa(a))進入分離器15，在該處蒸氣(冷殘餘氣體流33)係自凝結液體(流體34)分離。在流體34a進入熱交換器11之前，液體流34係由幫浦19加壓至稍微高於分餾塔13之操作壓力，並藉由與前述進氣間之熱交換而被加熱至-6℉(-21℃)且部分汽化(vaporized)。之後，部分汽化之流體34b係供應至分餾塔作為中柱進料點之進料。
分餾塔13係一傳統蒸餾塔，其含有複數個垂直分隔匣體、一或多個填充床、或匣體與填充物之組合。其也包含再沸器(例如前述之再沸器與側部再沸器)，用於對向下流至柱體之一部分液體進行加熱及使其汽化，以提供上流於柱體之氣提蒸氣以氣提甲烷與較輕質成分之柱體底部液體產物(流體37)。匣體及/或填充物提供了氣提蒸氣向上升起與冷卻液體向下掉落之間的必要接觸，使得底部產物流37以45℉(7℃)之溫度離開塔底部，基於降低塔底部產物中的甲烷莫耳濃度至0.50%。
柱體底部產物流37主要是液體二氧化碳；小部分(流體38)係於熱交換器16中藉由冷卻殘餘氣體流33a而次冷卻。0℉(-18℃)之次冷卻液體(流體38a)係藉由膨脹閥20而膨脹至較低壓力並部分汽化，在進入熱交換器14前進一步使流體38b冷卻至-63℉(-53℃)。流體38b中的殘餘液體作為熱交換器14中的冷媒，以提供前述流體32之冷卻，使二氧化碳蒸氣以-49℉(-45℃)離開成為流體39。由於流體38b含有小量的較重質碳氫化合物，因而從熱交換器14淨除小量液體清洗(流體40)以避免較重質碳氫化合物在冷媒液體中累積，這會提高其沸點並降低熱交換器14的冷卻效率。
離開熱交換器14之冷二氧化碳蒸氣(流體39)係於熱交換器11中藉由與前述進氣之熱交換而加熱至-6℉(-21℃)。接著，壓力為76psia(524kPa(a))之暖二氧化碳蒸氣(流體39a)係於四個階段中藉由壓縮機21、23、25、27壓縮至高壓，並在每一個壓縮階段後由排放冷卻器22、24、26、28冷卻至120℉(49℃)。柱體底部產物流體37的剩餘部分(流體41)係藉由幫浦29加壓至高壓，使得流體41a可與離開排放冷卻器28的緻密相之流體(流體39i)結合而形成高壓二氧化碳流42，其接著流至以溫度79℉(26℃)、壓力2015psia(13893kPa(a))重新注入。
在與前述進氣進行熱交換之後，冷卻的殘餘氣體(流體33a)以-6℉(-21℃)之溫度離開熱交換器11，並在熱交換器16中藉由與前述液體二氧化碳流體38進行熱交換而進一步加熱至27℉(-3℃)。溫暖的殘餘氣體流33b接著由壓縮機17再次壓縮，並在流至以1215 psia(8377kPa(a))之壓力進行處理前，在排放冷卻器18中冷卻至120℉(49℃)。
第1圖所示方法的流體流量與能量消耗係列於下表：
第2圖說明根據本發明之方法流程圖。在第2圖所示方法中的進氣組成與條件係與第1圖所示者相同，因此，可比較第2圖與第1圖之方法以描述本發明之優勢。
在第2圖方法之模擬中，進氣氣體係以溫度81℉(27℃)、壓力1110 psia(7653kPa(a))進入廠中作為流體31，並進入處理組件113內之氣提(stripping)段113d的下部區域中的熱質量傳送裝置。此熱質量傳送裝置係由一鰭片與管狀熱交換器、一板狀熱交換器、一銅鋅合金焊接(brazed)之鋁熱交換器或其他類型之熱交換器裝置所組成，包括多通式及/或多服務式熱交換器。熱質量傳送裝置係配置以提供流體31與蒸餾液體流間之熱交換，其中流體31係流經熱質量傳送裝置之一通口、而蒸餾液體流係從處理組件113內之氣提段113d的上部區域中之熱傳裝置向下流動，使得加熱蒸餾液體流時流體31被冷卻；在離開熱質量傳送裝置之前，流體31a係冷卻至34℉(1℃)。當蒸餾液體流被加熱時，其一部分係汽化而形成氣提蒸氣，其於剩餘液體繼續向下流經熱質量傳送裝置時向上升。熱質量傳送裝置提供了氣提蒸氣與蒸餾液體流之間的連續接觸，因此其也作用已提供氣相與液相間之質量傳送，提取出含甲烷與較輕質成分之液體產物流37。
部分冷卻之流體31a進入處理組件113內之進料冷卻段113b中的熱交換裝置，此熱交換裝置同樣由一鰭片與管狀熱交換器、一板狀熱交換器、一銅鋅合金焊接(brazed)之鋁熱交換器或其他類型之熱交換器裝置所組成，包括多通式及/或多服務式熱交換器。熱交換裝置係用以提供流經熱交換裝置之一通口的流體31a、氟氯昂R134a冷媒流體、從處理組件113a內精餾段113c產生之殘餘氣體流、以及冷二氧化碳流體38c(於下文中進一步說明)之間的熱交換。流體31a係經進一步冷卻、同時加熱上述其他流體，在該處進一步冷卻之流體31b(溫度為-14℉(-25℃)、壓力為1076 psia(7419kPa(a)))係藉由膨脹閥12而膨脹至氣提段113d的操作壓力(約618 psia(4264kPa(a)))，在供應至氣提段113d上部區域中質量傳送裝置上方的處理組件113之前使流體31c冷卻至-35℉(-37℃)。
處理組件113內部的氣提段113d含有由複數個垂直分隔匣體、一或多個填充床、或匣體與填充物之部分組合所組成的質量傳送裝置。匣體及/或填充物提供了上升蒸氣與下降冷卻流體之間的必要接觸。膨脹流體31c的液體部分係與從精餾段113c下降的液體摻和，而結合之液體繼續向下流至氣提段113d上部區域中的質量傳送裝置。在氣提段113d下部區域中的熱質量傳送裝置所產生的氣提蒸氣會上升通過氣提段113d之上部區域中的質量傳送裝置，以部分提取出含甲烷與較輕質成分的結合液體，而剩餘的氣提蒸氣係離開質量傳送裝置並與膨脹流體31c的蒸氣部分結合，以形成繼續向上流至精餾段113c之蒸餾蒸氣流。離開氣提段113d上部區域之質量傳送裝置的部分氣提蒸餾液體係繼續向下流至氣提段113d下部區域之熱質量傳送裝置，以繼續自液體中提取甲烷與較輕質成分。所產生的液體產物(流體37)離開氣提段113d的下部區域，並以45℉(17℃)之溫度離開處理組件13，其基於降低底部產物中的甲烷濃度達0.50%之莫耳濃度。
柱體底部產物流體37主要是液體二氧化碳，一小部分(流體38)進入處理組件113內之冷媒次冷段113a中的熱交換裝置。此熱交換裝置同樣是由一鰭片與管狀熱交換器、一板狀熱交換器、一銅鋅合金焊接(brazed)之鋁熱交換器或其他類型之熱交換器裝置所組成，包括多通式及/或多服務式熱交換器。此熱交換裝置用以提供流體38與殘餘氣體流之間的熱交換，其中流體38流經該熱交換裝置之一通口、而殘餘氣體流係從處理組件113內之精餾段113c流出且已經在進料冷卻段113b中的熱交換裝置中加熱，因此流體38係經次冷卻，同時加熱殘餘氣體流。所產生之0℉(-18℃)次冷液體(流體38a)係藉由膨脹閥20而膨脹至較低壓力且部分汽化，在進入處理組件113內精餾段113c的熱質量傳送裝置前進一步使流體38b冷卻至-64℉(-54℃)。此熱交換裝置同樣由一鰭片與管狀熱交換器、一板狀熱交換器、一銅鋅合金焊接(brazed)之鋁熱交換器或其他類型之熱交換器裝置所組成，包括多通式及/或多服務式熱交換器。熱質量傳送裝置係用於提供氣提段113d所產生之蒸餾蒸氣流與膨脹流38b之間的熱交換，其中蒸餾蒸氣流係向上流經熱質量傳送裝置之一通口、而蒸餾蒸氣流係向下流動，因此蒸餾蒸氣流會被冷卻、同時加熱膨脹流。當蒸餾蒸氣流被冷卻時，其一部分會凝結並向下掉落，同時剩餘的蒸餾蒸氣會繼續向上流動通過熱質量傳送裝置。熱質量傳送裝置提供了凝結液體與蒸餾蒸氣之間的連續接觸，因此其同時作用以提供氣相與液相間之質量傳送，藉以提供蒸餾蒸氣之精餾。自熱質量傳送裝置底部收集凝結液體，其與膨脹流體31c的液體部分結合，且被引導至前述氣提段113d之上部區域中的質量傳送裝置。流體38b中的殘餘液體係作為熱質量傳送裝置中的冷媒使用，以提供蒸餾蒸氣流之冷卻與精餾，所產生之大部分為汽化的二氧化碳係以-48℉(-44℃)之溫度離開經餾段113c中的熱質量傳送裝置而成為流體38c。
來自處理組件113內精餾段113c之熱質量傳送道裝置的冷二氧化碳(流體38c)係於處理組件113內的進料冷卻段113b中的熱交換裝置中、藉由與前述進氣之熱交換而加熱至-10℉(-23℃)。接著，壓力為76psia(527kPa(a))之暖二氧化碳蒸氣(流體38d)係於四個階段中藉由壓縮機21、23、25、27壓縮至高壓，並在每一個壓縮階段後由排放冷卻器22、24、26、28冷卻至120℉(49℃)。柱體底部產物流體37的剩餘部分(流體41)係藉由幫浦29加壓至高壓，使得流體41a可與離開排放冷卻器28的緻密相之流體(流體381)結合而形成高壓二氧化碳流42，其接著以溫度78℉(26℃)、壓力2015psia(13893kPa(a))重新注入。
精餾段113c所產生的蒸氣為殘餘氣體，其於進料冷卻段113b中被加熱、同時對進氣提供冷卻，如前述所說明者。殘餘氣體流係於冷媒次冷段113a中進一步加熱，其同時對流體38提供冷卻，如前述說明者；殘餘氣體流33係於該處離開處理組件113，其溫度為20℉(-7℃)。殘餘氣體流接著由壓縮機17再次壓縮，並在流至以1215 psia(8377kPa(a))之壓力進行處理前，在排放冷卻器18中冷卻至120℉(49℃)。
第2圖所示方法的流體流量與能量消耗係列於下表：
比較表I與表II可知，相較於習知技術，本發明基本上保持了相同的甲烷回收率(99.03%，習知技術為99.04%)、二氧化碳去除率(87.36%，習知技術為87.37%)、二氧化碳在殘餘氣體中之濃度(21.37%，習知技術為21.37%)、以及二氧化碳純度(98.69%，習知技術為98.70%)；然而，進一步比較表I與表II可知本發明以較習知技術更低的功率來達成相同的程序效能。就總功率消耗量而言，本發明較第1圖之習知方法呈現出0.4%之改善。
相較於第1圖之習知技術，本發明所提供之能量效率的提升基本上係源自三個原因。第一，在處理組件113內冷媒次冷段113a與進料冷卻段113b中的熱交換裝置之緊密配置消除了傳統處理廠中互相連接之管線間所產生的壓力降；其結果為，本發明之殘餘氣體係以比習知技術者高的壓力流至壓縮機17，因而減少本發明中為使殘餘氣體恢復至後續處理所需壓力而需要的功率。
第二，本發明係利用氣提段113d下部區域中的熱質量傳送裝置來同時加熱離開氣提段113d上部區域中之質量傳送裝置的蒸餾液體、同時使所產生的蒸氣與液體接觸並提取出其揮發性成分，其較利用具外部再沸器之傳統蒸餾塔更有效率。揮發性成分係連續自液體中提取出來，其更快速地降低氣提蒸氣中的揮發性成分濃度，藉以提昇本發明之氣提效率。
第三，本發明係利用精餾段113c中的熱質量傳送裝置來同時冷卻氣提段113d產生的蒸餾蒸氣流、同時使蒸餾蒸氣流中的二氧化碳與較重質碳氫化合物成分凝結，其提供了比利用傳統蒸餾柱中回流的方式更有效率的精餾；因此，相較於第1圖之習知方法而言，其為對程序提供低程度冷卻所需之底部產物流37中的液體二氧化碳較少，這使得有更多的二氧化碳可以被加壓(而非壓縮)至高壓力，減少了傳送二氧化碳以再次注入所需之功率(由於加壓液體比壓縮氣體之固有功率優勢之故)。
除了增加處理效率外，本發明另提供了兩個優於習知技術之優勢。第一，本發明之處理組件113的緊密配置將習知技術中七個獨立的設備項目(第1圖中所示之熱交換器10、11、14和16，分離器15，幫浦19，以及分餾塔13)取代為單一設備項目(第2圖中的處理組件113)；此減少了廠房空間需求、消除了內部連接之管線、並消除了回流幫浦所消耗的功率、減少使用本發明之處理廠的資金成本與操作成本。第二，消除內部連接管現代表利用本發明之處理廠具有遠少於習知技術者之凸緣連接，減少了廠房中的可能洩漏來源。碳氫化合物是揮發性有機化合物(VOCs)，其一部分係歸類為溫室氣體，且一部分為大氣層中臭氧形成之前驅物。由於二氧化碳也是溫室氣體，本發明明顯降低了可破壞環境之大氣排放的可能性。
其他實施例
如先前於第2圖中所說明之本發明實施例，進料流體31係於其於氣提段113d的熱質量傳送裝置中以及進料冷卻段113b的熱交換裝置中冷卻時整體凝結，而所產生的液體流體31b係接著由膨脹閥12膨脹至處理組件113內之氣提段113d的操作壓力。然而，本發明並不限於此實施例，根據進氣中的較重質碳氫化合物的量與進氣壓力，第2圖中之膨脹閥12所膨脹之冷卻進料流體31b可能不含任何液體(因為其高於其露點(dewpoint)，或因其高於其臨界凝析壓力(cricondenbar))。有些情況係利於進料氣體之部分凝結、分離為個別氣相與液相、然後分別膨脹氣相與液相。第3圖中說明了此一實施例，其中處理組件113包含分離段113e以將部分凝結之進氣(流體31b)分離為蒸氣流43與液體流44(分離段113e具有一內部頭件或其他裝置以與氣提段113d區分，因此在處理組件113內的這兩個區段是以不同壓力操作)。蒸氣流43進入功膨脹設備50，其中當蒸氣實質上等熵膨脹為精餾段113c的操作壓力時，即可從此部分之高壓進料提取其機械能，同時膨脹流體43a係供應至精餾段113c中熱質量傳送裝置下方的處理組件113。通常係利用回收的功來驅動離心壓縮機(例如元件符號51)，其用以再次壓縮如殘餘氣體流(流體33)。在將膨脹流體44a供應至氣提段113d上部區域中質量傳送裝置上方的處理組件113前，液體流44係藉由膨脹閥12而膨脹至氣提段113d的操作壓力。在某些情況下，在精餾段113c中、膨脹流體43a進入精餾段113c的點下方包含一質量傳送裝置是有利的。
在部分情況下，利用一外部分離導管來分離冷卻進料流體31b、而不是在處理組件113中包含分離段113e是有利的。如第4圖所示，分離器52可用以將冷卻進料流31b分離為蒸氣流43與液體流44。
進氣條件、廠房大小、可用設備或其他因子都指示可消除功膨脹設備50、或以一替代膨脹裝置(例如膨脹閥)來加以取代，其於第3圖與第4圖之實施例中都可彈性配置。雖然個別之流體膨脹係以特定膨脹裝置加以說明，然也可使用適當的替代膨脹裝置。舉例而言，條件可能容許第2圖中冷卻進料流體31b或第3圖與第4圖中液體流44之功膨脹。
根據本發明，可使用蒸餾蒸氣與液體流以外的外部冷卻來補充對進氣之冷卻。在這樣的例子中，進料冷卻段113b中的熱交換裝置係包含一或多到冷卻通口，如第2圖至第4圖中虛線所示。或者是，在流體31a進入進料冷卻段113b中的熱交換裝置之前可使用傳統的氣體冷卻器而以冷媒冷卻流體31a，且/或在流體31b進入膨脹閥12(第2圖)、分離段113e(第3圖)或分離器52(第4圖)之前以冷媒冷卻流體31b。
根據進氣的溫度與純度、以及液體產物流37中容許的甲烷量，從進料流31可能無法提供充足加熱以使離開氣提段113d的液體符合產品規格。在此情況下，氣提段113d中的熱質量傳送裝置係包含了提供以加熱媒介補充加熱之部件，如第2圖至第4圖中虛線所示。或者是，氣提段113d的下部區域可含有另一熱質量傳送裝置以提供額外加熱，或流體31可在被供應至氣提段113d中的熱質量傳送裝置之前先以加熱媒介進行加熱。
根據冷媒次冷段113a欲進料冷卻段113b中熱交換裝置中所選擇之熱傳裝置的類型，可將這些熱交換裝置結合在單一多通式及/或多服務式熱傳裝置中。在這些情況下，多通式及/或多服務式熱傳裝置將包含適當裝置以分佈、分離及收集流體31a、流體38、流體38c、與流體33，以完成所需冷卻及加熱。同樣地，在精餾段113c之熱質量傳送裝置中所選之熱質量傳送裝置類型也使其得以與進料冷卻段113b中的熱交換裝置結合(且也可以與冷媒次冷段113a中的熱交換裝置結合)為單一多通式及/或多服務式熱質量傳送裝置。在此例中，多通式及/或多服務式熱傳裝置將包含適當裝置以分佈、分離及收集流體31a、流體38、流體38b、流體38c、與流體33，以完成所需冷卻及加熱。
在某些情況下，柱體底部產物流37中用於提供第2圖至第4圖之冷卻的部分(流體38)在經加熱後(流體38d)不需回復至高壓。在此例中，即不需要所示之壓縮與冷卻(壓縮機21、23、25、27以及排放冷卻器22、24、26、28)，而僅有流體41a流至流體42。
本發明在操作程序所需之單位消耗量下提升了烴氣中二氧化碳之分離，操作程序所需之單位消耗量的改善係以降低壓縮或再壓縮之功率消耗、降低加壓之功率需求、降低外部冷卻之功率需求、降低補充加熱之能量需求、降低塔體再沸之能量需求、或其任一組合等形式來呈現。
上文所描述者為本發明之較佳實施例，該熟悉該項技術之人士應知可對其進行其他或進一步之修飾，例如在各種條件、進料類型或其他需求下應用本發明，其皆不背離如附申請專利範圍所定義之本發明精神與範疇。
10．．．熱交換器
11．．．熱交換器
12．．．膨脹閥
13．．．分餾塔
14．．．熱交換器
15．．．分離器
16．．．熱交換器
17．．．壓縮機
18．．．排放冷卻器
19．．．幫浦
20．．．膨脹閥
21．．．壓縮機
22．．．排放冷卻器
23．．．壓縮機
24．．．排放冷卻器
25．．．壓縮機
26．．．排放冷卻器
27．．．壓縮機
28．．．排放冷卻器
29．．．幫浦
31-44．．．流體
50．．．功膨脹設備
51．．．壓縮機
52．．．分離器
113．．．處理組件
113a．．．冷媒次冷段
113b．．．進料冷卻段
113c．．．精餾段
113d．．．氣提段
113e．．．分離段
12．．．膨脹閥
17．．．壓縮機
18．．．排放冷卻器
20．．．膨脹閥
21．．．壓縮機
22．．．排放冷卻器
23．．．壓縮機
24．．．排放冷卻器
25．．．壓縮機
26．．．排放冷卻器
27．．．壓縮機
28．．．排放冷卻器
29．．．幫浦
31-44．．．流體
113．．．處理組件
113a．．．冷媒次冷段
113b．．．進料冷卻段
113c．．．精餾段
113d．．．氣提段

Claims (12)

  1. 一種用於將一氣體流分離為一揮發性殘餘氣體餾分與一相對較低揮發性餾分之方法，該氣體流至少含有甲烷與二氧化碳，該揮發性殘餘氣體餾分含有該甲烷之一主要部分，而該相對較低揮發性餾分含有該二氧化碳之一主要部分，其中(1)該氣體流係經冷卻，藉此形成一冷卻流；(2)該冷卻流係膨脹為中等壓力，藉此進一步冷卻該冷卻流；(3)供應該膨脹冷卻流作為對一質量傳送裝置之一頂部進料，該質量傳送裝置係置於一處理組件內，該質量傳送裝置具有一下部區域與一上部區域；(4)從該質量傳送裝置的該下部區域收集一蒸餾液體流，且於一第一熱質量傳送裝置中加熱該蒸餾液體流，藉以供應步驟(1)中之該冷卻的至少一部分，同時氣提該蒸餾液體流中的較高揮發性組成分，然後從該處理組件排出該加熱且氣提之蒸餾液體流作為該相對較低揮發性餾分，其中該第一熱質量傳送裝置係置於該處理組件中；(5)從該質量傳送裝置的該上部區域收集一第一蒸餾蒸氣流，並將該第一蒸餾蒸氣流與該膨脹冷卻流的任何蒸氣部分結合以形成一第二蒸餾蒸氣流；(6)於該處理組件中之一第二熱質量傳送裝置中冷卻該第二蒸餾蒸氣流，藉以凝結該第二蒸餾蒸氣流中的 較低揮發性成分，並形成一凝結蒸氣與一第三蒸餾蒸氣流；(7)該凝結蒸氣的至少一部分係供應至該質量傳送裝置作為另一頂部進料；(8)該相對較低揮發性餾分係分為至少第一流與第二流；(9)該第二流係經冷卻，然後膨脹至較低壓力以進一步冷卻該第二流；(10)加熱該膨脹冷卻第二流，藉以供應步驟(1)與步驟(6)之該冷卻的至少一部分；(11)於該處理組件中之一或多個熱交換裝置中加熱該第三蒸餾蒸氣流，藉以供應步驟(1)與步驟(9)之該冷卻的至少一部分，然後自該處理組件排出該加熱第三蒸餾蒸氣流作為該揮發性殘餘氣體餾分；以及(12)對該質量傳送裝置之該進流的量與溫度係足以使該質量傳送裝置之該上部區域的溫度保持為可回收該相對較低揮發性餾分中該二氧化碳之該主要部分的溫度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中(1)充分冷卻該氣體流以部分凝結該氣體流；(2)該部分凝結氣體流係供應至一分離裝置，且於該分離裝置中分離該部分凝結氣體流以提供一蒸氣流與至少一液體流；(3)該至少一液體流係膨脹至中等壓力；(4)該膨脹液體流係供應作為對該質量傳送裝置 之該頂部進料；(5)該蒸氣流係膨脹至該中等壓力，並供應作為對該質量傳送裝置上方之該處理組件的一進料；以及(6)自該質量傳送裝置的該上部區域收集該第一蒸餾蒸氣流，且該第一蒸餾蒸氣流與該膨脹蒸氣流的該蒸氣部分結合以形成該第二蒸餾蒸氣流。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該分離裝置係置於該處理組件中。
  4. 如申請專利範圍第2項或第3項所述之方法，其中(1)一另一質量傳送裝置係置於該處理組件中且位於該第二熱質量傳送裝置下方，該另一質量傳送裝置具有一下部區域與一上部區域；(2)該膨脹蒸氣流係供應作為對該另一質量傳送裝置的一頂部進料；(3)該第一蒸餾蒸氣流係導至該另一質量傳送裝置作為對其之一底部進料；(4)從該另一質量傳送裝置的該上方區域收集一第四蒸餾蒸氣流，且該第四蒸餾蒸氣流與該膨脹蒸氣流的該蒸氣部分結合而形成該第二蒸餾蒸氣流；(5)該凝結流的至少一部分係供應作為對該另一質量傳送裝置的另一頂部進料；以及(6)對該另一質量傳送裝置之該進流的量與溫度 係足以使該另一質量傳送裝置之該上部區域的溫度保持為可回收該相對較低揮發性餾分中該二氧化碳之該主要部分的溫度。
  5. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之方法，其中該第一熱質量傳送裝置包含一外部加熱媒介用之一或多個通口，以補充該氣體流所供應之該加熱，用於自該蒸餾液體流中氣提該較高揮發性成分。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該第一熱質量傳送裝置包含一外部加熱媒介用之一或多個通口，以補充該氣體流所供應之該加熱，用於自該蒸餾液體流中氣提該較高揮發性成分。
  7. 一種用於使一氣體流分離為一揮發性殘餘氣體餾分與一相對較低揮發性餾分之設備，該氣體流至少含有甲烷與二氧化碳，該揮發性殘餘氣體餾分含有該甲烷之一主要部分，而該相對較低揮發性餾分含有該二氧化碳之一主要部分，該設備包含：(1)一第一熱質量傳送裝置，用以冷卻該氣體流，該第一熱質量傳送裝置係置於一處理組件中；(2)一第一熱交換裝置，係置於該處理組件中且連接至該第一熱質量傳送裝置，以接收並進一步冷卻該冷卻氣體流，藉以形成一冷卻流； (3)一第一膨脹裝置，係連接至該第一熱交換裝置，以接收該冷卻流及使該冷卻流膨脹至中等壓力；(4)一質量傳送裝置，係置於該處理組件中且連接至該第一膨脹裝置，以接收該膨脹冷卻流作為其之一頂部進料，該質量傳送裝置具有一下部區域與一上部區域；(5)一液體收集裝置，係置於該處理組件中且連接至該質量傳送裝置，以自該質量傳送裝置之該下方區域接收一蒸餾液體流；(6)該第一熱質量傳送裝置係進一步連接至該液體收集裝置，以接收並加熱該蒸餾液體流，藉以供應步驟(1)之該冷卻的至少一部分，同時自該蒸餾液體流中氣提較高揮發性成分，然後從該處理組件排出該加熱與氣提之蒸餾液體流作為該相對較低揮發性餾分；(7)一蒸氣收集裝置，係置於該處理組件中並連接至該質量傳送裝置，以自該質量傳送裝置的該上部區域接收一第一蒸餾蒸氣流；(8)一結合裝置，係連接至該蒸氣收集裝置，以接收該第一蒸餾蒸氣流且將該第一蒸餾蒸氣流與該膨脹冷卻流的任何蒸氣部分結合，藉以形成一第二蒸餾蒸氣流；(9)一第二熱質量傳送裝置，係置於該處理組件中且連接至該結合裝置，以接收並冷卻該第二蒸餾蒸氣流，藉以形成一凝結流與一第三蒸餾蒸氣流；(10)該質量傳送裝置係進一步連接至該第二熱質量傳送裝置，以接收該凝結流的至少一部分作為其之另一 頂部進料；(11)一區分裝置，係連接至該處理組件，以接收該相對較低揮發性餾分並將該相對較低揮發性餾分分為至少第一流與第二流；(12)一第二熱交換裝置，係置於該處理組件中並連接至該區分裝置，以接收並冷卻該第二流；(13)一第二膨脹裝置，係連接至該第二熱交換裝置，以接收該冷卻第二流並使該冷卻第二流膨脹至較低壓力；(14)該第二熱質量傳送裝置係進一步連接至該第二膨脹裝置，以接收並加熱該膨脹冷卻第二流，藉以供應步驟(9)之該冷卻的至少一部分；(15)該第一熱交換裝置係進一步連接至該第二熱質量傳送裝置，以接收並進一步加熱該加熱膨脹第二流，藉以供應步驟(2)之該冷卻的至少一部分；(16)該第一熱交換裝置係進一步連接至該第二熱質量傳送裝置，以接收並加熱該第三蒸餾蒸氣流，藉以供應步驟(2)之該冷卻的至少一部分；(17)該第二熱交換裝置係進一步連接至該第一熱質量傳送裝置，以接收並進一步加熱該第三蒸餾蒸氣流，藉以供應步驟(12)之該冷卻的至少一部分，然後將該進一步加熱的第三蒸餾蒸氣流排出該處理組件，作為該揮發性殘餘氣體餾分；以及(18)一控制裝置，用以調整對該質量傳送裝置之該 上部區域的該進流的量與溫度，以使該質量傳送裝置之該上部區域的溫度保持為可回收該相對較低揮發性餾分中該二氧化碳之該主要部分的溫度。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之設備，(1)該第一熱交換裝置係用以接收並進一步冷卻該冷卻氣體流，藉以形成一部分凝結氣體流；(2)一分離裝置係連接至該第一熱交換裝置，以接收該部分凝結氣體流，並將該部分凝結氣體流分離為一蒸氣流與至少一液體流；(3)該第一膨脹裝置係連接至該分離裝置，以接收該至少一液體流並將該至少一液體流膨脹至中等壓力；(4)該質量傳送裝置係連接至該第一膨脹裝置，以接受該膨脹液體流作為其之該頂部進料；(5)一第三膨脹裝置係連接至該分離裝置，以接收該蒸氣流並使該蒸氣流膨脹至該中等壓力，該第三膨脹裝置係進一步連接至該處理組件以供應該膨脹蒸氣流作為其於該質量傳送裝置上方之一進料；以及(6)該結合裝置係連接至該蒸氣收集裝置以接收該第一蒸餾蒸氣流，並將該第一蒸餾蒸氣流與該膨脹蒸氣流的該蒸氣部分結合，藉以形成該第二蒸餾蒸氣流。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之設備，其中該分離裝置係置於該處理組件中。
  10. 如申請專利範圍第8項或第9項所述之設備，其中(1)一另一質量傳送裝置，係置於該處理組件中且位於該第二熱質量傳送裝置下方，該另一質量傳送裝置具有一上部區域與一下部區域；(2)該另一質量傳送裝置係連接至該第二膨脹裝置，以接收該膨脹蒸氣流作為其之一頂部進料；(3)該另一質量傳送裝置係進一步連接至該蒸氣收集裝置，以接收該第一蒸餾蒸氣流作為其之一底部進料；(4)一另一蒸氣收集裝置，係置於該處理組件中並連接至該另一質量傳送裝置，以自該另一質量傳送裝置的該上部區域接收一第四蒸餾蒸氣流；(5)該結合裝置係用以連接至該另一蒸氣收集裝置，以接收該第四蒸餾蒸氣流並使該第四蒸餾蒸氣流與該膨脹蒸氣流的該蒸氣部分結合，藉以形成該第二蒸餾蒸氣流；(6)該另一質量傳送裝置係進一步連接至該第二熱質量傳送裝置，以接收該凝結流之至少一部分作為其之另一頂部進料；以及(7)該控制裝置係用以調整對該另一質量傳送裝置之該上部區域的該進流的量與溫度，以使該另一質量傳送裝置之該上部區域的溫度保持為可回收該相對較低揮發性餾分中該二氧化碳之該主要部分的溫度。
  11. 如申請專利範圍第7、8或9項所述之設備，其中該第一熱質量傳送裝置包含一外部加熱媒介用之一或多個通口，以補充該氣體流所供應之該加熱，用於自該蒸餾液體流中氣提該較高揮發性成分。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之設備，其中該第一熱質量傳送裝置包含一外部加熱媒介用之一或多個通口，以補充該氣體流所供應之該加熱，用於自該蒸餾液體流中氣提該較高揮發性成分。
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