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JP6357155B2 - A method for optimizing condensable component removal from fluids - Google Patents

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Description

発明の詳細な説明Detailed Description of the Invention

[技術分野]
本発明は、正のジュール・トムソン効果を示す混合流体からの凝縮可能物の除去に関し、より詳細には、本発明は、例えば、内部の液体水の生成を最小限にするか、又は実質的になくし、封鎖(sequestration)のために輸送、注入されるガス流での腐食と水和物の形成を最小化するための酸性ガス流からの水の除去に関する。旧型装置の改装及び強化された炭化水素回収の考察も同様に提供される。
[Technical field]
The present invention relates to the removal of condensables from a mixed fluid exhibiting a positive Joule-Thompson effect, and more particularly the present invention minimizes or substantially eliminates the production of internal liquid water, for example. And the removal of water from the acid gas stream to minimize corrosion and hydrate formation in the gas stream transported and injected for sequestration. Considerations for retrofitting older equipment and enhanced hydrocarbon recovery are provided as well.

[背景技術]
石油精製や燃焼過程に生じるガス流などのガス流は、水と混合されると酸を生じる気体を含むことが多い。このような気体は、一般に「酸性ガス」と呼ばれる。石油精製工程で自然に発生する酸性ガスのうち最も一般的なものは、硫化水素(HS)と二酸化炭素(CO)である。燃焼、酸化、熱分解過程で生じる典型的な酸性ガスは、二酸化炭素(CO)、二酸化硫黄(SO)及び窒素酸化物(NO、NO)である。
[Background technology]
Gas streams, such as those produced during petroleum refining and combustion processes, often include a gas that produces an acid when mixed with water. Such a gas is generally called an “acid gas”. The most common acid gases that are naturally generated in the oil refining process are hydrogen sulfide (H 2 S) and carbon dioxide (CO 2 ). Typical acid gases generated during the combustion, oxidation, and thermal decomposition processes are carbon dioxide (CO 2 ), sulfur dioxide (SO 2 ), and nitrogen oxides (NO, NO 2 ).

酸性ガスは通常、水分を含む。自然発生する酸性ガスは、貯蔵槽内では水分で飽和している場合が多く、燃焼により得られるガスは、燃焼中の水素と酸素との反応で生じる水分と共存する。事実上、全ての酸性ガスでは、酸性ガスの取り出し又は精製過程のある時点で実質的に水蒸気が飽和する。酸性ガスが圧縮機を通る場合など、一定の範囲にわたり水分を含む酸性ガスの温度が下がるか、又は圧力が上がると、水分の一部が気相から液相に凝縮する。水の氷点より高いある温度で、水と酸性ガスとが、ガス水和物と呼ばれる、「固体様の」構造を形成し始めることがある。水和物の形成が開始する温度は、水和物生成温度(HFT)と呼ばれ、圧力、組成物及び混合物の含水量によって変わる。水和物は、水と小さな分子との物理的結合の結果生じ、「氷様の」外見を有するが、氷と異なる特性及び構造を有する化合物である。水和物は、ガスクラスレートとも呼ばれる。水和物は、生産時の熱伝達の減少、過剰な圧力降下、詰まり、中断の原因となることがあり、また、安全上の懸念もあるために問題となる。   The acid gas usually contains moisture. Naturally occurring acidic gas is often saturated with moisture in the storage tank, and the gas obtained by combustion coexists with moisture generated by the reaction between hydrogen and oxygen during combustion. Virtually all acid gases substantially saturate the water vapor at some point during the acid gas removal or purification process. When the temperature of the acidic gas containing water falls or the pressure increases over a certain range, such as when the acidic gas passes through the compressor, a part of the moisture is condensed from the gas phase to the liquid phase. At some temperature above the freezing point of water, water and acid gases may begin to form “solid-like” structures called gas hydrates. The temperature at which hydrate formation begins is called the hydrate formation temperature (HFT) and varies with pressure, composition and water content of the mixture. Hydrates are compounds that result from the physical association of water with small molecules, have an “ice-like” appearance, but have different properties and structures from ice. Hydrates are also called gas clathrate. Hydrates are problematic because they can cause reduced heat transfer during production, excessive pressure drops, clogging, interruptions, and safety concerns.

水相の生成は、腐食を促進し、ガス水和物を発生させることがあり、機械的及び操作上の問題を発生させることがあるので、どのような気体系においても望ましくない。生じる水相が酸性となり、腐食速度が極めて大きくなり、通常、非酸性ガスより高いHFTが生じるため、水相は、酸性ガス系内では特に望ましくない。   The formation of the aqueous phase is undesirable in any gaseous system as it promotes corrosion, can generate gas hydrates, and can cause mechanical and operational problems. The aqueous phase is particularly undesirable in acidic gas systems because the resulting aqueous phase becomes acidic, the corrosion rate becomes very high, and usually a higher HFT than non-acidic gases is produced.

表Aは、水中の様々な酸性ガス濃度の場合における軟鋼に生じる腐食のレベルを示す。   Table A shows the level of corrosion that occurs in mild steel at various acid gas concentrations in water.

Figure 0006357155

酸性ガスに焦点を当てて考察しているが、当業者であれば、正のジュール・トムソン係数を示す全ての流体流から凝縮性成分を除去するために、本方法論と概念とを適用できることを理解することができる。
Figure 0006357155

Although the discussion focuses on acid gases, those skilled in the art will recognize that this methodology and concept can be applied to remove condensable components from all fluid streams that exhibit positive Joule-Thompson coefficients. I can understand.

[発明の概要]
本発明の一実施形態の1つの目的は、凝縮性成分を含む流体から凝縮性成分を除去するための方法を提供することであって、この方法は、凝縮性成分を含む初期供給流の温度を熱交換により最適化し、冷却して液体を凝結させ、前記液体を除去してガス流を形成するステップと、前記ガス流を圧縮及びアフタークールして高圧流を形成するステップと、高圧流の少なくとも一部を膨張させて冷却された低圧流を形成するステップと、前記冷却された低圧流と前記初期供給流とを混合し、前記初期供給流中の凝縮性成分の冷却及び凝結を増加させて混合物を形成するステップと、前記混合物を液体流とガス流に分離するステップと、気−気熱交換操作を順次併用して気−液熱交換操作により熱交換を行うために、前記液体流及び前記ガス流を初期供給流と接触させるステップと、を含む。
[Summary of Invention]
One object of an embodiment of the present invention is to provide a method for removing a condensable component from a fluid containing a condensable component, the method comprising the temperature of the initial feed stream containing the condensable component. By cooling and condensing liquid to remove the liquid to form a gas stream, compressing and aftercooling the gas stream to form a high pressure stream, Expanding at least a portion to form a cooled low pressure stream; and mixing the cooled low pressure stream and the initial feed stream to increase cooling and condensation of condensable components in the initial feed stream. Forming the mixture, separating the mixture into a liquid flow and a gas flow, and performing the heat exchange by the gas-liquid heat exchange operation in combination with the gas-gas heat exchange operation in order. And the gas flow for the first time Comprising a step of contacting the feed stream, the.

図1,図2を参照すると、酸性ガス内の含水量は、温度に比例し、かつHSでは約400psia(27.58bar)まで、COでは900psia(62.05bar)まで圧力に反比例する。この限度内で、圧力が高く温度が低いと酸性ガス内の含水量が低くなる。 Referring to FIGS. 1 and 2, the water content in the acid gas is proportional to the temperature and inversely proportional to the pressure up to about 400 psia (27.58 bar) for H 2 S and 900 psia (62.05 bar) for CO 2. . Within this limit, if the pressure is high and the temperature is low, the water content in the acid gas is low.

脱水は、水を除去して水和物と遊離水の形成を最小化するか、又は防ぐ処理である。比較的高いHS濃度を含む酸性ガスでは、濃密相(流体の臨界圧より高い一定の圧力は超臨界としても知られる)までの従来の多段階圧縮段階の間の冷却中に通常、十分な水が除去されるので、別の脱水処理は必要ない。酸性ガス中のCO含有量が増えるにつれて、圧縮だけで十分な水を除去できる可能性は低くなり、通常別の脱水処理が必要となる。 Dehydration is a process that removes water to minimize or prevent the formation of hydrates and free water. For acidic gases containing relatively high H 2 S concentrations, it is usually sufficient during cooling during a conventional multi-stage compression stage to a dense phase (a constant pressure above the critical pressure of the fluid is also known as supercritical). Since no water is removed, no additional dehydration is required. As the CO 2 content in the acid gas increases, the possibility that sufficient water can be removed by compression alone decreases, and another dehydration treatment is usually required.

ガスの脱水の従来の手段は、固体乾燥剤吸着、液体乾燥剤吸着、冷凍、膜分離、及び乾燥ガスストリッピングである。最も一般的に使用される方法は、固体乾燥剤吸着及び液体乾燥剤吸着である。   Conventional means of gas dehydration are solid desiccant adsorption, liquid desiccant adsorption, refrigeration, membrane separation, and dry gas stripping. The most commonly used methods are solid desiccant adsorption and liquid desiccant adsorption.

液体乾燥剤吸着処理であるグリコール脱水は、ほとんどの用途で好適に使用される最も経済的な工程であると一般にみなされている。このような液体乾燥剤吸着処理には、いくつかの欠点がある。
・高圧CO中での使用でグリコールの損失が著しいことがある。
・一般的に燃焼で生じる酸性ガス内に存在する過度の酸素が著しく腐食を高め、より高い再生温度でグリコールの分解を加速するために、継続的なグリコール再生工程を追加することが必要となる。
・グリコールをモニターして適切なpH範囲を維持するように対処する必要がある。
・通常、脱水装置は、生成される酸性液に対処するためにステンレス鋼のような、高額な耐食金属で製造される。
・グリコールは、一般に再生のために400°F(204.4℃)まで加熱され、水の蒸発、ならびに吸収された酸性ガス、及びグリコールによって同様に吸収された他の汚染物質、例えば、揮発性有機化合物(VOC)、典型的には、ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン及びキシレン(BTEX)など、及びその他のストリッピングガスの大気中への放出が生じる。このような一時的放出の制御には、一般に高価な蒸気回収装置を追加する必要があり、さらなる酸素汚染の可能性が生じることになる。
・このような処理を行うための要件は高く、グリコール再生に用いられる燃料とグリコールの圧送と蒸気回収装置の運転に必要な出力を含む。
・脱水装置の製造の結果、大量の総二酸化炭素排出量が生じ、このユーティリティから生じるCOは、脱水処理に用いられるグリコールの処理システム及び処理方法の設計を必要とする。
Glycol dehydration, a liquid desiccant adsorption process, is generally considered to be the most economical process that is suitably used in most applications. Such a liquid desiccant adsorption process has several drawbacks.
• Glycol loss may be significant when used in high pressure CO 2 .
・ Excessive oxygen present in the acid gas typically generated by combustion significantly increases corrosion and requires the addition of a continuous glycol regeneration process to accelerate the degradation of glycol at higher regeneration temperatures. .
• Action should be taken to monitor the glycol to maintain the proper pH range.
-Typically, dehydrators are made of expensive corrosion-resistant metals, such as stainless steel, to cope with the acidic liquid produced.
Glycols are generally heated to 400 ° F. (204.4 ° C.) for regeneration, evaporating water, as well as absorbed acid gases, and other contaminants that are also absorbed by the glycol, eg, volatile Release of organic compounds (VOC), typically benzene, toluene, ethylbenzene and xylene (BTEX), and other stripping gases into the atmosphere occurs. Such a temporary release control generally requires the addition of an expensive steam recovery device, resulting in the possibility of further oxygen contamination.
-The requirements for such treatment are high, including the fuel used for glycol regeneration and the power required for the operation of the steam recovery unit and the pumping of the glycol.
The production of the dehydrator results in a large amount of total carbon dioxide emissions, and the CO 2 resulting from this utility requires the design of a treatment system and process for glycols used in the dehydration process.

冷凍による脱水は、温度が低下するとガスが水を保持する能力が下がること、を利用する。温度降下は、外部の「冷凍」やその他の温度降下処理による熱交換で間接的に、又はガス自身の膨張によって直接達成できる。ガスの直接膨張は、ターボ膨張機内におけるような等エントロピー膨張や従来のチョークプラントで用いられるジュール・トムソン(JT)弁のような等エンタルピー膨張又はガス圧縮冷凍処理で行われる。脱水のみを目的とした間接冷凍専用ユニットの導入は、一般に法外な費用がかかる。   Dehydration by freezing utilizes the fact that the ability of the gas to retain water decreases as the temperature decreases. The temperature drop can be achieved indirectly by heat exchange by external “refrigeration” or other temperature drop treatment, or directly by expansion of the gas itself. Direct expansion of gas is performed by isentropic expansion as in a turbo expander, isoenthalpy expansion such as a Joule-Thomson (JT) valve used in a conventional choke plant, or gas compression refrigeration. Introducing an indirect refrigeration unit for dehydration purposes is generally prohibitive.

直接等エンタルピー脱水及び等エントロピー冷凍脱水方法の両方は、可能な限り工程から多くのエネルギーを回収するために、膨張装置、低温分離機及び少なくとも1台の熱交換器を用いる。最も単純な形では、ガス全体が高圧から低圧に等エンタルピー又は等エントロピーで膨張し、水の凝結が発生するのに十分な低い流体温度が形成される。凝結した水は、低温分離機内で工程から除去され、残った低温の、十分に乾いたガスは、工程の熱効率の改善のために流入流体の予冷に用いられる。これは通常、アップストリーム石油及びガス処理用途において、「チョークプラント」又は「露点制御装置(DPCU)」と呼ばれる。   Both direct isenthalpy dehydration and isentropic freeze dehydration processes use an expansion device, a cryogenic separator and at least one heat exchanger to recover as much energy as possible from the process. In its simplest form, the entire gas expands from high pressure to low pressure with isoenthalpy or isentropic, creating a low fluid temperature sufficient for water condensation to occur. The condensed water is removed from the process in a cryogenic separator, and the remaining cold, sufficiently dry gas is used to precool the incoming fluid to improve the thermal efficiency of the process. This is commonly referred to as a “choke plant” or “dew point controller (DPCU)” in upstream oil and gas processing applications.

等エントロピー膨張の場合、膨張は膨張器で行われ、膨張器によって取り出される仕事は、出口乾燥ガスを部分的に再圧縮するために通常用いられる。
等エントロピー膨張を用いるか、あるいは等エンタルピー膨張を用いるかの選択は、必要な水除去の量、従って必要な温度降下量に依存する。等エントロピー膨張では、より低温を得ることができる。資本コストの観点から、等エントロピー処理は、極めて高価であるが、回収作業能力の利点により相殺される。運転及び保守の観点から、等エンタルピー処理は、機械的及び運転上の単純さという利点を有し、ほとんどの用途に適する。等エンタルピー処理の特徴を相殺してしまう欠点は、増えた圧縮の必要性による追加の作業を必要とすることである。
In the case of isentropic expansion, the expansion takes place in the expander, and the work removed by the expander is usually used to partially recompress the outlet dry gas.
The choice between using isentropic expansion or isoenthalpy expansion depends on the amount of water removal required and thus the amount of temperature drop required. With isentropic expansion, a lower temperature can be obtained. From the viewpoint of capital costs, isentropic processing is very expensive but is offset by the advantage of recovery work capacity. From an operational and maintenance point of view, isoenthalpy processing has the advantage of mechanical and operational simplicity and is suitable for most applications. The disadvantage of offsetting the isoenthalpy feature is that it requires additional work due to the increased need for compression.

いずれの冷凍脱水も有する共通の欠点は、望ましいレベルの脱水を達成するために、ほとんどの用途で水和物形成温度(HFT)に近いか下回る温度にガス流を冷却する必要があることである。操作の信頼性を得るために、通常、グリコールやメタノールのような熱力学的水和物抑制剤を継続的に添加して、HFTを下げることが行われる。必要であれば、グリコールとメタノールとの両方を回収可能であるが、液体乾燥剤脱水に関し前述した全ての事項を満たす別の再生処理が必要である。メタノールは比較的無害でグリコールより下流処理への影響が少ないので、多くの場合、回収無しでメタノールを用いる選択が行われる。興味深いことに、メタノールは、水和物抑制剤として有用なだけでなく、単純な温度低下の場合よりもさらに含水量を減らすことができる。このようにして、脱水が促進される。   A common disadvantage with any freeze dehydration is that the gas stream needs to be cooled to a temperature near or below the hydrate formation temperature (HFT) in most applications to achieve the desired level of dehydration. . In order to obtain operational reliability, usually a thermodynamic hydrate inhibitor such as glycol or methanol is continuously added to lower the HFT. If necessary, both glycol and methanol can be recovered, but another regeneration process that meets all of the above-mentioned matters regarding liquid desiccant dehydration is required. Methanol is relatively harmless and has less impact on downstream processing than glycol, so in many cases the choice is made to use methanol without recovery. Interestingly, methanol is not only useful as a hydrate inhibitor, but can further reduce water content than in the case of a simple temperature drop. In this way, dehydration is promoted.

効率的かつ費用対効果が高く、従来の脱水処理で指摘される問題を回避できる酸性ガス流の脱水処理が必要とされていることは明白である。
添付の図面を参照する以下の詳細な説明から、本発明の特徴がより明らかとなろう。
Clearly, there is a need for an acid gas stream dewatering process that is efficient and cost-effective and that avoids the problems noted in conventional dewatering processes.
The features of the present invention will become more apparent from the following detailed description with reference to the accompanying drawings.

100°F(37.78℃)での一連の圧力下における種々流体、酸性ガス及びメタン(CH)の飽和水分量のグラフである。FIG. 5 is a graph of the saturated water content of various fluids, acid gases and methane (CH 4 ) under a series of pressures at 100 ° F. (37.78 ° C.). 100°F(37.78℃)での一連の圧力下におけるCOに富む混合物及びメタン(CH)の飽和水分量のグラフである。FIG. 6 is a graph of the saturated moisture content of CO 2 rich mixture and methane (CH 4 ) under a series of pressures at 100 ° F. (37.78 ° C.). 従来技術の高圧CO作業におけるグリコール損失のグラフである。 2 is a graph of glycol loss in a prior art high pressure CO 2 operation. 100%のCOを含む水飽和流体流に対する本発明の実施形態による等エンタルピー脱水処理の系統図である。 2 is a system diagram of an isenthalpy dehydration process according to an embodiment of the present invention for a water saturated fluid stream containing 100% CO 2 . 80%のCOと20%のHSを含む流体流に対する、図4Aに従う等エンタルピー脱水処理の系統図である。FIG. 4B is a system diagram of an isoenthalpy dehydration process according to FIG. 4A for a fluid stream containing 80% CO 2 and 20% H 2 S. スリップストリームのさらなる膨張の前に、導入した熱交換器により部分的に膨張したスリップストリームを加熱して主処理供給流内の水和物形成を防ぎ、所望の温度降下を達成する、図4A,図4Bに従う等エンタルピー脱水処理の系統図である。Prior to further expansion of the slipstream, the partially expanded slipstream is heated by the introduced heat exchanger to prevent hydrate formation in the main process feed stream to achieve the desired temperature drop, FIG. It is a systematic diagram of the isoenthalpy dehydration process according to FIG. 4B. スリップストリームの再導入の前に流体流から水を除去するために低温分離器を備え、継続的水和物抑制剤の投入を行う、図4A,図4Bに従う等エンタルピー脱水処理の系統図である。FIG. 5 is a system diagram of an isoenthalpy dehydration process according to FIGS. 4A and 4B, with a low temperature separator to remove water from the fluid stream before reintroduction of the slipstream and with continuous hydrate inhibitor input. . 本発明の実施形態による多段階等エンタルピー処理の系統図である。It is a systematic diagram of the multistage enthalpy processing by embodiment of this invention. ジュール・トムソン弁の一つが等エントロピー流体膨張器に置き換えられた本発明の実施形態による多段階等エントロピー処理の系統図である。FIG. 4 is a system diagram of multi-stage isentropic processing according to an embodiment of the present invention in which one of the Joule-Thomson valves is replaced with an isentropic fluid expander. 本発明のさらなる実施形態による系統図である。FIG. 4 is a system diagram according to a further embodiment of the present invention. 本発明に包含される技術のさらに別の変形例の系統図である。It is a systematic diagram of another modification of the technology included in the present invention.

提供される実施例は、定常状態性能であると仮定する。その他の考慮は、商業運転に対する始動、運転中の不調及び停止に適応するように行われる。一つの簡単な例は、始動の最初の数分の間、及び外部工程の不調期間中に温度とスリップストリーム流速が工程設計に定められた定常状態運転条件でない場合があることである。この条件を緩和する設計上の何らかの対応をしないと、水和物の形成が始まる可能性がある。そのため、本発明の実施形態では、メタノールのような熱力学的水和物抑制剤を添加する機能を取り込んで、非定常状態性能での水和物の生成を一時的に防ぐように設計される。   The provided examples are assumed to have steady state performance. Other considerations are made to accommodate start-ups for commercial operations, malfunctions during operation and shutdowns. One simple example is that during the first few minutes of start-up and during external process upsets, the temperature and slipstream flow rate may not be the steady state operating conditions defined in the process design. Without some design response to alleviate this condition, hydrate formation may begin. Therefore, embodiments of the present invention are designed to incorporate the ability to add a thermodynamic hydrate inhibitor such as methanol to temporarily prevent the formation of hydrates in unsteady state performance. .

図面において、同じ参照符号は類似する要素を参照する。
[発明を実施するための最良の形態]
本発明の実施形態は、「冷媒」として有用な典型的な酸性ガスの熱力学的特性を利用する。このようなガスは、処理の作業領域内で所与の圧力降下に対し比較的大きな温度降下を示す。大きな温度降下は、供給流のスリップストリームを冷却するために用いられ、この冷やされたスリップストリームは、その後、供給流を冷却するために上流で再利用される。このようにして、該方法は再利用により「自動冷凍」を行う。絞り装置、通常は制御弁を通して等エンタルピーでガスを膨張させることでジュール・トムソン効果が得られる。等エンタルピー膨張中には、ガスから外部への仕事を取り出すことはできない。ジュール・トムソン処理中の流体の圧力に対する温度の変化率は、ジュール・トムソン(ケルビン)係数である。例えば、50℃で60気圧(60.79bar)の二酸化炭素のジュール・トムソン(JT)係数は、同じ条件下の窒素の場合の約5.6倍大きい。従って、COにおける温度降下は、窒素における同じ条件での同じ圧力降下の場合の約5.6倍大きい。また、HS、SO、及び他の酸性ガス、ならびに、存在する可能性もある、炭化水素、ならびに窒素などの不活性ガス及び酸素の場合もJT係数のデータを入手可能である。
In the drawings, like reference numerals refer to similar elements.
[Best Mode for Carrying Out the Invention]
Embodiments of the present invention take advantage of the thermodynamic properties of typical acid gases useful as “refrigerants”. Such gases exhibit a relatively large temperature drop for a given pressure drop within the processing work area. The large temperature drop is used to cool the feed stream slip stream, which is then recycled upstream to cool the feed stream. In this way, the method performs “automatic freezing” by reuse. The Joule-Thompson effect is obtained by expanding the gas with equal enthalpy through a throttle device, usually a control valve. During isoenthalpy expansion, no work can be taken out of the gas. The rate of change of temperature with respect to fluid pressure during Joule-Thomson treatment is the Joule-Thomson (Kelvin) coefficient. For example, the Joule-Thomson (JT) coefficient of carbon dioxide at 50 ° C. and 60 atmospheres (60.79 bar) is about 5.6 times greater than that of nitrogen under the same conditions. Thus, the temperature drop in CO 2 is about 5.6 times greater than for the same pressure drop under the same conditions in nitrogen. JT coefficient data is also available for H 2 S, SO 2 , and other acidic gases, as well as hydrocarbons that may be present, and inert gases such as nitrogen and oxygen.

石油増進回収(EOR)用途、二酸化炭素回収封鎖(CCS)用途のような商業的応用のために処理される酸性ガスは通常、輸送及び/又は封鎖のために「濃密相」と一般に呼ばれる超臨界圧力まで圧縮される。濃密相にするために、初期圧力に応じて遠心力、往復動、又は衝撃圧縮を用いるがいずれの場合でも、圧縮は通常1段より多い段数で行われる。段階間の圧力差をうまく使って、蒸気の好ましいJT係数の性質を利用することが可能となる。   Acid gases processed for commercial applications such as enhanced oil recovery (EOR) applications, carbon dioxide capture and blockage (CCS) applications are usually supercritical, commonly referred to as “dense phase” for transport and / or blockade Compressed to pressure. In order to obtain a dense phase, centrifugal force, reciprocation, or impact compression is used depending on the initial pressure, but in either case, compression is usually performed in more than one stage. The pressure difference between the stages can be exploited to take advantage of the favorable JT coefficient nature of the steam.

圧縮は、被圧縮流体の臨界点を境界にして2つの異なる領域に分かれる。第一領域の圧縮段階は臨界前で、第二領域の段階はその臨界圧力を超える流体の状態となり、これは、圧縮とポンピング手段により実現できる。入口流が圧縮の第一領域に入り、この入口流は臨界前で、水飽和と仮定される。第一領域内の諸段階の圧縮により一部の水が必然的に除去される。   The compression is divided into two different regions with the critical point of the fluid to be compressed as a boundary. The compression stage of the first zone is precritical and the stage of the second zone is in a fluid state above its critical pressure, which can be achieved by compression and pumping means. The inlet stream enters the first region of compression, and this inlet stream is precritical and is assumed to be water saturated. Some water is inevitably removed by stages of compression in the first region.

本発明の実施形態では、圧縮の1つの段階、特に臨界圧力に近い又はそれを超える1つの段階のアフタークールされた放出流体のスリップストリームは、その同じ段階の吸気圧力に、又は追加の温度降下が必要な場合には前段階の圧力に膨張される。膨張したスリップストリームの結果として生じる降下した温度は、最初は、必要に応じ熱交換で、また最終的にはスリップストリームを主流体流に直接混ぜることで上流の主流体流を冷却するために用いられる。生じた混合流の温度の低下により、ガス中の追加の水が凝結される。必要な冷却量は、水露点及び/又は水和物形成温度に対する設計基準を満たす流れの組成に必要な最小含水量の関数である。   In an embodiment of the present invention, a single stage of aftercooled discharge fluid slipstream close to or above the critical pressure is compressed to the same stage of intake pressure or additional temperature drop. Is required, the pressure is expanded to the previous pressure. The reduced temperature resulting from the expanded slipstream is used to cool the upstream main fluid stream initially by heat exchange if necessary and ultimately by mixing the slipstream directly into the main fluid stream. It is done. The resulting drop in the temperature of the mixed stream condenses additional water in the gas. The amount of cooling required is a function of the minimum water content required for a flow composition that meets the design criteria for water dew point and / or hydrate formation temperature.

本発明の実施形態をさらに詳しく説明する実施例を以下に挙げる。
実施例1は、基本的な実施形態である。
実施例2は、低温分離器(LTS)を用いる。
Examples that further illustrate embodiments of the present invention are given below.
Example 1 is a basic embodiment.
Example 2 uses a low temperature separator (LTS).

実施例3は、熱交換器(HEX)を組み込む。
実施例4は、多段階等エンタルピーの実施形態である。
実施例5は、多段階等エントロピー及び等エンタルピーの実施形態である。
Example 3 incorporates a heat exchanger (HEX).
Example 4 is an embodiment of multi-stage enthalpy.
Example 5 is an embodiment of multi-stage isentropy and isoenthalpy.

実施例1〜実施例3は、異なる流れの組成を用いて示され、より詳細には100%のCOを含む流れ、及び、80%のCOと20%のHSとを含む流れである。しかしながら、本発明の実施形態は、種々の量のHSを含む流れ、及び、SO、NOやその他の比較的大きいJT係数を持つガス混合物を含む流れに適用できることに留意されたい。 Examples 1-3 are shown using different stream compositions, more specifically a stream containing 100% CO 2 and a stream containing 80% CO 2 and 20% H 2 S. It is. However, it should be noted that embodiments of the present invention are applicable to streams containing various amounts of H 2 S and streams containing SO 2 , NO x and other gas mixtures with relatively large JT coefficients.

実施例4及び実施例5は、本発明の実施形態の低温性能、ならびに等エンタルピー工程と等エントロピー工程との間の違いを示す。
実施例1−基本的実施例
図4A,図4Bを参照して説明すると、本発明の実施形態では、水飽和した酸性ガスの供給流10が吸気段階12に入り、そこで次の段階16の吸気圧力に圧縮される(14)。高温圧縮蒸気14は、アフタークーラー20で冷却され(18)、供給流内では、水の一部とその他の凝結可能物の凝結とが生じる。水を含む凝結した液体は、最終圧縮段階の上流の分離器24内で除去される(22)。分離器24からの飽和ガス26は、さらに28で圧縮され30で再びアフタークールされる。
Examples 4 and 5 illustrate the low temperature performance of embodiments of the present invention and the difference between the isenthalpy process and the isentropic process.
Example 1-Basic Example Referring to FIGS. 4A and 4B, in an embodiment of the present invention, a water-saturated acid gas feed stream 10 enters an intake stage 12 where the intake of the next stage 16 is taken. Compressed to pressure (14). The hot compressed steam 14 is cooled by an aftercooler 20 (18), resulting in the condensation of some water and other condensables within the feed stream. The condensed liquid, including water, is removed (22) in the separator 24 upstream of the final compression stage. The saturated gas 26 from the separator 24 is further compressed at 28 and aftercooled again at 30.

圧縮されアフタークールされた流体流からのスリップストリーム32は取り出されて、ジュール・トムソン弁(TCV)36を通過して同じ圧縮段階16の低い吸気圧力に等エンタルピーで膨張される(34)。膨張により温度降下が生じ、その大きさは圧力降下の大きさと流体流の組成とに依存する。より温度の低い流れ38は、前圧縮段階を出る、アフタークールされた流れ18と混合され、所要量の水を凝結するのに十分な温度降下を有する混合流40が生じる。   Slip stream 32 from the compressed and aftercooled fluid stream is withdrawn and passed through a Joule-Thomson valve (TCV) 36 and expanded isenthalpy to the lower intake pressure of the same compression stage 16 (34). Expansion causes a temperature drop, the magnitude of which depends on the magnitude of the pressure drop and the fluid flow composition. The cooler stream 38 is mixed with the aftercooled stream 18 exiting the pre-compression stage, resulting in a mixed stream 40 having a temperature drop sufficient to condense the required amount of water.

図4Aに示すように、100%のCOを有する供給流では、温度は約87°F(30.55℃)に降下し、最終的な含水量は約73ポンド/百万立方フィートに下がり、水和物生成温度(HFT)が30°F(−1.11℃)になる。 As shown in FIG. 4A, for a feed stream with 100% CO 2 , the temperature drops to about 87 ° F. (30.55 ° C.) and the final moisture content drops to about 73 pounds / million cubic feet. The hydrate formation temperature (HFT) is 30 ° F. (−1.11 ° C.).

図4Bを参照すると、80%のCOと20%のHSとを含む供給流では、最終的な含水量を約89ポンド/百万立方フィートとして同じ水和物生成温度(HFT)の30°F(−1.11℃)を達成するためには、温度を約93°Fに下げるだけで良い。 Referring to FIG. 4B, a feed stream containing 80% CO 2 and 20% H 2 S has the same hydrate formation temperature (HFT) with a final moisture content of about 89 pounds / million cubic feet. In order to achieve 30 ° F. (−1.11 ° C.), the temperature need only be lowered to about 93 ° F.

実施例2−熱交換器(HEX)
大きな圧力降下条件と組み合わせたときに、流れの温度が脱水されていない主供給流の水和物生成温度を下回る供給流の組成の場合には、図4A,図4Bに示される実施形態を変更して熱交換器(HEX)を組み込んでもよい。
Example 2-Heat exchanger (HEX)
In the case of a feed stream composition where the stream temperature is below the hydrate formation temperature of the non-dehydrated main feed stream when combined with a large pressure drop condition, the embodiment shown in FIGS. 4A and 4B is modified. Then, a heat exchanger (HEX) may be incorporated.

図5A,図5Bにおいては、従来の冷凍処理で用いられるように、水和物抑制剤の継続的投入の必要を避ける為に基本の実施形態に変更を加える。
図5A,図5Bにおいては、スリップストリーム34を、第2ジュール・トムソン弁(JTV)44を通過させて部分的に膨張させる(42)。部分的に膨張した流れの温度は、その後ジュール・トムソン弁(TCV)50を通る流れ48のさらなる膨張の前に、熱交換器46内で昇温される。こうして、一部及び全部膨張した流れ42、48の温度は、脱水されない主供給流のそれぞれの水和物生成温度より高く維持される。
In FIGS. 5A and 5B, the basic embodiment is modified to avoid the need for continuous input of hydrate inhibitor as used in conventional refrigeration processes.
5A and 5B, the slip stream 34 is partially expanded (42) through a second Joule-Thomson valve (JTV) 44. The temperature of the partially expanded stream is then raised in heat exchanger 46 prior to further expansion of stream 48 through Joule Thomson valve (TCV) 50. Thus, the temperature of the partially and fully expanded streams 42, 48 is maintained above the respective hydrate formation temperature of the non-dehydrated main feed stream.

実施例2では、設計水和物生成温度は、15°F(−9.44℃)に設定された。
図5Aに示すように、100%のCOを有する供給流では、最終的な含水量を約51ポンド/百万立方フィートとした場合に設計水和物生成温度の15°F(−9.44℃)を達成するためには、温度を約73°F(22.78℃)に降下させなければならない。
In Example 2, the design hydrate formation temperature was set to 15 ° F. (−9.44 ° C.).
As shown in FIG. 5A, for a feed stream having 100% CO 2 , the designed hydrate formation temperature of 15 ° F. (−9 .9.) With a final water content of about 51 pounds / million cubic feet. To achieve 44 ° C), the temperature must be reduced to about 73 ° F (22.78 ° C).

80%のCOと20%のHSを含む供給流の場合の図5Bでは、温度を約79°F(26.11℃)に下げることで、最終的な含水量が約64ポンド/百万立方フィートになり、設計水和物生成温度の15°F(−9.44℃)が達成された。 In FIG. 5B for a feed stream containing 80% CO 2 and 20% H 2 S, the final moisture content is about 64 lb / s by reducing the temperature to about 79 ° F. (26.11 ° C.). The design hydrate formation temperature of 15 ° F. (−9.44 ° C.) was achieved to 1 million cubic feet.

実施例3−低温分離器(LTS)
図6A,図6Bにおいては、本発明の実施形態は、実施例2に記載された実施形態の代替として、温度降下が顕著な追加の分離器を用いる。
Example 3-Low Temperature Separator (LTS)
6A and 6B, the embodiment of the present invention uses an additional separator with a significant temperature drop as an alternative to the embodiment described in Example 2.

図6A,図6Bに示すように、図5A,図5Bの熱交換器46とJTV44とが、第2の低温分離器(LTS)52と置き換えられる。スリップストリーム54は、ジュール・トムソン弁(TCV)44を通過して膨張する(56)。第1の分離器24は、膨張したスリップストリーム48の再投入の前に供給流からできる限り多くの水を除去するために配置される。膨張したスリップストリームの温度が32°F(0℃)を下回ることが工程設計により要求される場合には、膨張したスリップストリーム48内に水和物抑制剤を加えることが考えられる。水の早期の除去は、設計条件を満たすのに必要な冷却量を減らし、条件が整えば必要な水和物抑制剤の量を減らせる。   As shown in FIGS. 6A and 6B, the heat exchanger 46 and the JTV 44 in FIGS. 5A and 5B are replaced with a second low temperature separator (LTS) 52. Slip stream 54 is expanded through a Joule-Thomson valve (TCV) 44 (56). The first separator 24 is arranged to remove as much water as possible from the feed stream prior to recharging the expanded slipstream 48. If the process design requires that the temperature of the expanded slip stream be below 32 ° F. (0 ° C.), it is conceivable to add a hydrate inhibitor into the expanded slip stream 48. Early removal of water reduces the amount of cooling required to meet the design requirements and, if conditions are met, the amount of hydrate inhibitor required.

実施例3の設計水和物生成温度は、0°Fに設定された。
図6Aに示すように、100%のCOを有する供給流では、最終的な含水量を約36ポンド/百万立方フィートとして設計水和物生成温度の0°F(−17.78℃)を達成するために、温度を約62°Fに下げる必要があった。
The design hydrate formation temperature of Example 3 was set to 0 ° F.
As shown in FIG. 6A, a feed stream having 100% CO 2 has a final hydrate content of about 36 pounds / million cubic feet and a design hydrate formation temperature of 0 ° F. (−17.78 ° C.). In order to achieve this, the temperature had to be reduced to about 62 ° F.

図6Bの場合には、供給流が、80%のCOと20%のHSとを含み、最終的な含水量を約45ポンド/百万立方フィートとして設計水和物生成温度の0°F(−17.78℃)を達成するのに、温度を約67°F(19.44℃)に下げる必要があった。 In the case of FIG. 6B, the feed stream contains 80% CO 2 and 20% H 2 S, with a final moisture content of about 45 pounds / million cubic feet, at a design hydrate formation temperature of 0. In order to achieve ° F (-17.78 ° C), the temperature had to be reduced to about 67 ° F (19.44 ° C).

実施例4−多段階等エンタルピー
図7においては、所要温度降下が非常に大きい場合には、本発明の多段階の実施形態が用いられる。当該実施形態は、−45°F(−42.78℃)の水和物生成温度を達成するために設計された。
Example 4 Multi-Stage Enthalpy In FIG. 7, a multi-stage embodiment of the present invention is used when the required temperature drop is very large. The embodiment was designed to achieve a hydrate formation temperature of −45 ° F. (−42.78 ° C.).

図7に示すように、この実施形態は、熱交換器46、低温分離器52及び継続的水和物抑制剤の投入(56)を含む。第1の分離器24は、熱交換器46と温度降下した流れの再投入との間に配置される。供給流からの早期の水除去は、設計基準を満たすのに必要な冷却量と水和物抑制剤とを減らす。   As shown in FIG. 7, this embodiment includes a heat exchanger 46, a cryogenic separator 52, and a continuous hydrate inhibitor charge (56). The first separator 24 is placed between the heat exchanger 46 and the reflow of the temperature-decreased stream. Early water removal from the feed stream reduces the amount of cooling and hydrate inhibitors required to meet design criteria.

より低温を達成するために、ジュール・トムソン弁44を通るスリップストリーム58の膨張により起こる圧力降下は、少なくとも2つの段階の圧縮を経て行われる。こうして、部分的に膨張したスリップストリーム60は、熱交換器46で加熱され、ジュール・トムソン弁64を通って十分に膨張し(62)、水和物抑制剤の投入と共に、供給流28を冷却するために、スリップストリーム58の取り出しから上流の2つ又はそれ以上の段階66、68の供給流に再投入される。冷却供給流28のさらなる圧縮の前に、第2の分離器52で冷却供給流28から凝結した水が除去される。   In order to achieve lower temperatures, the pressure drop caused by the expansion of the slip stream 58 through the Joule-Thomson valve 44 occurs through at least two stages of compression. Thus, the partially expanded slipstream 60 is heated in heat exchanger 46 and fully expanded (62) through Joule-Thomson valve 64 to cool feed stream 28 with the addition of hydrate inhibitor. In order to do so, it is re-introduced into the feed stream of the two or more stages 66, 68 upstream from the removal of the slipstream 58. Prior to further compression of the cooling feed stream 28, condensed water is removed from the cooling feed stream 28 in the second separator 52.

この実施例では、十分に膨張したスリップストリーム56と冷却供給流28とで低温を達成するには水和物抑制剤の添加を必要とするが、第1の分離器24における大部分の水の上流での除去の結果、水和物抑制剤の量は最小限になる。   In this example, achieving a low temperature in the fully expanded slip stream 56 and the cooling feed stream 28 requires the addition of a hydrate inhibitor, but most of the water in the first separator 24. As a result of upstream removal, the amount of hydrate inhibitor is minimized.

この実施例の冷却供給流で達成される低温のさらなる利点は、圧縮段階の数を5段階から4段階に減らすことができ、全体的な費用が削減されることにある。
実施例5−多段階等エントロピー
図8においては、本発明の多段階の実施形態は、スリップストリーム58の膨張のために、図7のジュール・トムソン弁44に代えて、従来の副流膨張タービン又はターボ膨張器(Mafi−Trench(Santa Maria,CA,USA)から入手可能なものなど)のような等エントロピー流体膨張器66を用いる。
A further advantage of the low temperature achieved with the cooling feed stream of this embodiment is that the number of compression stages can be reduced from 5 to 4 and the overall cost is reduced.
Example 5 Multi-Stage Isentropy In FIG. 8, the multi-stage embodiment of the present invention replaces the Joule Thomson valve 44 of FIG. Alternatively, an isentropic fluid expander 66 such as a turbo expander (such as that available from Mafi-Trench (Santa Maria, CA, USA)) is used.

この実施形態においては、等エントロピー流体膨張器は、同じ圧力降下のジュール・トムソン弁(等エンタルピー膨張)を用いた場合より、膨張スリップストリーム60内で低い温度を達成できる。さらに、必要なスリップストリームの割合は実施例4のものより小さい。   In this embodiment, the isentropic fluid expander can achieve a lower temperature in the expanded slipstream 60 than when using the same pressure drop Joule-Thomson valve (isoenthalpy expansion). Furthermore, the required slip stream proportion is smaller than that of Example 4.

この実施形態の段階3(66)及び段階4(68)の所要動力は、実施例4に比べて約2%低い。等エントロピー流体膨張器は、他の用途用として、段階3(66)及び段階4(68)の約1.8%の動力を供給する。さらに、水和物抑制剤の要求が最小化される。   The power requirements for stage 3 (66) and stage 4 (68) of this embodiment are approximately 2% lower than Example 4. The isentropic fluid inflator provides about 1.8% power for stage 3 (66) and stage 4 (68) for other applications. In addition, the requirement for hydrate inhibitors is minimized.

本明細書に記載する本発明の実施形態は、従来の液体乾燥剤及び等エンタルピー冷凍脱水処理に対し顕著な長所及び相違点を有する。
液体乾燥剤脱水処理と比較して、本発明の実施形態は、従来の脱水装置の資本コストのごく一部を使って、膨張弁(TCV、JTV)に置き換えることで、従来の脱水装置を省くことを可能にする。
The embodiments of the invention described herein have significant advantages and differences over conventional liquid desiccants and isoenthalpy freeze dehydration processes.
Compared to liquid desiccant dehydration, the embodiment of the present invention eliminates the conventional dehydrator by replacing the expansion valve (TCV, JTV) with a small part of the capital cost of the conventional dehydrator. Make it possible.

本発明の実施形態においては、「チョークプラント」又は「DPCU」などの従来の等エンタルピー膨張冷凍処理と比較して、圧縮1段階、気−気主熱交換器、及び水和物抑制剤添加を省くことができ、資本コストの大幅な削減が可能となる。   In an embodiment of the present invention, compared to a conventional isenthalpy expansion refrigeration process such as “Chalk Plant” or “DPCU”, one stage of compression, a main air-to-air heat exchanger, and hydrate inhibitor addition. It can be saved and the capital cost can be greatly reduced.

先行技術の「チョークプラント」又は「DPCU」においては、ガス流全体を過度に圧縮して、設計圧力に膨張させる必要がある。このため一般にシステムの初期圧縮所要動力は、20%から25%増える。ガスの組成と運転条件によって、高い圧縮機排出圧力により、圧縮段階を丸々1段階追加する必要が生じることがある。   In prior art “choke plants” or “DPCUs”, the entire gas stream must be overcompressed and expanded to the design pressure. This generally increases the initial power requirement of the system by 20% to 25%. Depending on the gas composition and operating conditions, it may be necessary to add an entire compression stage due to the high compressor discharge pressure.

酸性ガスの組成と必要な運転条件とによって、通常、冷却スリップストリームは、1段階を通る混合された流量の10%から30%である。圧縮の1段階を通る処理量の増加は、理論上、総圧縮動力需要を2%から6%(すなわち5段階圧縮機の10%〜30%の1/5)増やす。しかしながら、比較すると、この上昇は多くの場合従来の脱水装置の圧力降下による増加に匹敵する。さらに、圧縮機の運転温度の低下による効率向上、ひいては付随する圧縮動力の減少がある。場合によっては、圧縮所要電力は、従来の脱水装置を用いたときより少ないという結果であった。   Depending on the composition of the acid gas and the required operating conditions, the cooled slip stream is typically 10% to 30% of the mixed flow rate through one stage. Increasing the throughput through one stage of compression theoretically increases the total compression power demand from 2% to 6% (ie, 1/5 of 10% to 30% of a five stage compressor). However, in comparison, this increase is often comparable to the increase due to the pressure drop of conventional dehydrators. Furthermore, there is an improvement in efficiency due to a decrease in the operating temperature of the compressor, and consequently a reduction in the accompanying compression power. In some cases, the required power for compression was less than when using a conventional dehydrator.

本発明の実施形態により可能になる低い吸気温度は、従来の脱水機及びチョークプラントの両方に対する追加の利点となる。1つの段階の低下した温度は、各段階の圧縮比のバランスを回復する機会を提供し、各段階の排出温度が新しいより低い値で相対的に等しくなるまで、吸気圧力がより冷却されている場合のさらに高い圧縮比によって、その他の段階の圧縮比を下げることが可能となる。排出温度の低下は、1段又は複数段の圧縮段階における追加のスリップストリーム容積により生ずる追加の電力需要を幾分削減する。また、温度低下により弁の寿命が延び、運転時間が増え、維持費用が減る。ある時点で、より低温でのバランスの回復は、圧縮の1段階を完全に省略するに足りる効果があり、従って、かなりの資本コスト削減を可能にする。   The low intake air temperature enabled by embodiments of the present invention is an additional advantage over both conventional dehydrators and choke plants. The reduced temperature of one stage provides an opportunity to restore the compression ratio balance of each stage, and the intake pressure is more cooled until the exhaust temperature of each stage is relatively equal at the new lower value. The higher compression ratio in some cases can reduce the compression ratio at the other stages. The reduction in the exhaust temperature somewhat reduces the additional power demand caused by the additional slipstream volume in one or more compression stages. Also, the temperature drop extends the valve life, increases the operating time, and reduces the maintenance cost. At some point, restoring the balance at a lower temperature has the effect of completely omitting one stage of compression, thus allowing for significant capital cost savings.

本発明の実施形態の総二酸化炭素排出量は、従来の方法より著しく低いと考えられる。装置の要件は非常に小さいので製造に対する要求を減らすことができ、グリコールの処理方法の設計を行う必要はなく、COを生成する追加の設備は不要なので、これら全てはスリップストリーム容積を圧縮するのに必要な僅かな電力上昇(通常、約2%)を補って余りある。加えて、本発明の実施形態では化学的要件がないので生態リスクを大きく低減する。 The total carbon dioxide emissions of embodiments of the present invention are believed to be significantly lower than conventional methods. All of these compress the slipstream volume because the equipment requirements are so small that manufacturing requirements can be reduced, there is no need to design glycol processing methods, and no additional equipment to generate CO 2 is required. More than compensate for the slight increase in power required (usually about 2%). In addition, the embodiment of the present invention greatly reduces the ecological risk because there is no chemical requirement.

CO、HS、SO及びNOを含む酸性ガスは、本発明の実施形態において好適な流体である。しかしながら、流体は、本明細書に開示されるものに限定されるものではない。さらに、本発明の実施形態に用いられる熱力学原理は、所望範囲内の処理条件で正のジュール・トムソン(JT)係数を示す全ての流体混合物、換言すれば、膨張時に冷却される流体混合物、に有効である。総括すると、大きいJT係数の流体は、小さいJT係数の流体より冷却され、従って、スリップストリームになる流体は少なくてすむ。スリップストリーム所要量が少ないことは経済的に望ましい。 Acid gas containing CO 2, H 2 S, SO 2 and NO x is a preferred fluid in the embodiments of the present invention. However, the fluid is not limited to that disclosed herein. Furthermore, the thermodynamic principle used in embodiments of the present invention is that all fluid mixtures exhibiting a positive Joule-Thomson (JT) coefficient at processing conditions within a desired range, in other words, a fluid mixture that is cooled upon expansion, It is effective for. In summary, a large JT coefficient fluid is cooled more than a small JT coefficient fluid, and therefore less fluid is slipstreamed. Low slipstream requirements are economically desirable.

本発明の実施形態の用途は、二酸化炭素回収貯溜(CCS)、燃焼、気化及び封鎖用の産業化学工程から生じるCO、SO、及びNOの処理、及び石油及びガス処理からHS及びCOを捕捉して封鎖するためのAGI(酸性ガス注入)である。本発明の実施形態の別の用途は、石油増進回収(EOR)用途で通常処理される、酸性ガス含量の比較的高い溶液の気体蒸気からの炭化水素液体の回収である。本発明の実施形態のさらなる用途は、利用可能な空間がごく限られている状況、又は重量制限のある状況下で酸性ガス脱水が必要な場合である。このような状況は、浮体式海洋生産操業、又は陸上及び海上の両方での改装用途の場合に発生する。本発明の構成は、その他の市販の脱水手段に比べて、大きな空間と重量の優位性を提供する。 Applications of embodiments of the present invention include CO 2 , SO 2 , and NO x treatment from carbon dioxide capture and storage (CCS), combustion, vaporization and sequestration industrial chemical processes, and oil and gas treatment to H 2 S. and to capture CO 2 is AGI for sealing (acid gas injection). Another application of embodiments of the present invention is the recovery of hydrocarbon liquids from gas vapors of relatively high acid gas content solutions that are commonly processed in enhanced oil recovery (EOR) applications. A further application of embodiments of the present invention is when acid gas dehydration is required in situations where the available space is very limited or in situations where weight is limited. This situation occurs for floating offshore production operations, or for both land and sea refurbishment applications. The configuration of the present invention provides a large space and weight advantage over other commercially available dewatering means.

本明細書で提供される実施例1〜実施例5は、単一の条件の組に基づく。本発明の実施形態は、各流体と条件の組に対し最適化を必要とする。最適化は、スリップストリームの開始に最も適し、スリップストリームの再混合に最も適する圧縮の段階の選択を含む。別の最適化は、基本、HEX、LTS、多段階、多段階等エントロピー又は上記のその他の組み合わせのいずれであっても、工程の最適な変形形態の選択をすることにある。また、全ての選択の範囲内で最適の器具使用及び制御システムが含まれる必要があり、適用のための最適な動作点が設定される必要がある。   Examples 1-5 provided herein are based on a single set of conditions. Embodiments of the present invention require optimization for each fluid and condition set. Optimization involves selecting the stage of compression that is most appropriate for the start of the slipstream and most suitable for remixing the slipstream. Another optimization consists in selecting the optimal variant of the process, whether basic, HEX, LTS, multi-stage, multi-stage isentropy or any other combination of the above. Also, optimal instrument usage and control systems within all selections need to be included and optimal operating points for application need to be set.

図9では、数字80は共通の上流運転を意味し、数字81は、さらなる実施形態による全体の模式図によるプロセスを意味する。
前の実施形態からの共通の数字に関して、分離器13は、供給物を飽和ガス供給流10へ分離するために設けられ、その供給流はコンプレッサー12に入り、そこで圧力を解放するために圧縮され、次に、圧縮蒸気14はアフタークーラー20に導入されて、供給流中の水の一部及びその他の凝縮可能物の凝結が生じる。これらの単位操作は、他の実施形態に関して、本明細書及び以前に考察されている。
In FIG. 9, the number 80 represents a common upstream operation and the number 81 represents a process according to the overall schematic diagram according to a further embodiment.
With respect to the common numbers from the previous embodiment, a separator 13 is provided for separating the feed into a saturated gas feed stream 10 that enters the compressor 12 where it is compressed to relieve pressure. The compressed steam 14 is then introduced into the aftercooler 20 to cause condensation of some of the water in the feed stream and other condensables. These unit operations are discussed herein and earlier with respect to other embodiments.

新たに提示した模式図においては、典型的にはコンプレッサーや坑井などに由来する上流酸性ガス流18が、通常、水で飽和されている。例えば、流れは、100%の酸性ガス、又は、ある濃度の酸性ガスと通常炭化水素及び低濃度の他の不活性ガスからなるガスを含んでもよい。説明のために、流れは、例えば、600psi(41.37bar)の圧力で120°F(48.89℃)であるとする。この系統では、一対の熱交換器84と86が設置される。熱交換器84,86に着目すると、熱交換器84は、流体18中の熱を冷流体96に移す、気−液熱交換器である。流れ90は、ジュール・トムソン弁44を出る冷却された流れ89と混合される。2つの流れは、混合装置92中で混合される。約50°F(10℃)の温度で形成された混合物93は、低温分離器94に送られる。この時点で、600psi(41.37bar)の圧力で凝結した液体は、冷液体流96を形成する。流れ96は、流体混合物の水和物形成温度に近い。流れがさらに減圧されることがあれば、確実に水和物形成が起こる。流れ96は、熱交換器84に入り、流れ18と熱を交換し、それにより、流れ18を冷却し、流れ96を暖める。流れ96が流れ18から一部の熱を受け取って、水和物形成の可能性を減らすことは有利である。また、流れ18を冷却して、必要な追加の冷却の量を低減することも有利である。流れ96が熱交換器84による熱交換を介して暖められると、流れ98は、おそらく、120°F(48.89℃)になっている。次に、流れ98の圧力は、水和物形成を起こさずに弁100で減圧して、低温分離器94中で所望のレベルを維持できる。液位が形成され、弁100が開き、流れ102が三相分離装置104に入ることが可能となる。流れ102は、蒸気、炭化水素液体、及び水の3相から構成される。分離器104中の滞留時間は、106のより重い液体、典型例は水、108の蒸気、及び110のより軽い液体、典型例は炭化水素の分離を促進するのに十分である。この時点で、分離された炭化水素液体110は、次に、処理(図示せず)、安定化、及び最終的販売のために石油処理設備に送ることができる。   In the newly presented schematic diagram, the upstream acidic gas stream 18 typically derived from a compressor, well, etc. is usually saturated with water. For example, the stream may contain 100% acid gas or a gas composed of a certain concentration of acid gas and usually hydrocarbons and other inert gases at low concentrations. For illustrative purposes, the flow is assumed to be, for example, 120 ° F. (48.89 ° C.) at a pressure of 600 psi (41.37 bar). In this system, a pair of heat exchangers 84 and 86 are installed. Focusing on the heat exchangers 84 and 86, the heat exchanger 84 is a gas-liquid heat exchanger that transfers heat in the fluid 18 to the cold fluid 96. Stream 90 is mixed with cooled stream 89 exiting Joule Thomson valve 44. The two streams are mixed in the mixing device 92. The mixture 93 formed at a temperature of about 50 ° F. (10 ° C.) is sent to a cryogenic separator 94. At this point, the liquid condensed at a pressure of 600 psi (41.37 bar) forms a cold liquid stream 96. Stream 96 is near the hydrate formation temperature of the fluid mixture. Hydrate formation will certainly occur if the flow is further depressurized. Stream 96 enters heat exchanger 84 and exchanges heat with stream 18, thereby cooling stream 18 and warming stream 96. It is advantageous for stream 96 to receive some heat from stream 18 to reduce the likelihood of hydrate formation. It is also advantageous to cool stream 18 to reduce the amount of additional cooling required. When stream 96 is warmed via heat exchange by heat exchanger 84, stream 98 is probably 120 ° F. (48.89 ° C.). The pressure of stream 98 can then be reduced by valve 100 without causing hydrate formation to maintain the desired level in cryogenic separator 94. A liquid level is formed, the valve 100 is opened, and the flow 102 can enter the three-phase separator 104. Stream 102 is composed of three phases: steam, hydrocarbon liquid, and water. The residence time in separator 104 is sufficient to facilitate the separation of 106 heavier liquids, typically water, 108 vapors, and 110 lighter liquids, typically hydrocarbons. At this point, the separated hydrocarbon liquid 110 can then be sent to an oil processing facility for processing (not shown), stabilization, and final sale.

低温分離器94に戻って説明すると、前記分離器を出る流れ112は冷酸性ガス(通常、CO)蒸気流であり、主システムの予冷用の追加の供給源として使用できる。流れ88,112は、熱交換器86中に通され、この場合、気−気熱交換器である熱交換器86を使って、流れ88中の熱を、低温分離器94を出る冷蒸気流112に移す。また、これにより、交換器86を出る流れ90を予冷し、それにより、必要とする追加の冷却の量を減らせる。この時点で流れ114は、本明細書で記載の例から判断して約110°F(43.33℃)の温度を有する。このシステムは、経済的に実現可能な場合には、炭化水素回収を可能とするという点で特に有益である。 Returning to the cold separator 94, the stream 112 exiting the separator is a cold acid gas (usually CO 2 ) vapor stream that can be used as an additional source for pre-cooling the main system. Streams 88, 112 are passed through heat exchanger 86, in this case using heat exchanger 86, which is a gas-to-air heat exchanger, to transfer the heat in stream 88 to the cold steam stream exiting cold separator 94. 112. This also pre-cools the stream 90 exiting the exchanger 86, thereby reducing the amount of additional cooling required. At this point, stream 114 has a temperature of about 110 ° F. (43.33 ° C.), as judged from the examples described herein. This system is particularly beneficial in that it allows hydrocarbon recovery where economically feasible.

その後、流れ114は、基本的全体システムに関して、本明細書に前述した単位操作中へ送られる。
液化炭化水素を回収することが不可能であるか、又は経済的に可能でない場合には、設計者は、図10に示すシステム(以降でさらに詳細に考察する)を採用してもよい。また、これは、最小限の修正で既存のコンプレッサー配置を使用できる一方で、本明細書で示される技術に由来する利益も享受できる改装用途用の魅力的なシステムでもある。
Thereafter, the stream 114 is sent during the unit operations previously described herein for the basic overall system.
If it is not possible or economically possible to recover the liquefied hydrocarbon, the designer may employ the system shown in FIG. 10 (discussed in more detail below). It is also an attractive system for retrofit applications where existing compressor arrangements can be used with minimal modifications while still benefiting from the techniques presented herein.

COが用いられるFOR用途では、通常、補充用又は追加のCOが、生成された蒸気と混合され、生産貯蔵槽に再注入される。補充用CO流の圧力に応じて、流れ34と混合し、あるいは、それと置換してジュール・トムソン係数を改良し、HFTを下げることができる。乾燥した補充用COを使って、システム始動中に、メタノール又はグリコールなどの水和物抑制剤の使用を最小化するか、又はこれを省略可能である。 In FOR applications where CO 2 is used, replenishment or additional CO 2 is typically mixed with the generated steam and reinjected into the production storage tank. Depending on the pressure of the supplemental CO 2 stream, it can be mixed with or replaced with stream 34 to improve the Joule-Thomson coefficient and lower the HFT. With dry replenishment CO 2 , the use of a hydrate inhibitor such as methanol or glycol can be minimized or omitted during system startup.

必要に応じて、本実施例に使用された炭化水素以外の流体を凝縮するように工程を設計できる。
炭化水素液体/蒸気分離効率の改善が必要な場合には、追加の圧力低減及び分離段階(100,102,104を繰り返し、98を110で置き換えて)を考慮に入れることができる。
If necessary, the process can be designed to condense fluids other than the hydrocarbons used in this example.
If an improvement in hydrocarbon liquid / vapor separation efficiency is required, additional pressure reduction and separation steps (repeating 100, 102, 104, replacing 98 with 110) can be taken into account.

さらに、システムは、熱力学シミュレーションソフトウェアを導入して、水の露点、水和物形成温度、及び炭化水素回収を予測することにより、動作点の最適化を支援することができる。   In addition, the system can help optimize operating points by introducing thermodynamic simulation software to predict water dew point, hydrate formation temperature, and hydrocarbon recovery.

図10に戻ると、本発明のさらなる実施形態が示されている。この実施形態では、図9のシステムに比べて、かなりの数の単位操作が取り除かれたことが明らかである。図9からの三相分離装置104の使用は、この実施形態では不必要であり、気−液熱交換器も同様に不要である。残った単位操作は、図9における運転の機能に類似であり、全体の手順は当業者には自明であろう。   Returning to FIG. 10, a further embodiment of the present invention is shown. In this embodiment, it is clear that a significant number of unit operations have been removed compared to the system of FIG. The use of the three-phase separator 104 from FIG. 9 is unnecessary in this embodiment, and a gas-liquid heat exchanger is likewise unnecessary. The remaining unit operations are similar to the function of operation in FIG. 9, and the overall procedure will be obvious to those skilled in the art.

この実施形態は、旧型装置の改装により本明細書で記載されるシステムの利益を利用することが可能な場合の既存の配置に特に好適である。気−気熱交換器の導入により、冷却スリップストリームは、酸性ガスの組成と必要な運転条件とに応じて、通常1段階を通る混合流量の4%から10%に低減される。圧縮の1段階を通る処理量の増加は、理論上、総圧縮動力需要を1%〜2%(すなわち、5段階圧縮機の4%〜10%の1/5)増やす。LTSの追加は、既存の吸込スクラバの冶金学的特性が生成された酸性水と相性が悪く、既存のスクラバを置き換えることが適切でないと考えられる場合にのみ必要である。この実施形態の資本コストは、その分だけ増加する。   This embodiment is particularly suitable for existing arrangements where it is possible to take advantage of the system described herein by retrofitting older equipment. With the introduction of a gas-to-air heat exchanger, the cooling slipstream is reduced from 4% to 10% of the mixed flow rate, usually through one stage, depending on the acid gas composition and the required operating conditions. Increasing throughput through one stage of compression theoretically increases the total compression power demand by 1% to 2% (ie, 1/5 of 4% to 10% of a five stage compressor). The addition of LTS is only necessary if the metallurgical properties of the existing suction scrubber are incompatible with the generated acidic water and it is not appropriate to replace the existing scrubber. The capital cost of this embodiment increases accordingly.

図10に示す実施形態では、この場合の重い液相流34は、通常は、超臨界(濃密相)又は液体の、通常温かい高圧再利用流れである。この流れはジュール・トムソン弁44に送られ、ここで圧力が低下し、従って、流れ34の温度が低下する。冷低圧再利用流89は、混合装置92への予冷入口流90との混合に使用される。   In the embodiment shown in FIG. 10, the heavy liquid phase stream 34 in this case is usually a supercritical (dense phase) or liquid, normally warm, high pressure recycle stream. This stream is sent to the Joule-Thomson valve 44 where the pressure is reduced and thus the temperature of the stream 34 is reduced. The cold and low pressure recycle stream 89 is used for mixing with the precooled inlet stream 90 to the mixing device 92.

前に図9に関し考察したように、混合物は、数字93で表される。低温分離器94を96から出る液相は、ほとんどが水である。この流れは、通常、いずれかの場所で水処理工程に混合される。   As discussed previously with respect to FIG. 9, the mixture is represented by numeral 93. The liquid phase exiting the cryogenic separator 94 from 96 is mostly water. This stream is usually mixed into the water treatment process somewhere.

一例として挙げると、熱交換器86中で利用できる表面積によって変わるが、流れ90を約60°F〜70°F(15.55℃〜21.11℃)に冷却できる。スリップストリーム34(その他の実施形態に関して前に本明細書で考察したような)は、120°F(48.89℃)で、場合により2,000psig(137.9bar)であってもよい。この高圧流は、ジュール・トムソン弁44で減圧できる。高圧流は、ここで、流れ90とほぼ同じ圧力の600psig(41.37bar)に減圧される。ジュール・トムソン弁を通過した結果、流れが膨張し、それにより約40°F(4.4℃)に冷却される。得られた冷流89は、混合装置92中で流れ90と混合される。約50°F(10℃)の温度でこのように形成された混合物93は、低温分離器94に送られる。この時点で、600psi(41.37bar)の圧力で凝結した液体は、冷液体流96を形成する。分離器94を出る流れ112は冷酸性ガス(通常、CO)蒸気流であり、高温入口流の予冷用の供給源として使用できる。流れ18及び112は、気−気熱交換器である熱交換器86中に通され、当該熱交換器を使って、流れ18中からの熱を、低温分離器94からの冷蒸気流112に移す。この熱交換器は、交換器86を出る流れ90を予冷し、それにより、必要とする追加の冷却の量を減らせる。この時点で流れ114は、本明細書で記載の例から約110°F(43.33℃)の温度を有する。 As an example, depending on the surface area available in the heat exchanger 86, the stream 90 can be cooled to about 60 ° F. to 70 ° F. (15.55 ° C. to 21.11 ° C.). Slip stream 34 (as discussed hereinbefore with respect to other embodiments) may be 120 ° F. (48.89 ° C.) and optionally 2,000 psig (137.9 bar). This high-pressure flow can be reduced by the Joule-Thomson valve 44. The high pressure stream is now reduced to 600 psig (41.37 bar) at about the same pressure as stream 90. As a result of passing through the Joule Thomson valve, the flow expands and thereby cools to about 40 ° F. (4.4 ° C.). The resulting cold stream 89 is mixed with stream 90 in a mixing device 92. The mixture 93 thus formed at a temperature of about 50 ° F. (10 ° C.) is sent to a cryogenic separator 94. At this point, the liquid condensed at a pressure of 600 psi (41.37 bar) forms a cold liquid stream 96. The stream 112 exiting the separator 94 is a cold acid gas (usually CO 2 ) vapor stream that can be used as a source for precooling the hot inlet stream. Streams 18 and 112 are passed through heat exchanger 86, which is a gas-to-air heat exchanger, using the heat exchanger to transfer heat from stream 18 to cold steam stream 112 from cold separator 94. Move. This heat exchanger pre-cools the stream 90 exiting the exchanger 86, thereby reducing the amount of additional cooling required. At this point, stream 114 has a temperature of about 110 ° F. (43.33 ° C.) from the examples described herein.

Claims (11)

凝縮性成分を含む流体から凝縮性成分を除去し、前記流体に存在する炭化水素を回収するための方法であって、
凝縮性成分を含む初期供給流の温度を熱交換により最適化し、冷却してそこから液体を凝結させ、前記液体を除去してガス流を形成することと、
前記ガス流を圧縮及びアフタークールして高圧流を形成することと、
高圧流の少なくとも一部を膨張させて冷却された低圧流を形成することと、
前記冷却された低圧流と前記初期供給流とを混合し、前記初期供給流中の凝縮性成分の冷却及び凝結を増加させ混合物を形成することと、
前記混合物を液体流とガス流とに分離することと、
気−液熱交換操作と気−気熱交換操作とを順次行って熱交換するために、前記液体流及び前記ガス流を初期供給流と接触させることと、
水和物の形成を妨げるために前記方法の間、全ての流れの組成を操作することと、
炭化水素を回収することと、
を含む方法。
A method for removing condensable components from a fluid containing condensable components and recovering hydrocarbons present in the fluid,
Optimizing the temperature of the initial feed stream containing the condensable component by heat exchange, cooling and condensing the liquid therefrom, removing the liquid to form a gas stream;
Compressing and aftercooling the gas stream to form a high pressure stream;
Expanding at least a portion of the high pressure stream to form a cooled low pressure stream;
Mixing the cooled low pressure stream and the initial feed stream to increase the cooling and condensation of condensable components in the initial feed stream to form a mixture;
Separating the mixture into a liquid stream and a gas stream;
Gas - liquid heat exchange operation and the gas - to perform the air heat exchange operation successively to heat exchange, and to cause the front Symbol liquid stream and the gas stream is contacted with an initial feed stream,
Manipulating the composition of all streams during the process to prevent hydrate formation;
Recovering hydrocarbons;
Including methods.
前記初期供給流の前記炭化水素及び含水量を測定するステップを含む請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, comprising measuring the hydrocarbon and water content of the initial feed stream. 水和物が生成する範囲外の温度で前記方法を実施するステップをさらに含む請求項1又は2に記載の方法。   3. The method of claim 1 or 2, further comprising the step of performing the method at a temperature outside the range where hydrates are formed. 前記供給流を含水量低減単位操作のために処理するステップをさらに含む請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。   4. A method according to any one of claims 1 to 3, further comprising the step of processing the feed stream for moisture content reduction unit operation. 前記方法から生成された前記流れから炭化水素を回収すること、をさらに含む請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。   The method of any one of claims 1 to 4, further comprising recovering hydrocarbons from the stream produced from the method. 前記方法から生成された前記流れから酸性ガス成分を回収すること、をさらに含む請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。   6. The method of any one of claims 1-5, further comprising recovering an acidic gas component from the stream generated from the method. 前記酸性ガス成分を再利用すること、をさらに含む請求項6に記載の方法。   The method of claim 6, further comprising recycling the acid gas component. 前記流体が正のジュール・トムソン係数を有する請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the fluid has a positive Joule-Thomson coefficient. 前記凝縮性成分は、C12及びさらに重い炭化水素を含む請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。 The condensable components A method according to any one of claims 1 to 8 comprising the C 5 H 12 and heavier hydrocarbons. 前記流体に対し水和物抑制剤を添加するステップをさらに含む請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。   The method of any one of claims 1 to 9, further comprising adding a hydrate inhibitor to the fluid. 前記水和物抑制剤がメタノールである請求項1〜10のいずれか1項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the hydrate inhibitor is methanol.
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