從流體流和流體分離組合件中移除和固化二氧化碳的方法

2023-09-18 09:19:00

專利名稱：從流體流和流體分離組合件中移除和固化二氧化碳的方法
技術領域：
本發明涉及從流體流中移除二氧化碳的方法。具體地，本發明的實施方案涉及從 天然氣流中移除二氧化碳的方法。本發明還涉及流體分離組合件。
背景技術：
來自貯存或生產氣藏的天然氣通常含有二氧化碳(CO2)。這種天然氣稱為「酸」氣。 在流體流中稱為「酸」的另一種物質是硫化氫(H2S)。沒有上述酸物質的流體流稱為「甜」流 體。CO2促進管道內的腐蝕。並且，在一些司法管轄區，可能實施針對流體流中CO2最 大濃度的法律和商業要求。因此，期望從酸流體流中移除co2。流體變甜的方法，即從流體流中移除如二氧化碳的酸性物質的方法，在現有技術 中是已知的。這種方法一般包括化學吸收、物理吸收、低溫蒸餾(也稱為低溫分離)和膜分 離中的至少一種。使用這種方法從流體流中移除二氧化碳是極其複雜和昂貴的。

發明內容
期望有比上述方法更加有效操作的從流體流中移除二氧化碳的方法。為此，本發 明的一個實施方案提供一種通過流體分離組合件從流體流中移除二氧化碳的方法，所述流 體分離組合件包括-旋流分離器，包括設置在合流入口段和分流出口段之間的喉部以及設置為使在 旋流分離器的至少一部分中的含二氧化碳的流體產生渦流運動的渦流產生裝置，所述合流 入口段包括用於流體組分的第一入口，所述分流出口段包括用於貧二氧化碳的流體的第一 出口和和用於富二氧化碳的流體的第二出口；-分離容器，具有與收集槽相連的第一段，所述第一段配置有與旋流分離器的第二 出口相連的第二入口，並且所述收集槽配置有用於固化二氧化碳的第三出口 ；所述方法包括-在第一入口處提供流體流，所述流體流含有二氧化碳；-對流體流施加渦流運動，以使流體流中的濃縮組分和固化組分中的至少其一在 渦流產生裝置的下遊產生向外運動和形成向外流體流；-使渦流流體流膨脹，以在流體流中形成亞穩態的液化二氧化碳組分，並且使亞穩 態的液化二氧化碳組分在渦流運動的影響下產生向外運動；-經第二出口從所述旋流分離器中提取含有亞穩態的液化二氧化碳組分的向外流 體流；-將提取的向外流體流作為混合物經第二入口提供至分離容器；-將該混合物經分離容器的第一段導向收集槽，同時在第一段提供工藝條件，使得 由亞穩態的液化二氧化碳組分形成固化的二氧化碳；
-經第三出口提取固化的二氧化碳。在一個實施方案中，本發明還涉及一種用於從流體流中移除二氧化碳的流體分離 組合件，所述流體分離組合件包括-旋流分離器，包括設置在合流入口段和分流出口段之間的喉部以及設置為使在 分離器的至少一部分中的含二氧化碳的流體產生渦流運動的渦流產生裝置，所述合流入口 段包括用於流體組分的第一入口，所述分流出口段包括用於貧二氧化碳的流體的第一出口 和和用於富二氧化碳的流體的第二出口；-分離容器，具有與收集槽相連的第一段，所述第一段配置有與旋流分離器的第二 出口相連的第二入口，並且所述收集槽配置有用於固化二氧化碳的第三出口 ；其中所述流體分離組合件設置為_在第一入口處接收含有二氧化碳的流體流；-對流體流施加渦流運動，以使流體流中的濃縮組分和固化組分中的至少其一在 渦流產生裝置的下遊產生向外運動和形成向外流體流；-使渦流流體流膨脹，以在流體流中形成亞穩態的液化二氧化碳組分，並且使亞穩 態的液化二氧化碳組分在渦流運動的影響下產生向外運動；-經第二出口從所述旋流分離器中提取含有亞穩態的液化二氧化碳組分的向外流 體流；-將提取的向外流體流作為混合物經第二入口提供至分離容器；-將所述混合物經分離容器的第一段導向收集槽，同時在第一段提供工藝條件，使 得由亞穩態的液化二氧化碳組分形成固化的二氧化碳；-能夠經第三出口提取固化的二氧化碳。在整個說明書中，使用術語「流體」。該術語是指液體和/或氣體。


下面將結合附圖僅通過實施例來描述本發明的實施方案，在附圖中相應的附圖標 記表示相應的部件，其中-圖1示意性示出可用於本發明實施方案中的旋流分離器的縱剖面圖；-圖2示意性示出可用於本發明實施方案中的分離容器的剖面圖；-圖3a、3b示出含二氧化碳的天然氣的示例性相圖，其中示意性地圖示出根據本 發明的方法的不同實施方案。
具體實施例方式圖1示意性示出可用於本發明實施方案中的旋流分離器1的縱剖面圖。在國際專 利申請W003/029739中詳細描述了這種旋流分離器。應理解的是，在本發明的實施方案中， 也可以使用不同類型的旋流分離器，如W099/01194、W02006/070019和W000/23757中所述 的旋流分離器。旋流分離器1包括合流入口段3、分流出口段5和設置在合流入口段3和分流出口 段5之間的管狀喉部4。旋流分離器1還包括渦流產生裝置，例如多個渦流產生葉片2，其 設置為在旋流分離器1的至少一部分中產生流體的渦流運動。
合流入口段3包括第一入口 10。分流出口段5包括第一出口 6和第二出口 7。下面將對根據本發明的一個實施方案的利用旋流分離器1從含二氧化碳的流體 流中分離二氧化碳的情況來說明旋流分離器1的各個部件的功能。含二氧化碳的流體流經第一入口 10進料到合流入口段3。在本發明的一個實施方 案中，流體流包括摩爾百分比大於10%的二氧化碳。渦流產生葉片2在流體流中產生循環 並且相對旋流分離器1的中心軸(即旋流分離器1圍繞其大致為旋轉對稱的軸)成α角。 然後，渦流流體流膨脹至高速度。在本發明的一些實施方案中，多個渦流產生葉片2設置在 喉部4中。在本發明的其它實施方案中，多個渦流產生葉片2設置在合流入口段3中。在本發明的一些實施方案中，渦流流體流具有跨音速。在本發明的其它實施方案 中，渦流流體流可達到超音速。膨脹迅速進行。對於膨脹可以限定兩個時標。第一個時標涉及傳質時間，即與回復平衡條件相關的時間。取決於兩相體系 中的界面面積密度，兩相間的擴散係數和偏離平衡的幅度。液固相轉變的通常比氣液相 轉變的大兩個數量級。第二個時標涉及裝置中流體的膨脹停留時間t_。tMS涉及裝置中流體的平均速度 和流體流經的裝置的軸長度。當_ > 1時，膨脹被稱為「快速」。
res由於快速膨脹導致流體流的高速度，使得渦流流體流可達到低於200K的溫度和 低於合流入口段3的第一入口 10處壓力的50%的壓力。由於上述膨脹，導致二氧化碳組分 在流體流中形成亞穩態。在入口段3的流體流是氣體流的情況下，二氧化碳組分將形成為 液化二氧化碳組分。在入口段3的流體流是液體流的情況下，將形成烴蒸氣，而大部分二氧 化碳組分保持液體形式。在管狀喉部4中，可使流體流進一步膨脹到更高速度或保持基本 恆定的速度。在第一種情況下，即流體流膨脹到更高速度時，前述二氧化碳組分繼續形成並且 顆粒將得到質量。優選的是，膨脹擴展到固體共存區(圖3a、3b中的IVa或IVb)。但是，相 對於平衡而言，固化將延遲，這是因為從液體到固體的相轉變與成形的自由能勢壘有關。如 將參照圖3a和3b進一步描述的，一部分二氧化碳會固化。當流體流保持基本不變的速度時，二氧化碳組分的形成在限定的弛豫時間後將大 致停止。在這兩種情況中，即流體流膨脹到更高速度或流體流保持基本不變的速度時，離心 作用導致二氧化碳顆粒漂移至與旋流分離器1外殼的內壁相鄰的流動區外圍以形成向外 流體流。在這種情況下，向外流體流是富二氧化碳的流體流，其中的二氧化碳組分被液化和 /或部分固化。在管狀喉部4的下遊，從旋流分離器1中，經旋流分離器1的第二出口 7提取含有 前述亞穩態的二氧化碳組分的向外流體流。從旋流分離器1中，經旋流分離器1的第一出 口 6提取流體流中不是前述向外流體流部分的其它組分。圖2示意性示出可用於本發明實施方案中的分離容器的剖面圖。分離容器21具 有第一部分，又稱為管狀部分22，其在使用時沿收集槽23的基本垂直方向放置並與收集槽 23連接。收集槽23配置有第三出口 26和第四出口 28。管狀部分22配置有第二入口 25 和第五出口 29。第二入口 25與旋流分離器1的第二出口 7相連。在一個實施方案中，第二 入口 25設置為提供切向流體流到分離容器21中，例如，第二入口 25設置為與分離容器21
7的周邊相切。分離容器21還包括在圖2中以附圖標記31示意性表示的冷卻裝置和在圖2 中以附圖標記33示意性表示的分離裝置。對於在根據本發明的一個實施方案的從流體流中移除二氧化碳的方法中使用分 離容器21的情況，下面描述分離容器21各個部件的功能。冷卻裝置31配置為在分離容器21中提供預定溫度條件。該溫度條件為能夠使作 為混合物經第二入口 25進入分離容器21的富二氧化碳流體固化。換言之，分離容器21內 的溫度應保持低於二氧化碳的固化溫度，而二氧化碳的固化溫度取決於分離容器21中的 壓力條件。在分離容器21中，含有源自旋流分離器1的第二出口 7的二氧化碳的混合物被分 為至少三部分。這些部分分別是第一部分是氣體組分，第二部分是主要為液態的烴，第三 部分是主要為固態的二氧化碳。第一部分由離開第二出口 7的液體所夾帶出的氣體組分形成。冷卻裝置31配置 為保持分離容器21中的溫度低於流體的固化溫度。氣體組分不含很多二氧化碳，因為大部 分二氧化碳會溶於混合液體中，以下將參考圖3更加詳細地說明。貧二氧化碳的氣體組分 可經第五出口 29離開分離容器21。由於從混合物的液體中固化二氧化碳(也就是將根據圖3更加詳細說明的現象)， 因此不再含有氣體組分的混合物可通過分離裝置33分成含烴的液體組分和固體二氧化碳 組分。可能的分離裝置33包括重力分離器，離心機和水力旋流器。在使用重力分離器的情 況下，優選包括多個疊片。在使用離心機的情況下，優選包括堆疊的碟碗。分離容器21中 的分離裝置33配置為使烴液體組分能夠經第四出口 28離開分離容器21和使固化的二氧 化碳能夠經第三出口 29離開分離容器21。在一個實施方案中，流體分離組合件還包括與第三出口 29相連的螺旋輸送器或 螺旋卸料機35。螺旋卸料機35配置為從分離容器21中提取固化的二氧化碳。在另一個實施方案中，暴露於流體的流體分離組合件的元件即旋流分離器1，分離 容器21和與旋流分離器1的第二出口 7和分離容器21的第二入口 25相連的一個或多個 管等的內表面，配置有非粘塗層。非粘塗層防止固化的流體組分即二氧化碳在前述內表面 的粘附。這種粘附將會降低流體分離組合件的效率。圖3a、3b示出含二氧化碳的天然氣的示例性相圖，其中示意性圖示出根據本發明 方法的不同實施方案。相表示為壓力(巴)和溫度(攝氏度)的函數。在該特定情況中， 天然氣含71摩爾％的0)2。另外，天然氣還含有0.5摩爾％的氮氣(N2)，0.5摩爾％的硫化 氫012幻，27摩爾％的(1即其中具有一個碳原子的烴以及1摩爾％的02即其中具有兩個 碳原子的烴。相圖標記如下V =氣相，L =液相，C =固體C02。不同共存相的面積通過計 算相邊界來分離。在圖3a中，圖1中示意性說明的在旋流分離器1的第一入口 10處的流體流的條 件對應於坐標80巴和-40°C，在圖3a的圖中以[起點]表示。沿箭頭A的等熵軌跡是在 液相區(II)中，而沿箭頭B的等熵軌跡是在氣/液共存區(III)中。由於共存區(III)中 的膨脹，使得沿箭頭B可達到液/氣區的亞穩態，直到在特定的超飽和條件下發生相轉變。 隨後，所產生的蒸發過程將回復平衡條件。流體流沿箭頭C的再膨脹可導致流體在氣/液 /固共存區(IVb)或氣/固共存區(IVa)中達到亞穩態。即使沿箭頭C所示的膨脹軌跡，也不會瞬時發生形成固體二氧化碳的相轉變，氣相中的二氧化碳部分將耗盡，同時更多二 氧化碳溶於液體中。在本發明的實施方案中，流體流可通過旋流分離器，例如如國際專利申 請TO2006/070019中所述的旋流分離器，在箭頭C所示的膨脹軌跡的末端處分離為富二氧 化碳流體流和貧二氧化碳流體流。分離的富二氧化碳流體處於非平衡態，其僅持續約10微 秒的有限時間段。因此，富二氧化碳流體在旋流分離器1的分流出口段5的第二出口 7中 被再壓縮並且經第二出口 7排放到分離容器21，優選在亞穩態存在的所述時間段內。所述 亞穩態的破壞導致固體的形成，實踐中是指液體中溶解的二氧化碳固化。二氧化碳固化導 致潛熱釋放，使得流體溫度上升。因此，進入分離容器21的分離的富二氧化碳流體可被冷 卻以確保流體保持在氣/固或氣/液/固共存區中。所述的富二氧化碳流體的冷卻和再壓 縮過程由箭頭D示出。在本發明的實施方案中，在分離容器21中發生進一步固化過程。在 分離容器21內處於新發展的平衡的流體狀態標記為[終點]。如上所述，通過第三出口 26 移除固化的二氧化碳。在圖3b中，在圖1中示意性示出的旋流分離器1的第一入口 10處的流體流的條 件對應於坐標約85巴和約18°C，在圖3b的圖中以[起點]表示。沿箭頭A』的等熵軌跡是 在氣相區(I)中，而沿箭頭B』的等熵軌跡是在氣/液共存區(III)中。由於共存區(III) 中的膨脹，使得沿箭頭B』可達到液/氣區的亞穩態，直到在某特定的超冷條件下發生相轉 變。然後，所產生的冷凝過程將回復平衡條件。流體流沿箭頭C』的再膨脹可導致流體在氣 /液/固共存區(IVb)或氣/固共存區(IVa)中達到亞穩態。即使沿箭頭C』所示的膨脹軌 跡，也不會瞬時發生形成固體二氧化碳的相轉變。在本發明的實施方案中，參考圖1的上述 過程，流體流可通過旋流分離器1，在箭頭C所示的膨脹軌跡的末端處分離為富二氧化碳流 體流和貧二氧化碳流體流。另外，關於該過程的更詳細描述可參見國際申請W003/029739。 分離的富二氧化碳流體處於非平衡態，其僅能持續約10微秒的有限時間段。因此，富二氧 化碳流體在旋流分離器1的分流出口段5的第二出口 7中被再壓縮並且經第二出口 7排放 到分離容器21，優選在亞穩態存在的所述時間段內。所述亞穩態的破壞導致從流體流的液 化部分中形成固體二氧化碳。二氧化碳的固化導致潛熱釋放，使得流體溫度上升。因此，進 入分離容器21的分離的富二氧化碳流體可被冷卻以確保流體保持在氣/固或氣/液/固 共存區中。所述的富二氧化碳流體的冷卻和再壓縮過程由箭頭D』示出。在本發明的實施方案中，在分離容器21中發生進一步固化過程。在分離容器21 內處於新發展的平衡的流體狀態標記為[終點]。同樣，如上所述，再次通過第三出口 26移 除固化的二氧化碳。儘管上文已經描述了本發明的特定實施方案，但是應理解的是本發明可以採取所 述之外的方法實現。以上說明書旨在說明，而非對本發明進行限定。因此，本領域技術人員 知曉可對所述的本發明實施方案進行修改而不背離權利要求的範圍。
權利要求
一種通過流體分離組合件從流體流中移除二氧化碳的方法，所述流體分離組合件包括 旋流分離器，包括設置在合流入口段和分流出口段之間的喉部以及設置為使在所述旋流分離器的至少一部分中的含二氧化碳的流體產生渦流運動的渦流產生裝置，所述合流入口段包括用於流體組分的第一入口，所述分流出口段包括用於貧二氧化碳流體的第一出口和用於富二氧化碳流體的第二出口； 分離容器，具有與收集槽相連的第一段，所述第一段配置有與所述旋流分離器的所述第二出口相連的第二入口，並且所述收集槽配置有用於固化的二氧化碳的第三出口；所述方法包括 在所述第一入口處提供流體流，所述流體流含有二氧化碳； 對所述流體流施加渦流運動，以使所述流體流中的濃縮組分和固化組分中的至少其一在所述渦流產生裝置的下遊產生向外運動和形成向外流體流； 使渦流流體流膨脹，以在所述流體流中形成亞穩態的液化二氧化碳組分，並且使所述亞穩態的液化二氧化碳組分在所述渦流運動的影響下產生向外運動； 經所述第二出口從所述旋流分離器中提取含有所述亞穩態的液化二氧化碳組分的向外流體流； 將提取的向外流體流作為混合物經所述第二入口提供至所述分離容器； 將所述混合物經所述分離容器的所述第一段導向所述收集槽，同時在所述第一段中提供工藝條件，使得由所述亞穩態的液化二氧化碳組分形成固化的二氧化碳； 經所述第三出口提取所述固化的二氧化碳。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述分離容器的所述第一段還配置有第四出口， 並且所述方法還包括經所述第四出口提取貧二氧化碳的氣體組分。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中所述收集槽還配置有第五出口，並且所述方法 還包括經所述第五出口提取烴液體組分。
4.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述分離容器還包括配置為在其中提 供預定溫度條件的冷卻裝置，所述溫度條件使得所述富二氧化碳流體能夠固化。
5.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述流體分離組合件還包括與所述第 三出口相連的螺旋卸料機，並且所述固化的二氧化碳的提取是通過利用所述螺旋卸料機輸 送進行的。
6.根據前述權利要求1中任一項所述的方法，其中所述流體流包含摩爾百分比大於 10%的二氧化碳。
7.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述渦流流體流的膨脹使所述渦流流 體流達到超音速。
8.根據權利要求7的方法，其中所述膨脹還使溫度達到200K以下。
9.根據權利要求7或8的方法，其中所述膨脹還使壓力達到所述旋流分離器的所述第 一入口的壓力的50%以下。
10.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述渦流產生裝置包括多個渦流產 生葉片。
11.根據權利要求10的方法，其中所述多個渦流產生葉片設置在所述喉部。
12.根據權利要求10的方法，其中所述多個渦流產生葉片設置在所述入口段。
13.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中暴露於所述流體的所述流體分離組 合件的元件的內表面配置有非粘塗層。
14.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述將提取的所述向外流體流作為 混合物經所述第二入口提供到所述分離容器設置為提供切向流體流。
15.一種用於從流體流中移除二氧化碳的流體分離組合件，所述流體分離組合件包括-旋流分離器，包括設置在合流入口段和分流出口段之間的喉部以及設置為使在所述 分離器的至少一部分中的含二氧化碳的流體產生渦流運動的渦流產生裝置，所述合流入口 段包括用於流體組分的第一入口，所述分流出口段包括用於貧二氧化碳流體的第一出口和 用於富二氧化碳流體的第二出口；-分離容器，具有與收集槽相連的第一段，所述第一段配置有與所述旋流分離器的所述 第二出口相連的第二入口，並且所述收集槽配置有用於固化的二氧化碳的第三出口 ；其中所述流體分離組合件設置為-在所述第一入口處接收流體流，所述流體流含有二氧化碳；-對所述流體流施加渦流運動，以使所述流體流中的濃縮組分和固化組分中的至少其 一在所述渦流產生裝置的下遊產生向外運動和形成向外流體流；-使渦流流體流膨脹，以在所述流體流中形成亞穩態的液化二氧化碳組分，並且使所述 亞穩態的液化二氧化碳組分在所述渦流運動的影響下產生向外運動；-經所述第二出口從所述旋流分離器中提取含有所述亞穩態的液化二氧化碳組分的向 外流體流；-將提取的所述向外流體流作為混合物經所述第二入口提供至所述分離容器；_將所述混合物經所述分離容器的所述第一段導向所述收集槽，同時在所述第一段中 提供工藝條件，使得由所述亞穩態的液化二氧化碳組分形成固化的二氧化碳；-實現經所述第三出口提取所述固化的二氧化碳。
16.根據權利要求15所述的流體分離組合件，其中所述第一段還配置有第四出口，所 述第四出口設置為能夠提取貧二氧化碳的氣體組分。
17.根據權利要求15或16所述的流體分離組合件，其中所述收集槽還裝配有第五出 口，所述第五出口配置為能夠提取烴液體組分。
18.根據權利要求15-17中任一項所述的流體分離組合件，其中所述分離容器還包括 配置為在其中提供預定溫度條件的冷卻裝置，所述溫度條件使得所述富二氧化碳流體能夠 固化。
19.根據權利要求15-18中任一項所述的流體分離組合件，其中所述流體分離組合件 還包括與所述第三出口相連的螺旋卸料機，所述螺旋卸料機配置為能夠經所述第三出口通 過輸送來提取所述固化的二氧化碳。
20.根據權利要求15-19中任一項所述的流體分離組合件，其中所述渦流產生裝置包 括多個渦流產生葉片。
21.根據權利要求20所述的流體分離組合件，其中所述多個渦流產生葉片設置在所述 喉部。3
22.根據權利要求20所述的流體分離組合件，其中所述多個渦流產生葉片設置在所述 入口段。
23.根據權利要求15-22中任一項所述的流體分離組合件，其中暴露於所述流體的所 述流體分離組合件的元件的內表面配置有非粘塗層。
24.根據權利要求15-23中任一項所述的流體分離組合件，其中所述分離容器的所述 第二入口設置為與所述分離容器的周邊相切。
全文摘要
本發明涉及一種通過流體分離組合件從流體流中移除二氧化碳的方法。所述流體分離組合件具有旋流分離器(1)和渦流產生裝置(2)，所述旋流分離器(1)包括設置在合流入口段(3)和分流出口段(5)之間的管狀喉部(4)。分離容器(21)具有置於收集槽(23)上並與收集槽(23)相連的管狀部(22)。在所述方法中，提供含有二氧化碳的流體流。然後，對流體流施加渦流運動以產生向外運動。然後，使渦流流體流膨脹，以在流體流中形成亞穩態的二氧化碳組分。接著，從旋流分離器(1)中提取含有二氧化碳組分的向外流體流(7)，並將其作為混合物提供到分離容器(21)。然後，該混合物經管狀部(22)被導向收集槽(23)，同時提供工藝條件以便形成固化的二氧化碳。最後，提取所述固化的二氧化碳。
文檔編號B04C3/00GK101959574SQ200780102411
公開日2011年1月26日 申請日期2007年12月28日 優先權日2007年12月28日
發明者巴爾特·普拉斯特, 科內利斯·安東尼·琴克威林克, 雅各布·阿里耶·科內利斯·朗格拉克, 馬可·貝廷 申請人:纏繞機公司