[0001] 优先权声明

[0002] 本申请要求2013年6月14日提交的美国申请No.13/918,657的优先权，通过引用将其内容全部并入本文中。

[0003] 本公开内容一般性地涉及用于气体分离的方法和系统。更特别地，本公开内容涉及用于将二氧化碳与天然气或合成气流分离的方法和系统。

[0004] 背景

[0005] 除其它原因外，二氧化碳(CO2)与含有氢气或烃的不纯气流分离和脱除是改进气体产物的热值以及满足关于CO2俘获的适用环境方针想要的。CO2与氢气或轻质烃(即C1-C3烃)之间的大量性能区别用作气体分离的潜在基础。这些区别包括溶解度、水溶液中的酸度以及分子大小和结构。因此，可能的分离依赖于例如物理或化学吸收到液体溶剂中或者用固体吸收剂的变压吸收。

[0006] 液体溶剂吸收(即“湿”)体系例如常用于气体分离以除去次要量的CO2。该污染物优先吸收在物理溶剂如聚乙二醇的二甲基醚或者化学溶剂如链烷醇胺或碱金属盐中。随后通过压力基分离方法将所得富(即“载有”)CO2的溶剂再生以回收CO2和再生溶剂，所述再生溶剂可再循环以进一步用于吸收中。溶剂再生通常在相对于上游吸收压力降低的压力下进行以促进吸收的CO2从溶剂中蒸发。溶剂吸收和溶剂再生通常在包含填料、泡罩板或其它蒸气-液体接触装置的不同塔中进行以改进相之间的质量传递效率。CO2可以以多于一个料流，例如以多个压力基分离器的蒸气馏分回收。

[0007] 化学溶剂，特别是胺和其它碱性化合物与污染物CO2，酸性气体反应形成污染物-溶剂化学键。在热力学有利的酸-碱反应期间，相当的能量释放与该键形成有关。由于打破作为化学反应产物形成的热稳定盐的键所需的实质性热输入，化学溶剂不能经济地再生。另一方面，物理溶剂不与气体污染物化学反应，而是基于不纯气体中在其分压下的较高污染物平衡溶解度(即较高的亨利定律常数)促进物理吸收。

[0008] 由于溶剂再生的容易性，保持对不纯气流呈非化学反应性的物理溶剂因此在气体分离系统中是理想的。然而，物理溶剂的一个缺点是它们倾向于连同CO2一起同时吸收少量烃。当随后使溶剂再生时，烃与CO2一起从溶剂中释放出来，产生不纯的CO2产物。因此，现有技术系统要求不纯的CO2再循环返回吸收塔中。该不纯CO2再循环必需吸收塔尺寸的提高、溶剂循环速率的提高、系统冷却需求的提高和溶剂总量的提高，这都提高所用辅助设备和材料方面的系统操作成本。

[0009] 因此，理想的是提供降低或消除对不纯CO2再循环的需要的用于将CO2与包含氢气和烃的气流分离的系统和方法。进一步理想的是提供降低输入成本如效用成本和材料成本的这类系统和方法。此外，本公开内容的其它理想特征和特性从随后的详细描述和所附权利要求书，连同附图和该公开内容背景中获悉。

[0010] 概述

[0011] 公开了用于气体分离的系统和方法。在一个示例实施方案中，气体分离方法包括步骤：使包含产物气体和杂质气体的进料气流与液相吸收溶剂接触，和将进料气流中的杂质气体和一部分产物气体吸收到液相吸收溶剂中。该示例方法进一步包括步骤：使液相吸收溶剂经受第一减压环境以将一部分产物气体和一部分杂质气体从液相吸收溶剂中除去，和将一部分产物气体与一部分杂质气体分离。

[0012] 在另一示例实施方案中，用于气体分离的系统包括：吸收分离装置，其配置用于使包含产物气体和杂质气体的进料气流与液相吸收溶剂接触以将一部分产物气体和杂质气体吸收到液相吸收溶剂中。系统进一步包括：第一压力基分离装置，其配置用于使液相吸收溶剂经受第一减压环境以将一部分杂质气体和一部分产物气体从液相吸收溶剂中除去。又进一步，系统包括：膜分离装置，其配置用于将一部分产物气体与一部分杂质气体分离。

[0013] 附图简述

[0014] 下文连同以下附图一起描述气体分离系统和相关方法，其中类似的数字表示类似的构件，且其中：

[0015] 图1为阐述根据本公开内容的各个实施方案在气体分离系统上执行的方法的工艺流程图；

[0016] 图2为适用于图1所述在气体分离系统上执行的方法的示例膜分离系统；和[0017] 图3为适用于图1所述在气体分离系统上执行的方法的可选膜分离系统。

[0018] 详述

[0019] 以下详细描述在性质上仅为示例，且不意欲限制所公开实施方案的公开内容或应用和用途。本文所述气体分离系统和相关方法的所有实施方案和执行为示例实施方案，其用于使本领域技术人员能够做出或者使用它且不限制由权利要求书限定的其范围。此外，不意欲受先前的技术领域、背景、概述或以下详细描述中呈现的任何明确或暗示的理论束缚。

[0020] 本公开内容的实施方案一般性地涉及气体分离方法，其中将作为不纯进料气体的次要组分存在的污染物选择性地吸收到溶剂中。该方法有利地回收净化产物气流中明显部分的不纯进料气体组分，包括污染物。代表性杂质气流包括包含氢气(H2)和/或轻质烃(例如C1-C3烃如甲烷、乙烷和丙烷)和非烃气体污染物如二氧化碳(CO2)的那些。这类气流的实例包括通常衍生自含碳材料气化或蒸汽重整的合成气体和通常衍生自陆地来源的天然气。天然气和合成气体料流通常包含污染含量，即10体积％或更少的量，例如1％至10体积％(其余90体积％或更多由氢气和/或上述烃气体占据)或者5体积％或更少的量的CO2。为了简化，下文关于该氢气和/或烃和CO2体系描述说明性实施方案，其中后一种组分以污染含量存在，但应当理解本公开内容宽泛地适用于杂质气体与不纯气体进料分离，其中以次要量存在的杂质气体优先吸收到液体溶剂，特别是物理溶剂中。

[0021] 本文公开的实施方案进一步使用膜分离系统将由用于将CO2与包含氢气和/或烃的气流分离的物理溶剂再生而产生的不纯CO2产物中的烃与CO2分离。通过在从溶剂中释放以后将烃杂质与CO2产物分离，不必使任何不纯CO2产物再循环返回吸收塔中。这又降低吸收塔的所需尺寸并进一步降低操作系统所需的辅助设备和材料成本。发现所述实施方案特别用于合成气体和天然气加工和提纯应用中，但其它执行也是可能的。

[0022] 现在参考图1，其为阐述根据本公开内容的各个实施方案在气体分离系统100上执行的方法的工艺流程图。如所示，将包含氢气和/或烃和污染含量的CO2的不纯进料气流102供入逆流吸收分离(或“吸收”)塔152中。不纯进料气流102在15℃(60°F)至65℃(150°F)的温度和21barg(300psig)至1500barg(100psig)的压力下提供。在吸收塔152中，不纯进料气体向上流过填充床，在那里它与向下流动的液相物理溶剂接触。代表性物理溶剂包括聚乙二醇的二烷基醚如聚乙二醇二甲醚、碳酸亚丙酯、磷酸三丁酯、甲醇、四氢噻吩二氧化物(或环丁砜)。其它可能的物理溶剂包括烷基-和链烷醇-取代的杂环烃，例如链烷醇吡啶(例如3-(吡啶-4-基)-丙-1-醇)和烷基吡咯烷酮(例如N-甲基吡咯烷酮)。气相与液相之间的接触在它们各自通过填充床时增强，在那里主要CO2以及一些烃和其它气体从气相转移至液相(即气体吸收到液相溶剂中)。处理的包含氢气和/或烃的气体通过塔顶部的去夹带装置，在那里它作为氢气和/或烃产物流136离开系统100。

[0023] 在与不纯进料气体接触以后，在塔底部收集的来自CO2吸收塔152的溶剂部分或完全“富含”或“载有”(即吸收)CO2。富CO2溶剂料流104在塔152的底部离开并送入第一压力基分离系统如第一闪蒸分离罐154中。在第一闪蒸分离罐154中，使富CO2溶剂经受第一减压环境以导致一些溶解的CO2和任何溶解的烃转移至气相中。第一闪蒸分离罐154通常在小于或等于27barg(400psig)(例如2barg(30psig)至27barg(400psig))的压力下操作。在一个实施方案中，闪蒸分离罐154在21barg(300psig)至27barg(400psig)的压力下操作。

[0024] 主要包括CO2和一些烃杂质的分离顶部气流106从第一闪蒸分离罐154的一端，例如顶部离开，并送入压缩机156中，在那里将气体的压力提高至21barg(300psig)至100barg(1500psig)。其后，将加压气流108(也主要包含CO2和一些烃杂质)送入冷却系统
157中，在那里除去由压缩产生的过多热。冷却系统157使气体的温度降至30℃(90°F)至50℃(120°F)。任选将料流110送入压缩机“分离”罐(图中未显示)或其它合适的装置中以将任何液体与蒸气相分离；分离器的气体出口可装配有网覆盖层或其它合适的装置以除去夹带的液体使得膜不暴露于液体下。

[0025] 然后将来自冷却系统157的冷却气流110送入膜分离系统158中。如上所述，本文公开的实施方案使用膜分离系统158将由从负载溶剂中闪蒸分离溶解气体而产生的烃污染CO2气流106/108/110中的任何烃污染物与CO2分离。通过在从溶剂中释放以后使用膜分离系统158将烃杂质与CO2产物分离，降低吸收塔152的所需尺寸以及操作系统100所需的辅助设备和材料成本。下面关于图2和3更详细地描述膜分离系统158的结构和操作。

[0026] 用于气体分离方法的膜分离系统通常基于由驱动力如压力、分压、浓度和/或温度的梯度产生的气体混合物的各个组分的相对渗透性。该选择性渗透导致气体混合物分离成通常称为“残余物”或“渗余物”的部分，例如通常包括较慢地渗透的混合物的组分，和“渗透物”，例如通常包括较快地渗透的混合物的组分。

[0027] 用于气体分离方法的膜通常以连续方式操作，其中将进料气流在膜的非渗透物侧引入膜分离组件中。进料气体在分离条件下引入，所述分离条件包括使进料气流的组分保持为蒸气相，很好地高于气流的露点的分离压力和温度，或者可能发生一种组分的冷凝的温度和压力条件。

[0028] 分离膜通常以多种形式制造，尤其包括平片配置和中空纤维配置。在本公开内容的示例实施方案中，平片分离膜创新地用于膜分离系统158中。在平片配置中，薄片通常结合成螺旋绕制构件。如图2所示，示例的平片螺旋绕制膜构件200包括其间具有渗透物间隔物202的两个或更多个膜平片201，其例如沿着其三面结合，例如粘合以形成在一端打开的包封203，即“叶”。包封通过进料间隔物205分离，并围绕心轴缠绕或者围绕渗透物管210缠绕，其中包封的开放端面对渗透物管210。如图2所示，冷却的不纯CO2料流110沿着膜构件200的一侧进入并通过分离包封203的进料间隔物205。当气体在包封203之间行进时，高度可渗透化合物如CO2渗透或者迁移至包封203中，如箭头225所示。这些渗透的化合物具有有效出口：它们在包封203内行进至渗透物管210，如箭头230所示。该输送的驱动力为低渗透物压力与高进料压力之间的分压差。渗透的化合物进入渗透物管210中，例如通过穿过渗透物管210的孔211，如箭头240所示。渗透的化合物然后行进通过渗透物管210，作为料流114离开。其它膜构件(未显示)可任选以多构件组件连接在一起。未渗透或迁移至包封中的气流110的组分，即残余组分如烃杂质经由料流112通过与进料侧相对的侧离开构件200。

[0029] 在一个实施方案中，经由料流114离开膜分离器158的渗透物CO2气体可在例如5barg(80psig)至10barg(150psig)下得到。经由料流112离开膜分离器158的残余烃气体可在14barg(200psig)下得到。

[0030] 图3描述适用于目前所述膜分离系统158中的膜的可选实施方案。特别地，描述中空纤维膜结构300。中空纤维膜结构300取决于设计包括选择性容许各种气体或液体渗透通过的多个中空纤维301。气体分离如上文所述进行，其中CO2气体以比烃气体更快的速率渗透通过。在可选实施方案中，本公开内容可使用上文图2中所述螺旋绕制膜200和图3所示中空纤维膜300中的一种或两种。

[0031] 在示例实施方案中，无论使用螺旋绕制膜200还是使用中空纤维膜300，膜可由玻璃质聚合物材料构成。在一个实例中，玻璃质聚合物材料包括乙酸纤维素。在另一实施方案中，玻璃质聚合物材料包括聚酰亚胺/全氟聚合物基材料。

[0032] 返回图1，如上文所指出的，膜分离系统158将冷却的不纯CO2料流110分离成富烃残余物(非渗透物)料流112和富CO2渗透物流114。富烃残余气流112再循环返回吸收塔152中以再加入不纯进料气体中。富CO2渗透物流114与由在第一压力基分离系统(即上文指出的闪蒸罐154)下游的另一压力基分离系统产生的CO2料流结合，如下文更详细地描述的。以这种方式，未必使任何不纯CO2产物再循环返回吸收塔152中。这又降低吸收塔152的所需尺寸并进一步降低操作系统100所需的辅助设备和材料成本。

[0033] 现在返回关于第一闪蒸分离罐154的描述，第一闪蒸溶剂料流116(即已暴露于第一闪蒸分离罐154的减压环境下的溶剂料流)离开罐154的一端，例如底部，并送入第二压力基分离系统，例如在比第一闪蒸分离罐154更低的压力下操作的第二闪蒸分离罐160。在第二闪蒸分离罐160中，溶剂经受第二减压环境以导致另外量的溶解CO2转移至气相中。第二闪蒸分离罐160在小于或等于21barg(400psig)(例如2barg(30psig)至
21barg(300psig))的压力下操作。在一个实施方案中，闪蒸分离罐160在14barg(200psig)至21barg(300psig)的压力下操作。第二分离闪蒸罐160在小于第一闪蒸分离罐154的压力下操作，使得导致溶剂中的其它溶解CO2转移至气相中。吸收的烃通过操作第一闪蒸分离罐154而基本从溶剂中除去，第二闪蒸分离罐产生基本纯的气相CO2产物流118。

[0034] 将离开罐160底部的第二闪蒸溶剂料流120送入两个其它压力基分离系统，例如两个其它闪蒸分离罐中：第三低压闪蒸分离罐162和第四真空闪蒸分离罐164。第三闪蒸分离罐162在比第二闪蒸分离罐160更低的压力下操作，且第四闪蒸分离罐164在比第三闪蒸分离罐162更低的压力下操作。例如，第三闪蒸分离罐162通常在小于或等于14barg(200psig)(例如2barg(30psig)至14barg(200psig))的压力下操作。在一个实施方案中，闪蒸分离罐162在7barg(200psig)至14barg(200psig)的压力下操作。另外，第四闪蒸分离罐164通常在小于或等于7barg(100psig)(例如2barg(30psig)至
7barg(100psig))的压力下操作。第二气相基本纯CO2产物流122从第三低压闪蒸分离罐
162的顶部离开。第三闪蒸溶剂料流124离开罐162的底部并送入第四闪蒸分离罐164中。
第三气相基本纯CO2产物流126从第四真空闪蒸分离罐164的顶部离开。由于料流126非常低的压力，通常提供压缩机168以提高CO2产物流126的压力。因此，压缩机168产生压缩CO2产物流128。如上文所暗指的，富CO2渗透物流114与由第四真空闪蒸罐164产生的压缩CO2产物流128结合。

[0035] 尽管系统100中阐述了一系列4个压力基分离系统，例如一系列4个闪蒸分离罐154、160、162和164，本领域技术人员应当理解在一个实施方案中可提供较多或较少的压力基分离系统。例如，作为选择，系统100可具有1、2、3或多于4个压力基分离系统，如给定系统执行可能需要的。应当理解提供的压力基分离系统越多，吸收溶剂的再生越完全(即从中除去吸收的CO2气体越完全)。

[0036] 第四闪蒸溶剂料流130离开罐164的底部并送入泵送系统170，所述泵送系统170将半贫(即从中除去至少一部分吸收CO2)溶剂送入冷却系统172中。冷却系统172降低料流130的温度并产生冷却的半贫溶剂料流134，所述料流134再循环返回吸收塔152中以用于其它气体分离。冷却的半贫溶剂料流134可与任选补充溶剂料流(未显示)结合以提供如上所述引入吸收塔152中的溶剂料流。任选补充溶剂料流置换整个气体分离系统100中的总溶剂损失。

[0037] 因而，本公开内容提供使用膜分离系统降低或消除对含杂质产物流再循环的需要的气体分离方法和系统的各个示例实施方案。所述实施方案容许所需气体分离塔的尺寸降低、溶剂循环速率降低、系统冷却需求降低和溶剂总量降低，这都降低系统的操作成本。具体实施方案

[0038] 尽管连同具体实施方案描述了下文，应当理解该描述意欲阐述且不限制前述说明和所附权利要求书的范围。

[0039] 本发明第一实施方案为气体分离方法，其包括步骤：使包含产物气体和杂质气体的进料气流与液相吸收溶剂接触；使进料气流中的杂质气体和一部分产物气体吸收到液相吸收溶剂中；使液相吸收溶剂经受第一减压环境以将一部分产物气体和一部分杂质气体从液相吸收溶剂中除去；和将一部分产物气体与一部分杂质气体分离.本发明一个实施方案为从该段中第一实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或者所有，其中进料气流与液相吸收溶剂接触包括使进料气流与物理吸收溶剂接触。本发明一个实施方案为从该段中第一实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或者所有，其中进料气流与液相吸收溶剂接触包括使包含95体积％或更多的氢气和/或烃气体和5体积％或更少的二氧化碳杂质气体的气流与液相吸收溶剂接触。本发明一个实施方案为从该段中第一实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或者所有，其中吸收杂质气体和一部分产物气体包括吸收二氧化碳气体和一部分烃气体。本发明一个实施方案为从该段中第一实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或者所有，其中使液相吸收溶剂经受第一减压环境包括使液相吸收溶剂经受27barg或更小的压力。本发明一个实施方案为从该段中第一实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或者所有，其中将一部分产物气体与一部分杂质气体分离包括使一部分杂质气体以比一部分产物气体更快的速率渗入渗透膜。本发明一个实施方案为从该段中第一实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或者所有，其进一步包括步骤：使一部分产物气体再循环以再加入进料气流中。本发明一个实施方案为从该段中第一实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或者所有，其进一步包括步骤：使液相吸收溶剂经受第二减压环境以将另一部分杂质气体从液相吸收溶剂中除去。本发明一个实施方案为从该段中第一实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或者所有，其中使液相吸收溶剂经受第二减压环境包括使液相吸收溶剂经受21barg或更小的压力。

[0040] 本发明第二实施方案为用于气体分离的系统，其包括：吸收分离装置，其配置用于使包含产物气体和杂质气体的进料气流与液相吸收溶剂接触以将一部分产物气体和杂质气体吸收到液相吸收溶剂中；第一压力基分离装置，其配置用于液相吸收溶剂经受第一减压环境以将一部分杂质气体和一部分产物气体从液相吸收溶剂中除去；和膜分离装置，其配置用于将一部分产物气体与一部分杂质气体分离。本发明一个实施方案为从该段中第二实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或者所有，其中吸收分离装置包含填充床逆流吸收塔。本发明一个实施方案为从该段中第二实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或者所有，其中第一压力基分离装置包含闪蒸分离罐。本发明一个实施方案为从该段中第二实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或者所有，其中膜分离装置包含螺旋绕制膜。本发明一个实施方案为从该段中第二实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或者所有，其中膜分离装置包含中空纤维膜。本发明一个实施方案为从该段中第二实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或者所有，其中第一压力基分离装置配置用于使液相吸收溶剂经受27barg或更小的压力。本发明一个实施方案为从该段中第二实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或者所有，其进一步包含第二压力基分离装置，所述第二压力基分离装置配置用于使液相吸收溶剂经受具有比第一减压环境更低的压力的第二减压环境以将另一部分杂质气体从液相吸收溶剂中除去。本发明一个实施方案为从该段中第二实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或者所有，其中第二压力基分离装置配置用于使液相吸收溶剂经受21barg或更小的压力。本发明一个实施方案为从该段中第二实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或者所有，其进一步包含压缩机，所述压缩机配置用于在将其从液相吸收溶剂中除去以后将一部分杂质气体和一部分产物气体压缩，和冷却系统，所述冷却系统配置用于在压缩机中压缩以后将一部分杂质气体和一部分产物气体冷却。

[0041] 本发明第三实施方案为气体分离方法，其包括步骤：使包含氢气和/或烃产物气体和二氧化碳杂质气体的进料气流与液相物理吸收溶剂接触；将进料气流的杂质气体和一部分产物气体吸收到液相物理吸收溶剂；使液相吸收溶剂经受第一减压环境以将一部分杂质气体和一部分产物气体从液相物理吸收溶剂中除去；通过一部分杂质气体以比一部分产物气体更快的速率渗入渗透膜而将一部分产物气体与一部分杂质气体分离；使一部分产物气体再循环以再加入进料气流中；和使液相吸收溶剂经受第二减压环境以将另一部分杂质气体从液相物理吸收溶剂中除去。本发明一个实施方案为从该段中第三实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或者所有，其中使包含氢气和/或烃产物气体的进料气流与液相物理吸收溶剂接触包括使合成气流或天然气流与液相物理吸收溶剂接触。

[0042] 尽管在先前详细说明中提出了至少一个示例实施方案，但应当理解存在大量变化方案。还应当理解本文所述一个或多个示例实施方案不意欲以任何方式限制所主张的主题的范围、应用或构型。而是，先前详细说明提供给本领域技术人员执行所述示例实施方案的方便路线图。应当理解可不偏离权利要求书，包括在该公开时的已知等效物和可预见等效物所限定的范围而做出对方法的各种改变。