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包括膜单元和蒸馏的用于处理粗 天然气的方法和设备

阅读：1017发布：2020-06-18

专利汇可以提供包括膜单元和蒸馏的用于处理粗天然气的方法和设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且用于处理天然气进料流的技术包括：接收天然气进料流，所述天然气进料流包含一种或多种酸性气体、一种或多种烃流体和一种或多种非烃流体；将该天然气进料流循环至膜组件；用该膜组件将所述一种或多种酸性气体的至少一部分分离成渗透流，并将所述一种或多种烃流体的至少一部分分离成拒绝流；将所述渗透流循环至蒸馏单元；以及在该蒸馏单元中，将所述一种或多种酸性气体与所述一种或多种非烃流体分离。，下面是包括膜单元和蒸馏的用于处理粗天然气的方法和设备专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种处理天然气进料流的方法，所述方法包括：
接收天然气进料流，所述天然气进料流包含一种或多种酸性气体、一种或多种烃流体和一种或多种非烃流体；
将所述天然气进料流循环至膜组件；
利用所述膜组件将所述一种或多种酸性气体的至少一部分分离成渗透流并且将所述一种或多种烃流体的至少一部分分离成拒绝流；
将所述渗透流循环至蒸馏单元；和
在所述蒸馏单元中将所述一种或多种酸性气体与所述一种或多种非烃流体分离。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
将所述渗透流循环通过压缩机，所述压缩机在所述膜组件和所述蒸馏单元之间流体定位；和
将所述拒绝流循环至胺单元。
3.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
在所述胺单元中将所述拒绝流中的所述一种或多种烃流体与所述一种或多种酸性气体的另一部分分离；和
将所述一种或多种烃流体循环至销售气体管道，并且将所述一种或多种酸性气体的另一部分循环至硫回收单元(SRU)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述膜组件包括酸性气体选择性膜，所述酸性气体选择性膜包括聚酰亚胺(PI)膜、醋酸纤维素(CA)膜或非晶全氟聚合物膜中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述蒸馏单元包括输出所述一种或多种酸性气体的所述部分的塔底输出部和输出所述一种或多种非烃流体的塔顶输出部，所述方法还包括：
将所述一种或多种非烃流体循环至发电单元，并且将所述一种或多种酸性气体的所述部分循环至SRU；和
将所述一种或多种非烃流体循环至第二膜组件，所述第二膜组件在所述塔顶输出部和所述胺单元之间流体连接。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第二膜组件包括另一个酸性气体选择性膜，所述另一个酸性气体选择性膜包括PI膜、CA膜或非晶全氟聚合物膜中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的方法，所述方法还包括：
利用所述第二膜组件分离在所述一种或多种非烃流体中夹带的所述一种或多种酸性气体的另一部分；
将所述一种或多种酸性气体的经分离的部分循环至所述SRU，并且将所述一种或多种非烃流体循环至所述胺单元或发电单元中的至少一个；和
将经分离的一种或多种非烃流体循环至第三膜组件。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第三膜组件包括氦选择性膜，所述氦选择性膜包括PI氦选择性膜。
9.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括：
利用所述第三膜组件从所述一种或多种非烃流体中分离氦流体；和
将经分离的氦流体回收到氦回收单元中，所述氦回收单元与所述第三膜组件流体连接。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述蒸馏单元包括硫化氢(H2S)蒸馏单元，所述方法还包括：
在所述H2S蒸馏单元中从所述一种或多种酸性气体分离H2S流；和
将所述H2S流循环至SRU，并且将所述一种或多种酸性气体的贫H2S流循环至另一个蒸馏单元。
11.根据权利要求10所述的方法，其中另一个蒸馏单元包括二氧化碳(CO2)蒸馏单元。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括：
在所述另一个蒸馏单元中从所述贫H2S流分离CO2流；
将所述CO2流循环离开所述另一个蒸馏单元，并且将贫CO2流从所述另一个蒸馏单元循环至第二膜组件；
在所述第二膜组件中从所述贫CO2流分离氦流体的至少一部分；
将所述氦流体的所述部分循环至第三膜组件，并且循环来自所述第二膜组件的贫氦流；和
在所述第三膜组件中分离所述氦流体的另一部分。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种酸性气体包含H2S或CO2中的至少一种。
14.一种天然气处理系统，所述天然气处理系统包括：
第一膜组件，所述第一膜组件被定位为接收天然气进料流，所述天然气进料流包含一种或多种酸性气体、一种或多种烃流体和一种或多种非烃流体，所述第一膜组件被配置成将所述一种或多种酸性气体的至少一部分分离成渗透流并且将所述一种或多种烃流体的至少一部分分离成拒绝流；
与所述第一膜流体连通的蒸馏单元；和
被配置成执行操作的控制系统，所述操作包括：
将所述天然气进料流循环至所述第一膜组件；
将通过所述第一膜组件分离的所述渗透流循环至所述蒸馏单元；和
运行所述蒸馏单元以在所述蒸馏单元中将所述一种或多种酸性气体与所述一种或多种非烃流体分离。
15.根据权利要求14所述的天然气处理系统，其中所述控制系统被配置成执行操作，所述操作还包括：
将所述渗透流循环通过压缩机，所述压缩机在所述膜组件和所述蒸馏单元之间流体定位；和
将所述拒绝流循环至胺单元。
16.根据权利要求14所述的天然气处理系统，其中所述控制系统被配置成执行操作，所述操作还包括：
在所述胺单元中将所述拒绝流中的所述一种或多种烃流体与所述一种或多种酸性气体的另一部分分离；
将所述一种或多种烃流体循环至销售气体管道；和
将所述一种或多种酸性气体的另一部分循环至硫回收单元(SRU)。
17.根据权利要求14所述的天然气处理系统，其中所述第一膜组件包括酸性气体选择性膜，所述酸性气体选择性膜包括聚酰亚胺(PI)膜、醋酸纤维素(CA)膜或非晶全氟聚合物膜中的至少一种。
18.根据权利要求14所述的天然气处理系统，其中所述蒸馏单元包括塔底输出部和塔顶输出部，所述控制系统被配置成执行操作，所述操作还包括：
循环来自所述塔底输出部的所述一种或多种酸性气体的部分；
循环来自所述塔顶输出部的所述一种或多种非烃流体；
将所述一种或多种非烃流体循环至发电单元；
将所述一种或多种酸性气体的所述部分循环至SRU；和
将所述一种或多种非烃流体循环至第二膜组件，所述第二膜组件在所述塔顶输出部和所述胺单元之间流体连接。
19.根据权利要求18所述的天然气处理系统，其中所述第二膜组件包括另一个酸性气体选择性膜，所述另一个酸性气体选择性膜包括PI膜、CA膜或非晶全氟聚合物膜中的至少一种。
20.根据权利要求18所述的天然气处理系统，其中所述控制系统被配置成执行操作，所述操作还包括：
运行所述第二膜组件以分离在所述一种或多种非烃流体中夹带的所述一种或多种酸性气体的另一部分；
将所述一种或多种酸性气体的经分离的部分循环至所述SRU；
将所述一种或多种非烃流体循环至所述胺单元或发电单元中的至少一个；和将经分离的一种或多种非烃流体循环至第三膜组件。
21.根据权利要求20所述的天然气处理系统，其中所述第三膜组件包括氦选择性膜，所述氦选择性膜包括PI氦选择性膜。
22.根据权利要求21所述的天然气处理系统，其中所述控制系统被配置成执行操作，所述操作还包括：
运行所述第三膜组件以利用所述第三膜组件从所述一种或多种非烃流体中分离氦流体；和
将经分离的氦流体回收到氦回收单元中，所述氦回收单元与所述第三膜组件流体连接。
23.根据权利要求14所述的天然气处理系统，其中所述蒸馏单元包括硫化氢(H2S)蒸馏单元，所述控制系统被配置成执行操作，所述操作还包括：
运行所述H2S蒸馏单元以从所述一种或多种酸性气体分离H2S流；
将所述H2S流循环至SRU；和
将所述一种或多种酸性气体的贫H2S流循环至另一个蒸馏单元。
24.根据权利要求23所述的天然气处理系统，其中所述另一个蒸馏单元包括二氧化碳(CO2)蒸馏单元。
25.根据权利要求24所述的天然气处理系统，其中所述控制系统被配置成执行操作，所述操作还包括：
运行所述另一个蒸馏单元以从所述贫H2S流分离CO2流；
将所述CO2流循环离开所述另一个蒸馏单元；
将贫CO2流从所述另一个蒸馏单元循环至第二膜组件；
运行第二膜组件以从所述贫CO2流分离氦流体的至少一部分；
将所述氦流体的所述部分循环至第三膜组件；
循环来自所述第二膜组件的贫氦流；和
运行所述第三膜组件以分离所述氦流体的另一部分。
26.根据权利要求14所述的天然气处理系统，其中所述一种或多种酸性气体包含H2S或CO2中的至少一种。

说明书全文

包括膜单元和蒸馏的用于处理粗天然气的方法和设备

[0001] 优先权要求

[0002] 本申请要求于2017年6月9日提交的美国临时专利申请号62/521,654和于2018年6月13日提交的美国实用新型专利申请号16/007,585的优先权，将它们的整个内容通过引用结合于此。

技术领域

[0003] 本公开内容涉及用于处理粗天然气，并且更具体地处理粗天然气以例如分离酸性气体、氦或它们二者的系统和方法。

[0004] 背景

[0005] 天然气生产可能经常包含酸气体或酸性气体，其可能难以利用现有技术如胺脱硫单元处理。例如，对于包含特别高酸性气体含量的粗天然气进料而言，胺可以快速降解并产生热稳定的盐。这样的盐具有腐蚀性而且还会引起起泡。此外，包含这样高的酸性气体含量的粗天然气进料会需要更多的能量以进行溶剂循环和再生(例如，再沸腾)。

[0006] 概述

[0007] 在一个一般实施方式中，一种处理天然气进料流的方法包括：接收天然气进料流，所述天然气进料流包含一种或多种酸性气体、一种或多种烃流体和一种或多种非烃流体；将所述天然气进料流循环至膜组件；利用所述膜组件将所述一种或多种酸性气体的至少一部分分离成渗透流并且将所述一种或多种烃流体的至少一部分分离成拒绝流(reject stream)；将所述渗透流循环至蒸馏单元；和在所述蒸馏单元将所述一种或多种酸性气体与所述一种或多种非烃流体分离。

[0008] 与所述一般实施方式可结合的一个方面还包括：将所述渗透流循环通过压缩机，所述压缩机在膜组件和蒸馏单元之间流体定位；和将拒绝流循环至胺单元。

[0009] 与前述方面中的任一个可结合的另一个方面还包括：在所述胺单元中将所述拒绝流中的一种或多种烃流体与所述一种或多种酸性气体的另一部分分离；和将所述一种或多种烃流体循环至销售气体管道，并且将所述一种或多种酸性气体的另一部分循环至硫回收单元(SRU)。

[0010] 在与前述方面中的任一个可结合的另一个方面中，膜组件包括酸性气体选择性膜，所述酸性气体选择性膜包括聚酰亚胺(PI)膜、醋酸纤维素(CA)膜或非晶全氟聚合物膜中的至少一种。

[0011] 在与前述方面中的任一个可结合的另一个方面中，蒸馏单元包括输出所述一种或多种酸性气体的所述部分的塔底输出部和输出所述一种或多种非烃流体的塔顶输出部。

[0012] 与前述方面中的任一个可结合的另一个方面还包括：将所述一种或多种非烃流体循环至发电单元，并且将所述一种或多种酸性气体的所述部分循环至SRU；和将所述一种或多种非烃流体循环至第二膜组件，所述第二膜组件在所述塔顶输出部和所述胺单元之间流体连接。

[0013] 在与前述方面中的任一个可结合的另一个方面中，第二膜组件包括另一个酸性气体选择性膜，所述另一个酸性气体选择性膜包括PI膜、CA膜或非晶全氟聚合物膜中的至少一种。

[0014] 与前述方面中的任一个可结合的另一个方面还包括：利用所述第二膜组件分离在所述一种或多种非烃流体中夹带的所述一种或多种酸性气体的另一部分；将所述一种或多种酸性气体的经分离的部分循环至所述SRU，并且将所述一种或多种非烃流体循环至所述胺单元或所述发电单元中的至少一个；和将经分离的一种或多种非烃流体循环至第三膜组件。

[0015] 在与前述方面中的任一个可结合的另一个方面中，所述第三膜组件包括氦选择性膜，所述氦选择性膜包括PI氦选择性膜。

[0016] 与前述方面中的任一个可结合的另一个方面还包括：利用所述第三膜组件从所述一种或多种非烃流体中分离氦流体；和将经分离的氦流体回收到氦回收单元中，所述氦回收单元与所述第三膜组件流体连接。

[0017] 在与前述方面中的任一个可结合的另一个方面中，所述蒸馏单元包括硫化氢(H2S)蒸馏单元。

[0018] 与前述方面中的任一个可结合的另一个方面还包括：在所述H2S蒸馏单元中从所述一种或多种酸性气体分离H2S流；和将所述H2S流循环至SRU，并且将所述一种或多种酸性气体的贫H2S流循环至另一个蒸馏单元。

[0019] 在与前述方面中的任一个可结合的另一个方面中，所述另一个蒸馏单元包括二氧化碳(CO2)蒸馏单元。

[0020] 与前述方面中的任一个可结合的另一个方面还包括：在所述另一个蒸馏单元中从所述贫H2S流分离CO2流；将所述CO2流循环离开所述另一个蒸馏单元，并且将贫CO2流从所述另一个蒸馏单元循环至第二膜组件；在所述第二膜组件中从所述贫CO2流分离氦流体的至少一部分；将所述氦流体的所述部分循环至第三膜组件，并且循环来自所述第二膜组件的贫氦流；和在所述第三膜组件中分离所述氦流体的另一部分。

[0021] 在与前述方面中的任一个可结合的另一个方面中，所述一种或多种酸性气体包含H2S或CO2中的至少一种。

[0022] 在另一个一般实施方式中，一种天然气处理系统包括：第一膜组件，所述第一膜组件被定位为接收天然气进料流，所述天然气进料流包含一种或多种酸性气体、一种或多种烃流体和一种或多种非烃流体，所述第一膜组件被配置成将所述一种或多种酸性气体的至少一部分分离成渗透流并且将所述一种或多种烃流体的至少一部分分离成拒绝流；与所述第一膜流体连通的蒸馏单元；和被配置成执行操作的控制系统。所述操作包括：将所述天然气进料流循环至所述第一膜组件；将通过所述第一膜组件分离的所述渗透流循环至所述蒸馏单元；和运行所述蒸馏单元以在所述蒸馏单元中将所述一种或多种酸性气体与所述一种或多种非烃流体分离。

[0023] 在与所述一般实施方式可结合的一个方面中，控制系统被配置成执行操作，所述操作还包括：将所述渗透流循环通过压缩机，所述压缩机在所述膜组件和所述蒸馏单元之间流体定位；和将所述拒绝流循环至胺单元。

[0024] 在与前述方面中的任一个可结合的另一个方面中，所述控制系统被配置成执行操作，所述操作还包括：在所述胺单元中将所述拒绝流中的所述一种或多种烃流体与所述一种或多种酸性气体的另一部分分离；将所述一种或多种烃流体循环至销售气体管道；和将所述一种或多种酸性气体的另一部分循环至硫回收单元(SRU)。

[0025] 在与前述方面中的任一个可结合的另一个方面中，所述第一膜组件包括酸性气体选择性膜，所述酸性气体选择性膜包括聚酰亚胺(PI)膜、醋酸纤维素(CA)膜或非晶全氟聚合物膜中的至少一种。

[0026] 在与前述方面中的任一个可结合的另一个方面中，所述蒸馏单元包括塔底输出部和塔顶输出部。

[0027] 在与前述方面中的任一个可结合的另一个方面中，所述控制系统被配置成执行操作，所述操作还包括：循环来自所述塔底输出部的所述一种或多种酸性气体的部分；循环来自所述塔顶输出部的所述一种或多种非烃流体；将所述一种或多种非烃流体循环至发电单元；将所述一种或多种酸性气体的所述部分循环至SRU；和将所述一种或多种非烃流体循环至第二膜组件，所述第二膜组件在所述塔顶输出部和所述胺单元之间流体连接。

[0028] 在与前述方面中的任一个可结合的另一个方面中，所述第二膜组件包括另一个酸性气体选择性膜，所述另一个酸性气体选择性膜包括PI膜、CA膜或非晶全氟聚合物膜中的至少一种。

[0029] 在与前述方面中的任一个可结合的另一个方面中，所述控制系统被配置成执行操作，所述操作还包括：运行所述第二膜组件以分离在所述一种或多种非烃流体中夹带的所述一种或多种酸性气体的另一部分；将所述一种或多种酸性气体的经分离的部分循环至所述SRU；将所述一种或多种非烃流体循环至所述胺单元或所述发电单元中的至少一个；和将经分离的一种或多种非烃流体循环至第三膜组件。

[0030] 在与前述方面中的任一个可结合的另一个方面中，所述第三膜组件包括氦选择性膜，所述氦选择性膜包括PI氦选择性膜。

[0031] 在与前述方面中的任一个可结合的另一个方面中，所述控制系统被配置成执行操作，所述操作还包括：运行所述第三膜组件以利用所述第三膜组件从所述一种或多种非烃流体中分离氦流体；和将经分离的氦流体回收到氦回收单元中，所述氦回收单元与所述第三膜组件流体连接。

[0032] 在与前述方面中的任一个可结合的另一个方面中，所述蒸馏单元包括硫化氢(H2S)蒸馏单元。

[0033] 在与前述方面中的任一个可结合的另一个方面中，所述控制系统被配置成执行操作，所述操作还包括：运行所述H2S蒸馏单元以从所述一种或多种酸性气体分离H2S流；和将所述H2S流循环至SRU；和将所述一种或多种酸性气体的贫H2S流循环至另一个蒸馏单元。

[0034] 在与前述方面中的任一个可结合的另一个方面中，所述另一个蒸馏单元包括二氧化碳(CO2)蒸馏单元。

[0035] 在与前述方面中的任一个可结合的另一个方面中，所述控制系统被配置成执行操作，所述操作还包括：运行所述另一个蒸馏单元以从所述贫H2S流分离CO2流；将所述CO2流循环离开所述另一个蒸馏单元；将贫CO2流从所述另一个蒸馏单元循环至第二膜组件；运行第二膜组件以从所述贫CO2流分离氦流体的至少一部分；将所述氦流体的所述部分循环至第三膜组件；循环来自上述第二膜组件的贫氦流；和运行所述第三膜组件以分离所述氦流体的另一部分。

[0036] 在与前述方面中的任一个可结合的另一个方面中，所述一种或多种酸性气体包含H2S或CO2中的至少一种。

[0037] 根据本公开内容的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。例如，根据本公开内容的实施方式可以有利于从粗天然气进料流分离酸性气体(例如，硫化氢(H2S)和二氧化碳(CO2))，同时最小化重质烃(HHC)的滑脱、甲烷的损失和能源使用。作为另一个示例，根据本公开内容的实施方式可以使硫回收单元(SRU)的反应炉的进料的HHC含量最小化。此外，根据本公开内容的实施方式可以通过利用不同选择性的膜来升级酸性气体，所述膜可以有利地利用一个或多个蒸馏单元的上游来浓缩进料至蒸馏单元的酸性气体百分比，从而最大化分离效率。作为另一个示例，根据本公开内容的实施方式可以通过在进入SRU的进料中的较高H2S浓度和SRU的较平滑的操作性来提高克劳斯(Claus)单元的效率。此外，根据本公开内容的实施方式可以避免或帮助避免由于进入SRU的进料中的HHC的缺乏或减少所致的Carsul形成。此外，根据本公开内容的实施方式可以将富H2S流从蒸馏单元输送至储罐以用于重新注入。此外，与常规技术不同，根据本公开内容的实施方式可以允许在仍然分离酸性气体的同时回收HHC。

[0038] 根据本公开内容的实施方式还可以包括以下特征中的一个或多个。例如，根据本公开内容的实施方式可以从酸性天然气中回收氦，其可以在富集步骤之后进一步销售。例如，可以将氦进一步浓缩并通过膜和氦回收单元进行回收。作为另一个示例，根据本公开内容的实施方式可以减少至胺单元的酸性气体，同时防止HHC进入蒸馏的塔底产物。因此，可以将蒸馏单元的塔底产物直接输送至SRU的反应炉，这降低了催化床污染的风险。作为另一个示例，根据所描述的实施方式，可以通过回收HHC来实现额外的收入。此外，本发明实施方式可以避免将HHC循环至SRU或用于重新注入。

[0039] 在附图和说明书中阐述了本公开内容中描述的主题的一种或多种实施方式的细节。根据说明书、附图和权利要求书，所述主题的其他特征、方面和优点将变得明显。

[0040] 附图简述

[0041] 图1A示出了根据本公开内容的混合粗天然气处理系统和方法的一种示例性实施方式的示意图，其利用膜和蒸馏单元从天然气中分离酸性气体。

[0042] 图1B-1C示出了利用一个或多个聚酰亚胺(PI)膜的图1A中所示的混合粗天然气处理系统和方法的模拟结果。

[0043] 图1D-1E示出了利用一个或多个醋酸纤维素(CA)膜的图1A所示的混合粗天然气处理系统和方法的另一个模拟结果。

[0044] 图1F-1G示出了利用一个或多个Hyflon AD-80(非晶全氟聚合物)膜的图1A中所示的混合粗天然气处理系统和方法的模拟结果。

[0045] 图2A示出了根据本公开内容的混合粗天然气处理系统和方法的另一种示例性实施方式的示意图，其利用两个膜和蒸馏单元从天然气中分离酸性气体。

[0046] 图2B-2C示出了图2A中所示的混合粗天然气处理系统和方法的模拟结果。

[0047] 图3A示出了根据本公开内容的混合粗天然气处理系统和方法的另一种示例性实施方式的示意图，其利用两个膜和蒸馏单元从天然气中分离酸性气体。

[0048] 图3B-3C示出了图3A中所示的混合粗天然气处理系统和方法的模拟结果。

[0049] 图4A示出了根据本公开内容的混合粗天然气处理系统和方法的另一个示例性实施方式的示意图，其利用两个膜和蒸馏单元从天然气中分离酸性气体，以及利用膜和氦回收单元从天然气中捕获氦。

[0050] 图4B-4D示出了图4A中所示的混合粗天然气处理系统和方法的模拟结果。

[0051] 图5A示出了根据本公开内容的混合粗天然气处理系统和方法的另一个示例性实施方式的示意图，其利用一个或多个膜和级联蒸馏单元从天然气中分离酸性气体并捕获氦。

[0052] 图5B-5Q示出了图5A中所示的混合粗天然气处理系统和方法的模拟结果。

[0053] 详述

[0054] 本公开内容描述了粗天然气处理系统和方法的示例实施方式，其中将膜和蒸馏过程相结合以使重烃(HHC)的滑脱最小化，同时从粗天然气流中分离酸性气体(例如，H2S和CO2)。在一些方面，采用酸性气体选择性膜以从粗天然气中大量去除酸性气体。采用膜系统和方法的输出物可以包括两个流：具有相对高浓度的HHC和相对低浓度的酸性气体的拒绝流，以及具有相对低浓度的HHC和相对高浓度的酸性气体的渗透流。可以将拒绝流运送至胺单元，随后运送至制冷单元，以在气体脱硫和脱水后回收HHC。可以将渗透流压缩并循环至一个或多个蒸馏单元，在那里进行酸性气体去除，从而在蒸馏塔的塔顶馏出物中留下其他气体(例如，甲烷、氦和氮)。因此，可以将膜系统和方法以及蒸馏系统和方法组合以产生贫HHC的酸性气体流。可以通过蒸馏从酸性气体流中分离酸性气体，同时在气体脱硫和脱水后，可以利用制冷来回收HHC。

[0055] 在一些方面，通过在混合粗天然气处理系统和方法中组合膜和蒸馏子过程，降低进入胺单元的流中的酸性气体，也可以使蒸馏塔底流中的HHC损失最小化，这又可以会减少硫回收装置(SRU)进料中的HHC。此外，在一些方面，可以将流中的氦在蒸馏单元塔顶馏出物中浓缩，其在富集步骤之后可以在专用单元中作为纯氦经济地回收。在一些方面，一个或多个蒸馏单元的出口温度可以为约-30℃，这可以使一个或多个膜具有更高的选择性从而分离来自蒸馏塔的塔顶馏出物的化合物。

[0056] 在示例性实施方式中，可以使用两个膜阶段以减少粗天然气流中的酸性气体的含量。此外，根据本公开内容的实施方式可以包括循环至第二阶段膜段的流的温度降低，以对第二阶段或后续膜段提供增大的选择性。另外，粗天然气处理系统和方法的示例性实施方式可以包括在一个或多个蒸馏单元的塔顶馏出物中回收和富集氦。此外，这样的实施方式可以在蒸馏单元的塔顶馏出物中产生比进料增加的氮含量。

[0057] 在一些方面，可以借助于酸性气体选择性膜来进行从粗天然气中大量去除酸性气体。例如，示例性方法可以包括一个或多个阶段的膜分离，以及一个或多个蒸馏阶段。在一些方面，利用玻璃样聚合物膜将来自高压酸性气体流的粗天然气组分分离成两个流：一个处于高压流(或拒绝流)并且另一股处于低压流(或渗透流)。对于玻璃样聚合物，小分子比大分子更快渗透；分离主要是由于分子的尺寸。因此，氦、水、硫化氢、二氧化碳和氮将比C2+更快渗透。因此，贫HHC的渗透气体流可以被运送至蒸馏单元，在那里进行酸性气体去除，而甲烷、氦和氮保留在蒸馏装置的塔顶馏出物中。

[0058] 在示例性实施方式中，渗透流(低压物流)中的酸性气体增浓，同时贫化了HHC，因此它可以被液化而不会显著损失HHC。拒绝流(高压流)中的酸性气体贫化。这种高压流可以在现有或新的高压胺单元中处理。随后，在气体脱硫和脱水步骤之后，可以借助于制冷单元从高压流中回收HHC。处于低压(例如，在50-250磅/平方英寸(psi))的渗透流，其可能含有相对少量的HHC，可以在高压蒸馏塔中进行有效处理，从而在塔底馏出物中浓缩酸性气体并从塔顶馏出物回收甲烷和其他气体。酸性气体和水在蒸馏塔的塔底馏出物中浓缩，并且可以运送至SRU的反应炉。取决于蒸馏性能和气体组成，如果必要，可以将塔顶产物(其可能主要是甲烷)用作燃料或在最终脱硫步骤之后引导至主气体系统。

[0059] 在一些方面，示例性方法可以产生贫HHC的酸性气体流，该酸性气流可以直接运送至SRU的反应炉并避免有价值的HHC的损失。与常规技术相反，所述示例性实施方式可以促进从天然气进料中分离出大部分的酸性气体，并且HHC的损失最小。此外，包括氦回收的实施方式，例如在一个或多个蒸馏单元的下游安装一个或多个氦选择性膜的情况下，这样的膜接收酸性气体和HHC的含量显著更低的气体，这导致这些膜延长的使用寿命和改善的分离性能。

[0060] 图1A示出了混合粗天然气处理系统100的一种示例性实施方式的示意图，该混合粗天然气处理系统100使用膜和蒸馏单元从天然气中分离酸性气体。在该示出的实施方式中，系统100包括接收粗天然气进料流101的膜102。在一些方面，天然气进料流101的流速为5至5亿标准立方英尺/天(MMscfd)。膜102将天然气进料流101分离成经过压缩机108流动至蒸馏单元106的渗透流103和流动至胺单元104的拒绝流105。与具有相对低浓度的酸性气体和相对高浓度的HHC的拒绝流105相比，渗透流103具有相对低浓度的HHC和相对高浓度的酸性气体。膜102可以是或包括例如PI膜、CA膜或Hyflon AD-80(非晶全氟聚合物)膜。因此，可以对膜102加以选择以确保酸性气体(例如，H2S和CO2)与HHC分离(例如，由于膜102的材料)。

[0061] 将可能处于比拒绝流105更低的压力的渗透流103压缩成经压缩的渗透流111，其被循环至蒸馏单元106，其中酸性气体(以及可能在膜102中未被分离的一小部分的HHC)在蒸馏单元106的塔底馏出物流115中与该单元106的塔顶馏出物流113中的其他气体(例如，氦(He)、水(H2O)和氮(N2))分离。其他气体可以循环至燃气轮机(GT)用于发电，而酸性气体(和一部分的HHC)可以循环至SRU。

[0062] 将可能处于比渗透流103更高的压力的拒绝流105循环至胺单元104，其中从拒绝流105中的剩余酸性气体109分离销售气体107。经分离的酸性气体109也可以循环至SRU。在一些方面，可以将销售气体107循环至制冷单元以回收HHC。

[0063] 图1B-1C示出了使用一个或多个聚酰亚胺(PI)膜的图1A所示的混合粗天然气处理系统和方法的模拟结果。从中得到图1B-1C所示的结果的模拟(以及在本公开内容中示出和描述的其他模拟)利用PRO II和HYSIS建模软件以及可用于本公开内容中描述的特定类型的膜和蒸馏单元的数据来进行。图1B-1C示出了系统100(其中膜102是PI膜)的模拟以及用于系统100的质量平衡(干基)。图1B-1C还示出了关于膜102、用于膜102的渗透常数、通过膜102去除的酸性气体以及使用来自蒸馏单元106的塔顶馏出物流的电力产生的数据。

[0064] 图1D-1E示出了使用一个或多个醋酸纤维素(CA)膜的图1A所示的混合粗天然气处理系统和方法的另一个模拟结果。图1D-1E示出了系统100(其中膜102是CA膜)的模拟以及用于系统100的质量平衡(干基)。图1D-1E还显示了关于膜102、用于膜102的渗透常数、通过膜102去除的酸性气体以及使用来自蒸馏单元106的塔顶馏出物流的电力产生的数据。

[0065] 图1F-1G示出了使用一个或多个Hyflon AD-80(非晶全氟聚合物)膜的图1A所示的混合粗天然气处理系统和方法的模拟结果。图1F-1G示出了系统100(其中膜102是Hyflon AD-80膜)的模拟以及用于系统100的质量平衡(干基)。图1F-1G还示出了关于膜102、膜102的渗透常数、通过膜102去除的酸性气体以及使用来自蒸馏单元106的塔顶馏出物流的电力产生的数据。

[0066] 图2A示出了混合粗天然气处理系统200的另一种示例性实施方式的示意图，该混合粗天然气处理系统200使用两个膜和蒸馏单元以从天然气分离酸性气体。在这种示出的实施方式中，系统200包括接收粗天然气进料流201的第一膜202。在一些方面，天然气进料流201的流速为5至500MMscfd。第一膜202将天然气进料流201分离成经由压缩机210流动至蒸馏单元204的渗透流203和流动至胺单元208的拒绝流205。与具有相对低浓度的酸性气体和相对高浓度的HHC的废料流205相比，渗透流203具有相对低浓度的HHC和相对高浓度的酸性气体。第一膜202可以是或包括例如PI膜、CA膜或Hyflon AD-80(非晶全氟聚合物)膜。因此，可以对第一膜202进行选择以确保酸性气体(例如，H2S和CO2)与HHC分离(例如，由于膜202的材料)。

[0067] 将可能处于比拒绝流205更低压力的渗透流203压缩成经压缩的渗透流211并循环至蒸馏单元204，在其中酸性气体(以及可能在第一膜202中未被分离的一小部分的HHC)在蒸馏单元204的塔底馏出物流215中与在该单元204的塔顶馏出物流213中的其他气体(例如He、H2O和N2)分离。

[0068] 如所示的，系统200包括流体连接至蒸馏单元204的塔顶馏出物流213的第二膜206。第二膜206可以是或包括例如PI膜、CA膜或Hyflon AD-80(非晶全氟聚合物)膜。因此，也可以对第二膜206进行选择以确保酸性气体(例如，H2S和CO2)与HHC分离(例如，由于第二膜206的材料)。因此，第二膜206可以进一步从塔顶馏出物流213分离酸性气体219(例如与He、H2O和N2分离)，并将该进一步分离出的酸性气体219运送至蒸馏单元的塔底馏出物流215的输出。其他气体217可以循环至胺单元208(以加入到拒绝流205)，而来自蒸馏单元204和第二膜206的酸性气体(以及一部分的HHC)可以循环至SRU。

[0069] 将可能处于比渗透流203更高压力的拒绝流205循环至胺单元208，在其中将销售气体207与拒绝流205(与其他气体217合并)中的剩余酸性气体209分离。分离出的酸性气体209也可以循环至SRU。在一些方面，销售气体207可以循环至制冷单元以回收HHC。

[0070] 图2B-2C示出了图2A所示的混合粗天然气处理系统和方法的模拟结果。图2B-2C示出了系统200的模拟，其中第一膜202是H2S和CO2选择性PI膜并且第二膜206是H2S和CO2选择性PEBAX膜。图2B-2C示出了用于质量平衡(干基)的系统200的模拟以及关于膜202和206、用于膜202的渗透常数、通过膜202去除的酸性气体以及使用来自蒸馏单元204的塔顶馏出物流的电力产生的数据。

[0071] 图3A示出了混合粗天然气处理系统300的另一种示例性实施方式的示意图，该混合粗天然气处理系统300使用两个膜和蒸馏单元以从天然气分离中酸性气体。在这种示出的实施方式中，系统300包括接收粗天然气进料流301的第一膜302。在一些方面，天然气进料流301的流速为5至500MMscfd。第一膜302将天然气进料流301分离成经由压缩机310流动至蒸馏单元304的渗透流303和流动至胺单元308的拒绝流305。与具有相对低浓度的酸性气体和相对高浓度的HHC的拒绝流305相比，渗透流303具有相对低浓度的HHC和相对高浓度的酸性气体。第一膜302可以是或包括例如PI膜、CA膜或Hyflon AD-80(非晶全氟聚合物)膜。因此，可以对第一膜302进行选择以确保酸性气体(例如，H2S和CO2)与HHC分离(例如，由于第一膜302的材料)。

[0072] 将可能处于比拒绝流305更低压力的渗透流303压缩成经压缩的渗透流311并循环至蒸馏单元304，在其中酸性气体(以及可能在第一膜302中未被分离的一小部分的HHC)在蒸馏单元304的底部馏出物流315中与在该单元304的塔顶馏出物流313中的其他气体(例如，He、H2O和N2)分离。

[0073] 如所示的，系统300包括流体连接至蒸馏单元304的塔顶馏出物流313的第二膜306。第二膜306可以是或包括例如PI膜、CA膜或Hyflon AD-80(非晶全氟聚合物)膜。因此，第二膜306可以进一步从塔顶馏出物流313中分离酸性气体319(例如，与He、H2O和N2分离)，并将该进一步分离的酸性气体319运送至蒸馏单元的塔底馏出物流315的输出。其他气体
317可以循环至胺单元308或至GT用于发电(或两者)，而来自蒸馏单元304和第二膜306的酸性气体(合并的319和315)(以及一部分的HHC)可以循环至SRU。

[0074] 将可能处于比渗透流303更高压力的拒绝流305循环至胺单元308，在其中将销售气体307与拒绝流305中的剩余酸性气体309分离。经分离的酸性气体309也可以循环至SRU。在一些方面，可以将销售气体307循环至制冷单元以回收HHC。

[0075] 图3B-3C示出了图3A所示的混合粗天然气处理系统和方法的模拟结果。图3B-3C示出了系统300的模拟，其中第一膜302是H2S和CO2选择性PI膜并且第二膜306是H2S和CO2选择性PEBAX膜。图3B-3C示出了用于质量平衡(干基)的系统300的模拟以及关于膜302和306、用于膜302的渗透常数、通过膜302去除的酸性气体以及使用来自第二膜306的其他气体的电力产生的数据。

[0076] 图4A示出了混合粗天然气处理系统400的另一种示例性实施方式的示意图，该混合粗天然气处理系统400使用两个膜和蒸馏单元以从天然气中分离酸性气体，以及使用膜和氦回收单元以从天然气中捕获氦。在这种示出的实施方式中，系统400包括接收粗天然气进料流401的第一膜402。在一些方面，天然气进料流401的流速为5至500MMscfd。第一膜402将天然气进料流401分离成经过压缩机414流动至蒸馏单元404的渗透流403和流动至胺单元412的拒绝流405。与具有相对低浓度的酸性气体和相对高浓度的HHC的拒绝流405相比，渗透流403具有相对低浓度的HHC和相对高浓度的酸性气体。第一膜402可以是或包括例如PI膜、CA膜或Hyflon AD-80(非晶全氟聚合物)膜。因此，可以对第一膜402进行选择以确保酸性气体(例如，H2S和CO2)与HHC分离(例如，由于第一膜402的材料)。

[0077] 将可能处于比拒绝流405更低压力的渗透流403压缩成经压缩的渗透流411并且循环至蒸馏单元404，在其中酸性气体(以及可能在第一膜402中没有被分离的一小部分的HHC)在蒸馏单元404的塔底馏出物流415中与在该单元404的塔顶馏出物流413中的其他气体(例如，He、H2O和N2)分离。

[0078] 如所示的，系统400包括流体连接至蒸馏单元404的塔顶馏出物流413的第二膜406。第二膜406可以是或包括例如H2S和CO2选择性PEBAX膜。因此，第二膜406可以进一步从塔顶馏出物流413中分离酸性气体419(例如，与He、H2O和N2分离)，并将该进一步分离出的酸性气体419运送至蒸馏单元404的塔底馏出物流415的输出。

[0079] 在这种示例性实施方式中，其他气体421可以循环质第三膜408，其中将氦(He)423与其他气体421分离(例如，与H2O、N2分离)。在该示例中，第三膜408可以是或包括PI氦选择性膜。将经分离的He 423运送至氦回收单元410，从该氦回收单元410可以出于经济效率将He 423富集到富集He的流425中。

[0080] 在第三膜408中与He 423分离的其他气体417可以从第三膜408运送至胺单元412，而来自蒸馏单元404和第二膜406的酸性气体(合并的415和419)(以及一部分的HHC)可以循环至SRU。将可能处于比渗透硫403更高压力的拒绝流405循环至胺单元412，在其中将销售气体407与在合并的拒绝流405和气体流417中的剩余酸性气体409分离。经分离的酸性气体409也可以循环至SRU。在一些方面，可以将销售气体407循环至制冷单元以回收HHC。

[0081] 图4B-4D示出了图4A中所示的混合粗天然气处理系统和方法的模拟结果。图4B-4D示出了系统400的模拟，其中第一膜402是H2S和CO2选择性PI膜，第二膜406是H2S和CO2选择性PEBAX膜，并且第三膜是PI氦选择性膜。图4B-4D示出了用于质量平衡(干基)的系统400的模拟以及关于膜402、406和408、用于膜402的渗透常数以及通过膜402去除的酸性气体的数据。

[0082] 如图4C中进一步所示的，可以在系统400的示例性实施方式中实现使用蒸馏流的电力产生。例如，尽管在图4A中没有具体示出，在第三膜408中与氦分离的气体可以运送以产生电力。

[0083] 图5A示出了混合粗天然气处理系统500的另一种示例性实施方式的示意图，该系统500使用三个膜和两个级联蒸馏单元以从天然气中分离酸性气体并捕获氦。在这种示出的实施方式中，系统500包括接收粗天然气进料流501的第一膜502。在一些方面，天然气进料流501的流速为5至500MMscfd。第一膜502将天然气进料流501分离成经由压缩机514流动至蒸馏单元504的渗透流503和流动至胺单元512的拒绝流505。与具有相对低浓度的酸性气体和相对高浓度的HHC的拒绝流505相比，渗透流503具有相对低浓度的HHC和相对高浓度的酸性气体。第一膜502可以是或包括例如PI膜、CA膜或Hyflon AD-80(非晶全氟聚合物)膜。因此，可以对第一膜502进行选择以确保酸性气体(例如，H2S和CO2)与HHC分离(例如，由于第一膜502的材料)。

[0084] 将可能处于比拒绝流505更低压力的渗透流503压缩，并且将经压缩的渗透流511循环至蒸馏单元504。在该示例中，蒸馏单元504是H2S选择性蒸馏单元，因为H2S以富H2S流运送至蒸馏单元504的塔底馏出物流515，其被运送至SRU。将可能含有酸性气体和其他气体(包括CO2、He、H2O和N2)的蒸馏单元504的塔顶馏出物流513(并且是贫H2S流)运送至蒸馏单元506。

[0085] 在该示例中，蒸馏单元506是CO2选择性蒸馏单元，因为CO2以富CO2流被运送至蒸馏单元506的塔底流519。蒸馏单元506的塔顶馏出物流517被运送至第二膜508，该塔顶流517可能含有其他气体如氦(He)、H2O和N2(并且是贫CO2流)。在该示例中，第二膜508可以是或包括PI氦选择性膜。经分离的He 523(以富He流形式)被运送通过另一个压缩机516并到达第三膜510。贫He流521被运送离开第二膜508并且可以含有例如H2O、N2和其他气体。

[0086] 在这种示例性实施方式中，将经压缩的富He流529循环至第三膜510。与第二膜508一样，第三膜510可以是或包括PI氦选择性膜，其将来自第二膜508的流入流529分离成富He流531(其可以被富集或再循环至第三膜510)和贫He流525。

[0087] 将可能处于比渗透流503更高压力的拒绝流505循环至胺单元512，在其中将销售气体507与拒绝流505中的剩余酸性气体509分离。经分离的酸性气体509可以循环至SRU。在一些方面，可以将销售气体507循环至制冷单元以回收HHC。

[0088] 图5B-5Q示出了图5A中所示的混合粗天然气处理系统和方法的模拟结果。图5B-5Q示出了系统500的模拟，其中第一膜502是H2S和CO2选择性膜，并且第二和第三膜508和510是PI氦选择性膜。图5B-5Q示出了用于质量平衡(干基)的系统500的模拟以及关于膜502、508和510、用于膜502的渗透常数以及通过膜502去除的酸性气体的数据。更具体地，图5B-5I示出了渗透压力对第三膜氦气流的影响(例如，图5B-5E示出了低压并且图5F-5I示出了高压)。图5B-5I示出了渗透压力对第三膜循环流的影响(例如，图5J-5M示出了低压并且图5N-5Q示出了高压)。

[0089] 如所示的，系统100、200、300、400和500中的每一个包括控制系统999，该控制系统999可通信地连接(有线或无线地)至相应系统的一个或多个组件。可以控制系统100、200、
300、400或500(例如，控制温度、压力、流体的流速或这样的参数的组合)以在给定特定输入的情况下提供所需的输出。在一些方面，用于系统100、200、300、400或500的流量控制系统可以手动操作。例如，操作员可以设置泵或输送装置的流量，并设置阀的打开或关闭位置以调控流过流量控制系统中的管道的过程流的流量。一旦操作员已对在整个系统中分布的所有流量控制系统设置了流速和阀门的打开或关闭位置，流量控制系统就可以在恒定流动条件(例如恒定体积流速或其他流动条件)下使液流流动。为了改变流动条件，操作员可以手动操作流量控制系统，例如，通过改变泵流速或者阀门的打开或关闭位置。

[0090] 在某些方面，用于系统100、200、300、400和500的流量控制系统可以自动运行。例如，控制系统999可通信地连接至系统100、200、300、400和500的组件和子系统。控制系统999可以包括或连接至计算机或控制系统以操作系统100、200、300、400和500。控制系统999可以包括计算机可读介质，该计算机可读介质存储可由一个或多个系统和处理器执行以进行操作(如流动控制操作)的指令(如流动控制指令和其他指令)。操作员可以使用控制系统
999对在整个设施上分布的所有流量控制系统设置流速和阀门的打开或关闭位置。在这样的实施方案中，操作员可以通过提供通过控制系统999的输入来手动改变流动条件。此外，在这样的实施方案中，控制系统999可以例如使用连接到控制系统999的反馈系统来自动地(即，无需人工干预)控制流量控制系统中的一个或多个。例如，传感器(如压力传感器、温度传感器或其他传感器)可以连接至过程流流过的管道。传感器可以监测过程流的流动条件(如压力、温度或其他流动条件)并将其提供至控制系统999。响应于超过阈值(如阈值压力值、阈值温度值或其他阈值)的流动条件，控制系统999可以自动地进行操作。例如，如果管道中的压力或温度分别超过阈值压力值或阈值温度值，则控制系统999可以向泵提供用于减小流速的信号、用于打开阀以减轻压力的信号、用于关闭过程流流动的信号或其他信号。

[0091] 控制系统999可以以数字电子电路或计算机硬件、固件、软件或它们的组合来实现。该设备可以以有形地体现在信息载体中的计算机程序产品中实现，例如在机器可读存储装置用于通过可编程处理器执行；并且方法步骤可以由可编程处理器执行，该可编程处理器执行指令的程序以通过对输入数据进行操作并生成输出来执行所描述的实施方式的功能。可以在可编程系统上执行的一个或多个计算机程序中有利地实现所描述的特征，该可编程系统包括至少一个可编程处理器(其连接以从数据存储系统接收数据和指令以及向数据存储系统发送数据和指令)、至少一个输入装置和至少一个输出装置。计算机程序是可以在计算机中直接或间接使用的一组指令，从而执行某些活动或带来一定的结果。可以以任何形式的编程语言(包括汇编或解释语言)来编写计算机程序，并且它可以以任何形式(包括作为独立程序或作为模块、组件、子例程或适合用于计算环境的其他单元)来部署。

[0092] 作为示例，用于执行指令的程序的合适处理器包括通用和专用微处理器，以及任何种类的计算机的唯一处理器或多个处理器之一。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器以及用于存储指令和数据的一个或多个存储器。通常，计算机还将包括一个或多个用于存储数据文件的大容量存储设备，或者与其可操作地连接以与之通信；这样的装置包括磁盘如内部硬盘和可移动磁盘；磁光盘；和光盘。适用于有形地体现计算机程序指令和数据的存储设备包括所有形式的非易失性存储器，例如包括半导体存储设备，如EPROM、EEPROM和闪存设备；磁盘，如内部硬盘和可移动盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由ASIC(专用集成电路)补充或整合。

[0093] 为了提供与用户的交互，可以在计算机上实现这些功能，所述计算机具有用于向用户显示信息的显示器如CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示器)监视器，以及键盘和定点设备如鼠标或轨迹球(用户通过其可以向计算机提供输入)。另外，这样的活动可以经由触摸屏平板显示器和其他适当机构来实现。

[0094] 这些特征可以在控制系统中实现，该控制系统包括后端组件如数据服务器，或包括中间件组件如应用程序服务器或互联网服务器，或包括前端组件如具有图形用户界面或互联网浏览器的客户端计算机，或它们的任意组合。所述系统的组件可以通过任何形式或介质的数字数据通信(如通信网络)进行连接。通信网络的示例包括局域网(“LAN”)、广域网(“WAN”)、对等网络(具有临时或静态成员)、网格计算基础结构和互联网。

[0095] 尽管本说明书含有许多具体的实施方式细节，但是这些不应被解释为对可以要求保护的范围的限制，相反应被解释为对于特定实施方式具体的特征的描述。在本说明书中在单独实施方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合实施。反之，在单个实施方式的上下文中描述的多种特征也可以在多个实施方式中单独地或以任何合适的子组合来实施。此外，尽管以上可能将特征描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此要求，但是在某些情况下，可以从所述组合中去除所要求组合中的一个或多个特征，并且所要求的组合可以涉及子组合或子组合的变体。

[0096] 类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应理解为要求以所示的特定顺序或以连续的顺序来执行这样的操作，或者执行所有示出的操作以实现所需结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，在以上描述的实施方式中的多种系统组件的分离不应被理解为在所有实施方式中都需要这样的分离，并且应当理解，所描述的程序组件和系统通常可以在单个软件产品中集成在一起或包装成多个软件产品。

[0097] 已经描述了许多实施方式。然而，将理解的是，在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下，可以做出多种修改。例如，本文描述的示例性操作、方法或过程可以包括比所描述的更多或更少的步骤。此外，可以以与所描述的或附图中所示出的顺序不同的顺序来执行这样的示例性操作、方法或过程中的步骤。因此，其他实施方式在所附权利要求的范围内。

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