用于從含有二氧化碳的進(jìn)料流回收氦的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了用于從進(jìn)料回收氦的系統(tǒng)和方法，所述進(jìn)料包含氦、二氧化碳和至少一種揮發(fā)度在氦和二氧化碳的揮發(fā)度之間的中間組分。具體地，本發(fā)明的方法包括在大于-82.7℃的溫度下使二氧化碳和具有中間揮發(fā)度的組分與氦分離，以形成富氦的產(chǎn)物流，其中在富氦的產(chǎn)物流中至少一種中間組分的濃度低于其在進(jìn)料流中的濃度，并且其中至少部分所述分離通過使蒸氣與液體接觸而實(shí)現(xiàn)。
【專利說明】用于從含有二氧化碳的進(jìn)料流回收氦的系統(tǒng)和方法
[0001]發(fā)明背景
本發(fā)明提供了從含有二氧化碳的進(jìn)料流得到富氦的產(chǎn)物部分的系統(tǒng)和方法。
[0002]存在許多為油氣工業(yè)供應(yīng)富二氧化碳的氣體流的高壓氣田。總的來說，這些流的二氧化碳(CO2)含量大于50體積％，并且通常為約60-約98體積％。此外，氣體混合物通常含有甲烷(例如約0.1-約20體積％)、氮(最多約30體積％)、少量的氬、氫和更重質(zhì)的烴，以及最多約I體積％的氦部分。這些富CO2的氣體流用于增強(qiáng)油回收(EOR)的工業(yè)，而且當(dāng)經(jīng)濟(jì)上合理時將相關(guān)的烴任選回收。
[0003]氦用于多種應(yīng)用，包括例如低溫過程、加壓和吹掃系統(tǒng)、保持受控的氣氛和焊接。然而，由于氦正變得日益稀缺，正考慮回收氦的新方式，包括回收包含在這些富CO2的流中的少量的氦。為此，必須回收具有足夠的組成和壓力的產(chǎn)物流，供氦純化和液化過程中的進(jìn)一步處理。回收的富氦的產(chǎn)物部分則應(yīng)具有在氮中至少約35體積％的氦含量，優(yōu)選大于50體積％，具有僅痕量的CO2。
[0004]由于CO2的三相點(diǎn)為-56.6°C，借助通過低溫蒸餾過程進(jìn)行的相分離的純化過程可進(jìn)行CO2與進(jìn)料氣體混合物的僅粗分離。CO2分離還可通過其它方法進(jìn)行，例如胺洗滌、甲醇洗滌或吸附過程例如壓力搖擺吸附(PSA)，但是在商業(yè)上和經(jīng)濟(jì)上期望使氦和CO2的回收最大化和使功率要求最小化的改進(jìn)的過程。
[0005]美國專利號3，653，220描述了從含有天然氣的進(jìn)料回收氦，其中使用低溫分離單元上游的CO2 PSA，除去進(jìn)料中的CO2 (約22體積％)。然而，從天然氣進(jìn)料回收氦比從具有大于50體積％ CO2的進(jìn)料回收氦簡單，因?yàn)樵诨厥者^程中可較早采用低溫分離以產(chǎn)生純氦。
[0006]美國專利號3，740，962與前面的過程類似，除了使用胺洗滌單元從天然氣進(jìn)料除去CO2，并且隨后經(jīng)由使用外部制冷劑來冷凝進(jìn)料氣體的低溫分離過程，將粗品氦與主要甲烷流分離。
[0007]WO 2010/060533描述了使用低溫分離過程從含有氦的天然CO2來源大量分離CO2,帶有進(jìn)一步下游氦純化。DE 102008007925描述了通過部分冷凝進(jìn)料從含有氦、氮和甲烷的進(jìn)料回收氦，和隨后分離成為富氦部分和貧氦部分。
[0008]本發(fā)明提供了一種從CO2進(jìn)料回收氦的改進(jìn)的方法，同時優(yōu)選回收進(jìn)料中的至少98%的氦成為氦產(chǎn)物，優(yōu)選將進(jìn)料中的至少99%的CO2回收返回管線，使功率要求最小化，并且通過在氦回收過程內(nèi)任選排出氮以滿足下游管線的CO2組成要求。
[0009]發(fā)明概述
本發(fā)明提供了從進(jìn)料回收氦的系統(tǒng)和方法，所述進(jìn)料包含氦、二氧化碳和至少一種揮發(fā)度在氦和二氧化碳的揮發(fā)度之間的中間組分。特別是，本發(fā)明的方法包括在大于-82.7V的溫度下使二氧化碳和具有中間揮發(fā)度的組分與氦分離，以形成富氦的產(chǎn)物流，其中在富氦的產(chǎn)物流中至少一種中間組分的濃度低于其在進(jìn)料流中的濃度，并且其中至少部分所述分離通過使蒸氣與液體接觸而實(shí)現(xiàn)。用于從包含氦和至少50摩爾％C02的進(jìn)料流回收氦的本發(fā)明的系統(tǒng)包含:(i)包含蒸餾塔的第一分離器，其設(shè)置為將進(jìn)料流分離成為第一富氦的流和第一富CO2的流，其中至少部分進(jìn)料流在中間位置進(jìn)入蒸餾塔；(ii) 一個或多個換熱器，其設(shè)置為冷卻進(jìn)料流和加熱第一富氦的流和第一富CO2的流；(iii)第二分離器，其設(shè)置為將一部分第一富CO2的流分離成為液體部分和蒸氣部分和將液體部分再循環(huán)至蒸餾塔的頂部；(iv)壓縮機(jī)，其設(shè)置為壓縮第一富CO2的流的未分離部分和第一富CO2的流的已分離部分的蒸氣部分，以形成富CO2的產(chǎn)物流；和任選(V)第三分離器，其設(shè)置為分離第一富氦的流，以形成富氦的產(chǎn)物流和貧氦的流。
[0010]本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可將進(jìn)料流中的氦大于98%回收提供為氦產(chǎn)物流，并優(yōu)選將進(jìn)料流中的CO2大于99%回收提供為CO2產(chǎn)物流。此外，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可設(shè)置為使功率要求最小化，使設(shè)備尺寸最小化，和通過使用中間塔再沸器、進(jìn)料至蒸餾塔頂部的CO2洗滌流和/或從過程排出氮而滿足下游CO2管線組成要求。
[0011]數(shù)個附圖的簡述
圖1為結(jié)合多個閃蒸分離器的氦回收系統(tǒng)的示意圖。
[0012]圖2為結(jié)合汽提塔的氦回收系統(tǒng)的示意圖。
[0013]圖3為結(jié)合蒸餾塔的本發(fā)明的一個實(shí)施方案的示意圖，該蒸餾塔具有CO2洗滌流。
[0014]圖4為結(jié)合蒸餾塔的本發(fā)明的一個實(shí)施方案的示意圖，該蒸餾塔具有CO2洗滌流和氮排出。
[0015]圖5為結(jié)合催化燃燒來提高氦產(chǎn)物流中氦純度的本發(fā)明的一個實(shí)施方案的示意圖。
[0016]圖6為結(jié)合蒸餾塔的本發(fā)明的一個實(shí)施方案的示意圖，該蒸餾塔具有再循環(huán)CO2洗滌流，在蒸餾塔的下游沒有另外的氦純化。
[0017]圖7為結(jié)合蒸餾塔的本發(fā)明的一個實(shí)施方案的示意圖，該蒸餾塔具有衍生自進(jìn)料流的CO2洗滌流，在蒸餾塔的下游沒有另外的氦純化。
[0018]發(fā)明詳述
為了有助于描述本發(fā)明，在說明書和權(quán)利要求書中可使用方向術(shù)語來描述本發(fā)明的部分(例如，上、下、左、右等)。這些方向術(shù)語僅旨在幫助描述和要求保護(hù)本發(fā)明，并且不旨在以任何方式限制本發(fā)明。此外，結(jié)合附圖引入說明書中的附圖標(biāo)記可在一個或多個隨后的圖中重復(fù)而不在說明書中另作描述，以提供其它特征的上下文。
[0019]在某些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了從進(jìn)料流回收氦的系統(tǒng)和方法，所述進(jìn)料流包含氦、二氧化碳(CO2)和一個或多個具有中間揮發(fā)度(即揮發(fā)度在氦和CO2的揮發(fā)度之間)的組分。這些組分在本文稱為“中間組分”，并且可包括(但不限于)氮、氫、氬、甲烷和乙烷。所述方法包括在大于-82.7°C的溫度下，或者在大于-56.6°C的溫度下，使CO2和中間組分與氦分離，和形成富氦的產(chǎn)物流，其中在富氦的產(chǎn)物流中至少一種中間組分的濃度低于其在進(jìn)料流中的濃度。在本發(fā)明方法的一個或多個實(shí)施方案中，至少部分所述分離通過使蒸氣與液體接觸而實(shí)現(xiàn)。在一個或多個實(shí)施方案中，至少部分方法在低于環(huán)境溫度的溫度下發(fā)生。
[0020]在某些實(shí)施方案中，進(jìn)料流可包含至少50摩爾％C02，或至少60摩爾％C02，或至少70摩爾％C02，或至少75摩爾％C02，或至少80摩爾％C02，或至少85摩爾％C02，或至少90摩爾％C02。此外，用于本發(fā)明的進(jìn)料流通常包含小于約3摩爾％，或小于約2摩爾％，或小于約I摩爾％氦，并且可包含0-約15摩爾％，或1-約10摩爾％，或2-約8摩爾％氮。進(jìn)料流可為氣體、液體或混合進(jìn)料，并且可任選包含超臨界流體。在一個或多個實(shí)施方案中，可采用高壓進(jìn)料；例如，進(jìn)料流的壓力可大于約30巴，或大于約35巴，或大于約40巴。
[0021]在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法還包括以下步驟:冷卻進(jìn)料流，和在第一分離器中分離進(jìn)料流，以形成第一富氦的流和第一富CO2的流?？赏ㄟ^本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的并且與總體過程和期望的結(jié)果相容的任何可用方式將流冷卻并分離。例如，可在為整個過程提供熱控制和集成的單一換熱器中將流冷卻并將過程中的其它流加熱?；蛘撸墒褂枚鄠€換熱器、一個或多個致冷單元或冷卻器或其它冷卻方法。在冷卻前可任選將進(jìn)料流干燥，以從進(jìn)料除去足夠的水，以避免在過程中形成冰或CO2水合物。例如，可將進(jìn)料流干燥，以實(shí)現(xiàn)水露點(diǎn)小于或等于-40°c?？墒褂萌魏魏线m的干燥過程或設(shè)備干燥進(jìn)料流。例如，可經(jīng)由溫度搖擺吸附來干燥進(jìn)料流。
[0022]類似地，可通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的并且與總體過程和期望的結(jié)果相容的任何可用方式將流分離。雖然在本文使用術(shù)語“分離器”主要為了容易提及，該術(shù)語旨在包括任何合適的分離裝置。例如，可使用一個或多個填充塔或塔板塔、一個或多個閃蒸分離器、一個或多個吸附單元、膜分離器等分離進(jìn)料流。優(yōu)選，經(jīng)由蒸餾塔分離進(jìn)料流，而任選經(jīng)由吸附單元例如壓力搖擺吸附系統(tǒng)(PSA)來分離第一富氦的流。
[0023]蒸餾塔可任選包括一個或多個再沸器，其中從塔取出液體流，加熱并至少部分汽化，和使至少蒸氣部分(vapor portion)返回塔。一個或多個再沸器可汽化從塔的底部或從塔的中間段取出的液體，并且可類似地使蒸氣返回塔的底部或塔的中間段。在本發(fā)明的一個或多個實(shí)施方案中，蒸餾塔包含底部再沸器。在其它實(shí)施方案中，蒸餾塔包含底部再沸器和一個或多個中間再沸器。
[0024]在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，蒸餾塔可結(jié)合“C02洗滌”，其中進(jìn)料流在中間段進(jìn)入塔，并將包含(通常除了其它組分以外的)co2的液體流進(jìn)料至塔的頂部。采用這種方式，氮從塔的富氦的塔頂流被洗滌，并且移至第一富CO2的流。CO2洗滌還具有以下益處:從塔頂流除去甲烷和其它烴，消除雜質(zhì)，否則雜質(zhì)必須在隨后的低溫純化過程中除去。結(jié)果，當(dāng)與不帶有CO2洗滌流的塔相比較時，在蒸餾塔中使用CO2洗滌導(dǎo)致較高的總體氦回收。例如，當(dāng)不帶有CO2洗滌操作蒸餾塔時，通過本發(fā)明的系統(tǒng)和方法產(chǎn)生的富氦的產(chǎn)物流通常包含至少約60摩爾％氦。然而，當(dāng)在蒸餾塔中采用CO2洗滌時，富氦的產(chǎn)物流可包含大于85摩爾％氦，或大于90摩爾％氦，或大于92摩爾％氦，或大于95摩爾％氦。
[0025]CO2洗滌可來自多種來源。例如，在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，可將離開蒸餾塔的第一富CO2的流分成兩個或更多個衍生的富CO2的流。隨后可將一個或多個衍生的富CO2的流分離成為蒸氣部分和液體部分，并且可將作為結(jié)果得到的液體部分再循環(huán)至塔的頂部作為CO2洗滌流。在這些方法中，在分離前可任選將衍生的富CO2的流加熱，和在進(jìn)料至蒸餾塔的頂部之前可任選將液體部分冷卻。在其它實(shí)施方案中，CO2洗滌流可取自進(jìn)料流。在這些實(shí)施方案中，將進(jìn)料流部分冷卻，并且分離成為液體部分和蒸氣部分。將至少一部分液體部分引向蒸餾塔的頂部，而將蒸氣部分進(jìn)一步冷卻并且進(jìn)料至蒸餾塔。任選，在進(jìn)入蒸餾塔的頂部之前，可將至少一部分液體部分進(jìn)一步冷卻。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到CO2洗滌流可來自本文描述的過程中的多種來源，只要它們包含足夠量的CO2以有效用于預(yù)期目的。來自任何這樣的來源的CO2洗滌流已被本文預(yù)期并且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0026]本發(fā)明的一些系統(tǒng)和方法還包括以下步驟:使第一富CO2的流分成兩個或更多個衍生的富CO2的流，加熱至少一個衍生的富CO2的流(例如經(jīng)由也用于冷卻進(jìn)料流的換熱器)，和組合兩個或更多個衍生的富CO2的流，以形成富CO2的產(chǎn)物流。在將流組合之前，可任選將一個或多個流壓縮。
[0027]本發(fā)明的一些系統(tǒng)和方法還包括消除(或排出)至少一種具有中間揮發(fā)度的組分。這些系統(tǒng)和方法還包括在第二分離器中將一個衍生的富CO2的流分離成為液體部分和蒸氣部分，冷卻蒸氣部分，和將所得到的冷卻部分分離成為(i)富含至少一種具有中間揮發(fā)度的組分的產(chǎn)物流和(ii)富CO2的再循環(huán)流。任選，可將離開第二分離器的液體部分加熱，并且進(jìn)一步分離成為次要液體部分和次要蒸氣部分，并且可將次要液體部分再循環(huán)至蒸餾塔的頂部以提供CO2洗滌。在一個或多個實(shí)施方案中，第二分離器為蒸餾塔。在相同或其它實(shí)施方案中，富含至少一種具有中間揮發(fā)度的組分的產(chǎn)物流包含氮。優(yōu)選，產(chǎn)物流富氮。在結(jié)合氮排出的這些系統(tǒng)和方法中，富CO2的再循環(huán)流可與離開蒸餾塔的第一富CO2的流再組合(或者與富CO2的再循環(huán)流分開之后形成的一個衍生的富CO2的流再組合)，從而形成富CO2的產(chǎn)物流的一部分。在這些實(shí)施方案中，富CO2的產(chǎn)物流可包含大于80摩爾％C02，或大于85摩爾％C02，或大于90摩爾％C02，或大于95摩爾％C02。
[0028]在一些實(shí)施方案中，在第三分離器中分離第一富氦的流，以形成富氦的產(chǎn)物流和貧氦的流。優(yōu)選，在PSA中分離第一富氦的流。PSA可設(shè)置為從第一富氦的流除去例如氮、氬和C02。貧氦的流可隨后引向下游，用于進(jìn)一步加工、作為產(chǎn)物除去或者再循環(huán)。如果再循環(huán)，可將貧氦的流獨(dú)立地進(jìn)料至蒸餾塔，或者可在蒸餾塔上游的點(diǎn)與進(jìn)料流組合。
[0029]在本發(fā)明的相同或其它系統(tǒng)和方法中，離開蒸餾塔的第一富氦的流可包含一個或多個可燃組分。在這些實(shí)施方案中，第一富氦的流的可燃組分可在氧存在下催化燃燒，以將可燃組分(例如，諸如氫和/或甲烷)至少部分轉(zhuǎn)化為CO2和水。隨后可在分離步驟中或當(dāng)將第一富氦的流分離時除去水，以形成富氦的產(chǎn)物流和第二富CO2的流。通過采用這種方式燃燒第一富氦的流和除去至少一部分燃燒產(chǎn)物，可得到基本上純的氦產(chǎn)物流。例如，富氦的產(chǎn)物流可包含至少98摩爾％氦，或至少99摩爾％氦，或至少99.5摩爾％氦，或至少99.9摩爾％氦。在結(jié)合氮排出和燃燒第一富氦的流兩者的系統(tǒng)和方法中，可得到富CO2的產(chǎn)物流中的CO2組成，使得富CO2的產(chǎn)物流滿足下游管線要求，同時還獲得基本上純的氦產(chǎn)物。例如，富CO2的產(chǎn)物流可包含大于90摩爾％C02，或大于92摩爾％C02，或大于95摩爾％C02?；蛘?，或除了催化燃燒以外，氫可通過被無機(jī)氧化物氧化而除去，例如在串聯(lián)提供的用于在線和再生模式之間切換的床中。合適的無機(jī)氧化物包括但不限于氧化銅(II) (CuO)。
[0030]在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，可能不必要或不期望在蒸餾塔的下游進(jìn)一步分離或純化第一富氦的流。在這些實(shí)施方案中，可消除上述PSA，而過程的其余部分保持不變，并且可具有本文描述的任何設(shè)置或設(shè)置組合。例如，在蒸餾塔中包括CO2洗滌流的設(shè)置可適于不帶有PSA來操作，與CO2洗滌流的來源無關(guān)并且與該設(shè)置是否也結(jié)合氮排出無關(guān)。
[0031]已描述了本文的組成的各個方面，本發(fā)明的其它具體實(shí)施方案包括在以下文字段落中描述的那些:
A.一種從進(jìn)料流回收氦的方法，所述進(jìn)料流包含氦、二氧化碳和一個或多個揮發(fā)度在二氧化碳和氦的揮發(fā)度之間的中間組分，所述方法包括在大于-82.7°C的溫度下使所述二氧化碳和中間組分與所述氦分離，以形成富氦的產(chǎn)物流，其中在所述富氦的產(chǎn)物流中至少一種所述中間組分的濃度低于其在所述進(jìn)料流中的濃度，并且其中至少部分所述分離通過使蒸氣與液體接觸而實(shí)現(xiàn)。[0032]B.段落A的方法，其中在大于-56.6°C的溫度下使所述二氧化碳和中間組分與所述氦分離。
[0033]C.段落A至B中任一個的方法，其中所述進(jìn)料流包含至少50摩爾％ 二氧化碳。
[0034]D.段落A至C中任一個的方法，其中所述方法中至少一部分在低于環(huán)境溫度的溫度下發(fā)生。
[0035]E.段落A至D中任一個的方法，所述方法還包括以下步驟:(a)冷卻所述進(jìn)料流；(b)將所述進(jìn)料流分離成為第一富氦的流和第一富CO2的流；和(c)分離所述第一富氦的流，以形成所述富氦的產(chǎn)物流和貧氦的流。
[0036]F.段落E的方法，所述方法還包括以下步驟:(d)使所述第一富CO2的流分成兩個或更多個衍生的富CO2的流；(e)加熱所述兩個或更多個衍生的富CO2的流中的至少一個；和(f)壓縮和組合所述兩個或更多個衍生的富CO2的流，以形成富CO2的產(chǎn)物流。
[0037]G.段落E至F中任一個的方法，其中在冷卻所述進(jìn)料流之前，將所述進(jìn)料流干燥至水露點(diǎn)小于或等于_40°C。
[0038]H.段落E至G中任一個的方法，其中所述進(jìn)料流在步驟b)中在蒸餾塔內(nèi)分離，并且其中將所述貧氦的流再循環(huán)并且進(jìn)料至所述蒸餾塔。
[0039]1.段落H的方法，其中在進(jìn)料至所述蒸餾塔之前將所述再循環(huán)的貧氦的流與所述進(jìn)料流組合。
[0040]J.段落E至I中任一個的方法，其中所述進(jìn)料流在步驟b)中在具有第一再沸器的蒸餾塔內(nèi)分離，其中將第一液體流從所述蒸餾塔的底部取出，加熱和至少部分汽化，和使所述已加熱的第一液體流的至少蒸氣部分返回至所述蒸餾塔的底部。
[0041]K.段落J的方法，其中所述蒸餾塔還包含第二再沸器，其中從所述蒸餾塔的中間段取出第二液體流，加熱和至少部分汽化，和將所述已加熱的第二液體流的至少蒸氣部分返回至所述蒸餾塔的中間段。
[0042]L.段落J至K中任一個的方法，其中至少部分所述進(jìn)料流在中間位置進(jìn)入所述蒸餾塔，所述方法還包括向所述蒸餾塔的頂部進(jìn)料包含CO2的液體流。
[0043]M.段落F至I中任一個的方法，其中所述進(jìn)料流在步驟b)中在蒸餾塔內(nèi)分離，并且至少部分所述進(jìn)料流在中間位置進(jìn)入所述蒸餾塔，所述方法還包括將所述兩個或更多個衍生的富CO2的流中的至少一個分離成為液體部分和蒸氣部分，并且向所述蒸餾塔的頂部進(jìn)料所述液體部分。
[0044]N.段落M的方法，其中在將衍生的富CO2的流分離成為所述液體部分和蒸氣部分之前，加熱所述流，并且其中在進(jìn)入所述蒸餾塔的頂部之前，冷卻所述液體部分。
[0045]0.段落L或M的方法，其中所述富氦的產(chǎn)物流包含至少90摩爾％氦。
[0046]P.段落F至O中任一個的方法，所述方法還包括將所述衍生的富CO2的流中的一個分離成為液體部分和蒸氣部分，冷卻所述衍生的富CO2的流的蒸氣部分，和將所得到的冷卻的部分分離成為富含至少一個所述具有中間揮發(fā)度的組分的產(chǎn)物流和富CO2的再循環(huán)流。
[0047]Q.段落F至O中任一個的方法，所述方法還包括將所述衍生的富CO2的流中的一個分離成為液體部分和蒸氣部分，冷卻所述蒸氣部分，和將所得到的冷卻的部分分離成為富氮的產(chǎn)物流和富CO2的再循環(huán)流。[0048]R.段落E至Q中任一個的方法，其中所述第一富氦的流包含一個或多個可燃組分，所述方法還包括在氧存在下催化燃燒所述第一富氦的流的可燃組分，以將所述可燃組分至少部分轉(zhuǎn)化為CO2和水，和在分離所述第一富氦的流之前或在相同的步驟中除去水，以形成所述富氦的產(chǎn)物流和第二富CO2的流。
[0049]S.段落R的方法，其中所述富氦的產(chǎn)物流包含至少99摩爾％氦。
[0050]T.段落A至R中任一個的方法，其中所述富氦的產(chǎn)物流包含至少60摩爾％氦。
[0051]U.段落F至T中任一個的方法，其中所述富CO2的產(chǎn)物流包含至少90摩爾％C02。
[0052]V.段落F至U中任一個的方法，其中所述富CO2的產(chǎn)物流包含至少95摩爾％C02。
[0053]W.段落A至V中任一個的方法，其中所述進(jìn)料流包含氣體。
[0054]X.段落A至W中任一個的方法，其中所述進(jìn)料流包含液體。
[0055]Y.段落A至X中任一個的方法，其中所述進(jìn)料流包含超臨界流體。
[0056]Z.段落A至Y中任一個的方法，其中所述進(jìn)料流的壓力大于約35巴。
[0057]AA.一種用于從進(jìn)料流回收氦的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含:(a)包含氦和至少50摩爾％co2的進(jìn)料流；(b)包含蒸餾塔的第一分離器，其設(shè)置為將所述進(jìn)料流分離成為第一富氦的流和第一富CO2的流，其中至少部分所述進(jìn)料流在中間位置進(jìn)入所述蒸餾塔；(C) 一個或多個換熱器，其設(shè)置為冷卻所述進(jìn)料流和加熱所述第一富氦的流和第一富CO2的流；(d)第二分離器，其設(shè)置為將(i)所述進(jìn)料流和/或(ii) 一部分所述第一富CO2的流分離成為液體部分和蒸氣部分，和向所述蒸餾塔的頂部再循環(huán)所述液體部分；和(e)
壓縮機(jī)，其設(shè)置為壓縮所述第一富CO2的流的未分離部分和所述第一富CO2的流的任何已分離部分的蒸氣部分，以形成富CO2的產(chǎn)物流。
[0058]BB.段落AA的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包含第三分離器，其設(shè)置為分離所述第一富氦的流，以形成富氦的產(chǎn)物流和貧氦的流。
[0059]CC.段落AA至BB中任一個的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包含干燥器，其設(shè)置為在所述換熱器中冷卻所述進(jìn)料流之前，干燥所述進(jìn)料流至水露點(diǎn)小于或等于_40°C。
[0060]DD.段落BB至CC中任一個的系統(tǒng)，其中將所述貧氦的流再循環(huán)并且進(jìn)料至所述蒸餾塔。
[0061 ] EE.段落AA至DD中任一個的系統(tǒng)，其中所述第一分離器還包含第一再沸器，其設(shè)置為向所述蒸餾塔的底部供應(yīng)蒸氣。
[0062]FF.段落EE的系統(tǒng)，其中所述第一分離器還包含第二再沸器，其設(shè)置為向所述蒸餾塔的中間段供應(yīng)蒸氣。
[0063]GG.段落AA至FF中任一個的系統(tǒng)，其中在進(jìn)入所述第二分離器之前加熱所述進(jìn)料流或所述一部分第一富CO2的流，和在進(jìn)入所述蒸餾塔的頂部之前冷卻所述液體部分。
[0064]HH.段落BB至GG中任一個的系統(tǒng)，其中所述富氦的產(chǎn)物流包含至少90摩爾％氦。
[0065]I1.段落BB至HH中任一個的系統(tǒng)，其中所述第三分離器包含壓力搖擺吸附單元(PSA)。
[0066]JJ.段落II的系統(tǒng)，其中所述PSA設(shè)置為從所述第一富氦的流除去至少氮、氬和CO2。
[0067]KK.段落AA至JJ中任一個的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包含第四分離器，其中將離開所述第二分離器的所述蒸氣部分冷卻，并且其中所述第四分離器設(shè)置為將所得到的冷卻部分分離成為富CO2的再循環(huán)流和富含一個或多個揮發(fā)度在CO2和氦的揮發(fā)度之間的中間組分的產(chǎn)物流。
[0068]LL.段落KK的系統(tǒng)，其中在步驟d)中，將離開所述第二分離器的所述液體部分加熱，并且分離成為次要液體部分和次要蒸氣部分，并將所述次要液體部分再循環(huán)至所述蒸餾塔的頂部。
[0069]MM.段落AA至LL中任一個的系統(tǒng)，其中所述第二分離器為蒸餾塔。
[0070]NN.段落KK至麗中任一個的系統(tǒng)，其中所述第四分離器為蒸餾塔。
[0071]00.段落BB至NN中任一個的系統(tǒng)，其中所述第一富氦的流包含一個或多個可燃組分，所述系統(tǒng)還包含催化燃燒器，其設(shè)置為在氧存在下燃燒所述第一富氦的流，以將所述可燃組分至少部分轉(zhuǎn)化為CO2和水，和在所述第一富氦的流進(jìn)入所述第二分離器之前任選除去至少部分所述水。
[0072]PP.段落00的系統(tǒng)，其中所述富氦的產(chǎn)物流包含至少99摩爾％氦。
[0073]QQ.段落AA至00中任一個的系統(tǒng)，其中所述富氦的產(chǎn)物流包含至少60摩爾％氦。
[0074]RR.段落BB至QQ中任一個的系統(tǒng)，其中所述富CO2的產(chǎn)物流包含至少90摩爾 ％co2。
[0075]SS.段落BB至RR中任一個的系統(tǒng)，其中所述富CO2的產(chǎn)物流包含至少95摩爾 ％co2。
[0076]TT.段落AA至SS中任一個的系統(tǒng)，其中所述進(jìn)料流包含氣體。
[0077]UU.段落AA至TT中任一個的系統(tǒng)，其中所述進(jìn)料流包含液體。
[0078]VV.段落AA至UU中任一個的系統(tǒng)，其中所述進(jìn)料流包含超臨界流體。
[0079]Wff.段落AA至VV中任一個的系統(tǒng)，其中所述進(jìn)料流的壓力大于約35巴。
[0080]附圖和實(shí)施例詳述
參考圖1至7及以下對其的描述，可進(jìn)一步理解本發(fā)明的系統(tǒng)和方法。應(yīng)注意到，附圖為簡化的流程圖，并且在一些情況下，不顯示輔助設(shè)備(例如泵、壓縮機(jī)、換熱器和閥)的各個部件。由于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易認(rèn)識到需要這樣的輔助設(shè)備和它們的位置，其省略是適當(dāng)?shù)牟⑶矣欣趫D的簡化。對于多于一個圖或?qū)嵤┓桨腹灿械牧黧w流和設(shè)備用每個圖中相同的附圖標(biāo)記來指定。為了清楚，對這些共享特征(就它們首次出現(xiàn)的圖對其描述)中的一些按后續(xù)的圖編號，但是那些描述在說明書中不再重復(fù)。
[0081 ] 在伴隨圖的討論的實(shí)施例中，使用兩種進(jìn)料氣體組成，稱為低N2進(jìn)料和高N2進(jìn)料?；诟芍?，即排除可能存在的任何水，這些組成示于表1。在表1和以下通篇討論中，基于摩爾給出組成。選擇這兩種組成來舉例說明本發(fā)明，因?yàn)檎J(rèn)為它們是具有低水平和高水平氮的含氦CO2氣田的典型。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法設(shè)計(jì)為從具有各種各樣組成的進(jìn)料流回收氦，并且本文預(yù)期了所有這些可能的進(jìn)料組成。
[0082]表 1。
【權(quán)利要求】
1.一種從進(jìn)料流回收氦的方法，所述進(jìn)料流包含氦、二氧化碳和一個或多個揮發(fā)度在二氧化碳和氦的揮發(fā)度之間的中間組分，所述方法包括在大于-82.7°C的溫度下使所述二氧化碳和中間組分與所述氦分離，以形成富氦的產(chǎn)物流，其中在所述富氦的產(chǎn)物流中至少一種所述中間組分的濃度低于其在所述進(jìn)料流中的濃度，并且其中至少部分所述分離通過使蒸氣與液體接觸而實(shí)現(xiàn)。
2.權(quán)利要求1的方法，其中在大于-56.6°C的溫度下使所述二氧化碳和中間組分與所述氦分離。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述進(jìn)料流包含至少50摩爾％二氧化碳。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述方法中至少一部分在低于環(huán)境溫度的溫度下發(fā)生。
5.權(quán)利要求1的方法，所述方法還包括以下步驟: a.冷卻所述進(jìn)料流； b.將所述進(jìn)料流分離成為第一富氦的流和第一富CO2的流；和 c.分離所述第一富氦的流，以形成所述富氦的產(chǎn)物流和貧氦的流。
6.權(quán)利要求5的方法，所述方法還包括以下步驟: d.使所述第一富CO2的流分成兩個或更多個衍生的富CO2的流； e.加熱所述兩個或更多個衍生的富CO2的流中的至少一個；和 f.壓縮和組合所述兩個或更多個衍生的富CO2的流，以形成富CO2的產(chǎn)物流。
7.權(quán)利要求5的方法，其中在冷卻所述進(jìn)料流之前，將所述進(jìn)料流干燥至水露點(diǎn)小于或等于-40°C。
8.權(quán)利要求5的方法，其中所述進(jìn)料流在步驟b)中在蒸餾塔內(nèi)分離，并且其中將所述貧氦的流再循環(huán)并且進(jìn)料至所述蒸餾塔。
9.權(quán)利要求8的方法，其中在進(jìn)料至所述蒸餾塔之前將所述再循環(huán)的貧氦的流與所述進(jìn)料流組合。
10.權(quán)利要求5的方法，其中所述進(jìn)料流在步驟b)中在具有第一再沸器的蒸餾塔內(nèi)分離，其中將第一液體流從所述蒸餾塔的底部取出，加熱和至少部分汽化，和使所述已加熱的第一液體流的至少蒸氣部分返回至所述蒸餾塔的底部。
【文檔編號】F25J3/02GK103575063SQ201310334023
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年8月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月2日
【發(fā)明者】P.希金博薩姆, V.懷特, J.E.帕拉馬拉 申請人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司