专利名称：从流体流和流体分离组合件中移除和固化二氧化碳的方法
技术领域：
本发明涉及从流体流中移除二氧化碳的方法。具体地，本发明的实施方案涉及从 天然气流中移除二氧化碳的方法。本发明还涉及流体分离组合件。
背景技术：
来自贮存或生产气藏的天然气通常含有二氧化碳(CO2)。这种天然气称为“酸”气。 在流体流中称为“酸”的另一种物质是硫化氢(H2S)。没有上述酸物质的流体流称为“甜”流 体。CO2促进管道内的腐蚀。并且，在一些司法管辖区，可能实施针对流体流中CO2最 大浓度的法律和商业要求。因此，期望从酸流体流中移除co2。流体变甜的方法，即从流体流中移除如二氧化碳的酸性物质的方法，在现有技术 中是已知的。这种方法一般包括化学吸收、物理吸收、低温蒸馏(也称为低温分离)和膜分 离中的至少一种。使用这种方法从流体流中移除二氧化碳是极其复杂和昂贵的。
发明内容
期望有比上述方法更加有效操作的从流体流中移除二氧化碳的方法。为此，本发 明的一个实施方案提供一种通过流体分离组合件从流体流中移除二氧化碳的方法，所述流 体分离组合件包括-旋流分离器，包括设置在合流入口段和分流出口段之间的喉部以及设置为使在 旋流分离器的至少一部分中的含二氧化碳的流体产生涡流运动的涡流产生装置，所述合流 入口段包括用于流体组分的第一入口，所述分流出口段包括用于贫二氧化碳的流体的第一 出口和和用于富二氧化碳的流体的第二出口；-分离容器，具有与收集槽相连的第一段，所述第一段配置有与旋流分离器的第二 出口相连的第二入口，并且所述收集槽配置有用于固化二氧化碳的第三出口 ；所述方法包括-在第一入口处提供流体流，所述流体流含有二氧化碳；-对流体流施加涡流运动，以使流体流中的浓缩组分和固化组分中的至少其一在 涡流产生装置的下游产生向外运动和形成向外流体流；-使涡流流体流膨胀，以在流体流中形成亚稳态的液化二氧化碳组分，并且使亚稳 态的液化二氧化碳组分在涡流运动的影响下产生向外运动；-经第二出口从所述旋流分离器中提取含有亚稳态的液化二氧化碳组分的向外流 体流；-将提取的向外流体流作为混合物经第二入口提供至分离容器；-将该混合物经分离容器的第一段导向收集槽，同时在第一段提供工艺条件，使得 由亚稳态的液化二氧化碳组分形成固化的二氧化碳；
-经第三出口提取固化的二氧化碳。在一个实施方案中，本发明还涉及一种用于从流体流中移除二氧化碳的流体分离 组合件，所述流体分离组合件包括-旋流分离器，包括设置在合流入口段和分流出口段之间的喉部以及设置为使在 分离器的至少一部分中的含二氧化碳的流体产生涡流运动的涡流产生装置，所述合流入口 段包括用于流体组分的第一入口，所述分流出口段包括用于贫二氧化碳的流体的第一出口 和和用于富二氧化碳的流体的第二出口；-分离容器，具有与收集槽相连的第一段，所述第一段配置有与旋流分离器的第二 出口相连的第二入口，并且所述收集槽配置有用于固化二氧化碳的第三出口 ；其中所述流体分离组合件设置为_在第一入口处接收含有二氧化碳的流体流；-对流体流施加涡流运动，以使流体流中的浓缩组分和固化组分中的至少其一在 涡流产生装置的下游产生向外运动和形成向外流体流；-使涡流流体流膨胀，以在流体流中形成亚稳态的液化二氧化碳组分，并且使亚稳 态的液化二氧化碳组分在涡流运动的影响下产生向外运动；-经第二出口从所述旋流分离器中提取含有亚稳态的液化二氧化碳组分的向外流 体流；-将提取的向外流体流作为混合物经第二入口提供至分离容器；-将所述混合物经分离容器的第一段导向收集槽，同时在第一段提供工艺条件，使 得由亚稳态的液化二氧化碳组分形成固化的二氧化碳；-能够经第三出口提取固化的二氧化碳。在整个说明书中，使用术语“流体”。该术语是指液体和/或气体。
下面将结合附图仅通过实施例来描述本发明的实施方案，在附图中相应的附图标 记表示相应的部件，其中-图1示意性示出可用于本发明实施方案中的旋流分离器的纵剖面图；-图2示意性示出可用于本发明实施方案中的分离容器的剖面图；-图3a、3b示出含二氧化碳的天然气的示例性相图，其中示意性地图示出根据本 发明的方法的不同实施方案。
具体实施例方式图1示意性示出可用于本发明实施方案中的旋流分离器1的纵剖面图。在国际专 利申请W003/029739中详细描述了这种旋流分离器。应理解的是，在本发明的实施方案中， 也可以使用不同类型的旋流分离器，如W099/01194、W02006/070019和W000/23757中所述 的旋流分离器。旋流分离器1包括合流入口段3、分流出口段5和设置在合流入口段3和分流出口 段5之间的管状喉部4。旋流分离器1还包括涡流产生装置，例如多个涡流产生叶片2，其 设置为在旋流分离器1的至少一部分中产生流体的涡流运动。
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。下面将对根据本发明的一个实施方案的利用旋流分离器1从含二氧化碳的流体 流中分离二氧化碳的情况来说明旋流分离器1的各个部件的功能。含二氧化碳的流体流经第一入口 10进料到合流入口段3。在本发明的一个实施方 案中，流体流包括摩尔百分比大于10%的二氧化碳。涡流产生叶片2在流体流中产生循环 并且相对旋流分离器1的中心轴(即旋流分离器1围绕其大致为旋转对称的轴)成α角。 然后，涡流流体流膨胀至高速度。在本发明的一些实施方案中，多个涡流产生叶片2设置在 喉部4中。在本发明的其它实施方案中，多个涡流产生叶片2设置在合流入口段3中。在本发明的一些实施方案中，涡流流体流具有跨音速。在本发明的其它实施方案 中，涡流流体流可达到超音速。膨胀迅速进行。对于膨胀可以限定两个时标。第一个时标涉及传质时间，即与回复平衡条件相关的时间。取决于两相体系 中的界面面积密度，两相间的扩散系数和偏离平衡的幅度。液固相转变的通常比气液相 转变的大两个数量级。第二个时标涉及装置中流体的膨胀停留时间t_。tMS涉及装置中流体的平均速度 和流体流经的装置的轴长度。当_ > 1时，膨胀被称为“快速”。
res由于快速膨胀导致流体流的高速度，使得涡流流体流可达到低于200K的温度和 低于合流入口段3的第一入口 10处压力的50%的压力。由于上述膨胀，导致二氧化碳组分 在流体流中形成亚稳态。在入口段3的流体流是气体流的情况下，二氧化碳组分将形成为 液化二氧化碳组分。在入口段3的流体流是液体流的情况下，将形成烃蒸气，而大部分二氧 化碳组分保持液体形式。在管状喉部4中，可使流体流进一步膨胀到更高速度或保持基本 恒定的速度。在第一种情况下，即流体流膨胀到更高速度时，前述二氧化碳组分继续形成并且 颗粒将得到质量。优选的是，膨胀扩展到固体共存区(图3a、3b中的IVa或IVb)。但是，相 对于平衡而言，固化将延迟，这是因为从液体到固体的相转变与成形的自由能势垒有关。如 将参照图3a和3b进一步描述的，一部分二氧化碳会固化。当流体流保持基本不变的速度时，二氧化碳组分的形成在限定的弛豫时间后将大 致停止。在这两种情况中，即流体流膨胀到更高速度或流体流保持基本不变的速度时，离心 作用导致二氧化碳颗粒漂移至与旋流分离器1外壳的内壁相邻的流动区外围以形成向外 流体流。在这种情况下，向外流体流是富二氧化碳的流体流，其中的二氧化碳组分被液化和 /或部分固化。在管状喉部4的下游，从旋流分离器1中，经旋流分离器1的第二出口 7提取含有 前述亚稳态的二氧化碳组分的向外流体流。从旋流分离器1中，经旋流分离器1的第一出 口 6提取流体流中不是前述向外流体流部分的其它组分。图2示意性示出可用于本发明实施方案中的分离容器的剖面图。分离容器21具 有第一部分，又称为管状部分22，其在使用时沿收集槽23的基本垂直方向放置并与收集槽 23连接。收集槽23配置有第三出口 26和第四出口 28。管状部分22配置有第二入口 25 和第五出口 29。第二入口 25与旋流分离器1的第二出口 7相连。在一个实施方案中，第二 入口 25设置为提供切向流体流到分离容器21中，例如，第二入口 25设置为与分离容器21
7的周边相切。分离容器21还包括在图2中以附图标记31示意性表示的冷却装置和在图2 中以附图标记33示意性表示的分离装置。对于在根据本发明的一个实施方案的从流体流中移除二氧化碳的方法中使用分 离容器21的情况，下面描述分离容器21各个部件的功能。冷却装置31配置为在分离容器21中提供预定温度条件。该温度条件为能够使作 为混合物经第二入口 25进入分离容器21的富二氧化碳流体固化。换言之，分离容器21内 的温度应保持低于二氧化碳的固化温度，而二氧化碳的固化温度取决于分离容器21中的 压力条件。在分离容器21中，含有源自旋流分离器1的第二出口 7的二氧化碳的混合物被分 为至少三部分。这些部分分别是第一部分是气体组分，第二部分是主要为液态的烃，第三 部分是主要为固态的二氧化碳。第一部分由离开第二出口 7的液体所夹带出的气体组分形成。冷却装置31配置 为保持分离容器21中的温度低于流体的固化温度。气体组分不含很多二氧化碳，因为大部 分二氧化碳会溶于混合液体中，以下将参考图3更加详细地说明。贫二氧化碳的气体组分 可经第五出口 29离开分离容器21。由于从混合物的液体中固化二氧化碳(也就是将根据图3更加详细说明的现象)， 因此不再含有气体组分的混合物可通过分离装置33分成含烃的液体组分和固体二氧化碳 组分。可能的分离装置33包括重力分离器，离心机和水力旋流器。在使用重力分离器的情 况下，优选包括多个叠片。在使用离心机的情况下，优选包括堆叠的碟碗。分离容器21中 的分离装置33配置为使烃液体组分能够经第四出口 28离开分离容器21和使固化的二氧 化碳能够经第三出口 29离开分离容器21。在一个实施方案中，流体分离组合件还包括与第三出口 29相连的螺旋输送器或 螺旋卸料机35。螺旋卸料机35配置为从分离容器21中提取固化的二氧化碳。在另一个实施方案中，暴露于流体的流体分离组合件的元件即旋流分离器1，分离 容器21和与旋流分离器1的第二出口 7和分离容器21的第二入口 25相连的一个或多个 管等的内表面，配置有非粘涂层。非粘涂层防止固化的流体组分即二氧化碳在前述内表面 的粘附。这种粘附将会降低流体分离组合件的效率。图3a、3b示出含二氧化碳的天然气的示例性相图，其中示意性图示出根据本发明 方法的不同实施方案。相表示为压力(巴)和温度(摄氏度)的函数。在该特定情况中， 天然气含71摩尔％的0)2。另外，天然气还含有0.5摩尔％的氮气(N2)，0.5摩尔％的硫化 氢012幻，27摩尔％的(1即其中具有一个碳原子的烃以及1摩尔％的02即其中具有两个 碳原子的烃。相图标记如下V =气相，L =液相，C =固体C02。不同共存相的面积通过计 算相边界来分离。在图3a中，图1中示意性说明的在旋流分离器1的第一入口 10处的流体流的条 件对应于坐标80巴和-40°C，在图3a的图中以[起点]表示。沿箭头A的等熵轨迹是在 液相区(II)中，而沿箭头B的等熵轨迹是在气/液共存区(III)中。由于共存区(III)中 的膨胀，使得沿箭头B可达到液/气区的亚稳态，直到在特定的超饱和条件下发生相转变。 随后，所产生的蒸发过程将回复平衡条件。流体流沿箭头C的再膨胀可导致流体在气/液 /固共存区(IVb)或气/固共存区(IVa)中达到亚稳态。即使沿箭头C所示的膨胀轨迹，也不会瞬时发生形成固体二氧化碳的相转变，气相中的二氧化碳部分将耗尽，同时更多二 氧化碳溶于液体中。在本发明的实施方案中，流体流可通过旋流分离器，例如如国际专利申 请TO2006/070019中所述的旋流分离器，在箭头C所示的膨胀轨迹的末端处分离为富二氧 化碳流体流和贫二氧化碳流体流。分离的富二氧化碳流体处于非平衡态，其仅持续约10微 秒的有限时间段。因此，富二氧化碳流体在旋流分离器1的分流出口段5的第二出口 7中 被再压缩并且经第二出口 7排放到分离容器21，优选在亚稳态存在的所述时间段内。所述 亚稳态的破坏导致固体的形成，实践中是指液体中溶解的二氧化碳固化。二氧化碳固化导 致潜热释放，使得流体温度上升。因此，进入分离容器21的分离的富二氧化碳流体可被冷 却以确保流体保持在气/固或气/液/固共存区中。所述的富二氧化碳流体的冷却和再压 缩过程由箭头D示出。在本发明的实施方案中，在分离容器21中发生进一步固化过程。在 分离容器21内处于新发展的平衡的流体状态标记为[终点]。如上所述，通过第三出口 26 移除固化的二氧化碳。在图3b中，在图1中示意性示出的旋流分离器1的第一入口 10处的流体流的条 件对应于坐标约85巴和约18°C，在图3b的图中以[起点]表示。沿箭头A’的等熵轨迹是 在气相区(I)中，而沿箭头B’的等熵轨迹是在气/液共存区(III)中。由于共存区(III) 中的膨胀，使得沿箭头B’可达到液/气区的亚稳态，直到在某特定的超冷条件下发生相转 变。然后，所产生的冷凝过程将回复平衡条件。流体流沿箭头C’的再膨胀可导致流体在气 /液/固共存区(IVb)或气/固共存区(IVa)中达到亚稳态。即使沿箭头C’所示的膨胀轨 迹，也不会瞬时发生形成固体二氧化碳的相转变。在本发明的实施方案中，参考图1的上述 过程，流体流可通过旋流分离器1，在箭头C所示的膨胀轨迹的末端处分离为富二氧化碳流 体流和贫二氧化碳流体流。另外，关于该过程的更详细描述可参见国际申请W003/029739。 分离的富二氧化碳流体处于非平衡态，其仅能持续约10微秒的有限时间段。因此，富二氧 化碳流体在旋流分离器1的分流出口段5的第二出口 7中被再压缩并且经第二出口 7排放 到分离容器21，优选在亚稳态存在的所述时间段内。所述亚稳态的破坏导致从流体流的液 化部分中形成固体二氧化碳。二氧化碳的固化导致潜热释放，使得流体温度上升。因此，进 入分离容器21的分离的富二氧化碳流体可被冷却以确保流体保持在气/固或气/液/固 共存区中。所述的富二氧化碳流体的冷却和再压缩过程由箭头D’示出。在本发明的实施方案中，在分离容器21中发生进一步固化过程。在分离容器21 内处于新发展的平衡的流体状态标记为[终点]。同样，如上所述，再次通过第三出口 26移 除固化的二氧化碳。尽管上文已经描述了本发明的特定实施方案，但是应理解的是本发明可以采取所 述之外的方法实现。以上说明书旨在说明，而非对本发明进行限定。因此，本领域技术人员 知晓可对所述的本发明实施方案进行修改而不背离权利要求的范围。
权利要求
一种通过流体分离组合件从流体流中移除二氧化碳的方法，所述流体分离组合件包括 旋流分离器，包括设置在合流入口段和分流出口段之间的喉部以及设置为使在所述旋流分离器的至少一部分中的含二氧化碳的流体产生涡流运动的涡流产生装置，所述合流入口段包括用于流体组分的第一入口，所述分流出口段包括用于贫二氧化碳流体的第一出口和用于富二氧化碳流体的第二出口； 分离容器，具有与收集槽相连的第一段，所述第一段配置有与所述旋流分离器的所述第二出口相连的第二入口，并且所述收集槽配置有用于固化的二氧化碳的第三出口；所述方法包括 在所述第一入口处提供流体流，所述流体流含有二氧化碳； 对所述流体流施加涡流运动，以使所述流体流中的浓缩组分和固化组分中的至少其一在所述涡流产生装置的下游产生向外运动和形成向外流体流； 使涡流流体流膨胀，以在所述流体流中形成亚稳态的液化二氧化碳组分，并且使所述亚稳态的液化二氧化碳组分在所述涡流运动的影响下产生向外运动； 经所述第二出口从所述旋流分离器中提取含有所述亚稳态的液化二氧化碳组分的向外流体流； 将提取的向外流体流作为混合物经所述第二入口提供至所述分离容器； 将所述混合物经所述分离容器的所述第一段导向所述收集槽，同时在所述第一段中提供工艺条件，使得由所述亚稳态的液化二氧化碳组分形成固化的二氧化碳； 经所述第三出口提取所述固化的二氧化碳。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述分离容器的所述第一段还配置有第四出口， 并且所述方法还包括经所述第四出口提取贫二氧化碳的气体组分。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述收集槽还配置有第五出口，并且所述方法 还包括经所述第五出口提取烃液体组分。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述分离容器还包括配置为在其中提 供预定温度条件的冷却装置，所述温度条件使得所述富二氧化碳流体能够固化。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述流体分离组合件还包括与所述第 三出口相连的螺旋卸料机，并且所述固化的二氧化碳的提取是通过利用所述螺旋卸料机输 送进行的。
6.根据前述权利要求1中任一项所述的方法，其中所述流体流包含摩尔百分比大于 10%的二氧化碳。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述涡流流体流的膨胀使所述涡流流 体流达到超音速。
8.根据权利要求7的方法，其中所述膨胀还使温度达到200K以下。
9.根据权利要求7或8的方法，其中所述膨胀还使压力达到所述旋流分离器的所述第 一入口的压力的50%以下。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述涡流产生装置包括多个涡流产 生叶片。
11.根据权利要求10的方法，其中所述多个涡流产生叶片设置在所述喉部。
12.根据权利要求10的方法，其中所述多个涡流产生叶片设置在所述入口段。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中暴露于所述流体的所述流体分离组 合件的元件的内表面配置有非粘涂层。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述将提取的所述向外流体流作为 混合物经所述第二入口提供到所述分离容器设置为提供切向流体流。
15.一种用于从流体流中移除二氧化碳的流体分离组合件，所述流体分离组合件包括-旋流分离器，包括设置在合流入口段和分流出口段之间的喉部以及设置为使在所述 分离器的至少一部分中的含二氧化碳的流体产生涡流运动的涡流产生装置，所述合流入口 段包括用于流体组分的第一入口，所述分流出口段包括用于贫二氧化碳流体的第一出口和 用于富二氧化碳流体的第二出口；-分离容器，具有与收集槽相连的第一段，所述第一段配置有与所述旋流分离器的所述 第二出口相连的第二入口，并且所述收集槽配置有用于固化的二氧化碳的第三出口 ；其中所述流体分离组合件设置为-在所述第一入口处接收流体流，所述流体流含有二氧化碳；-对所述流体流施加涡流运动，以使所述流体流中的浓缩组分和固化组分中的至少其 一在所述涡流产生装置的下游产生向外运动和形成向外流体流；-使涡流流体流膨胀，以在所述流体流中形成亚稳态的液化二氧化碳组分，并且使所述 亚稳态的液化二氧化碳组分在所述涡流运动的影响下产生向外运动；-经所述第二出口从所述旋流分离器中提取含有所述亚稳态的液化二氧化碳组分的向 外流体流；-将提取的所述向外流体流作为混合物经所述第二入口提供至所述分离容器；_将所述混合物经所述分离容器的所述第一段导向所述收集槽，同时在所述第一段中 提供工艺条件，使得由所述亚稳态的液化二氧化碳组分形成固化的二氧化碳；-实现经所述第三出口提取所述固化的二氧化碳。
16.根据权利要求15所述的流体分离组合件，其中所述第一段还配置有第四出口，所 述第四出口设置为能够提取贫二氧化碳的气体组分。
17.根据权利要求15或16所述的流体分离组合件，其中所述收集槽还装配有第五出 口，所述第五出口配置为能够提取烃液体组分。
18.根据权利要求15-17中任一项所述的流体分离组合件，其中所述分离容器还包括 配置为在其中提供预定温度条件的冷却装置，所述温度条件使得所述富二氧化碳流体能够 固化。
19.根据权利要求15-18中任一项所述的流体分离组合件，其中所述流体分离组合件 还包括与所述第三出口相连的螺旋卸料机，所述螺旋卸料机配置为能够经所述第三出口通 过输送来提取所述固化的二氧化碳。
20.根据权利要求15-19中任一项所述的流体分离组合件，其中所述涡流产生装置包 括多个涡流产生叶片。
21.根据权利要求20所述的流体分离组合件，其中所述多个涡流产生叶片设置在所述 喉部。3
22.根据权利要求20所述的流体分离组合件，其中所述多个涡流产生叶片设置在所述 入口段。
23.根据权利要求15-22中任一项所述的流体分离组合件，其中暴露于所述流体的所 述流体分离组合件的元件的内表面配置有非粘涂层。
24.根据权利要求15-23中任一项所述的流体分离组合件，其中所述分离容器的所述 第二入口设置为与所述分离容器的周边相切。
全文摘要
本发明涉及一种通过流体分离组合件从流体流中移除二氧化碳的方法。所述流体分离组合件具有旋流分离器(1)和涡流产生装置(2)，所述旋流分离器(1)包括设置在合流入口段(3)和分流出口段(5)之间的管状喉部(4)。分离容器(21)具有置于收集槽(23)上并与收集槽(23)相连的管状部(22)。在所述方法中，提供含有二氧化碳的流体流。然后，对流体流施加涡流运动以产生向外运动。然后，使涡流流体流膨胀，以在流体流中形成亚稳态的二氧化碳组分。接着，从旋流分离器(1)中提取含有二氧化碳组分的向外流体流(7)，并将其作为混合物提供到分离容器(21)。然后，该混合物经管状部(22)被导向收集槽(23)，同时提供工艺条件以便形成固化的二氧化碳。最后，提取所述固化的二氧化碳。
文档编号B04C3/00GK101959574SQ200780102411
公开日2011年1月26日 申请日期2007年12月28日 优先权日2007年12月28日
发明者巴尔特·普拉斯特, 科内利斯·安东尼·琴克威林克, 雅各布·阿里耶·科内利斯·朗格拉克, 马可·贝廷 申请人:缠绕机公司