(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガス流から酸性ガスを除去するシステムであって、
極低温蒸留塔を有し、前記蒸留塔は、下側蒸留ゾーン及び主としてメタンで構成された低温液体スプレーを受け入れる中間制御凍結ゾーンを有し、前記蒸留塔は、前記原料ガス流を受け入れ、次に該原料ガス流をオーバーヘッドメタン流とボトム液化酸性ガス流に分離し、
前記極低温蒸留塔の下流側に設けられていて、前記オーバーヘッドメタン流を冷却し、該オーバーヘッドメタン流の一部分を液体還流として前記極低温蒸留塔に戻す冷凍設備を有し、
前記極低温蒸留塔の上流側に設けられていて、前記原料ガス流を少なくとも部分的に脱水する少なくとも１つの固体吸着剤床を有し、
前記極低温蒸留塔の下流側に設けられていて、前記冷却されたオーバーヘッドメタン流から少なくとも幾分かの残存酸性ガスを吸着する固体吸着剤床を有し、
前記極低温蒸留塔の下流側に設けられている前記少なくとも１つの固体吸着剤床が二酸化炭素で実質的に飽和状態になると、前記極低温蒸留塔の下流側に設けられている前記少なくとも１つの固体吸着剤床に取って代わる少なくとも１つの再生固体吸着剤床を有し、  前記冷凍設備は、前記極低温蒸留塔内の前記原料ガス流から酸性ガスを第１の選択された組成まで除去するのに十分な量で液体還流を生じさせると共に前記オーバーヘッドメタン流を前記極低温蒸留塔の下流側に設けられている前記固体吸着剤床に送り出して前記残存する酸性ガスを最低第２の選択された組成まで除去するよう設計されており、
前記極低温蒸留塔の下流側の前記少なくとも１つの固体吸着剤床は、再生サイクルにおいて前記極低温蒸留塔の上流側の前記少なくとも１つの固体吸着剤床に取って代わるよう構成されている、システム。
【請求項２】
前記酸性ガスは、二酸化炭素を含み、
前記生じた液体還流の量は、前記原料ガス流から二酸化炭素を最低１〜４モル百分率の第１の組成まで除去するのに十分であり、
前記極低温蒸留塔の下流側の前記固体吸着剤床は、前記オーバーヘッドメタン流から追加の二酸化炭素を最低０．２〜３．０モル百分率の第２の組成まで除去する、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記蒸留塔の上流側に設けられている前記少なくとも１つの固体吸着剤床のサイクル時間を制御する制御システムを更に有する、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記制御システムは、
前記蒸留塔の上流側の前記少なくとも１つの固体吸着剤床の上流側に位置する前記原料ガス流中の水の組成を測定する測定装置と、
前記蒸留塔の上流側の前記固体吸着剤床中への前記原料ガス流の流量を測定する流量計とを有する、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記制御システムは、
前記蒸留塔の上流側の前記少なくとも１つの固体吸着剤床の流出液の上方の水の組成を測定する測定装置を有し、
前記制御システムは、前記測定装置が所定レベルの水を検出すると、前記蒸留塔の上流側の前記固体吸着剤床を通る流体の流れを遮断するよう構成されている、請求項３記載のシステム。
【請求項６】
前記生じた液体還流の量は、前記原料ガス流から二酸化炭素を最低パイプライン規格に適合する第１の組成まで除去するのに十分であり、
前記極低温蒸留塔の下流側の前記固体吸着剤床は、前記オーバーヘッドメタン流から二酸化炭素をＬＮＧ規格に適合する前記第２の選択された酸性ガス組成まで除去し、前記ＬＮＧ規格は、二酸化炭素含有量が１００ｐｐｍ以下であることを必要条件とする請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記極低温蒸留塔の下流側の前記固体吸着剤床は、前記オーバーヘッドメタン流から二酸化炭素を最低１００ｐｐｍ以下の組成まで除去する、請求項２記載のシステム。
【請求項８】
前記極低温蒸留塔の下流側の前記固体吸着剤床は、前記オーバーヘッドメタン流から二酸化炭素を最低５０ｐｐｍ以下の組成まで除去する、請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記極低温蒸留塔の下流側の前記固体吸着剤床は、モレキュラーシーブ床である、請求項２記載のシステム。
【請求項１０】
前記酸性ガスは、硫化水素を更に含み、
前記極低温蒸留塔の下流側の前記モレキュラーシーブ床は、前記オーバーヘッドメタン流から硫化水素を最低１０ｐｐｍ以下の組成まで除去する、請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
前記極低温蒸留塔の下流側の前記モレキュラーシーブ床は、前記オーバーヘッドメタン流から硫化水素を最低４ｐｐｍ以下の組成まで除去する、請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
前記極低温蒸留塔の下流側に設けられていて、（ｉ）イオン性液体、（ｉｉ）物理的溶剤又は（ｉｉｉ）化学的溶剤のうちのいずれかを用いてメタンから二酸化炭素を更に分離する１つ又は２つ以上の容器を更に有する、請求項２記載のシステム。
【請求項１３】
前記極低温蒸留塔の上流側の前記少なくとも１つの固体吸着剤床は、モレキュラーシーブ床であり、
予備の前記少なくとも１つの追加の固体吸着剤床も又、モレキュラーシーブ床である、請求項９記載のシステム。
【請求項１４】
前記冷凍設備は、開ループ冷凍システム又は閉ループ冷凍システムを含む、請求項１記載のシステム。
【請求項１５】
前記原料ガス流は、窒素を更に含み、
前記システムは、前記極低温蒸留塔の下流側に設けられていて、前記冷却されたオーバーヘッドメタン流から少なくとも幾分かの窒素を吸着する固体吸着剤床を更に有する、請求項１記載のシステム。
【請求項１６】
原料ガス流から酸性ガスを除去する方法であって、
下側蒸留ゾーン及び主としてメタンで構成された低温液体スプレーを受け入れる中間制御凍結ゾーンを備えた極低温蒸留塔を用意するステップを有し、
前記原料ガス流を前記極低温蒸留塔中に導入するステップを有し、
前記極低温蒸留塔中の前記原料ガス流をオーバーヘッドメタン流とボトム酸性ガス流に分離するステップを有し、
前記オーバーヘッドメタン流を前記極低温蒸留塔の下流側に設けられている冷凍システム中に通すステップを有し、前記冷凍システムは、前記オーバーヘッドメタン流を冷却し、
前記冷却されたオーバーヘッドメタン流の第１の部分を前記低温液体スプレーとして役立つ液体還流として前記極低温蒸留塔に戻すステップを有し、
前記冷却されたオーバーヘッドメタン流の第２の部分を前記極低温蒸留塔の下流側に設けられている固体吸着剤床中に通して追加の酸性ガスを除去すると共に浄化されたガス流を生じさせるステップを有し、
前記極低温蒸留塔内の前記原料ガス流から酸性ガスを最低第１の選択された組成まで除去するのに十分な量で液体還流を生じさせると共に前記オーバーヘッドメタン流を前記極低温蒸留塔の下流側の前記固体吸着剤床に送り出して追加の酸性ガスを含む最低第２の選択された組成まで除去するよう前記冷凍システムを設計するステップを有し、
前記原料ガス流を前記極低温蒸留塔の上流側に設けられている固体吸着剤床中に通すことにより前記原料ガス流を少なくとも部分的に脱水するステップを有し、前記極低温蒸留塔の下流側の前記固体吸着剤床及び前記極低温蒸留塔の上流側の前記固体吸着剤床は各々、モレキュラーシーブ床であるステップと、
前記極低温蒸留塔の上流側の前記床を吸着された水で飽和させ、前記極低温蒸留塔の上流側の前記床を前記極低温蒸留塔の下流側に設けられている固体吸着剤床として使用することにより酸性ガスで飽和状態になったモレキュラーシーブ床で置き換えるステップを有する、方法。
【請求項１７】
前記酸性ガスは、二酸化炭素を含み、
前記生じた液体還流の量は、前記原料ガス流から二酸化炭素を最低１〜４モル百分率の第１の組成まで除去するのに十分であり、
前記極低温蒸留塔の下流側の前記固体吸着剤床は、前記オーバーヘッドメタン流から追加の二酸化炭素を最低０．２〜３．０モル百分率の第２の組成まで除去する、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記生じた液体還流の量は、前記原料ガス流から二酸化炭素を最低パイプライン規格に適合する第１の組成まで除去するのに十分であり、
前記極低温蒸留塔の下流側の前記固体吸着剤床は、前記オーバーヘッドメタン流から二酸化炭素をＬＮＧ規格に適合する前記第２の選択された酸性ガス組成まで除去し、前記ＬＮＧ規格は、二酸化炭素含有量が１００ｐｐｍ以下であることを必要条件とする請求項１６記載の方法。
【請求項１９】
前記パイプライン規格は、二酸化炭素含有量が３．０モル百分率以下であることを必要条件とする、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記極低温蒸留塔の下流側の前記固体吸着剤床は、前記オーバーヘッドメタン流から二酸化炭素を最低１００ｐｐｍ以下の組成まで除去する、請求項１８記載の方法。
【請求項２１】
前記極低温蒸留塔の下流側の前記固体吸着剤床は、モレキュラーシーブ床である、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記酸性ガスは、硫化水素を更に含み、
前記極低温蒸留塔の下流側の前記モレキュラーシーブ床は、前記オーバーヘッドメタン流から硫化水素を最低１０ｐｐｍ以下の組成まで除去する、請求項１７記載の方法。
【請求項２３】
前記極低温蒸留塔の下流側の前記固体吸着剤床は、モレキュラーシーブ床であり、
前記モレキュラーシーブ床は、前記オーバーヘッドメタン流から硫化水素を最低４ｐｐｍ以下の組成まで除去する、請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記極低温蒸留塔の下流側に設けられていて、（ｉ）イオン性液体、（ｉｉ）物理的溶剤又は（ｉｉｉ）化学的溶剤のうちのいずれかを用いてメタンから二酸化炭素を更に分離する１つ又は２つ以上の容器を更に有する、請求項１７記載の方法。
【請求項２５】
前記極低温蒸留塔の上流側の前記モレキュラーシーブ床が水で実質的に飽和状態になると、前記極低温蒸留塔の上流側の前記固体吸着剤床を交換するステップを更に有する、請求項１６記載の方法。
【請求項２６】
前記極低温蒸留塔の上流側の前記モレキュラーシーブ床が水で実質的に飽和状態になった後、前記極低温蒸留塔の上流側の前記モレキュラーシーブ床を再生するステップを更に有する、請求項１６記載の方法。
【請求項２７】
前記極低温蒸留塔の上流側の前記モレキュラーシーブ床の再生は、温度スイング吸着方式か圧力スイング吸着方式かのいずれかを用いる、請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
前記極低温蒸留塔の下流側の前記モレキュラーシーブ床が二酸化炭素で実質的に飽和状態になると、前記極低温蒸留塔の下流側の前記モレキュラーシーブ床を前記極低温蒸留塔の上流側で脱水のために先に供用中であった再生モレキュラーシーブ床で置き換えるステップを更に有する、請求項２６記載の方法。
【請求項２９】
前記ボトム酸性ガス流の少なくとも一部分を少なくとも１つの酸性ガス注入ウェルから地下地層中に注入するステップを更に有する、請求項１７記載の方法。
【請求項３０】
原料ガス流から酸性ガスを除去する方法であって、
原料ガス流を第１のモレキュラーシーブ床中に通して少なくとも部分的に脱水された入力ガス流を生じさせるステップを有し、
前記入力ガス流を極低温蒸留塔中に移動させるステップを有し、前記極低温蒸留塔は、下側蒸留ゾーン及び主としてメタンで構成された低温液体スプレーを受け入れる中間制御凍結ゾーンを有し、
前記極低温蒸留塔からオーバーヘッドメタン流を放出するステップを有し、
前記オーバーヘッドメタン流を前記極低温蒸留塔の下流側に設けられている第２のモレキュラーシーブ床中に通して追加の酸性ガスを除去すると共に浄化済みガス流を生じさせるステップを有し、
前記極低温蒸留塔の上流側の前記モレキュラーシーブ床が水で実質的に飽和状態になると、前記極低温蒸留塔の上流側の前記第１のモレキュラーシーブ床を取り外すステップを有し、
前記極低温蒸留塔の上流側の前記モレキュラーシーブ床を、前記極低温蒸留塔の下流側の前記第２のモレキュラーシーブ床としての使用の結果として先に二酸化炭素で実質的に飽和状態になったモレキュラーシーブ床で置き換えるステップを有し、
前記極低温蒸留塔の上流側の前記モレキュラーシーブ床が水で実質的に飽和状態になった後、前記極低温蒸留塔の上流側の前記モレキュラーシーブ床を再生するステップを有する方法。
【請求項３１】
前記オーバーヘッドメタン流を前記第２のモレキュラーシーブ床中に通す前に、前記オーバーヘッドメタン流を冷却するために、前記オーバーヘッドメタン流を前記極低温蒸留塔の下流側に設けられている冷凍システム中に通すステップを更に有する、請求項３０記載の方法。
【請求項３２】
前記冷却されたオーバーヘッドメタン流の一部分を液体還流として前記極低温蒸留塔に戻すステップを更に有する、請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
前記冷凍システムは、前記極低温蒸留塔内の前記原料ガス流から酸性ガスを最低第１の選択された組成まで除去するのに十分な量で液体還流を生じさせると共に前記オーバーヘッドメタン流を前記極低温蒸留塔の下流側の前記固体吸着剤床に送り出して追加の酸性ガスを含む最低第２の選択された組成まで除去するよう設計されている、請求項３０記載の方法。
【請求項３４】
前記酸性ガスは、二酸化炭素を含み、
前記生じた液体還流の量は、前記原料ガス流から二酸化炭素を最低１〜４モル百分率の第１の組成まで除去するのに十分であり、
前記極低温蒸留塔の下流側の前記固体吸着剤床は、前記オーバーヘッドメタン流から追加の二酸化炭素を最低０．２〜３．０モル百分率の第２の組成まで除去する、請求項３３記載の方法。
【請求項３５】
前記生じた液体還流の量は、前記原料ガス流から二酸化炭素を最低パイプライン規格に適合する第１の組成まで除去するのに十分であり、
前記極低温蒸留塔の下流側の前記固体吸着剤床は、前記オーバーヘッドメタン流から二酸化炭素をＬＮＧ規格に適合する前記第２の選択された酸性ガス組成まで除去し、前記ＬＮＧ規格は、二酸化炭素含有量が１００ｐｐｍ以下であることを必要条件とする請求項３３記載の方法。
【請求項３６】
前記パイプライン規格は、二酸化炭素含有量が３．０モル百分率以下であることを必要条件とする、請求項３５記載の方法。
【請求項３７】
前記極低温蒸留塔の下流側の前記固体吸着剤床は、前記オーバーヘッドメタン流から二酸化炭素を最低５０ｐｐｍ以下の組成まで除去する、請求項３２記載の方法。
【請求項３８】
前記酸性ガスは、硫化水素を更に含み、
前記極低温蒸留塔の下流側の前記モレキュラーシーブ床は、前記オーバーヘッドメタン流から硫化水素を最低１０ｐｐｍ以下の組成まで除去する、請求項３０記載の方法。
【請求項３９】
前記極低温蒸留塔の下流側の前記モレキュラーシーブ床が二酸化炭素で実質的に飽和状態になると、前記極低温蒸留塔の下流側の前記モレキュラーシーブ床を前記極低温蒸留塔の上流側で脱水のために先に供用中であった再生モレキュラーシーブ床で置き換えるステップを更に有する、請求項３０記載の方法。
【請求項４０】
前記酸性ガスは、二酸化炭素を含み、
前記原料ガス流は、窒素を含み、
前記方法は、前記オーバーヘッドメタン流を前記極低温蒸留塔の下流側に設けられている第３のモレキュラーシーブ床中に通して前記オーバーヘッドメタン流から窒素を３モル百分率以下の量に除去するステップを更に有する、請求項３３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体分離の分野に関する。特に、本発明は、炭化水素流体流からの二酸化炭素及び他の酸性ガスの分離に関する。
【０００２】
〔関連出願の説明〕
本願は、２００９年４月２０日に出願された米国特許仮出願第６１／１７０，９１９号の権益主張出願である。
【背景技術】
【０００３】
本項は、本発明の例示の実施形態と関連している場合のある当該技術分野の種々の観点を紹介するものである。この説明は、本発明の特定の観点の良好な理解を容易にする技術内容の枠組みを提供するのを助けるものと考えられる。従って、本項は、このような見方で読まれるべきであり、必ずしも本項の記載内容が先行技術である旨の承認として読まれるべきではないことは理解されるべきである。
【０００４】
貯留層からの炭化水素の産出は、非炭化水素ガスの偶発的な産出を伴う場合が多い。かかるガスは、例えば硫化水素（Ｈ2Ｓ）や二酸化炭素（ＣＯ2）のような汚染要因物を含む。Ｈ2Ｓ及びＣＯ2が炭化ガス流（例えば、メタン又はエタン）の一部として産出される場合、ガス流は、「サワーガス」と呼ばれる場合がある。
【０００５】
サワーガスは、通常、次の処理又は販売のために下流側に送られる前にＣＯ2、Ｈ2Ｓ及び他の汚染要因物の除去処理が行われる。分離プロセスは、分離した汚染要因物の処分に関して問題を生じさせる。幾つかの場合、濃縮酸性ガス（主としてＨ2Ｓ及びＣＯ2から成る）は、硫黄回収ユニット（“ＳＲＵ”）に送られる。ＳＲＵは、Ｈ2Ｓを良性の硫黄元素に変換する。しかしながら、地域によっては（例えば、カスピ海領域では）、硫黄元素の追加生成が望ましくない。というのは、市場が小さいからである。その結果、数百万トンの硫黄が世界の幾つかの領域、真っ先に挙げられるのがカナダやカザフスタンであるが、これらの領域では、大きな地上のブロックの状態で貯蔵されている。
【０００６】
硫黄は陸上に貯蔵されている間、二酸化炭素ガスが大気中に逃げ出る場合が多い。しかしながら、ＣＯ2を逃がすというやりかたは、望ましくない場合がある。ＣＯ2エミッションを最小限に抑える一提案例は、酸性ガス注入（“ＡＧＩ”）と呼ばれるプロセスである。ＡＧＩは、望ましくないサワーガスを圧力下で地下地層中に再注入し、潜在的な後での使用のために隔離することを意味している。別法として、サワーガスは、油回収作業の促進のための人工的な貯留層圧力を作るために用いられる。
【０００７】
ＡＧＩの場合、炭化水素ガスから酸性ガス成分を分離するガス処理施設を設けることが必要である。しかしながら、「高サワー」流、即ち約１５％以上のＣＯ2及びＨ2Ｓを含む産出流の場合、これは、所望の炭化水素から汚染要因物を経済的に分離することができる施設の設計、構築及び稼働に対して特に課題となる場合がある。大抵の天然ガス貯留層は、比較的低い割合の炭化水素（例えば、４０％未満）及び高い割合の酸性ガス、主として二酸化炭素であるが、更に硫化水素、硫化カルボニル、二硫化炭素及び種々のメルカプタンを含む。これらの場合、極低温ガス処理を有益に採用することができる。
【０００８】
極低温ガス処理は、ガス分離に用いられる場合もある蒸留プロセスである。極低温ガス分離法は、中程度の圧力（例えば、３５０〜６００ポンド／平方インチゲージ（ｐｓｉｇ））（なお、１００ポンド＝７．０３ｋｇ／ｃｍ2）で冷却されると共に液化されたガス類を生じさせる。サワーガスの極低温蒸留の場合、液化酸性ガスは、「ボトム（ズ）（bottom(s) ）」生成物として生じる。液化酸性ガスは、比較的高い密度を有するので、注入プロセスを助けるためにＡＧＩウェルでは静水頭を有益に使用することができる。このことは、液化酸性ガスを地層中に圧送するのに必要なエネルギーが低圧酸性ガスを貯留層圧力まで圧縮するのに必要なエネルギーよりも少ないことを意味している。かくして、極低温ガス処理は、ＡＧＩに特に適している。
【０００９】
サワーガスの極低温蒸留に関しても課題が存在する。処理されるべきガス中にＣＯ2が約５モル百分率以上の濃度で存在する場合、かかるＣＯ2は、標準型極低温蒸留ユニット内で凍結して固体となる。固体としてのＣＯ2の生成により、極低温蒸留プロセスが阻害される。この問題を回避するため、本譲受人は、種々の“Controlled Freeze Zone（登録商標）”（ＣＦＺ（登録商標））プロセスを既に設計している。ＣＦＺ（登録商標）プロセスは、凍結ＣＯ2粒子が蒸留塔の開放部分内に生じることができ、次にこれら粒子をメルトトレー上で捕捉することにより固体粒子を形成する二酸化炭素の性質を利用する。その結果、清浄なメタン流（原料ガス中に存在する窒素又はヘリウムと一緒に）が蒸留塔の頂部に生じ、他方、液体ＣＯ2／Ｈ2Ｓ流が蒸留塔の底部に生じる。
【００１０】
ＣＦＺ（登録商標）プロセス及び関連機器の或る特定の観点は、米国特許第４，５３３，３７２号明細書、同第４，９２３，４９３号明細書、同第５，０６２，２７０号明細書、同第５，１２０，３３８号明細書及び同第６，０５３，００７号明細書に記載されている。
【００１１】
一般に上記米国特許明細書に記載されているように、極低温ガス処理に用いられる蒸留塔又はカラムは、下側蒸留ゾーン及び中間制御凍結ゾーンを有する。好ましくは、上側精留ゾーンも又設けられる。カラムは、二酸化炭素の凝固点よりも低いがその圧力ではメタンの沸点よりも高い温度範囲を持つカラムの一部分を提供することによって固体ＣＯ2粒子を作るよう稼働する。より好ましくは、制御凍結ゾーンは、メタン及び他の軽い炭化水素ガスを蒸発させることができる一方でＣＯ2が凍結（固体）粒子を形成するようにする温度及び圧力で稼働される。
【００１２】
ガス供給流がカラム中を上方に移動すると、凍結ＣＯ2粒子は、供給流から逃げ出て重力の作用で制御凍結ゾーンからメルトトレー上に降下する。ここで、粒子は、液化する。次に、二酸化炭素に富んだ液体流がメルトトレーからカラムの底部のところの下側蒸留ゾーンまで流下する。下側蒸留ゾーンは、生じる二酸化炭素固体が実質的にゼロであるが溶解メタンが沸騰する温度及び圧力に維持される。一観点では、ボトム酸性ガス流は、３０°Ｆ〜４０°Ｆ（−１．１℃〜４．４℃）で作られる。
【００１３】
制御凍結ゾーンは、低温液体スプレーを含む。これは、「還流（reflux）」と呼ばれているメタンに富んだ液体流である。軽い炭化水素ガス及び同伴サワーガスの蒸気流がカラムを通って上方に移動すると、蒸気流は、液体スプレーに遭遇する。低温液体スプレーは、固体ＣＯ2粒子の取り出しを助ける一方で、メタンガスが蒸発してカラム内で上方に流れることができるようにする。
【００１４】
上側精留ゾーンでは、メタン（又はオーバーヘッドガス）が捕捉されて販売のためにパイプ輸送され又は燃料に利用できるようにされる。一観点では、オーバーヘッドメタン流は、約−１３０°Ｆ（−９０℃）で放出される。オーバーヘッドガスは、追加の冷却により部分的に液化される場合があり、液体は、「還流」としてカラムに戻される。還流液体は、低温スプレーとして制御凍結ゾーンのスプレー区分中に注入される。
【００１５】
上側蒸留ゾーン中で生じたメタンは、パイプラインによる送り出しのための大抵の規格に適合する。例えば、メタンは、十分な還流が生じている場合、２モル百分率未満のパイプラインＣＯ2規格並びに４ｐｐｍＨ2Ｓ規格に適合することができる。しかしながら、天然ガスに関するより厳格なＣＯ2規格が例えばヘリウム回収、極低温天然ガス液体回収、液体天然ガス（ＬＮＧ）への変換及び窒素注入のような分野について存在する。
【００１６】
より厳格なＣＯ2規格に適合させるには、液体メタン還流の量を増大させるのが良い。これには、より多くの且つ／或いはより大型の冷凍設備が必要である。この点に関し、スプレー区分について低温液体メタンを生じさせるプロセスでは、ＣＦＺ塔に付随する設備が必要である。この設備は、パイプ、ノズル、圧縮機、分離器、ポンプ及び膨張弁を含む。オペレータがＣＯ2を除去しようとする思いが強ければ強いほど、冷凍に関する要件がそれだけ一層厳しくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】米国特許第４，５３３，３７２号明細書
【特許文献２】米国特許第４，９２３，４９３号明細書
【特許文献３】米国特許第５，０６２，２７０号明細書
【特許文献４】米国特許第５，１２０，３３８号明細書
【特許文献５】米国特許第６，０５３，００７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
依然としてＣＯ2含有量を極めて低いレベルに減少させながらＣＦＺプロセスの冷凍要件を緩和する必要性がある。また、他のＣＯ2除去技術により強化される極低温ガス分離システム及びこれに付随するプロセスが要望されている。さらに、ガス中のＣＯ2含有量及びＨ2Ｓ含有量を、冷凍設備の能力を増大させないで下流側液化プロセスにとって許容可能なレベルまで減少させることができる極低温ガス分離プロセスが要望されている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
原料ガス流から酸性ガスを除去するシステムが提供される。一実施形態では、このシステムは、極低温蒸留塔を有する。蒸留塔は、下側蒸留ゾーン及び中間制御凍結ゾーンを有するのが良い。中間制御凍結ゾーン又はスプレー区分は、主としてメタンで構成された低温液体スプレーを受け入れる。低温スプレーは、蒸留塔の下流側に位置したオーバーヘッドループから生じた液体還流である。
【００２０】
蒸留塔は、酸性ガスを除去するよう稼働する。この点に関し、蒸留塔は、原料ガス流を受け入れ、次にこれをオーバーヘッドメタン流とボトム酸性ガス流に分離する。このシステムは、冷凍設備を更に有する。冷凍設備の中には、供給ガスをあらかじめ冷却するために用いられるのが良いものがあり、冷凍設備の残りは、オーバーヘッドメタン流を冷却するために極低温蒸留塔の下流側に位置している。オーバーヘッドメタン流の一部分は、液体還流として極低温蒸留塔に戻される。
【００２１】
蒸留塔は、極低温蒸留塔の下流側に位置した固体吸着剤床を更に有する。固体吸着剤床は、冷却されたオーバーヘッドメタン流から少なくとも幾分かの残存酸性ガスを吸着するよう働く。
【００２２】
このシステムでは、冷凍設備は、極低温蒸留塔内の原料ガス流から酸性ガスを最低第１の選択された組成まで除去するのに十分な量の液体還流を生じさせるよう設計されている。このことは、酸性ガス組成物の幾分かの割合又は量が意図的にオーバーヘッドメタン流中に放出されることを意味している。オーバーヘッドメタン流は、極低温蒸留塔の下流側の固体吸着剤床に送られ、それにより残りの酸性ガスが最低第２の低い組成まで除去される。かくして、極低温蒸留塔の下流側の固体吸着剤床は、メタン流の事前ポリッシングを可能にする。この固体吸着剤床は、更に、もしこのように構成されていなければ液体還流の発生に充てられる必要のある冷凍設備又は能力の削減を可能にする。
【００２３】
一観点では、酸性ガスは、二酸化炭素を含む。生じた液体還流の量は、原料ガス流から二酸化炭素を最低約１〜４モル百分率の第１の組成まで除去するのに十分である。それと同時に、極低温蒸留塔の下流側の固体吸着剤床は、オーバーヘッドメタン流から追加の二酸化炭素を最低第２の組成まで除去する。例えば、第２の組成は、約０．２〜３．０モル百分率であるのが良い。
【００２４】
別の観点では、生じた液体還流の量は、原料ガス流から二酸化炭素を最低パイプライン規格に適合する第１の組成まで除去するのに十分である。それと同時に、極低温蒸留塔の下流側の固体吸着剤床は、オーバーヘッドメタン流から二酸化炭素を最低ＬＮＧ規格に適合する第２の選択された酸性ガス組成まで除去する。例えば、極低温蒸留塔の下流側の固体吸着剤床は、オーバーヘッドメタン流から二酸化炭素を最低約１００ｐｐｍ以下又はより好ましくは最低約５０ｐｐｍ以下の組成まで除去する。
【００２５】
さらに別の観点では、酸性ガスは、硫化水素を更に含む。この場合、極低温蒸留塔の下流側の固体吸着剤床は、オーバーヘッドメタン流から硫化水素を最低約１０ｐｐｍ以下又はより好ましくは最低約４ｐｐｍ以下の組成まで除去する。
【００２６】
一構成例では、極低温蒸留塔の下流側に設けられている少なくとも１つの固体吸着剤床が冷凍サイクルにおいて極低温蒸留塔の上流側の少なくとも１つの固体吸着剤床に取って代わるよう構成されている。
【００２７】
原料ガス類から酸性ガスを除去する方法も又本明細書において提供されている。一観点では、この方法は、極低温蒸留塔を用意するステップを有する。極低温蒸留塔は、下側蒸留ゾーン及び主としてメタンで構成された低温液体スプレーを受け入れる中間制御凍結ゾーンを有する。この方法は、原料ガス流を極低温蒸留塔中に導入するステップを更に有する。
【００２８】
原料ガス流の導入後、この方法は、極低温蒸留塔中の原料ガス流をオーバーヘッドメタン流とボトム酸性ガス流に分離するステップを有する。次に、この方法は、オーバーヘッドメタン流を極低温蒸留塔の下流側に設けられている冷凍システム中に通すステップを有する。冷凍システムは、オーバーヘッドメタン流を冷却する。
【００２９】
この方法は、冷却されたオーバーヘッドメタン流の第１の部分を液体還流として極低温蒸留塔に戻すステップを更に有する。この液体還流は、低温液体スプレーとして役立つ。この方法は、冷却されたオーバーヘッドメタン流の第２の部分を極低温蒸留塔の下流側に設けられている固体吸着剤床中に通して追加の酸性ガスを除去すると共にポリッシングされたガス流を生じさせるステップを更に有する。これは、追加の酸性ガスを除去すると共にポリッシング済みガス類を生じさせるのに役立つ。好ましくは、固体吸着剤床は、モレキュラーシーブ（分子篩）床である。
【００３０】
この方法は、極低温蒸留塔内の原料ガス流から酸性ガスを最低第１の選択された組成まで除去するのに十分な量で液体還流を生じさせると共にオーバーヘッドメタン流を極低温蒸留塔の下流側の固体吸着剤床に送り出して追加の酸性ガスを含む最低第２の選択された組成まで除去するよう冷凍システムを設計するステップを更に有する。
【００３１】
一態様では、酸性ガスは、二酸化炭素を含む。この場合、生じた液体還流の量は、原料ガス流から二酸化炭素を最低約１〜４モル百分率の第１の組成まで除去するのに十分である。さらに、極低温蒸留塔の下流側の固体吸着剤床は、オーバーヘッドメタン流から追加の二酸化炭素を最低約０．２〜３．０モル百分率の第２の組成まで除去する。
【００３２】
一構成例では、生じた液体還流の量は、原料ガス流から二酸化炭素を最低パイプライン規格に適合する第１の組成まで除去するのに十分である。例えば、パイプライン規格は、二酸化炭素含有量が約３．０モル百分率以下であることを必要条件とする。極低温蒸留塔の下流側の固体吸着剤床は、オーバーヘッドメタン流から二酸化炭素を最低ＬＮＧ規格に適合する第２の選択された酸性ガス組成まで除去する。例えば、ＬＮＧ規格は、約１００ｐｐｍ以下又はそれどころか約５０ｐｐｍ以下の二酸化炭素含有量を必要とする場合がある。
【００３３】
この方法の別の実施形態では、酸性ガスは、硫化水素を更に含む。この場合、極低温蒸留塔の下流側の固体吸着剤床は、オーバーヘッドメタン流から硫化水素を最低約１０ｐｐｍ以下の組成まで除去する。好ましくは、極低温蒸留塔の下流側の固体吸着剤床は、モレキュラーシーブ床であり、モレキュラーシーブ床は、オーバーヘッドメタン流から硫化水素を最低約４ｐｐｍ以下の組成まで除去する。
【００３４】
一態様では、この方法は、原料ガス流を極低温蒸留塔の上流側に設けられている固体吸着剤床中に通すことにより原料ガス流を少なくとも部分的に脱水するステップを更に有する。好ましくは、極低温蒸留塔の上流側の固体吸着剤床も又、モレキュラーシーブ床である。この方法は、極低温蒸留塔の上流側のモレキュラーシーブ床が水で実質的に飽和状態になると、極低温蒸留塔の上流側のモレキュラーシーブ床を交換するステップを更に有するのが良い。極低温蒸留塔の上流側のモレキュラーシーブ床が水で実質的に飽和状態になると、極低温蒸留塔の上流側のモレキュラーシーブ床を、極低温蒸留塔の下流側で二酸化炭素を吸着するよう先に使用されていたモレキュラーシーブ床で置き換える。
【００３５】
この方法は、極低温蒸留塔の上流側のモレキュラーシーブ床が水で実質的に飽和状態になった後、極低温蒸留塔の上流側のモレキュラーシーブ床を再生するステップを更に有するのが良い。極低温蒸留塔の上流側のモレキュラーシーブ床の再生では、温度スイング吸着方式か圧力スイング吸着方式かのいずれかを用いるのが良い。極低温蒸留塔の下流側のモレキュラーシーブ床が二酸化炭素で実質的に飽和状態になると、極低温蒸留塔の下流側のモレキュラーシーブ床を極低温蒸留塔の上流側で脱水のために先に供用中であった再生モレキュラーシーブ床で置き換えるのが良い。
【００３６】
本発明を良好に理解できるように、或る特定の図解、図表及び／又は流れ図が本明細書に添付されている。しかしながら、図面は、本発明の選択された実施形態のみを示しており、従って、本発明の範囲を限定するものと解されてはならないことは注目されるべきである。というのは、本発明は、他の同様に効果的な実施形態及び用途に利用できる余地があるからである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】一実施形態においてＣＦＺ蒸留塔の側面図であり、初期原料ガス流が蒸留塔の中間制御凍結ゾーン内に注入されている状態で示されている図である。
【図２Ａ】一実施形態においてメルトトレーの平面図であり、メルトトレーが制御凍結ゾーンの下で蒸留塔内に位置している状態を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａのメルトトレーの２Ｂ‐２Ｂ線矢視断面図である。
【図２Ｃ】図２Ａのメルトトレーの２Ｃ‐２Ｃ線矢視断面図である。
【図３】一実施形態において蒸留塔の下側蒸留区分内のストリッピングトレーの拡大側面図である。
【図４Ａ】一実施形態において蒸留塔の下側蒸留区分か上側精留区分かのいずれかで使用可能なジェットトレーの斜視図である。
【図４Ｂ】図４Ａのジェットトレーの開口部のうちの１つの側面図である。
【図５】図１の蒸留塔の中間制御凍結ゾーンの側面図であり、２つの例示のバッフルが中間制御凍結ゾーンに追加されている状態を示す図である。
【図６】一実施形態において本発明に従ってガス流から酸性ガスを除去するガス処理施設を示す略図である。
【図７Ａ】一実施形態において本発明に従ってガス流から酸性ガスを除去する方法の一連の流れ図のうちの１つの図である。
【図７Ｂ】一実施形態において本発明に従ってガス流から酸性ガスを除去する方法の一連の流れ図のうちの１つの図である。
【図７Ｃ】一実施形態において本発明に従ってガス流から酸性ガスを除去する方法の一連の流れ図のうちの１つの図である。
【図８Ａ】フィードフォワード制御方式を用いた制御システムの略図であり、この制御システムが極低温ガス処理システムの上流側に設けられた固体吸着剤床のためのサイクル時間を制御するために用いられていることを示す図である。
【図８Ｂ】ダイレクトフィード制御方式を用いた制御システムの略図であり、この制御システムが極低温ガス処理システムの上流側に設けられた固体吸着剤床に関するサイクル時間を制御するために用いられている状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
定義
本明細書で用いられる「炭化水素」という用語は、主として元素としての水素及び炭素（これらが全てであるというわけではない）を含む有機化合物を意味している。炭化水素は、一般に、２つの種類、即ち、脂肪族又は直鎖炭化水素及び環状テルペンを含む環状又は閉リング炭化水素に分類される。炭化水素含有物質の例としては、任意形式の天然ガス、石油、石炭及び燃料として使用でき又は燃料にアップグレードできるビチューメンが挙げられる。
【００３９】
本明細書で用いられる「炭化水素流体」という用語は、気体又は液体である炭化水素又は炭化水素の混合物を意味している。例えば、炭化水素流体は、地層条件において、処理条件において又は周囲条件（１５℃及び１気圧）において気体又は液体である炭化水素又は炭化水素の混合物を含むのが良い。炭化水素流体としては、例えば、石油、天然ガス、炭層メタン、頁岩油（シェールオイル）、熱分解油、熱分解ガス、石炭の熱分解生成物及び気体状又は液体状の他の炭化水素が挙げられる。
【００４０】
「物質移動装置」という用語は、接触対象の流体を受け入れ、かかる流体を例えば重力による流れによって他の物体に移す任意の物体を意味している。非限定的な一例は、或る特定の流体をストリップするトレーである。グリッドパッキング（grid packing）はもう１つの例である。
【００４１】
本明細書で用いられる「流体」という用語は、気体、液体及び気体と液体の組み合わせ並びに気体と固体の組み合わせ及び液体と固体の組み合わせを意味している。
【００４２】
本明細書で用いられる「凝縮性炭化水素」という用語は、約１５℃及び１絶対気圧で凝縮する炭化水素を意味している。凝縮性炭化水素としては、例えば、炭素数が４を超える炭化水素の混合物が挙げられる。
【００４３】
本明細書で用いられる「閉ループ冷凍システム」という用語は、外部作業流体、例えばプロパン又はエチレンがオーバーヘッドメタン流を冷却するための冷却剤として用いられる任意の冷凍システムを意味している。これは、オーバーヘッドメタン流それ自体の一部分が作業流体として用いられる「開ループ冷凍システム」とは対照的である。
【００４４】
本明細書で用いられる「地下」という用語は、地球の表面の下に生じている地質学的層を意味している。
【００４５】
図１は、一実施形態において本発明と関連して使用可能な極低温蒸留塔１００の略図である。極低温蒸留塔１００を本明細書においては、互換的に「極低温蒸留塔」「カラム」、「ＣＦＺカラム」又は「スプリッタータワー」と称する場合がある。
【００４６】
図１の極低温蒸留塔１００は、初期流体流１０を受け入れる。流体流１０は、主として、産出ガスで構成されている。代表的には、流体流は、坑口（図示せず）からの乾燥状態のガス流を表し、約６５％〜約９５％のメタンを含む。しかしながら、流体流１０は、低い割合、例えば約３０％〜６５％又はそれどころか２０％〜３０％のメタンを含む場合がある。
【００４７】
メタンは、他の軽い炭化水素ガスの微量要素、例えばエタンと一緒に存在する場合がある。さらに、微量のヘリウム及び窒素が存在する場合がある。本発明の用途では、流体流１０は、或る特定の汚染要因物を更に含むであろう。これらは、例えばＣＯ2やＨ2Ｓのような酸性ガスである。
【００４８】
初期流体流１０は、約６００ｐｓｉの産出後圧力の状態にあるのが良い。場合によっては、初期流体流１０の圧力は、最高約７５０ｐｓｉ又はそれどころか１，０００ｐｓｉまでになる場合がある。
【００４９】
流体流１０は、代表的には、蒸留塔１００に入る前に冷却される。熱交換器１５０、例えば多管式熱交換器が初期流体流１０のために設けられている。冷凍ユニット（図示せず）が冷却用流体（例えば、液体プロパン）を熱交換器１５０に提供し、それにより初期流体流１０の温度を約−３０°Ｆ〜−４０°Ｆ（−３４．４℃〜−４０．０℃）に下げる。次に、冷却状態の流体流を膨張装置１５２中に通すのが良い。膨張装置１５２は、例えば、ジュール‐トムソン（“Ｊ‐Ｔ”）弁であるのが良い。
【００５０】
膨張装置１５２は、流体流１０の追加の冷却を可能にするエキスパンダとしての役目を果たす。好ましくは、流体流１０の部分液化も又行われる。ジュール‐トムソン（又は“Ｊ‐Ｔ”）弁が固形分を形成しがちなガス供給流にとって好ましい。膨張装置１５２は、好ましくは、供給管類中の熱損失を最小限に抑えるために極低温蒸留塔１００の近くに設けられる。
【００５１】
Ｊ‐Ｔ弁の代替手段として、エキスパンダ装置１５２は、ターボエキスパンダであっても良い。ターボエキスパンダは、より多大な冷却作用をもたらし、上述した冷凍ユニットのようにプロセスのためのシャフト工の源を作る。冷凍ユニットは、熱交換器１５０の一部である。このように、オペレータは、蒸留プロセスのための全体的エネルギー要件を最小限に抑えることができる。しかしながら、ターボエキスパンダは、凍結粒子並びにＪ‐Ｔ弁を取り扱うことができない。
【００５２】
いずれの場合においても、熱交換器１５０及びエキスパンダ装置１５２は、初期流体流１０中の原料ガスを冷却状態の流体流１２に変換する。好ましくは、冷却流体流１２の温度は、約−４０°Ｆ〜−７０°Ｆ（−４０．０℃〜−５６．７℃）である。一態様では、極低温蒸留塔１００は、約５５０ｐｓｉの圧力で稼働され、冷却流体流１２は、約−６２°Ｆ（−５２．２℃）の状態にある。これら条件では、冷却流体流１２は、実質的に液相の状態にある。ただし、幾分かの蒸気相が冷却流体流１２中に不可避的に同伴される場合がある。おそらくは、ＣＯ2の存在から固形分が生じることはない。
【００５３】
極低温蒸留塔１００は、３つの主要な区分に分割される。これらは、下側蒸留ゾーン又は「ストリッピング区分」１０６、中間制御凍結ゾーン又は「スプレー区分」１０８及び上側蒸留区分又は「精留区分」１１０である。図１の塔の構成例では、冷却流体流１２は、蒸留塔１００のスプレー区分１０８中に導入される。しかしながら、冷却流体流１２は、変形例として、ストリッピング区分１０６の頂部の近くのところに導入されても良い。
【００５４】
図１の構成例において、ストリッピング区分１０６、中間スプレー区分１０８、精留区分１１０及び全てのコンポーネントは、単一の容器１００内に収容されていることが注目される。しかしながら、塔１００の高さ及び運動に関する事項を検討しなければならないような海上用途に関し又は輸送上の制限が問題となる遠隔場所に関し、塔１００は、オプションとして、２つの別々の圧力容器（図示せず）に分割されるのが良い。例えば、ストリッピング区分１０６及びスプレー区分１０８を１つの容器内に設置するのが良く、精留区分１１０は、別の区分内に位置する。この場合、２つの容器を互いに連結するために外部配管が利用される。
【００５５】
いずれの実施形態においても、ストリッピング区分１０６の温度は、冷却流体流１２の供給温度よりも高い。ストリッピング区分１０６の温度は、カラム１００の作業圧力において冷却流体流１２中のメタンの沸点よりも十分高い温度であるように設定される。このようにすると、メタンは、重い炭化水素及び液体酸性ガス成分から優先的にストリップされる。当然のことながら、当業者であれば理解されるように、蒸留塔１００内の液体は、混合物であり、このことは、液体が純粋メタンと純粋ＣＯ2との間の或る中間温度で「沸騰」することになる。更に、混合物中に重い炭化水素が存在する場合、これにより、混合物の沸点が上昇する。これら要因は、蒸留塔１００内の作業温度に関する設計上の検討事項となる。
【００５６】
ストリッピング区分１０６内では、ＣＯ2及び任意他の液相流体は、重力の作用で極低温蒸留塔１００の底部に向かって落下する。それと同時に、メタン及び他の蒸気相流体は、逃げ出て、塔１００の頂部に向かって上方に進む。この分離は、主として、気相と液相の密度差により達成される。しかしながら、分離プロセスは、オプションとして、蒸留塔１００内の内部コンポーネントによって助長される。以下に説明するように、これらコンポーネントとしては、メルトトレー１３０、複数個の有利に構成された物質移動装置１２６及びオプションとしてのヒーターライン２５が挙げられる。側部再沸器（図示せず）を同様にストリッピング区分１０６に追加してＣＯ2の除去及び熱伝達を容易にするのが良い。
【００５７】
再び図１を参照すると、冷却流体流１２をストリッピング区分１０６の頂部の近くでカラム１００内に導入するのが良い。変形例として、供給流１２をメルトトレー１３０の上方で中間スプレー区分１０８内に導入することが望ましい場合がある。冷却流体流１２の注入箇所は、初期流体流１０の組成によって定められる設計上の選択事項である。
【００５８】
流体流１０の温度が固形分の存在を見込めないほど高い場合（例えば、−７０℃を超える場合）冷却流体流１２をカラム１００内に設けられている２相フラッシュボックス型装置（又は蒸気分配器）１２４を通ってストリッピング区分１０６内に直接注入することが好ましい場合がある。フラッシュボックス１２４の使用は、冷却流体流１２中の２相蒸気‐液体混合物を分離するのに役立つ。フラッシュボックス１２４は、２相流体がフラッシュボックス１２４中のバッフルに当たるようスロット付きであるのが良い。
【００５９】
固形分の存在が低い入口温度に起因して予想される場合、冷却流体流１２は、上述したようにカラム１００への供給に先立って容器１７３内で部分的に分離されなければならない場合がある。この場合、冷却供給流１２は、固形分が入口ライン及びカラム１００の内部コンポーネントを詰まらせる恐れを最小限に抑えるために２相容器１７３内で分離されるのが良い。気体蒸気が容器入口ライン１１を通って２相容器１７３を出て、入口分配器１２１を通ってカラム１００に流入する。次に、気体は、カラム１００を通って上方に進む。液体／固体スラリ１３が２相容器１７３から排出される。液体／固体スラリは、蒸気分配器１２４を通ってカラム１００内に差し向けられ、そしてメルトトレー１３０に差し向けられる。液体／固体スラリ１３を重力により又はポンプ１７５によってカラム１００に供給しても良い。
【００６０】
いずれの構成例においても、即ち、２相容器１７３が設けられている構成例又は設けられていない構成例では、冷却流体流１２（又は１１）は、カラム１００に入る。液体成分は、フラッシュボックス１２４から出て、ストリッピング区分１０６内のストリッピングトレー１２６のひとまとまりに沿ってこれを下って進む。ストリッピングトレー１２６は、一連の立下り管１２９及び堰１２８を有する。これらについては図３と関連して以下に詳細に説明する。ストリッピングトレー１２６は、ストリッピング区分１０６内の温かい温度と相まって、メタン及び他の軽い気体が溶液から逃げ出るようにする。その結果生じる蒸気は、沸騰した二酸化炭素分子と一緒にメタン及び軽い気体を担持している。
【００６１】
蒸気は、メルトトレー１３０の立上り管１３１を通って凍結ゾーン１０８中に上方に更に進む。メルトトレー立上り管１３１は、凍結ゾーン１０８全体にわたる一様な分布を可能にする蒸気分配器として作用する。蒸気は、次に、スプレーヘッダ１２０からの低温液体に接触してＣＯ2を「凍結」する。換言すると、ＣＯ2は、凍結し、次に、メルトトレー１３０上に「雪」のように降って戻る。すると、固体ＣＯ2は、溶けて重力の作用で液体の状態でメルトトレー１３０に沿ってこれを流下し、そしてその下のストリッピング区分１０６を通って流れる。
【００６２】
以下に詳細に説明するように、スプレー区分１０８は、極低温蒸留塔１００の中間凍結ゾーンである。冷却流体流１２が、塔１００への流入に先立って容器１７３内で分離される別の構成例では、分離された液体／固体スラリ１３は、塔１００内に導入されてメルトトレー１３０上に載せられる。サワーガスと重い炭化水素成分の液‐固混合物は、分配器１２１から流れ、固体及び液体は、メルトトレー１３０上に落下する。
【００６３】
メルトトレー１３０は、中間スプレー区分１０８から液体及び固体物質、主としてＣＯ2及びＨ2Ｓを重力の作用で受け入れるよう構成されている。メルトトレー１３０は、液体及び固体物質を温めてこれらを次の精製のために液体の形態でストリッピング区分１０６を通って下方に差し向けるのに役立つ。メルトトレー１３０は、中間スプレー区分１０８からひとまとまりの液体の状態で固‐液混合物を集めてこれらを温める。メルトトレー１３０は、蒸気の流れを放出して中間スプレー区分１０８に戻し、固体ＣＯ2を溶融させるのに適当な熱伝達を行い、そしてメルトトレー１３０の下に位置したカラム１００の下側蒸留又はストリッピング区分１０６への液体／スラリの排出を容易にするよう設計されている。
【００６４】
図２Ａは、一実施形態のメルトトレー１３０の平面図である。図２Ｂは、図２ＡのＢ‐Ｂ線でとったメルトトレー１３０の断面図である。図２Ｃは、Ｃ‐Ｃ線でとったメルトトレー１３０の断面図である。これら３つの図をひとまとめに参照してメルトトレー１３０について説明する。
【００６５】
第１に、メルトトレー１３０は、ベース１３４を有する。ベース１３４は、実質的に平板状であるのが良い。しかしながら、図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃに示されている好ましい実施形態では、ベース１３４は、実質的に非平板状の輪郭形状を採用している。非平面状の形態により、中間スプレー区分１０８からメルトトレー１３０上に到った液体及び固体に接触する表面積が増大する。これは、カラム１００のストリッピング区分１０６から立ち上っている蒸気から液体及び溶けている固体への熱伝達を増大させるのに役立つ。別の態様では、ベース１３４は、実質的に正弦波形状である。トレーデザインのこの態様は、図２Ｂに示されている。変形例として、他の非平板状幾何的形状を用いてもメルトトレー１３０の熱伝達面積を増大させることができるということは言うまでもない。
【００６６】
メルトトレーベース１３４は、好ましくは傾斜している。傾斜は、図２Ｃの側面図に明示されている。殆どの固体を融解させるべきであるが、傾斜は、液体混合物中の非融解状態の固体がメルトトレー１３０から出てその下に位置するストリッピング区分１０６内に入るようにするのに役立つ。
【００６７】
図２Ｃの記載では、サンプ又は「立下り管」１３８がメルトトレー１３０の中央に位置した状態で示されている。メルトトレーベース１３４は、立下り管１３８に向かって内方に傾斜して固‐液混合物を送り出すようになっている。ベース１３４は、重力による液体のドローオフを容易にするよう傾けられるのが良い。
【００６８】
米国特許第４，５３３，３７２号明細書に記載されているように、メルトトレーは、「煙突トレー（チムニートレー）」と呼ばれていた。煙突は、蒸気が煙突トレーを通って上方に動くことができるようにする開口部を備えていた。しかしながら、単一の煙突の存在は、煙突トレーを通って上方に移動する気体の全てが単一の開口部を通って流出しなければならなかった。他方、図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃのメルトトレー１３０では、複数個の煙突１３１（又は「立上り管」）が設けられている。多数の煙突１３１を用いることにより、蒸気の分布状態が向上する。これは、中間スプレー区分１０８内における良好な熱／物質移動に寄与する。
【００６９】
煙突１３１は、任意輪郭形状のものであって良い。例えば、煙突１３１は、丸形、長方形又は蒸気がメルトトレー１３０を通過することができるようにする任意他の形状のものであって良い。煙突１３１は又、細く且つ中間スプレー区分１０８中に上方に延びるのが良い。これにより、有益な圧力降下が、蒸気がＣＦＺ中間スプレー区分１０８中に立ち上っている時に蒸気を均等に分布させることができる。煙突１３１は、好ましくは、追加の熱伝達面積を提供するよう波形ベース１３４のピークのところに配置される。
【００７０】
煙突１３１の頂部開口部は、好ましくは、ハット又はキャップ１３２で覆われる。スプレー区分１０８から落ちている固体がメルトトレー１３０上に落下しなくなる恐れが最小限に抑えられる。図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃでは、キャップ１３２は、煙突１３１の各々の上方に位置した状態で示されている。
【００７１】
メルトトレー１３０は又、設計上、バブルキャップを備えるのが良い。バブルキャップは、ベース１３４に設けられて、メルトトレー１３０の下から上に延びる凸状凹みを備えている。バブルキャップは、メルトトレー１３０の表面積を一層増大させ、それによりＣＯ2に富んだ液体に追加の熱を伝達することができる。この設計例では、適当な液体ドローオフにより、例えば傾斜角の増大により、液体が下に位置するストリッピングトレー１２６に差し向けられるよう保証されることが必要である。
【００７２】
再び図１を参照すると、メルトトレー１３０は又、設計上外部液体移送システムを備えるのが良い。移送システムは、全ての液体に実質的に固体がなく、十分な熱伝達が可能になるようにするのに役立つ。移送システムは、第１に、ドローオフノズル１３６を有する。一実施形態では、ドローオフノズル１３６は、ドローオフサンプ又は立下り管１３８内に位置する。立下り管１３８内に集められた流体は、移送ライン１３５に送り出される。移送ライン１３５を通る流れは、制御弁１３７及び液位コントローラ“ＬＣ”（図１に示されている）によって制御される。流体は、移送ライン１３５を経てストリッピング区分１０６に戻される。液位が高すぎる場合、制御弁１３７が開き、液位が低すぎる場合、制御弁１３７が閉じる。オペレータがストリッピング区分１０６内で移送システムを用いないということを選択した場合、制御弁１３７が閉じられ、流体は、オーバーフロー立下り管１３９を経てストリッピングのためにメルトトレー１３０の下に位置する物質移動装置又は「ストリッピングトレー」１２６に直ちに差し向けられる。
【００７３】
外部移動装置を用いるにせよ用いないにせよいずれにせよ、固体ＣＯ2は、メルトトレー１３０上で温められ、ＣＯ2に富んだ液体に変換される。メルトトレー１３０は、ストリッピング区分１０６からの蒸気により下から加熱される。補充の熱がオプションとして種々の手段、例えばヒーターライン２５によりメルトトレー１３０又はメルトトレーベース１３４のすぐ上方のところに追加されるのが良い。ヒーターライン２５は、固体の融解を容易にするよう底部再沸器１６０から既に利用可能な熱エネルギーを利用する。
【００７４】
ＣＯ2に富んだ液体を液位制御下でメルトトレー１３０から抜き出され、重力の作用でストリッピング区分１０６に導入される。注目されるように、メルトトレー１３０の下のストリッピング区分１０６には複数個のストリッピングトレー１２６が設けられている。ストリッピングトレー１２６は、好ましくは、互いに上下に位置した実質的に平行な関係にある。ストリッピングトレー１２６の各々は、オプションとして、極めて僅かな傾斜度で位置決めされるのが良く、液がトレー上で維持されるように堰を備えるのが良い。流体は、重力の作用で、各トレーに沿って流れて堰を越えて流れ、次に立下り管を介して次のトレー上に流下する。
【００７５】
ストリッピングトレー１２６は、種々の配置関係をなすことができる。ストリッピングトレー１２６は、正弦波状の滝のように落ちる液体の流れを形成するよう全体として水平な関係をなして配置されるのが良い。しかしながら、ストリッピングトレー１２６は、実質的に同一の水平面に沿って別個のストリッピングトレーによって分割される滝のように落ちる液体流を形成するよう配置されることが好ましい。これは、図３の配置状態に示されており、この場合、液体の流れは、液体が２つの互いに反対側に位置した立下り管１２９内に落下するよう少なくとも１回分割される。
【００７６】
図３は、一実施形態としてのストリッピングトレー１２６の構成の側面図である。ストリッピングトレー１２６は各々、流体を上から受け入れてこれらを集める。各ストリッピングトレー１２６は、好ましくは、ストリッピングトレー１２６の各々の上に少量のひとたまりの流体を集めることができるダムとしての役目を果たす堰１２８を有する。蓄積高さは、１／２〜１インチ（１．２７〜２．５４ｃｍ）であるのが良い。ただし、任意の高さを採用することができる。滝効果は、流体が１つのトレー１２６から次の下側のトレー１２６上に落下している時に堰１２８によって生じる。一態様では、ストリッピングトレー１２６には傾斜が与えられておらず、滝効果が、これよりも高い位置にある堰１２８の形態により作られる。流体は、トレー１２６のこの「接触領域」中の直交流液体からメタンをストリッピングした軽い炭化水素が豊富な近づいてくる蒸気と接触する。堰１２８は、蒸気が立下り管１２９を通ってバイパスするのを阻止すると共に炭化水素ガスの抜け場所を一段と容易にするよう立下り管１２９を動的に封止するのに役立つ。
【００７７】
液体中のメタンの割合が、液体がストリッピング区分１０６を通って下方に流れるにつれて次第に小さくなる。蒸留の程度は、ストリッピング区分１０６中のトレー１２６の個数で決まる。ストリッピング区分１０６の上方部分では、液体のメタン含有量は、２５モル百分率という高い量であり、底部のストリッピングトレーでは、メタン含有量は、０．０４モル百分率という低い量である場合がある。含有メタンは、ストリッピングトレー１２６を（又は他の物質移動装置）に沿って迅速に流れる。ストリッピング区分１０６で用いられる物質移動装置の数は、原料流１０の組成に基づく設計上の選択事項である。しかしながら、メタンを液化酸性ガスにおいて例えば１％以下の所望のレベルまで除去するのに有することが必要なストリッピングトレー１２６のレベルはほんの僅かである。
【００７８】
メタン逃げ場所を容易にするストリッピングトレー１２６について種々の個々の形態を用いることができる。ストリッピングトレー１２６は、単に、篩穴又はバブルキャップを備えたパネルであっても良い。しかしながら、流体へのそれ以上の熱伝達を提供すると共に固体に起因する望ましくない閉塞を阻止するためには、メルトトレーの下に所謂「ジェットトレー」を用いるのが良い。トレーに代えて、ランダム又は構造化充填剤を採用しても良い。
【００７９】
図４Ａは、一実施形態としての例示のジェットトレー４２６の平面図である。図４Ｂは、ジェットトレー４２６のジェットタブ４２２の断面図である。図示のように、各ジェットトレー４２６は、本体４２４を有し、この本体４２４には複数個のジェットタブ４２２が形成されている。各ジェットタブ４２２は、開口部４２５を覆っている傾斜したタブ部材４２８を有する。かくして、ジェットトレー４２６は、複数個の小さな開口部４２５を有する。
【００８０】
作用を説明すると、１つ又は２つ以上のジェットトレー４２６を塔１００のストリッピング区分１０６及び／又は精留区分１１０内に配置するのが良い。トレー４２６を多数のパスを備えた状態で、例えば、図３のストリッピングトレー１２６のパターンをなして配置されるのが良い。しかしながら、メタンガスの抜き出しを容易にする任意のトレー又は充填剤の構成を利用することができる。流体は、各ジェットトレー４２６上に滝のように流れ落ちる。次に、流体は、本体４２４に沿って流れる。次に、流体は、開口部４２５を出た蒸気に接触する。タブ４２２は、最適には、トレー４２６を横切って流体を迅速且つ効率的に移動させるよう差し向けられている。隣接の立下り管（図示せず）がオプションとして、液体を次のトレー４２６まで移動させるのに設けられるのが良い。また、開口部４２５により、ストリッピング区分１０６内での流体移動プロセス中に放出されたガス蒸気がメルトトレー１３０まで、そして煙突１３１を通って効率的に上方に進むことができる。
【００８１】
一態様では、トレー１２６又は４２６は、耐汚損性材料、例えば固形分の堆積を阻止する材料で作られるのが良い。耐汚損性材料は、金属粒子、ポリマー、塩、水和物（ハイドレート）、触媒微粉又は他の固形化学物質である。極低温蒸留塔１００の場合、耐汚損性材料がＣＯ2固形分の付着を制限するためにトレー１２６又は４２６に用いられるのが良い。例えば、テフロン（Teflon（登録商標））被膜をトレー１４６又は４２６の表面に被着させるのが良い。
【００８２】
変形例として、ＣＯ2がカラム１００の内周部に沿って固体の形態で堆積し始めないようにするために物理的な設計を施しても良い。この点に関し、ジェットタブ４２２は、カラム１００の壁に沿って液体を押すよう差し向けられるのが良く、それにより、カラム１００の壁に沿う固形分の堆積が阻止されると共に良好な蒸気‐液体の接触が保証される。
【００８３】
トレーの構造のうちのどれにおいても、流下する液体がストリッピングトレー１２６に当たると、成分の分離が生じる。メタンガスが溶液から逃げ出て蒸気の形態で上方に移動する。しかしながら、ＣＯ2は、これらその液体の形態のままの状態でストリッピング区分１０６の底部まで下方に進むのに足るほど低温であり且つ高い濃度状態にある。次に、液体は、流出流体流２２として流出ラインを通って極低温蒸留塔１００から運び出される。
【００８４】
蒸留塔１００から流出すると、流出流体流２２は、再沸器１６０に入る。図１では、再沸器１６０は、再沸された蒸気をストリッピングトレーの底部に提供するやかん形のものである。再沸蒸気ラインは、参照符号２７に示されている。さらに、再沸蒸気は、補充の熱をメルトトレー１３０に提供するようヒーターライン２５を通って送り出されるのが良い。補充の熱は、弁１６５及び温度制御装置ＴＣにより制御される。変形例として、初期流体流１０がエネルギーを節約するために熱交換器、例えば熱サイホン型熱交換器（図示せず）を用いても良い。この点に関し、再沸器１６０に流入する液体は、比較的低い温度、例えば約３０°Ｆ〜４０°Ｆ（−１．１℃〜４．４℃）のままである。熱を初期流体流１０に取り込むことにより、オペレータは、蒸留塔１００からの低温流出流体流２２を温める一方で、生成流体流１０を冷却することができる。この場合に関し、ライン２５を介して補充熱を提供する流体は、再沸器１６０からの混合相戻り流である。
【００８５】
ある条件下においては、メルトトレー１３０は、ヒーターライン２５なしで働くことができるということが想定される。これらの場合、メルトトレー１３０は、設計上、内部加熱特徴、例えば電気ヒーターを備えるのが良い。しかしながら、流出流体流２２で得られる熱エネルギーを採用する熱系を提供することが好ましい。再沸器１６０を出た後のヒーターライン２５中の温かい流体は、一態様では、３０°Ｆ〜４０°Ｆ（−１．１℃〜４．４℃）の状態で存在し、従って、これら流体は、比較的高い熱エネルギーを含む。かくして、図１では、蒸気流２５は、メルトトレー１３０に設けられた加熱コイル（図示せず）を介してメルトトレー１３０に差し向けられた状態で示されている。変形例として、蒸気流２５は、移送ライン１３５に結合されても良い。
【００８６】
作用を説明すると、再沸蒸気流は、底部液の上方で且つ最後のストリッピングトレー１２６の下でライン２７を介してカラムの底部に導入される。再沸蒸気が各トレー１２６を通過すると、残留メタンが液体からストリップされる。この蒸気は、これが塔に沿って上方に移動するにつれて冷える。蒸気２７のストリッピング蒸気が波形メルトトレー１３０に達する時点までに、温度は、約−２０°Ｆ〜０°Ｆ（−２８．９℃〜−１７．８℃）まで低下する場合がある。しかしながら、これは、メルトトレー１３０上の融解中の固体（これは、約−５０°Ｆ〜−８０°Ｆ（−４５．６℃〜−６２．２℃）の場合がある）と比較して極めて温かい状態のままである。蒸気は、蒸気がメルトトレー１３０に接触してメルトトレー１３０を温めるので、固形ＣＯ2を融解させるのに足るほどのエンタルピを依然として有する。
【００８７】
再沸器１６０に戻ってこれを参照すると、液体の形態で再沸器１６０を出た底部流２４中の流体は、オプションとして、膨張弁１６２を通過するのが良い。膨張弁１６２は、底部液体生成物の圧力を減少させ、冷凍効果を効果的にもたらす。かくして、冷却底部流２６が提供される。これは又、静水頭を生じさせる。この点に関し、再沸器１６０から出たＣＯ2に富んだ液体は、１つ又は２つ以上のＡＧＩウェル（図１に参照符号２５０で概略的に示されている）を通って下方に圧送されるのが良い。ある状況では、液体ＣＯ2は、改良型油回収プロセスの一部として部分的に回収された油の貯留層中に圧送されるのが良い。かくして、ＣＯ2は、混和性注入物質であるのが良い。変形例として、ＣＯ2は、油回収を促進するための混和性フラッド剤（flood agent）として用いられても良い。再びカラム１００のストリッピング区分１０６を参照すると、ガスは、ストリッピング区分１０６を通り、メルトトレー１３０の煙突１３１を通り、そして中間スプレー区分１０８内に上方に移動する。スプレー区分１０８は、複数個のスプレーノズル１２２を備えた開放チャンバである。蒸気がスプレー区分１０８を通って上方に移動するにつれて、蒸気の温度は、非常に低くなる。蒸気は、スプレーノズル１２２から来た液体メタンと接触する。この液体メタンは、外部冷凍ユニット１７０により冷却された状態にあり、上方に移動中の蒸気よりも低温である。一構成例では、液体メタンは、約−１２０°Ｆ〜−１３０°Ｆ（−８４．４℃〜−９０℃）の温度状態でスプレーノズル１２２から流出する。しかしながら、液体メタンが蒸発すると、メタンは、その周囲から熱を吸収し、それにより、上方に移動中の蒸気の温度を減少させる。蒸発したメタンは又、その密度の減少（液体メタンに対する）及びカラム１００内での圧力勾配に起因して上方に流れる。
【００８８】
メタン蒸気が極低温蒸留塔１００に沿って更に上方に移動すると、メタン蒸気は、中間スプレー区分１０８を出て精留区分１１０に流入する。蒸気は、元の冷却流体流１２から逃げ出た他の軽量ガスと一緒に上方に移動し続ける。組み合わせ状態の炭化水素蒸気は、極低温蒸留塔１００の頂部から出てオーバーヘッドメタン流１４になる。
【００８９】
オーバーヘッドメタン流１４中の炭化水素ガスは、外部冷凍ユニット１７０内に移される。一態様では、冷凍ユニット１７０は、オーバーヘッドメタン流１４を最低−１３５°Ｆ〜−４５°Ｆ（−９２．８℃〜−４２．８℃）まで冷却することができるエチレン冷媒又は他の冷媒を用いている。これは、オーバーヘッドメタン流１４を少なくとも部分的に液化するのに役立つ。次に、冷却メタン流１４を還流凝縮器又は分離チャンバ１７２に移動させる。
【００９０】
分離チャンバ１７２は、ガス１６を液体還流１８から分離するために用いられる。ガス１６は、元の原料ガス流１０からの軽い炭化水素ガス、主としてメタンを表している。窒素やヘリウムも又存在する場合がある。メタンガス１６は、当然のことながら、最終的に捕捉されてエタンと共に市販されるようになった「生成物」である。
【００９１】
冷凍ユニット１７０から出たオーバーヘッドメタン流１４の一部分は、凝縮状態のままである。この部分は、分離チャンバ１７２内で分離されてカラム１００に戻される液体還流１８になる。液体還流１８をカラム１００内に送り戻すのにポンプ１９を用いるのが良い。変形例として、分離チャンバ１７２は、液体還流１８の重力供給を可能にするようカラム１００の上方に設けられる。液体還流１８は、上側精留区分１１０から逃げ出た二酸化炭素を含むであろう。しかしながら、還流液体１８の大部分は、典型的には９５％以上のメタンであり、窒素（初期流体流１０中に存在する場合）及び微量の二酸化炭素及び硫化水素（これらも又、初期流体流１０中に存在する場合）を含む。
【００９２】
一冷却構成例では、オーバーヘッドメタン流１４は、開ループ冷凍システム、例えば図６に示されると共に図６と関連して説明する冷凍システムを通って得られる。この構成例では、オーバーヘッドメタン流１４は、液体還流１８として用いられるオーバーヘッドメタン流の戻り部分を冷却するために直交型熱交換器を通って得られる。しかる後、オーバーヘッドメタン流１４を約１，０００ｐｓｉ〜１，４００ｐｓｉに加圧し、次に、周囲空気及び場合によっては外部プロパン冷媒を用いて冷却する。加圧されると共に冷却されたガス流を次に、更に冷却するために膨張装置中に差し向ける。ターボ膨張装置を用いると、多量の液体並びに幾分かのシャフト工を回収することができる。米国特許第６，０５３，００７号明細書（発明の名称：”Process For Separating a Multi-component Gas Stream Containing at Least One Freezable Component”）は、オーバーヘッドメタン流の冷却方式を記載しており、この米国特許を参照により引用し、その記載内容全体を本明細書の一部とする。
【００９３】
ここでは、本発明がオーバーヘッドメタン流１４の冷却法によって限定されることはないということを理解されたい。また、冷凍ユニット１７０と初期冷凍ユニット１５０との間の冷却の程度を変化させることができるということを理解されたい。幾つかの場合、冷凍ユニット１５０を高い温度で作動させることが望ましい場合があるが、この場合、冷凍ユニット１７０内でのオーバーヘッドメタン流１４の冷却が強化される。この場合又、本発明は、このような設計上の選択肢には限定されない。
【００９４】
図１に戻ってこれを参照すると、還流液体１８は、精留区分１１０内に戻される。次に、還流液体１８は、重力の作用で、精留区分１１０内の１つ又は２つ以上の物質移動装置１１６を通って運ばれる。一実施形態では、物質移動装置１１６は、上述のトレー１２６と同様、一連のカスケード状に配列された堰１１８及び立下り管１５９を備えた精留トレーである。
【００９５】
還流液体流１８からの流体が精留トレー１１６を通って下方に移動すると、追加のメタンが蒸発し、精留区分１１０から出る。メタンガスは、オーバーヘッドメタン流１４に再び出会ってガス生成物流１６の一部になる。しかしながら、還流液体１８の残りの液相は、収集トレー１４０上に落下する。還流液体流１８がそのように落下するので、還流液体流１８は、不可避的に、スプレー区分１０８から上方に移動している炭化水素及び残留酸性ガスのうちの僅かな割合をピックアップする。メタンと二酸化炭素の液体混合物は収集トレー１４０のところに集められる。
【００９６】
収集トレー１４０は、好ましくは、液体を収集する実質的に平板状の本体を備える。しかしながら、メルトトレー１３０の場合と同様、収集トレー１４０も又、スプレー区分１０８から来たガスを逃がすための１つ、好ましくは複数個の煙突を有する。例えば図２Ｂ及び図２Ｃのコンポーネント１３１，１３２により提供される煙突及びキャップ構成を用いることができる。収集トレー１４０の煙突１４１及びキャップ１４２は、図５の拡大図に示されている。これについては以下に更に説明する。
【００９７】
この場合に注目されるように、精留区分１１０内では、存在するＨ2Ｓは、液体中に溶解する傾向があり、これに対して、処理温度ではガス中に溶解する傾向がある。この点に関し、Ｈ2Ｓは、比較的低い相対揮発性を有する。残りの蒸気を液体に接触させることにより、極低温蒸留塔１００は、Ｈ2Ｓ濃度を最低所望のｐｐｍ（１００万当たりの部）限度内に、例えば１０又は４ｐｐｍ規格まで減少させる。流体が精留区分１１０内の物質移動装置１１６を通過すると、Ｈ2Ｓは、液体メタンに接触し、蒸気相から引き出されて液体流２０の一部になる。ここから、Ｈ2Ｓは、液体の形態でストリッピング区分１０６を通って下方に移動し、最終的には、液化酸性ガス流２２の一部として極低温蒸留塔１００から出る。
【００９８】
極低温蒸留塔１００内では、収集トレー１４０のところに捕捉された液体は、液体流２０として精留区分１１０から抜き出される。液体流２０は、主として、メタンで構成されている。一態様では、液体流２０は、約９３モル百分率メタン、３％ＣＯ2、０．５％Ｈ2Ｓ及び３．５％Ｎ2で構成されている。この時点では、液体流２０は、約−１２５°Ｆ〜−１３０°Ｆ（−８７．２℃〜−９０℃）の状態にある。これは、還流液体流１８よりもほんの僅か温かい。液体流２０は、還流ドラム１７４内に差し向けられる。還流ドラム１７４の目的は、ポンプ１７６にサージ能力を提供することにある。還流ドラム１７４を出ると、スプレー流２１が作られる。スプレー流２１は、ポンプ１７６内で加圧され、極低温蒸留塔１００内への２回目の再導入が行われる。この場合、スプレー流２１は、中間スプレー区分１０８内に圧送され、ノズル１２２を通って放出される。
【００９９】
スプレー流２１のある部分、特にメタンがノズル１２２を出る際に揮発すると共に蒸発する。ここから、メタンは、中間スプレー区分１０８を通り、収集トレー１４０内の煙突を通り、そして精留区分１１０内の物質移動装置１１６を通って上昇する。メタンは、オーバーヘッドメタン流１４として蒸留塔１００を出て、最終的に、ガス流１６中の商用生成物になる。
【０１００】
また、ノズル１２２からのスプレー流２１により、二酸化炭素は、気相から昇華しなくなる。この点に関し、幾分かのＣＯ2は、一時的に気相に入り、メタンと一緒に上方に移動する。しかしながら、中間スプレー区分１０８内の温度が低いことに鑑みて、気体二酸化炭素は、素早く固相になり、「雪」のように降り始める。この現象を脱昇華と称する。このように、幾分かのＣＯ2は、これがメルトトレー１３０に当たるまでは決して気相に再び入ることはない。この二酸化炭素は、メルトトレー１３０上に「雪」のように降り、溶けて液相になる。ここから、ＣＯ2に富んだ液体が上述したように冷却流体流１２からの液体ＣＯ2と一緒に、ストリッピング区分１０６内の物質移動装置又はトレー１２６を滝のように流下する。この時点で、ノズル１２２のスプレー流２１からの残りのメタンは、迅速に漏れて蒸気になるはずである。これら蒸気は、極低温蒸留塔１００内で上方に移動し、精留区分１１０に再び入る。
【０１０１】
冷却液体を、カラムを上方に動いているガスのうちのできるだけ多くに接触させることが望ましい。蒸気がノズル１２２から出ているスプレー流２１をバイパスした場合、高いレベルのＣＯ2が塔１００の精留区分１１０に達する場合がある。中間スプレー区分１０８内における気体／液体接触効率を向上させるため、指定された形態を持つ複数個のノズル１２２を用いるのが良い。かくして、還流流体流２１中の１つ又は２つ以上のレベルのところに単一のスプレー源を用いるのではなく、オプションとして設計上多数のスプレーノズル１２２を備えた数個のスプレーヘッダ１２０を用いるのが良い。かくして、このような形態のスプレーノズル１２２は、中間スプレー区分１０８内でおこる物質移動に影響を及ぼす。
【０１０２】
本発明の譲受人は、国際出願日が２００７年１１月２０日の同時係属中の国際公開第２００８／０９１３１６号明細書において種々のノズル構成を先に提案している。この国際公開並びに図６Ａ及び図６Ｂをノズル形態の教示に関して参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。ノズルは、スプレー区分１０８内において３６０°且つ完全放射状の適用範囲を保証すると共に良好な蒸気‐液体接触及び熱／物質移動をもたらすようになっている。これにより、極低温蒸留塔１００を通って上方に移動している気体二酸化炭素が効果的に冷却される。
【０１０３】
完全な適用範囲が得られるよう多数のヘッダ１２０及び対応のオーバーラップノズル１２２の構成を利用することにより、逆混合が最小限に抑えられる。この点に関し、完全適用範囲は、細かく且つ軽量のＣＯ2粒子がカラムを上方に逆に移動して精留区分１１０に再び入るのを阻止する。これら粒子は、次に、メタンと再び混ざり合ってオーバーヘッドメタン流１４に再び入り、結局のところ再び再生利用される。
【０１０４】
理解できるように、極低温蒸留塔１００を通って蒸気を循環させるプロセスは、最終的に、商用メタン生成物１６で構成された炭化水素生成物を生じさせる。ガス生成物１６は、販売のためにパイプラインを下って送られる。ガス生成物流１６は、好ましくは、十分な還流が得られている場合、１〜４モル百分率のパイプラインＣＯ2規格並びに４ｐｐｍＨ2Ｓ規格に適合する。それと同時に、酸性ガスが流出流体流２２から除去される。
【０１０５】
万一、例えば３モル百分率を超える量の窒素が存在している場合、別個の窒素除去プロセスを用いるのが良い。パイプライン規格は、一般に、３モル百分率未満の全不活性ガス組成を必要とする。過剰の窒素を除去する１オプションは、固体吸着剤床（図示せず）を用いることである。固体吸着剤は、選択された孔径を持つモレキュラーシーブを形成するゼオライト材料であるのが良い。モレキュラーシーブは、窒素をオーバーヘッドメタン流から除去するためにオーバーヘッドメタン流に沿って配置される。好ましくは、これは、冷却前に行われる。
【０１０６】
このモレキュラーシーブに窒素をいったん完全に吸着させると、圧力スイング吸着法か温度スイング吸着法かのいずれかを用いてモレキュラーシーブを再生するのが良い。一般的に言って、極低温蒸留塔の上流側で水吸着法を用いてもモレキュラーシーブを再生することができない。というのは、窒素は、カラム内で最終的に戻ってしまい、かくして、システムから除去されないからである。
【０１０７】
図１と関連して上述したシステムは、実質的に酸のないパイプラインガス生成物１６を生じさせるのに有益であるが、認識されるべきこととして、或る用途では、補充冷却が必要な場合がある。例えば、ＬＮＧ規格は、ＣＯ2については５０ｐｐｍという低いレベルであるのが良い。上述のシステムを用いて外部冷凍ユニット１７０（又は他の冷凍システム）からの相当な還流冷凍が必要である。さらに、ポンプ１９又はポンプ１７６からの還流注入に先立って追加の冷凍が必要な場合がある。更に、供給流１０を部分的に液化するために初期熱交換器１５０からの相当多くの熱の除去が必要な場合がある。これら冷凍装置は、液体還流発生のための能力及び馬力としてのエネルギーを必要とする。
【０１０８】
代替手段として、「ポリッシング」プロセスが本明細書において提案される。「ポリッシング」という用語は、ＣＦＺ後プロセスとしてオーバーヘッドメタン流１４に適用される。このことは、極低温蒸留塔１００から放出されたオーバーヘッドメタン流１４が例えばスプレーノズル１２２を通って注入される液体還流の量を増大させないで液化天然ガス（ＬＮＧ）規格に適合するよう塔１００の下流側で一段とポリッシングされることを意味している。
【０１０９】
図６は、一実施形態において酸性ガスをガス流から除去するガス処理施設６００を示す略図である。生成ガス流が符号６１２で示されている。ガス流６１２は、貯留層開発領域又は「現場」６１０で行われる炭化水素産出活動に起源を持つ。
【０１１０】
現場６１０は、圧縮性炭化水素が産出される任意の場所を表していることが理解されよう。現場６１０は、陸上であっても良く、岸の近くであっても良く、或いは海上であっても良い。現場６１０は、元の貯留層圧力に起因して稼働しても良く、或いは、改良型回収手順を行っても良い。本願において特許請求の範囲に記載されているシステム及び方法は、現場が酸性ガスで汚染された圧縮性炭化水素を産出している限り、開発中の現場のタイプには制限されない。
【０１１１】
生成ガス流６１２は、脱水プロセス、例えばグリコール脱水プロセスに差し向けられるのが良い。脱水容器は、参照符号６２０で概略的に示されている。生成ガス流６１２を脱水容器６２０中に通した結果として、除去された水６２２の流れが生じる。水６２２は、水処理施設に送られるのが良い。変形例として、水６２２は、ブロック６３０で示された地下地層中に再注入されても良い。別の変形例として、水は、処理され、次に現場６１０と関連した地下地層６２０中に注入して戻されても良い。
【０１１２】
また、生成ガス流６１２を脱水容器６２０中に通した結果として、実質的に脱水された原料ガス流６２４が生じる。原料ガス流６２４は、好ましくは、メタンを含むと共に場合によっては微量のエタン、窒素、ヘリウム及び他の軽量ガスを含む。
【０１１３】
原料ガス流６２４をパイプラインにより例えば海上処理施設から陸上処理施設に送ることができる。次に、ガスを固体吸着剤床６２５中に通してガス流６２４中のガスを更に脱水することができる。水を原料ガス流６２４から除去することは、次の冷却又は極低温施設内で水和物の氷の生じないようにするのに役立つ。
【０１１４】
固体吸着剤床６２５は、モレキュラーシーブ床であるのが良い。「モレキュラーシーブ」という用語は、正確且つ実質的に一様なサイズの小さな気孔を有する材料を意味している。本発明との関連では、かかるシーブは、気体及び／又は液体の吸着剤として用いられる。モレキュラーシーブは、ポリマー材料ではなく、固体材料から成る場合が多い。例示の材料としては、アルミノ‐シリケート鉱物、クレー、多孔質ガラス、微孔質木炭、ゼオライト、活性炭素又は小さな分子、例えば窒素や水が挿通して拡散することができるようにする開放構造を備えた合成化合物が挙げられる。気孔中に入り込むほど小さい極性物質（例えば、水分子）が吸着される一方で、僅かに極性を持つことができる分子（例えば、メタン及び窒素）並びに大きな分子（例えば、プロパン及びブタン）は、粒子及びクリスタライトの周りを流れ、かくして、下流側に進められる。この場合、モレキュラーシーブ床６２５は、水分子を吸着し、軽いガスが通過することができるようにする。
【０１１５】
原料ガス流６２４は次に、冷凍ユニット６２６を通過する。冷凍ユニット６２６は、脱水された原料ガス流６２４を最低約−３０°Ｆ〜−４０°Ｆ（−３４．４℃〜−４０．０℃）の温度まで冷却する。冷凍ユニット６２６は、例えば、エチレン又はプロパン冷凍装置であるのが良い。
【０１１６】
次に、原料ガス流６２４は、好ましくは、膨張装置６２８に通される。膨張装置６２８は、例えば、ジュール‐トムソン（“Ｊ‐Ｔ”）弁であるのが良い。膨張装置６２８は、原料ガス流６２４を一段と冷却することができる膨張装置として働く。膨張装置６２８は、脱水された原料ガス流６２４の温度を最低例えば約−７０°Ｆ〜−８０°Ｆ（−５６．７℃〜−６２．２℃）に一段と減少させる。好ましくは、ガス流６２４の少なくとも部分液化も又達成される。
【０１１７】
冷却された原料ガス流６２４は、次に、極低温蒸留塔６４０に入る。極低温蒸留塔は、ＣＯ2粒子を意図的に凍結するプロセスによりメタンを酸性ガスから蒸留するよう作動する任意の塔であるのが良い。極低温蒸留塔は、例えば、図１の塔１００であるのが良い。冷却原料ガス流６２４は、約５００〜６００ｐｓｉｇで容器に入る。
【０１１８】
蒸留塔６４０は、下側ストリッピング区分（図１の区分１０６として示されている）を有する。蒸留塔６４０は、制御凍結ゾーン（図１の区分１０８として示されている）を更に有し、このゾーンにおいて、蒸気は、低温還流液体（主としてメタン）に接触する。これにより、ＣＯ2は、凍結して気相から離れる。残りのメタン及び他の気相成分は、蒸発し、上側精留区分（図１の区分１１０として示されている）に向かって上方に進む。ここで、残留Ｈ2Ｓ及びＣＯ2は、気相から一段と除去される。一態様（図示せず）では、精留区分１１０がストリッピング区分１０６及び制御凍結ゾーン１０８とは別体の容器内にある「スプリットタワー」が用いられる。
【０１１９】
図１と関連して説明したように、酸性ガスは、ボトム液化酸性ガス流６４２として蒸留塔６４０から除去される。この液体流６４２は、オプションとして、再沸器６４３中に送られるのが良く、ここで、微量のメタンを含むガスがガス流６４４として塔中に送り戻される。主として酸性ガスで構成された残りの液体は、酸性ガスライン６４６を通って放出される。ライン６４６中の液化酸性ガスを揮発させ、その圧力を下げ、次に硫黄回収ユニット（図示せず）に送るのが良い。変形例として、液化酸性ガスをブロック６５０に示されているように１つ又は２つ以上の酸性ガス注入（ＡＧＩ）ウェルを通って地下地層中に注入しても良い。この場合、ライン６４６中の酸性ガスは、好ましくは、圧力ブースタ６４８に通される。
【０１２０】
メタンは、オーバーヘッドメタン流６６２として蒸留塔６４０から放出される。オーバーヘッドメタン流６６２は、好ましくは、約２％以下の二酸化炭素を含むであろう。オーバーヘッドメタン流６６２は、この割合で、燃料ガスとして使用でき又は天然ガスとして或る特定の市場に売り込むことができる。しかしながら、本明細書において説明する或る特定の方法に従って、オーバーヘッドメタン流６６２は、更に処理を受けることが望ましい。
【０１２１】
上述したように、オーバーヘッドメタン流６６２を開ループ冷凍システムに通す。第１に、オーバーヘッドメタン流６６２を熱交換器６６４に通す。これは、極低温蒸留塔６４０に再導入される還流の流れ６８０をあらかじめ冷却するのに役立つ。次に、オーバーヘッドメタン流６６２を圧縮機６６６中に送ってその圧力を増大させる。
【０１２２】
次に、圧縮によって加熱された加圧メタン流６６２を空気冷却器６６８中に通すことにより行われるのが良い。低温の且つ加圧されたメタン流を生じさせる。
【０１２３】
冷却器６６８を出た冷却されると共に加圧されたメタン流の一部を還流の流れ６８０に分割する。還流の流れ６８０を直交型熱交換器６６４で一段と冷却し、次に装置６８２により膨張させて液体還流の流れ６８４を生じさせる。液体還流の流れ６８４は、蒸留塔６４０に入り、ここで、この液体還流の流れは、還流として用いられ、最終的には、スプレーの状態で用いられてＣＯ2及び他の酸性ガス粒子を凍結させて脱水ガス流６２４から除去する。ＣＯ2又はＨ2Ｓ規格が部分的に塔６４０の頂部で満たされるよう十分な還流を生じさせる。膨張装置６８２からの液体還流の流れ６８４を制御凍結ゾーン中のスプレーノズル中に直接注入するのが良い。より好ましくは、液体還流の流れ６８４をまず最初に、蒸留塔６４０の精留区分に導く。その目的は、オーバーヘッドガス中のＣＯ2濃度を一段と下げることにある。いずれの場合においても、冷却還流の流れ６８０は、好ましくは、膨張弁又はターボ膨張装置６８２を通過して液体を生じさせる。
【０１２４】
オーバーヘッドメタン流６６２に説明を戻すと、オーバーヘッドメタン流６６２を１つ又は２つ以上の膨張弁又はターボ膨張装置中に通すのが良い。膨張弁は、図６に参照符号６７０で示されている。膨張弁又はターボ膨張装置６７０は、ガス流６６２の圧力を減少させ、ＬＮＧを発生させるための液化に備えてこれを一段と冷却する。かくして、冷却状態のガス流６７２が生じる。
【０１２５】
理解されるように、液化天然ガス又はＬＮＧに関する規格では、酸性ガス濃度が２モル百分率未満であることが必要な場合がある。ＬＮＧ規格では、代表的には、５０ｐｐｍ以下のＣＯ2及び４ｐｐｍ以下のＨ2Ｓの規格が可能である。従って、本発明の方法によれば、ＬＮＧに先立つ流れ６７２をポストプロセッサとしての固体吸着剤床６７４に送り、更に酸性ガスの除去を行う。好ましくは、固体吸着剤床６７４は、モレキュラーシーブ床である。或る特定のモレキュラーシーブ、例えば４オングストローム及び５オングストローム床を用いてＣＯ2並びにＨ2Ｏをメタンガス流から除去するのが良い。メルカプタンも又除去することができる。オーバーヘッドメタン流６７２は、高い圧力状態にあると共に比較的低温であり、このことは、固体吸着剤床６７４上へのＣＯ2の吸着を容易にすることができる。
【０１２６】
固体吸着剤床６７４は、圧力スイング吸着法を採用したモレキュラーシーブ床であるのが良い。圧力スイング吸着法、即ちＰＳＡは、汚染要因物が固体吸着剤上に吸着され、次に圧力を減少させることにより吸着剤から除去されるプロセスを意味している。酸性ガス除去の場合、ＣＯ2をサワーガスから除去することができる。一態様では、圧力スイング吸着剤床は、迅速サイクル圧力スイング吸着（ＲＣＰＳＡ）床である。ＲＣＰＳＡ容器は、これが標準型ＰＳＡ装置と比較してコンパクトなので、特に有利である。ＰＳＡは、種々のガス分離、例えば精製プロセスにおいて水素流からの不純物の除去に用いられる。かかるシステムは、カナダ国ブリティッシュコロンビア所在のクエストエアー（QuestAir）社によって製造されている。
【０１２７】
モレキュラーシーブ床で用いられる固体吸着剤は、数種類の材料のうちの任意の１つから作成可能である。好ましくは、ゼオライトが用いられる。ゼオライトは、シリコン及びアルミニウムで構成された結晶材料である。変形例として、ポストプロセッサは、或る特定の化学種が他の化学種に対して吸着する速度を利用した吸着剤を用いた容器であるのが良い。これは、吸着性反応速度分離（ＡＫＳ）と呼ばれている。ＣＯ2飽和後、ゼオライト又は他の床材料を再生し又はクリーニングするのが良い。これは、例えば、床に加わる圧力を低下させて酸性ガスを放出し、或いは高温ガスを床中に通すことによって行われるのが良い。高温ガスは、例えば、高温メタンガス又は加熱窒素であるのが良い。高温メタンガスを捕捉し、Ｈ2Ｓ含有量が十分に低いと仮定した上で、次に例えば冷凍設備を作動させるためのプロセス燃料として用いるのが良い。
【０１２８】
モレキュラーシーブ床は、オーバーヘッドメタン流６６２が既に極めて清浄である限り、後処理にとって理想的である。ＬＮＧ規格ガス流６７２になるのに追加の前処理は不要である。更に、犠牲材料層を充填床中に設けることが不要である。
【０１２９】
モレキュラーシーブ床に代えて、他形式のポストプロセッサ（図示せず）をガス処理システム６００と関連して採用しても良い。例えば、化学溶剤を利用して酸性ガスを吸着する１つ又は２つ以上の容器を用いても良い。変形例として、ポストプロセッサは、物理的溶剤又はイオン性溶剤を利用して残留ＣＯ2を除去する１つ又は２つ以上の容器であっても良い。これら溶剤を適用した場合の利点は、これら溶剤が水性ではなく、従って、オーバーヘッドメタン流６６２のそれ以上の脱水が不要であるということにある。当然のことながら、ポストプロセッサとして溶剤利用システムを追加することにより、設備の数が著しく増大するので、かかる追加は好ましくない。
【０１３０】
理解できるように、ポストプロセッサは、追加のＣＯ2並びにＨ2Ｓをピックアップするために減少液体還流（即ち、冷凍能力及び馬力を減少させる）を下流側モレキュラーシーブ床６７４又は他のポストプロセッサと交換することにより極低温酸性ガス除去システムの最適化を可能にする。かくして、下流側のポストプロセッサ６７４、例えばモレキュラーシーブ床が追加の酸性ガスを除去して最初のガス生成物を規格に適合させることが分かっていれば、オーバーヘッドメタン流６６２は、ＬＮＧについて５０ｐｐｍＬＮＧ規格を超えると共にＬＮＧについて４ｐｐｍＨ2Ｓ規格を超えていても良い。
【０１３１】
形態がどのようなものであれ、ポストプロセッサは、最終販売用ガス流６７６を生じさせる。最終販売用ガス流は、下流側液化プロセスに適しており、その結果、最終的には、液化天然ガス即ちＬＮＧの販売が行われる。
【０１３２】
図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃは、一緒になって、流れ図を提供している。この流れ図は、一実施形態において本発明に従って酸性ガス除去システムを用いて酸性ガスを原料ガス流から除去する方法７００を示している。
【０１３３】
この方法７００は、まず最初に、原料ガス流を受け入れるステップを有する。このステップは、ボックス７０５に示されている。原料ガス流は、炭化水素産出活動の結果として受け入れられる。換言すると、原料ガス流は、地下貯留層から産出されて処理のために地表に至っている。
【０１３４】
方法７００に従って、原料ガス流は、圧縮性炭化水素を含んでいる。これら炭化水素は、主として、メタンである。しかしながら、微量のエタン、窒素、ヘリウム又は他の軽量ガスも又存在する場合がある。原料ガス流は、酸性ガスを更に含む。酸性ガスは、二酸化炭素、硫化水素、メルカプタン又は他の汚染要因物を含む場合がある。原料ガス流の酸性ガス含有量は、例えば、全ガス流の約５モル百分率から約６０モル百分率までの範囲にある場合がある。
【０１３５】
原料ガス流は、その産出形態では、水又はブラインを更に含む可能性が多分にある。従って、方法７００の一部として、原料ガス流を脱水プロセスに通す。一態様では、原料ガス流をオプションとして第１のモレキュラーシーブ床に通す。このステップは、ボックス７１０に示されている。
【０１３６】
本発明の用途では、モレキュラーシーブ床は、水分子を原料ガス流から吸着する。かくして、ステップ７１０におけるモレキュラーシーブ床は、乾燥剤としての役目を果たす。水を吸着するモレキュラーシーブ床は、種々の源、例えば、テキサス州シダーパーク所在のテキサス・テクノロジーズ・インコーポレイテッド（Texas Technologies, Inc.）及びテキサス州ヒューストン所在のウールキャット・ユーエス（Eurecat U.S.）から入手できる。
【０１３７】
脱水後、原料ガス流を冷凍システムに通すのが良い。このステップは、ボックス７１５に示されている。これは、例えば、ガス流をチラー、例えば図１の冷凍ユニット１５０に通すことによって行われるのが良い。オプションとして、これに続き、原料ガス流を膨張装置、例えば膨張装置１５２に通すのが良い。膨張装置は、原料ガス流を一段と冷却することができる。
【０１３８】
方法７００に従って、次に、原料ガス流から酸性ガスをスクラビングする。これは、原料ガス流を極低温蒸留塔に通すことによって達成される。原料ガス流を極低温蒸留塔に通すステップは、ボックス７２０に示されている。
【０１３９】
極低温蒸留塔は、意図的にＣＯ2粒子を凍結するステップを含むプロセスによりメタン又は他の軽い炭化水素ガスを酸性ガスから蒸留するよう稼働する塔であればどのようなものであっても良い。極低温蒸留塔は、例えば、図１の塔１００であるのが良い。凍結ＣＯ2粒子を好ましくは蒸留塔のスプレー区分の底部のところに設けられたメルトトレー上に集める。粒子が溶けて液体になると、液体は、一連のトレー又は立下り管を通って滝のように流れ落ちることができる。これにより、追加のメタンが溶液から逃げ出て上述したように蒸気として塔を通って上方に移動する。次に、残りのＣＯ2に富んだ液体を硫化水素を含むボトム液化酸性ガス流として捕捉する。
【０１４０】
原料ガス流を極低温蒸留塔により処理した結果として、オーバーヘッドメタン流が作られる。オーバーヘッドメタン流は、好ましくは、５モル百分率以下、より好ましくは約２モル百分率以下の二酸化炭素を含んでいるであろう。
【０１４１】
方法７００は、次に、オーバーヘッドメタン流を冷凍するステップを有する。オーバーヘッドメタン流を冷凍するステップは、図７Ａのボックス７２５に示されている。オーバーヘッドメタン流を冷却する目的は、このオーバーヘッドメタン流中のメタンを少なくとも部分的に液化することにある。
【０１４２】
冷凍システムを用いてオーバーヘッドメタン流を冷却する。このシステムは、例えば、外部閉ループ冷凍ユニット、例えば図１のエチレン又はプロパン冷凍ユニット１７０であるのが良い。閉ループ冷凍システムの別の例は、一連のプロパン及びエチレンカスケード式チラーである。変形例として、冷凍システムは、開ループ冷凍システム、例えば米国特許第６，０５３，００７号明細書に示されている開ループ冷凍システムであっても良い。一態様では、開ループ冷凍システムが用いられ、この場合、オーバーヘッドメタン流１４は、熱交換器を通って戻っている液体流から熱を奪い、次に、圧縮される。次に、圧縮ガスを空気冷却器、又は場合によっては海水冷却器を用いてほぼ周囲温度まで冷却する。例えばプロパンチラーを用いてガスを周囲温度以下の温度に一段と冷却するのが良い。開ループ冷凍システムが図６に示されており、図６と関連してかかる開ループ冷凍システムについて説明する。
【０１４３】
方法７００は、次に、オーバーヘッドメタン流の少なくとも一部分を分離して液体還流を生じさせる。このステップは、図７Ｂのボックス７３０に示されている。オーバーヘッドメタン流の一部を分離するプロセスは、好ましくは、メタン流を少なくとも部分的に液化した後に行われる。別の態様では、部分的に液化されたオーバーヘッドメタン流（例えば、流れ１４）を分離器（例えば、還流凝縮器又は分離器１７２）中に運ぶ。分離器は、ガス流１６及び液体流１８を生じさせる。液体流１８のうちの何割か又は全てを液体還流として塔１００中に再導入する。
【０１４４】
オーバーヘッドメタン流の冷凍と関連して、更に上記において示唆したように、冷凍システムを作動させる。冷凍システムを作動させるステップは、ボックス７３５に示されている。冷凍システムを作動させる一目的は、原料ガス流から所望の割合の酸性ガスを除去する所与の量の液体還流を生じさせることにある。当業者であれば理解されるように、極低温蒸留塔に注入して戻される液体還流の量と二酸化炭素固形分を極低温蒸留塔内で蒸気流から沈殿させる効率との間には相関関係が存在する。液体メタンを激しく冷凍すると共に液体還流１８の量を多く発生させればさせるほど、極低温蒸留塔が二酸化炭素及び他の酸性ガスを沈殿させる効率がそれだけ一層高くなる。しかしながら、冷凍設備は、高価であり、液体還流の温度を低下させると共に液体還流を多量に生じさせれば生じさせるほど、エネルギー及び設備がそれだけ多く必要になる。
【０１４５】
ステップ７３５において、オペレータ又はプロセス設計者は、酸性ガスの全てを除去するほど多量の液体還流を意図的に生じさせない。換言すると、液体還流の量は、二酸化炭素の全てではなく大部分を除去するよう設定される。例えば、液体還流の量は、原料ガス流の二酸化炭素含有量を最低約２〜５モル百分率にするよう設定されるのが良い。変形例として、液体還流の温度は、二酸化炭素含有量を最低パイプライン規格にするよう設定されても良い。理解されるように、温度は、作業圧力によって設定されることになる。具体的に説明すると、温度は、作業圧力と上側蒸留区分、即ち、「精留区分」中のトレーの数と用いられる液体還流の量との間の最適化に基づいて設定される。いずれの場合においても、もしそのように構成されていなければ、オーバーヘッドメタン流をＬＮＧ規格に適合させるために冷凍システムに必要なエネルギーが節約される。
【０１４６】
方法７００の一実施形態では、十分な冷凍がステップ７３５において行われ、それにより、オーバーヘッドメタン流から二酸化炭素を最低約０．５〜２．０モル百分率の割合まで除去する量の液体還流を生じさせる。これは、第１の選択された組成を表している。しかる後、ポストプロセッサは、オーバーヘッドメタン流から二酸化炭素を最低約５０〜２００ｐｐｍのレベルまで除去する。これは、第２の選択された組成を表している。
【０１４７】
潜在的な一実施形態では、ＣＯ2の入口濃度をスプレー区分の頂部のところで最低約２％ＣＯ2まで凍結するのに十分な液体還流として（外部冷凍か開ループプロセスを介して又はＬＮＧプラントから得られる）だけを利用することによってＣＦＺ冷凍が最小限に抑えられる。次に、ポストプロセッサは、追加のＣＯ2を例えばＬＮＧ要件に合わせて２％未満に除去する。かくして、冷凍ステップ７３５は、通常の作動中における冷凍に関する要件とモレキュラーシーブに関する要件のトレードオフの関係をもたらす。
【０１４８】
方法７００は、次に、液体還流の少なくとも一部分を極低温蒸留塔中に注入して戻すステップを有する。このステップは、図７Ｂのボックス７４０に示されている。液体還流を極低温蒸留塔中に注入するステップ７４０は、例えば、図１のライン２１及び図６のライン６８０を介して行われる。液体還流を極低温蒸留塔中に注入して戻す目的は、二酸化炭素がメタン蒸気から固体として沈殿するようにする極めて低温の流体を塔内にもたらすことにある。
【０１４９】
一態様では、分離された液体還流１８は、トレーを通って滴下し、最終的に低温液体スプレー２１になる。別の実施形態では、液体還流になるオーバーヘッドメタン流の部分を例えばガス処理システム６００からの液体ライン６８０を介して蒸留塔中に直接注入するのが良い。いずれの場合においても、液体流２１又は６８０は、好ましくは、例えば図１のブースタ１７６により圧力増大を受ける。
【０１５０】
一構成例では、液体メタンを例えば約−１２０°Ｆ〜−１４０°Ｆ（−８４．４℃〜−９５．６℃）の温度でカラム６４０中に再注入する。しかしながら、原料ガス中の酸性ガス成分が凍結する作動条件は、多くの変数の関数である。これら変数としては、例えば、原料ガス流組成、凍結可能な酸性ガス成分の化学的性質並びに分離システムの温度及び圧力が挙げられる。有益には、原料ガスの任意の凍結可能な成分に関する固体形成条件は、市販のプロセスシミュレーションソフトウェアの使用により決定可能である。
【０１５１】
次に、液体還流として分離されなかったオーバーヘッドメタン流の部分を非極低温ポストプロセッサに通す。このステップは、ボックス７４５に示されている。残りのオーバーヘッドメタン流をモレキュラーシーブ床６７４中に通す目的は、酸性ガスを更に除去することにある。その結果、最初のガス流は、約２００ｐｐｍ以下の二酸化炭素を含む。より好ましくは、ＣＯ2含有量は、約５０ｐｐｍ以下である。
【０１５２】
一態様において、二酸化炭素含有量は、パイプライン規格に適合する。変形例として、二酸化炭素含有量は、液化天然ガス（ＬＮＧ）規格、即ち５０ｐｐｍ未満のＣＯ2及び約４ｐｐｍ以下のＨ2Ｓに適合する。ＬＮＧを別の国から輸入し、輸入基地で米国に揚荷することができる。
【０１５３】
非極低温ポストプロセッサは、二酸化炭素をメタンガス流から除去する多種多様な形式の容器又は酸性ガス除去システムのうちの１つであって良い。好ましくは、ポストプロセッサは、モレキュラーシーブ床である。モレキュラーシーブ床は、例えば、二酸化炭素をメタンガス流から除去することができる４オングストローム又は５オングストローム床であるのが良い。しかしながら、ポストプロセッサは、変形例として、酸性ガスをメタン流からストリッピングするための化学的溶剤を用いる１つ又は２つ以上の容器であっても良い。変形例として、ポストプロセッサは、残留二酸化炭素を除去するためにイオン性液体又は物理的溶剤をメタンに接触させる１つ又は２つ以上の容器であっても良い。
【０１５４】
モレキュラーシーブ床をポストプロセッサとして用いる場合、モレキュラーシーブ床を好ましくは実質的に正常な状態で酸性ガス除去システムに導入する。作動中、モレキュラーシーブ床は、二酸化炭素で飽和状態になる。関心のあることとして、この方法７００では、ステップ７１０の第１のモレキュラーシーブ床に取って代わる第２のモレキュラーシーブ床として役立ちうる。これは、第１のモレキュラーシーブ床が水で飽和状態になった時に行われる。第１のモレキュラーシーブ床を第２のモレキュラーシーブ床で置き換えるステップは、ボックス７５０に示されている。
【０１５５】
注目されるように、モレキュラーシーブ床は、水蒸気を吸着することにより二酸化炭素を優先的に押しやる。これは、水がＣＯ2よりも強力に吸着されるからである。その結果、水蒸気は、モレキュラーシーブ床上に先に吸着されたＣＯ2を押しやり又は脱着させる。これは、第２のモレキュラーシーブ床（吸着された二酸化炭素で飽和状態にある）を先の再生目的を実施しないで、脱水目的で第１のモレキュラーシーブ床として設置できるということを意味している。第２のモレキュラーシーブ床は、今や、原料ガス流を脱水し、押しやられた二酸化炭素を極低温蒸留塔中に移す。第２のモレキュラーシーブ床から塔中に放出されたＣＯ2の量は、比較的少ないので、蒸留塔は、能力の損失が殆ど無い状態で又は全く無い状態でこれを処理することができる。かくして、この方法７００により上流側で用いられるモレキュラーシーブ床と下流側で用いられるモレキュラーシーブ床との間に固有の相乗効果が生じる。
【０１５６】
理解されるように、今や水で飽和状態になったステップ７１０の第１のモレキュラーシーブ床は、専用の再生プロセスを受けなければならない。再生ステップは、図７Ｃのボックス７５５に示されている。脱水シーブ床の再生では、代表的には、加熱ガスをモレキュラーシーブ床を通って且つこれ全体に差し向ける。加熱ガスは、例えば販売用ガス流６７６からのメタンガス又は加熱窒素であるのが良い。しかる後、モレキュラーシーブ床を冷却し、後で使用するために脇にのけておく。この方法７００では、後で行う使用は蒸留塔、例えばポストプロセッサ又はポストポリッシング床の下流側におけるＣＯ2の除去を意味している。
【０１５７】
方法７００は、第２のモレキュラーシーブ床（極低温蒸留塔の下流側で用いられた）を第３のモレキュラーシーブ床で置き換えるステップを更に有するのが良い。このステップは、ボックス７６０に示されている。第３のモレキュラーシーブ床は、新品のシーブ床であるのが良い。変形例として、第３のモレキュラーシーブ床は、先の使用から再生された床、例えばステップ７５５で再生された床であっても良い。
【０１５８】
理解されるように、モレキュラーシーブ床に関する飽和速度は、水を吸着する場合と酸性ガス、例えばＣＯ2及びＨ2Ｓを吸着する場合とでは異なるのが良い。任意のモレキュラーシーブ床に関する飽和速度は、例えば流体流量、流体中の汚染要因物のそれぞれの濃度及び種々の汚染要因物を吸着する能力のような変数で決まる。本発明との関連においては、これは、第１のモレキュラーシーブ床（ステップ７１０と関連して主として水を吸着する）及び第２のモレキュラーシーブ床（ステップ７４０と関連して主としてＣＯ2を吸着する）は、同時に飽和状態になるわけではないことを意味している。一般的に言って、モレキュラーシーブ床の能力は、水蒸気の場合よりもＨ2Ｓ及びＣＯ2の方が実質的に低い。しかしながら、例えばＣＯ2よりも多くの量の水が存在する場合がある。いずれの場合においても、３つ以上のモレキュラーシーブ床が連続作動のためにローテーションを組んで設けられるべきである。
【０１５９】
一作動モードでは、３つのモレキュラーシーブ床を使用状態にする。１つの床は、脱水使用状態にあり、別の床は、ポリッシング後使用状態にあり、第３の床は、再生を受ける。再生では、当然のことながら、加熱を行い、次に冷却を行い、次に待機モードに配置する。３つのモレキュラーシーブ床を用いるこのプロセスは、脱水及びポリッシング使用が別々に保たれる最低４つのシーブ床の公知の使用と比較して有利である。
【０１６０】
図７Ｃは、再生された第１のモレキュラーシーブ床を第３のモレキュラーシーブ床の交換のために待機状態に配置するステップ７６５を示している。交換は、第３のモレキュラーシーブ床が二酸化炭素で飽和状態になった場合又はある次の交換用シーブ床が二酸化炭素で飽和状態になった場合に行われる。変形例として、交換は、乾燥使用中、吸着剤床の飽和によって促進される場合がある。
【０１６１】
一態様では、４つのモレキュラーシーブ床がローテーションを組んで用いられる。第１のシーブ床は、オーバーヘッドメタン流のためのＣＯ2除去使用のために用いられる。先にオーバーヘッドガスについてＣＯ2除去使用中にあった第２のシーブ床は、今や、原料ガス流のための脱水使用中にある。第３のシーブ床は、再生されている。これは、代表的には、第３の床をパージガスで加熱することにより行われる。パージガスは、通常、低圧で向流方向で第３の床に通される。第４の床は、再生後に冷却モードにある。冷却は、代表的には、低温ガスを第４の床全体にわたって流すことによって行われる。第４のモレキュラーシーブ床は、第１のシーブ床が二酸化炭素で実質的に飽和状態になるやいなやＣＯ2除去使用に切り替えられる。このように、ローテーションが続く。
【０１６２】
酸性ガスを原料ガス流から除去する方法７００と関連して、ステップ７５０及びステップ７６０と関連したサイクル時間を設定するのが良い。オペレータが、蒸留塔の上流側の固体吸着剤床が脱水状態になり、即ち、水で飽和状態になるのにどれくらいの時間がかかるか及び蒸留塔の下流側の固体吸着剤床がＣＯ2で飽和状態になるのにどれくらいの時間がかかるかについての知見を有するべきである。サイクル時間は、最も極端な供給条件の場合であっても床のそれぞれからの水又は酸性ガスの「ブレークスルー」を阻止するよう設定されるべきである。このことは、床のそれぞれのある部分が吸着のために完全には利用されない場合があることを意味している。
【０１６３】
また、固体吸着剤床で用いられる物質、例えばゼオライトが時間の経過につれて活性度又は吸着度が低くなる傾向がある。吸着性物質は、稼働の終了時（“ＥＯＲ”）よりも稼働の開始時（“ＳＯＲ”）の方がより効果的であろう。これは、固体吸着剤床を時間が進むにつれて頻繁にサイクル動作させる必要があることを意味している。かくして、一態様では、ステップ７５０及びステップ７６０と関連したサイクル時間は、次第に短くされる。
【０１６４】
固体吸着剤床（例えば、脱水床６２５）がモレキュラーシーブ床であれ圧力スイング吸着剤床であれいずれにせよ、固定サイクル時間制御方式が利用可能である。理解されるように、圧力スイング吸着プロセスに関し、サイクル時間は、非常に短いであろう。例えば、圧力スイング吸着剤床に関するサイクル時間は、数時間ではなく数分のオーダー又はそれどころか数秒のオーダーでありがちである。
【０１６５】
制御システムによりサイクル時間を制御することが好ましい。かくして、一態様では、ガス処理システム６００は、制御システムを含む。制御システムは、例えば、水の測定可能な「ブレークスルー」が脱水プロセス中に起こらないようにするために脱水のために用いられる固体吸着剤床６２５の再生を制御する。制御は、固定タイムスケジュールに基づいて行われるのが良い。例えば、上述の第２の床は、１２時間にわたり脱水使用状態にあるのが良く、他方、第３の床は、６時間にわたり再生を受ける。第４の床は、３時間にわたり冷却を受け、次に、３時間にわたり待機状態に置かれる。再生されると共に冷却された第４の床は、次に、使用状態に移され、他方、第１の床は、使用状態から外されて脱水使用に移される。
【０１６６】
一態様では、制御システムは、「フィードフォワード」制御方式を採用する。図８Ａは、フィードフォワード制御方式を用いる制御システム８００Ａの略図である。図８Ａには、脱水のために用いられたシステム６００からの固体吸着剤床６２５が見える。さらに、部分的に脱水された原料ガス流６２４が示されている。原料ガス流６２４は、床６２５中に差し向けられ、更に脱水される。原料ガス流６２４は、最終的には、極低温蒸留塔を備えた酸性ガス除去システムで処理される。酸性ガス除去システムは、床６２５から更に脱水された状態の酸性ガス流８２０を受け入れる状態で参照符号８５０により概略的に示されている。
【０１６７】
制御システム８００Ａは、第１に流量計８０５を有するのが良い。流量計８０５は、原料ガス流６２４に沿って配置されている。流量計８０５は、固体吸着剤床６２５中への原料ガス流６２４の流量を測定する。制御システム８００Ａは、測定装置８１０を更に有している。測定装置８１０は、原料ガス流６２４中の水の濃度を測定するために用いられる。測定装置８１０は、例えば、アルミナの誘電率の変化が床に吸着された水分の関数を測定する測定装置であるのが良い。測定装置８１０はオプションであることに注目されたい。この点に関し、水蒸気の濃度は、間接的に既知であるのが良い。例えば、上流側の水分がガスの冷却により制御される場合、ガスが冷却器の温度では水で飽和すると見なして良い。
【０１６８】
酸性ガス流６２４の検出流量及び測定され又は既知の水蒸気濃度を用いると、オペレータは、これらの値を掛け合わせて所与の期間にわたり固体吸着剤床６２５に進んだ汚染要因物、即ち水の全量を求めることができる。この量を床能力のモデル計算（オプションとして、その寿命を考慮に入れる）と比較することにより、より最適なサイクル時間を求めることが可能である。これは、分散型制御ユニット８１１を用いることにより自動的に実施できる。
【０１６９】
サイクル時間を変更する別の手段は、含水量のオンライン測定を行うことができる測定装置を脱水のために用いられる固体吸着剤床６２５の流出液の近くに設けることである。かかる測定装置を使用する制御システム８００Ｂが図８Ｂに示されている。制御システム８００Ｂは、直接フィードバック制御方式を利用する。
【０１７０】
図８Ｂは、直接フィードバック制御方式を用いた制御システム８００Ｂの略図である。図８Ｂには、この場合又、脱水のために用いられるシステム６００の固体吸着剤床６２５が見える。さらに、部分的に脱水された原料ガス流６２４が示されている。原料ガス流６２４は、それ以上の脱水のために床６２５中に差し向けられている。原料ガス流６２４は、極低温蒸留塔を備えた酸性ガス除去システムで最終的に処理される（床６２５を用いてそれ以上の脱水後に）。
【０１７１】
制御システム８００Ａとは異なり、制御システム８００Ｂは、流量計を備えていない。しかしながら、制御システム８００Ｂは、測定装置８１０′を有する。測定装置８１０′は、原料ガス流６２４中の酸性ガスの濃度を測定するのではなく、固体吸着剤床６２５の出口の上方の水の濃度を測定する。測定装置８１０′は、床６２５のすぐ内側又は出口８１５のすぐ上の流出液をサンプル採取する。このように、吸着剤を任意の汚染要因物、即ち水が出口８１５を通る前に切り替えるのが良い。好ましくは、測定装置８１０′は、処理済ガス中への水蒸気の漏れ込みを回避するために固体吸着剤床６２５の底部よりも約１フィート（０．３０４８ｍ）上方のところに配置される。
【０１７２】
測定装置８１０′により取られた測定値は、制御ユニット８１１に送られる。制御ユニット８１１は、中央処理装置即ちＣＰＵを有する。ＣＰＵは、任意形式のプロセッサとして具体化でき、かかるプロセッサとしては、種々の会社、例えばインテル、ＡＭＤ、モトローラ、日立及びＮＥＣ製の市販のマイクロプロセッサが挙げられる。制御ユニット８１１は、測定装置８１０′からの水に関する測定値を受け取り、床６２５が水のブレークスルーに近いかどうかを判定する。床６２５が能力いっぱいに近い場合、制御ユニット８１１は、適当な信号を送ってその床に関する脱水使用サイクルを終了させる。次に、次の固体吸着剤床（即ち、酸性ガス除去使用状態にあった床）を脱水使用に供する。
【０１７３】
制御システム８００Ａ，８００Ｂは、脱水のために用いられる固体吸着剤床の作動と関連して水濃度を測定する態様で示されている。かかる固体吸着剤床は、この関連において、極低温蒸留塔の上流側で用いられる。しかしながら、制御システム８００Ａ，８００Ｂは、オーバーヘッドメタン流からのＣＯ2の除去のために用いられる固体吸着剤床の作動と関連して同様に使用可能である。かかる固体吸着剤床は、この関連では、極低温蒸留塔の下流側で用いられる。
【０１７４】
極低温蒸留塔から見て下流側にモレキュラーシーブ設備を用いることが、通常の作動中、ＬＮＧに関する規格に適合するよう酸性ガス濃度を減少させる上で有利であるだけでなく、「汚れた」始動の際、当初ＣＯ2を原料ガス流から除去するためにも利用可能である。かかるシステムを、米国特許第５，０６２，２７０号明細書と関連して詳細に説明する。この米国特許を参照により引用し、この米国特許明細書の図１及びこれに関連した本文の説明を本明細書の一部とする。
【０１７５】
作用を説明すると、原料ガス流を当初、脱水容器（例えば、脱水容器６２０）中に送り込む。次に、蒸留塔に入る前に、ガス流を冷凍設備に通して冷却された原料ガス流を生じさせる。冷凍設備は、原料ガス流の温度を約−３５°Ｆ（−３７．２℃）に低下させるプロパンチラーを有するのが良い。冷凍設備は、原料ガス流の温度を約−４０°Ｆ〜−６５°Ｆ（−４０℃〜−５３．９℃）に一段と減少させる入口チラーを更に有するのが良い。冷凍設備は、脱水状態のガスの更にそれ以上の冷却を可能にする膨張装置を更に有するのが良い。膨張装置は、ターボ膨張装置であっても良く、油圧タービンであっても良く、或いはジュール‐トムソン弁であっても良い。膨張装置は、原料ガス流の温度を約−１１２°Ｆ〜−１２３°Ｆ（−８０℃〜−８６．１℃）に一段と低下させる。
【０１７６】
次に、脱水されると共に冷却されたガス流を蒸留塔中に送り込む。蒸留塔は、蒸留塔１００か蒸留塔６４０かのいずれかと関連して上述したように、原料ガス流をオーバーヘッドメタン流とボトム酸性ガス流に分離するよう働く。還流に販売用流を加えた全体を下流側のモレキュラーシーブ床で処理する。
【０１７７】
精留区分及び直交型熱交換器（例えば、直交型熱交換器６６４）を含む蒸留カラム（例えば塔６４０）を冷却するのにカラムの上流側に設けられた冷凍システムを始動させるが、チラー内の伝熱面上に固体ＣＯ2を生じさせるほどこれらを低温にしないようにする。この期間中、スイートニングしたメタンガスをカラムオーバーヘッドから放出し、次に、カラムの下流側に設けられている固体吸着剤床中に流通させてＣＯ2を除去する。次に、ガスをカラムの入口に再循環させてＣＯ2の含有量が次第に低くなるようにする。ＣＯ2含有量が初期パイプライン規格に適合するほどいったん低くなると、冷凍を通常レベルに調節するのが良い。というのは、ガス中には、熱交換器内の伝熱面上に凍結するのに十分なＣＯ2が存在しないからである。
【０１７８】
販売用パイプライン（又はＬＮＧプラント）に進むガスが存在しない一方で、ガスがカラムを通って再循環されることが注目される。ポストポリッシングは、ちょうど十分なＣＯ2を除去し、その結果、蒸留塔の入口配管及び内部コンポーネントが始動の後期段階中、固形分を堆積しないようにする。換言すると、高レベルのＣＯ2を含むガスは、当初、蒸留塔又はＣＯ2が凍結して詰まりを生じさせる直交流型熱交換器内の低温な表面にはさらされない。適当なＣＯ2濃度プロフィールがいったん確立されると、スイートニングされたガスを冷凍システム及びカラムの下流側に位置しているモレキュラーシーブ床中で処理するのが良く、オーバーヘッドメタン生成物の相当な部分は、販売に進み又はＬＮＧプロセスに進む。
【０１７９】
また、始動の際、ポリッシングされたガスの一部分は、液体還流として蒸留塔に送り出されることが注目される。モレキュラーシーブ床は、ＣＯ2を低レベルまで除去し、その結果、蒸留塔は、液体還流が精留区分を通って下方に吹き付けられている時、相当な量のＣＯ2を凍結させないであろう。
【０１８０】
本明細書において説明した本発明は、上述の利益及び利点を達成するのに十分に計算されていることが明らかであるが、本発明は、本発明の精神から逸脱することなく、改造、変形及び変更が可能であることは理解されよう。制御凍結ゾーンを用いた酸性ガス除去プロセスの作動の技術的改良が提供されている。かかる技術的改良により、ＣＯ2を生成ガス中の極めて低いレベルまで減少させる設計が提供されている。本明細書において説明した本発明は又、極低温蒸留塔の冷凍に関する要件を緩和する一方で、最大量の許容可能なＣＯ2に関するＬＮＧ規格に適合する。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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