(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともメタンおよび二酸化炭素を含有するガスストリームを、前記メタンの大部分を含有する揮発性の残存ガス留分と、前記二酸化炭素の大部分を含有する比較的に揮発性のより少ない留分とに分離するためのプロセスであって：
（１）前記ガスストリームが冷却されることにより、冷却されたストリームを形成し；
（２）前記冷却されたストリームが、さらに冷却される中間圧力まで膨張し；
（３）前記膨張した冷却されたストリームが上部フィードとして蒸留カラムに供給され、頂部蒸気ストリームと前記比較的に揮発性のより少ない留分とに分留され；
（４）前記頂部蒸気ストリームが高圧まで圧縮され；
（５）前記圧縮された頂部蒸気ストリームが十分に冷却されて少なくともその一部を凝縮することにより、残存蒸気ストリームと凝縮されたストリームとを形成し；
（６）前記凝縮されたストリームが前記中間圧力まで膨張して加熱され、その後、中間カラム供給位置で前記蒸留カラムに供給され；
（７）前記比較的に揮発性のより少ない留分が、少なくとも第１および第２ストリームに分割され；
（８）前記第２ストリームが冷却されることにより、ステップ（６）の少なくとも加熱の一部を供給し；
（９）前記冷却された第２ストリームが、さらに冷却されるより低い圧力まで膨張し；
（１０）前記膨張した冷却された第２ストリームが加熱されることにより、ステップ（５）の少なくとも冷却部分を供給し；
（１１）前記残存蒸気ストリームが加熱されることにより、ステップ（１）〜（５）の少なくとも冷却部分を供給し、その後、前記加熱された残存蒸気ストリームを前記揮発性の残存ガス留分として排出し；
（１２）前記蒸留カラムへの前記フィードストリームの量および温度が、前記二酸化炭素の大部分が前記比較的に揮発性のより少ない留分中で回収される温度で前記蒸留カラムの頂部温度を維持するのに有効である、プロセス。
【請求項２】
少なくともメタンおよび二酸化炭素を含有するガスストリームを、前記メタンの大部分を含有する揮発性の残存ガス留分と、前記二酸化炭素の大部分を含有する比較的に揮発性のより少ない留分とに分離するためのプロセスであって：
（１）前記ガスストリームが十分に冷却されることにより、部分的に凝縮し；
（２）前記部分的に凝縮されたガスストリームが分離されることにより、蒸気ストリームと少なくとも１種の液体ストリームとを付与し；
（３）前記蒸気ストリームが中間圧力まで膨張し；
（４）前記膨張した蒸気ストリームが上部フィードとして蒸留カラムに供給されて、頂部蒸気ストリームと前記比較的に揮発性のより少ない留分とに分留され；
（５）前記少なくとも１種の液体ストリームが前記中間圧力まで膨張し、その後、上方の中間カラム供給位置で前記蒸留カラムに供給され；
（６）前記頂部蒸気ストリームが高圧まで圧縮され；
（７）前記圧縮された頂部蒸気ストリームが十分に冷却されて少なくともその一部を凝縮することにより、残存蒸気ストリームと凝縮されたストリームとを形成し；
（８）前記凝縮されたストリームが前記中間圧力まで膨張して加熱され、その後、前記上方の中間カラム供給位置より低い下方の中間カラム供給位置で前記蒸留カラムに供給され；
（９）前記比較的に揮発性のより少ない留分が、少なくとも第１および第２ストリームに分割され；
（１０）前記第２ストリームが冷却されることにより、ステップ（８）の少なくとも加熱の一部を供給し；
（１１）前記冷却された第２ストリームが、さらに冷却されるより低い圧力まで膨張し；
（１２）前記膨張した冷却された第２ストリームが加熱されることにより、ステップ（７）の少なくとも冷却部分を供給し；
（１３）前記残存蒸気ストリームが加熱されることにより、ステップ（１）〜（７）の少なくとも冷却部分を供給し、その後、前記加熱された残存蒸気ストリームを前記揮発性の残存ガス留分として排出し；
（１４）前記蒸留カラムへの前記フィードストリームの量および温度が、前記二酸化炭素の大部分が前記比較的に揮発性のより少ない留分中で回収される温度で前記蒸留カラムの頂部温度を維持するのに有効である、プロセス。
【請求項３】
少なくともメタンおよび二酸化炭素を含有するガスストリームを、前記メタンの大部分を含有する揮発性の残存ガス留分と、前記二酸化炭素の大部分を含有する比較的に揮発性のより少ない留分とに分離するための装置であって：
（１）前記ガスストリームを冷却することにより、冷却されたストリームを形成する第１熱交換手段と；
（２）前記第１熱交換手段に接続されて前記冷却されたストリームを収容し、これを中間圧力まで膨張する第１膨張手段と；
（３）前記第１膨張手段に接続されて前記膨張した冷却されたストリームを上部フィードとして収容する蒸留カラムにおいて、前記膨張した冷却されたストリームを前記中間圧力で頂部蒸気ストリームと前記比較的に揮発性のより少ない留分とに分留するように適合されている前記蒸留カラムと；
（４）前記蒸留カラムに接続されて前記頂部蒸気ストリームを収容し、これをより高い圧力まで圧縮する圧縮手段と；
（５）前記圧縮手段に接続されて前記圧縮された頂部蒸気ストリームを収容し、これを十分に冷却してその一部を凝縮する第２熱交換手段と；
（６）前記第２熱交換手段に接続されて前記部分的に凝縮された圧縮された頂部蒸気ストリームを収容してこれを分離することにより、残存蒸気ストリームと凝縮されたストリームとを形成する分離手段と；
（７）前記分離手段に接続されて前記凝縮されたストリームを収容し、これを前記中間圧力まで膨張する第２膨張手段と；
（８）前記第２膨張手段に接続されて前記膨張した凝縮されたストリームを収容してこれを加熱する第３熱交換手段において、前記蒸留カラムにさらに接続されて前記加熱された膨張した凝縮されたストリームを前記蒸留カラムに中間カラム供給位置で供給する前記第３熱交換手段と；
（９）前記蒸留カラムに接続されて前記比較的に揮発性のより少ない留分を収容し、これを少なくとも第１および第２ストリームに分割する分割手段と；
（１０）前記分割手段にさらに接続されて前記第２ストリームを収容し、これを冷却することによりステップ（８）の少なくとも加熱の一部を供給する前記第３熱交換手段と；
（１１）前記第３熱交換手段に接続されて前記冷却された第２ストリームを収容し、これをより低い圧力まで膨張する第３膨張手段と；
（１２）前記第３膨張手段にさらに接続されて前記膨張した冷却された第２ストリームを収容し、これを加熱することによりステップ（５）の少なくとも冷却部分を供給する前記第２熱交換手段と；
（１３）前記分離手段にさらに接続されて前記残存蒸気ストリームを収容し、これを加熱することにより、ステップ（５）の少なくとも冷却部分を供給する前記第２熱交換手段と；
（１４）前記第２熱交換手段にさらに接続されて前記加熱された残存蒸気ストリームを収容し、これをさらに加熱することによりステップ（１）の少なくとも冷却部分を供給し、その後、前記さらに加熱された残存蒸気ストリームを前記揮発性の残存ガス留分として排出する前記第１熱交換手段と；
（１５）前記蒸留カラムへの前記フィードストリームの量および温度を調整して、前記二酸化炭素の大部分が前記比較的に揮発性のより少ない留分において回収される温度で前記蒸留カラムの頂部温度を維持するように適合されている制御手段と
を含む装置。
【請求項４】
少なくともメタンおよび二酸化炭素を含有するガスストリームを、前記メタンの大部分を含有する揮発性の残存ガス留分と、前記二酸化炭素の大部分を含有する比較的に揮発性のより少ない留分とに分離するための装置であって：
（１）前記ガスストリームを十分に冷却して部分的に凝縮することにより、部分的に凝縮されたガスストリームを形成する第１熱交換手段と；
（２）前記第１熱交換手段に接続されて前記部分的に凝縮されたガスストリームを収容し、これを蒸気ストリームと少なくとも１種の液体ストリームとに分離する第１分離手段と；
（３）前記第１分離手段に接続されて前記蒸気ストリームを収容し、これを中間圧力まで膨張する第１膨張手段と；
（４）前記第１膨張手段に接続されて前記膨張した蒸気ストリームを上部フィードとして収容する蒸留カラムにおいて、前記膨張した蒸気ストリームを前記中間圧力で頂部蒸気ストリームと前記比較的に揮発性のより少ない留分とに分留するように適合されている前記蒸留カラムと；
（５）前記第１分離手段に接続されて前記少なくとも１種の液体ストリームを収容し、これを前記中間圧力まで膨張する第２膨張手段において、前記蒸留カラムにさらに接続されて前記膨張した少なくとも１種の液体ストリームを前記蒸留カラムに上方の中間カラム供給位置で供給する前記第２膨張手段と；
（６）前記蒸留カラムに接続されて前記頂部蒸気ストリームを収容し、これをより高い圧力まで圧縮する圧縮手段と；
（７）前記圧縮手段に接続されて前記圧縮された頂部蒸気ストリームを収容し、これを十分に冷却して少なくともその一部を凝縮する第２熱交換手段と；
（８）前記第２熱交換手段に接続されて前記部分的に凝縮された圧縮された頂部蒸気ストリームを収容してこれを分離することにより、残存蒸気ストリームと凝縮されたストリームとを形成する第２分離手段と；
（９）前記第２分離手段に接続されて前記凝縮されたストリームを収容し、これを前記中間圧力まで膨張する第３膨張手段と；
（１０）前記第３膨張手段に接続されて前記膨張した凝縮されたストリームを収容しこれを加熱する第３熱交換手段において、前記蒸留カラムにさらに接続されて、前記加熱された膨張した凝縮されたストリームを前記蒸留カラムに前記上方の中間カラム供給位置より低い下方の中間カラム供給位置で供給する前記第３熱交換手段と；
（１１）前記蒸留カラムに接続されて前記比較的に揮発性のより少ない留分を収容し、これを少なくとも第１および第２ストリームに分割する分割手段と；
（１２）前記分割手段にさらに接続されて前記第２ストリームを収容し、これを冷却することにより、ステップ（１０）の少なくとも加熱の一部を供給する前記第３熱交換手段と；
（１３）前記第３熱交換手段に接続されて前記冷却された第２ストリームを収容し、これをより低い圧力まで膨張する第４膨張手段と；
（１４）前記第４膨張手段にさらに接続されて前記膨張した冷却された第２ストリームを収容し、これを加熱することによりステップ（７）の少なくとも冷却部分を供給する前記第２熱交換手段と；
（１５）前記第２分離手段にさらに接続されて前記残存蒸気ストリームを収容し、これを加熱することによりステップ（７）の少なくとも冷却部分を供給する前記第２熱交換手段と；
（１６）前記第２熱交換手段にさらに接続されて前記加熱された残存蒸気ストリームを収容し、これをさらに加熱することによりステップ（１）の少なくとも冷却部分を供給し、その後、前記さらに加熱された残存蒸気ストリームを前記揮発性の残存ガス留分として排出する前記第１熱交換手段と；
（１７）前記蒸留カラムへの前記フィードストリームの量および温度を調整して、前記二酸化炭素の大部分が前記比較的に揮発性のより少ない留分において回収される温度で前記蒸留カラムの頂部温度を維持するように適合されている制御手段と
を含む装置。
【請求項５】
前記第１熱交換手段が、前記第３熱交換手段にさらに接続されて前記加熱された膨張した凝縮されたストリームを収容し、さらにこれを加熱することにより、ステップ（１）の少なくとも冷却部分を供給し、ここで、前記第１熱交換手段が、前記蒸留カラムにさらに接続されていて、前記さらに加熱された膨張した凝縮されたストリームを前記蒸留カラムに前記中間カラム供給位置で供給する、請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記第１熱交換手段が、前記第３熱交換手段にさらに接続されて前記加熱された膨張した凝縮されたストリームを収容し、さらにこれを加熱することにより、ステップ（１）の少なくとも冷却部分を供給し、ここで、前記第１熱交換手段が、前記蒸留カラムにさらに接続されていて、前記さらに加熱された膨張した凝縮されたストリームを前記蒸留カラムに前記下方の中間カラム供給位置で供給する、請求項４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
炭化水素は、石炭、原油、ナフサ、油頁岩、タールサンド、および褐炭などの他の炭化水素材料から得られる天然ガス、精油所ガス、および合成ガスストリームなどの種々のガスにおいて見られる。これらの供給源に由来するガスストリームは、多くの場合、高濃度の二酸化炭素によって汚染されており、ガスストリームを燃料、化学プラント原料、または他の目的での使用に適切でないものにする。二酸化炭素を化学的、物理的、およびハイブリッド溶媒を用いて除去するように開発されている種々のプロセスが存在する。米国特許第４，３１８，７２３号に記載されているプロセスなどの、重質（典型的にはＣ４〜Ｃ１０）炭化水素からなる冷却された吸収剤ストリームを用いて蒸留カラム中で二酸化炭素を除去する他のプロセスが開発されている。これらのプロセスはいずれも、ガスストリーム中の二酸化炭素濃度が増加するに従って、資本コストおよび運転コストがますます高くなり、かかるガスストリームの処理をしばしば非経済的なものにする。
【背景技術】
【０００２】
高濃度の二酸化炭素を含有するガスストリームを処理する経済状況を改善するための一方法は、溶媒または吸収剤による処理の前にガスストリームから二酸化炭素をバルク分離することを提供することであり、そのため、ひいては、留分の二酸化炭素のみがガスストリームから除去されなければならない。例えば、半透過性膜が二酸化炭素のバルク除去にしばしば用いられてきた。しかし、この種のバルク除去プロセスによって分離される二酸化炭素ストリームにおいては、ガスストリーム中の、より軽質の炭化水素の多くの留分が、しばしば「失われる」。
【０００３】
二酸化炭素のバルク除去のためのより良好な代替は、蒸留を用いてガスストリームを軽質炭化水素ストリームと二酸化炭素ストリームとに分留することであり、そのため、軽質炭化水素ストリームからの残存二酸化炭素の除去は、燃料、化学プラント原料などとして用いるためのパイプライン品質のガスを製造するために必要とされていることである。除去される二酸化炭素の大部分は、蒸気よりもむしろ液体として回収されるため、第３の油回収運転において続いて用いるためにまたは他の目的のために二酸化炭素を（圧縮するというよりはむしろ）ポンピングすることが可能となり、結果として資本コストおよび運転コストを実質的に低下させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、かかるガスストリームから二酸化炭素の大部分を除去することに概して関する。本発明により処理されるガスストリームの典型的な分析によると、おおよそのモル％で、４４．３％が水素、１３．０％が一酸化炭素、４．０％がメタン、３８．５％が二酸化炭素であり、残りが窒素およびアルゴンで構成される。硫黄含有ガスが存在することもある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
二酸化炭素を除去するための典型的な蒸留プロセスにおいて、フィードガスストリームは、加圧下に、プロセスの他のストリームおよび／またはプロパン圧縮冷蔵システムなどの外部冷蔵源との熱交換によって冷却される。ガスは冷却されるに従って凝縮され、高圧液体が中間圧力まで膨張し、結果として、液体の膨張の間に起こる蒸発に起因してストリームをさらに冷却する。膨張したストリームは、液体と蒸気との混合物を含んでおり、蒸留カラムにおいて分留されて、底部液体生成物としての二酸化炭素およびより重質の炭化水素成分から、頂部蒸気としての残存メタン、窒素、および他の揮発性ガスを分離する。液体二酸化炭素の一部は、より低い圧力までフラッシュ膨張した後に用いられ、所望によりプロセスストリームに低レベルの冷蔵を提供することができる。
【０００６】
本発明は、蒸留カラム頂部の蒸気を凝縮して二酸化炭素除去効率を増加させる新規の手段を使用する。カラム頂部の蒸気を冷却して分留カラムへの還流を凝縮する代わりに、頂部の蒸気をより高い圧力まで圧縮し、次いで冷却して還流を部分的に凝縮する。結果として得られる凝縮物は大部分が液体二酸化炭素であり、これは、中間圧力までフラッシュ膨張されて用いられ、中間カラム供給点において蒸留カラムに戻される前に、プロセスストリームに中程度のレベルの冷蔵を提供することができる。また、凝縮物が除去された後に残存する残存ガスは、さらなる圧縮を必要とすることなく処理に送られることが好適である。驚くべきことに、本出願人らは、この新規のプロセスアレンジメントが、いっそう多くの二酸化炭素の除去を可能にするだけでなく、所与のレベルの二酸化炭素除去を達成するのに必要とされる消費電力も低減し、これにより、プロセス効率を増加させ設備の運転コストを低減させることを見出した。
【０００７】
本発明により、残存ガスストリーム中にメタンおよびより軽質の成分の９９．８％超を残したままで、二酸化炭素の７５％超が除去され得ることを見出した。本発明は、より低い圧力およびより暖かい温度において適用可能であるが、蒸留カラム頂部の温度が−５０°Ｆ［−４６℃］以下であることを必要とする条件下に４００から１５００ｐｓｉａ［２，７５８〜１０，３４２ｋＰａ（ａ）］以上の範囲でフィードガスを処理するときに特に有利である。
【０００８】
本発明をより良く理解するために、以下の例および図を参照する。以下の図を参照する：
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、従来技術の合成ガス処理プラントのフロー図である。
【図２】図２は、本発明による合成ガス処理プラントのフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
上記図の以下の説明において、代表的なプロセス条件に関して計算した流量をまとめた表を提供する。本明細書に出現する表において、（モル／時間での）流量の値は、便宜上、小数第１位で四捨五入して整数とされている。表に示されている合計ストリーム量は、全ての非炭化水素成分を含み、したがって、炭化水素成分のストリーム流量の合計よりも一般に多い。示されている温度は、四捨五入して℃とされたおおよその値である。図に示されているプロセスを比較する目的で実施されたプロセス設計計算は、周辺から（に）プロセスに（から）熱の漏れがないことを前提としていることにも注意するべきである。市販の絶縁材料の品質は、該計算を非常に合理的な前提であるとし、当業者によって典型的になされるものであるとする。
【００１１】
便宜上、プロセスパラメータを、常套的な英単位およびＳｙｓｔｅｍｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ｄ’Ｕｎｉｔｅｓ（ＳＩ）単位の両方で報告する。表に提供されているモル流量は、ポンドモル／時間またはキログラムモル／時間のいずれで解釈されてもよい。馬力（ＨＰ）および／または１０００英熱量単位／時間（ＭＢＴＵ／Ｈｒ）として報告されているエネルギー消費は、ポンドモル／時間で記述されているモル流量に相当する。キロワット（ｋＷ）として報告されているエネルギー消費は、キログラムモル／時間で記述されているモル流量に相当する。
【００１２】
図１は、従来技術のプロセスを用いて合成ガスから二酸化炭素を除去する処理プラントの設計を示すプロセスフロー図である。このプロセスシミュレーションにおいて、入口ガスは、１２０°Ｆ［４９℃］および１０８０ｐｓｉａ［７，４４６ｋＰａ（ａ）］でストリーム３１としてプラントに入る。フィードストリームは、通常脱水されて、極低温条件下での水和物（氷）の形成を防止する。固体および液体の乾燥剤は、両方とも、この目的で用いられてきた。
【００１３】
フィードストリーム３１は、４９°Ｆ［９℃］のカラムリボイラーの液体（ストリーム３７）、３４°Ｆ［１℃］のカラム側部のボイラーの液体（ストリーム４２）、およびプロパン冷媒による熱交換によって熱交換器１０において−２０°Ｆ［−２９℃］まで冷却される。ストリーム３１ａは、−５６°Ｆ［−４９℃］の冷却二酸化炭素蒸気（ストリーム４３）、−６０°Ｆ［−５１℃］の冷残存ガス（ストリーム３５）、および−６０°Ｆ［−５１℃］のポンピングされた液体（ストリーム３６ａ）による熱交換によって熱交換器５０においてさらに冷却される。さらに冷却されたストリーム３１ｂは、蒸気（ストリーム３２）が凝縮された液体（ストリーム３３）から分離される−２７°Ｆ［−３３℃］および１０４９ｐｓｉａ［７，２３３ｋＰａ（ａ）］でセパレータ１１に入る。
【００１４】
セパレータ１１からの蒸気（ストリーム３２）は仕事膨張機１２に入り、ここで、機械エネルギーがこの高圧フィード部分から抽出される。膨張機１２は、膨張したストリーム３２ａを仕事膨張により約−４８°Ｆ［−４５℃］の温度に冷却しながら、蒸気を分留塔１５の運転圧力（約６６５ｐｓｉａ［４，５８３ｋＰａ（ａ）］）まで実質的に等エントロピー的に膨張する。典型的な市販の膨張器は、理想的な等エントロピー膨張において理論的に利用可能な仕事の約８０〜８８％を回収することが可能である。回収された仕事は、例えば、残存ガス（ストリーム３５ｂ）を再圧縮するのに用いられ得る遠心圧縮機（例えば、項１３）を駆動するのにしばしば用いられる。部分的に凝縮された、膨張したストリーム３２ａは、続いて、分留塔１５にその上部カラム供給点で供給される。セパレータ液体（ストリーム３３）は、膨張バルブ１４によって分留塔１５の運転圧力まで膨張して、上方の中間カラム供給点で分留塔１５に供給される前にストリーム３３ａを−２８°Ｆ［−３３℃］まで冷却する。
【００１５】
頂部蒸気ストリーム３４は−４８°Ｆ［−４５℃］で分留塔１５を離れ、冷却され、熱交換器１８において部分的に凝縮される。部分的に凝縮されたストリーム３４ａは、蒸気（冷残存ガスストリーム３５）が凝縮された液体（ストリーム３６）から分離される−６０°Ｆ［−５１℃］および６５８ｐｓｉａ［４，５３５ｋＰａ（ａ）］でセパレータ１９に入る。液体ストリーム３６は、ストリーム３６ａが熱交換器５０に入り上記のフィードガスによる熱交換によって−２６°Ｆ［−３２℃］に加熱される前に、ポンプ５１によって、分留塔１５の運転圧力を僅かに超えるまでポンピングされる。加熱されたストリーム３６ｂは、その後、下方の中間カラム供給点で分留塔１５にフィードとして供給される。
【００１６】
分留塔１５は、垂直に離間した複数のトレイ、１個以上の充填床、またはトレイとパッキングとのいくつかの組み合わせを含有する従来の蒸留カラムである。該塔はまた、カラムの下方に流れる液体の一部を加熱および蒸発させて、カラムの上方に流れてメタンおよびより軽質の成分のカラム底部液体生成物（ストリーム３８）をストリッピングするストリッピング蒸気を提供するリボイラー（例えば、上記のリボイラーおよび側部リボイラー）も含む。トレイおよび／またはパッキングは、上向きに上昇するストリッピング蒸気と下向きに降下する冷液体との必要な接触を提供するため、底部生成物ストリーム３８は、底部生成物中のメタン濃度をモル基準で０．４７％に低減させることに基づいて、５０°Ｆ［１０℃］で塔底部から出る。
【００１７】
カラム底部生成物ストリーム３８は、主に液体二酸化炭素である。少量部分（ストリーム３９）は、冷却残存ガスストリーム３５ａによって熱交換器２１においてサブクールされる。−２０°Ｆ［−２９℃］のサブクールされた液体（ストリーム３９ａ）は、膨張バルブ２２によってより低い圧力まで膨張されて部分的に蒸発され、熱交換器１８に入る前にストリーム３９ｂを−６５°Ｆ［−５４℃］まで冷却する。ストリーム３９ｂ中の残存液体は、結果として得られる二酸化炭素蒸気をストリーム４３として−５６°Ｆ［−４９℃］で残しつつ、熱交換器１８において冷媒として機能して上記ストリーム３４の冷却を提供する。ストリーム３９ｂは、少量のより重質の炭化水素を含有し得るため、小さな液体パージ（ストリーム４４）が熱交換器１８から取り除かれて、沸点を上げて熱交換器１８の冷却効率を低減させ得る冷媒液体中に、より重質の炭化水素が蓄積することを防止することができる。
【００１８】
熱交換器１８からの冷却二酸化炭素蒸気（ストリーム４３）は、上記のフィードガスによる熱交換によって熱交換器５０において−２８°Ｆ［−３３℃］に加熱される。７４ｐｓｉａ［５０８ｋＰａ（ａ）］の暖かい二酸化炭素蒸気（ストリーム４３ａ）は、次いで、排出冷却器２４、２６、および２８による各圧縮段階の後に１２０°Ｆ［４９℃］まで冷却されながら、圧縮機２３、２５、および２７によって３段階で高圧まで圧縮される。カラム底部生成物ストリーム３８の残りの部分（ストリーム４０）は、ストリーム４０ａが、排出冷却器２８を離れる高圧ガス（ストリーム４３ｇ）と合わされて８２°Ｆ［２８℃］および１１１５ｐｓｉａ［７，６８８ｋＰａ（ａ）］でひいては再注入に流れる高圧二酸化炭素ストリーム４１を形成することができるように、ポンプ２９によって高圧にポンピングされる。
【００１９】
冷残存ガス（ストリーム３５ａ）は、上記のフィードガスによる熱交換の後に−２８°Ｆ［−３３℃］で熱交換器５０を離れ、上記の液体二酸化炭素ストリーム３９による熱交換によって熱交換器２１において−８°Ｆ［−２２℃］までさらに加熱される。暖かい残存ガスストリーム３５ｂは、次いで、２段階、膨張機１２によって駆動される圧縮機１３および補助電源供給源によって駆動される圧縮機１７において再圧縮される。残存ガスストリーム３５ｄは、次いで、９０°Ｆ［３２℃］および１１１５ｐｓｉａ［７，６８８ｋＰａ（ａ）］での処理に流れる。
【００２０】
図１に示されているプロセスに関するストリーム流量およびエネルギー消費の概要を以下の表に記載する：
【表１】
0005909227.tif 000002
【００２１】
図２は、本発明によるプロセスのフロー図を示す。図２に提示されているプロセスにおいて考慮されているフィードガスの組成および条件は、図１のものと同様である。したがって、図２のプロセスを図１のプロセスと比較して、本発明の利点を示すことができる。
【００２２】
図２のプロセスのシミュレーションにおいて、入口ガスは、１２０°Ｆ［４９℃］および１０８０ｐｓｉａ［７，４４６ｋＰａ（ａ）］でストリーム３１としてプラントに入り、４７°Ｆ［８℃］のカラムリボイラーの液体（ストリーム３７）、３０°Ｆ［−１℃］の残存ガス（ストリーム３５ａ）、２０°Ｆ［−７℃］の膨張した冷却液体（ストリーム３６ｂ）、およびプロパン冷媒による熱交換によって熱交換器１０において冷却される。冷却されたストリーム３１ａは、蒸気（ストリーム３２）が凝縮された液体（ストリーム３３）から分離される−３０°Ｆ［−３４℃］および１０４９ｐｓｉａ［７，２３３ｋＰａ（ａ）］でセパレータ１１に入る。
【００２３】
セパレータ１１からの蒸気（ストリーム３２）は仕事膨張機１２に入り、ここで、機械エネルギーがこの高圧フィード部分から抽出される。膨張機１２は、膨張したストリーム３２ａを仕事膨張により約−５４°Ｆ［−４８℃］の温度に冷却しながら、蒸気を分留塔１５の運転圧力（約６４０ｐｓｉａ［４，４１３ｋＰａ（ａ）］）まで実質的に等エントロピー的に膨張する。部分的に凝縮された、膨張したストリーム３２ａは、続いて、分留塔１５にその上部カラム供給点にて供給される。セパレータ液体（ストリーム３３）は、膨張バルブ１４によって分留塔１５の運転圧力まで膨張して、上方の中間カラム供給点で分留塔１５に供給される前にストリーム３３ａを−３０°Ｆ［−３５℃］まで冷却する。
【００２４】
頂部蒸気ストリーム３４は、−５２°Ｆ［−４７℃］で分留塔１５を離れ、２段階、膨張機１２によって駆動される圧縮機１３および補助電源供給源によって駆動される圧縮機１７において圧縮される。圧縮されたストリーム３４ｂは、次いで冷却され、熱交換器１８において部分的に凝縮される。部分的に凝縮されたストリーム３４ｃは、蒸気（冷残存ガスストリーム３５）が凝縮された液体（ストリーム３６）から分離される−６０°Ｆ［−５１℃］および１１３０ｐｓｉａ［７，７９１ｋＰａ（ａ）］でセパレータ１９に入る。液体ストリーム３６は、ストリーム３６ａが熱交換器２１に入る前に、膨張バルブ２０によって、分留塔１５の運転圧力を僅かに超えるまで膨張される。膨張したストリーム３６ａは、−５９°Ｆ［−５１℃］から２０°Ｆ［−７℃］まで加熱され、液体二酸化炭素ストリーム３９による熱交換（以下の段落００２６にさらに記載されている）によって部分的に蒸発される。部分的に蒸発したストリーム３６ｂは、上記のフィードガスによる熱交換によって熱交換器１０においてさらに蒸発され、３８°Ｆ［３℃］のストリーム３６ｃは、その後、フィードとして分留塔１５に下方の中間カラム供給点で供給される。
【００２５】
分留塔１５は、垂直に離間した複数のトレイ、１個以上の充填床、またはトレイとパッキングとのいくつかの組み合わせを含有する従来の蒸留カラムである。該塔はまた、カラムの下方に流れる液体の一部を加熱および蒸発させて、カラムの上方に流れてメタンおよびより軽質の成分のカラム底部液体生成物（ストリーム３８）をストリッピングするストリッピング蒸気を提供するリボイラー（例えば、上記のリボイラーおよび外部熱源によって加熱される任意のリボイラー１６）も含む。トレイおよび／またはパッキングは、上向きに上昇するストリッピング蒸気と下向きに降下する冷液体との必要な接触を提供するため、底部生成物ストリーム３８は、底部生成物中のメタン濃度をモル基準で０．３０％に低減させることに基づいて、４８°Ｆ［９℃］で塔底部から出る。
【００２６】
カラム底部生成物ストリーム３８は、主に液体二酸化炭素である。少量部分（ストリーム３９）は、上記のフラッシュ膨張した液体ストリーム３６ａによって熱交換器２１においてサブクールされる。−３３°Ｆ［−３６℃］のサブクールされた液体（ストリーム３９ａ）は、膨張バルブ２２によってより低い圧力まで膨張されて部分的に蒸発され、熱交換器１８に入る前にストリーム３９ｂを−６５°Ｆ［−５４℃］まで冷却する。ストリーム３９ｂ中の残存液体は、結果として得られる二酸化炭素蒸気を２２°Ｆ［−６℃］で残しつつ（ストリーム３９ｃ）、熱交換器１８において冷媒として機能して上記の圧縮された頂部蒸気ストリーム３４ｂの冷却を提供する。
【００２７】
７８ｐｓｉａ［５３６ｋＰａ（ａ）］の暖かい二酸化炭素蒸気（ストリーム３９ｃ）は、次いで、排出冷却器２４、２６、および２８による各圧縮段階の後に１２０°Ｆ［４９℃］まで冷却されながら、圧縮機２３、２５、および２７によって３段階で高圧まで圧縮される。カラム底部生成物ストリーム３８の残りの部分（ストリーム４０）は、ストリーム４０ａが、排出冷却器２８を離れる高圧ガス（ストリーム３９i）と合わされて８４°Ｆ［２９℃］および１１１５ｐｓｉａ［７，６８８ｋＰａ（ａ）］でひいては再注入に流れる高圧二酸化炭素ストリーム４１を形成することができるように、ポンプ２９によって高圧にポンピングされる。
【００２８】
セパレータ１９からの冷残存ガス（ストリーム３５）は、熱交換器１８に入り、上記の圧縮された頂部蒸気ストリーム３４ｂによる熱交換によって３０°Ｆ［−１℃］に加熱される。冷残存ガスストリーム３５ａは、上記のフィードガスによる熱交換によって熱交換器１０において７２°Ｆ［２２℃］までさらに加熱される。暖かい残存ガスストリーム３５ｂは、次いで、１１１５ｐｓｉａ［７，６８８ｋＰａ（ａ）］での処理に流れる。
【００２９】
図２に示されているプロセスに関するストリーム流量およびエネルギー消費の概要を以下の表に記載する：
【表２】
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【００３０】
表ＩおよびＩＩの比較により、本発明が、従来技術と比較して、良好なメタン回収（９９．８５％、対して従来技術では９９．４４％）、はるかに良好な二酸化炭素除去（７５．１５％、対して従来技術では６３．１０％）、残存ガス中、はるかに低い二酸化炭素濃度（１３．４７％、対して従来技術では１８．７９％）、および良好な二酸化炭素純度（９９．６９％、対して従来技術では９９．５０％）を提供することを示す。また、表ＩおよびＩＩのさらなる比較により、この優れたプロセス性能が、二酸化炭素の除去に従来技術よりも少ない単位電力を用いて達成されたことを示す。具体的な電力消費の点において、本発明は、図１のプロセスの従来技術に対して８％の改善を表し、具体的な電力消費が、従来技術の二酸化炭素の除去における２．１３ＨＰ−Ｈ／Ｌｂ．ｍｏｌｅ［３．５１ｋＷ−Ｈ／ｋｇ  ｍｏｌｅ］から本発明における１．９６ＨＰ−Ｈ／Ｌｂ．ｍｏｌｅ［３．２２ｋＷ−Ｈ／ｋｇ  ｍｏｌｅ］まで低減する。
【００３１】
図１のプロセスの従来技術のエネルギー効率に対する本発明によって提供されるエネルギー効率の改善は、主として２つの因子に起因する。まず、分留塔１５からの頂部蒸気ストリーム３４を熱交換器１８に供給する前により高い圧力に圧縮することで、ストリームからの二酸化炭素の凝縮をはるかに容易にする。表ＩおよびＩＩにおけるストリーム３６の比較によって分かるように、ストリーム３６中で凝縮される二酸化炭素は、従来技術の２，５３６Ｌｂ．Ｍｏｌｅｓ／Ｈｒ［２，５３６ｋｇ  ｍｏｌｅｓ／Ｈｒ］から本発明の４，２５７Ｌｂ．Ｍｏｌｅｓ／Ｈｒ［４，２５７ｋｇ  ｍｏｌｅｓ／Ｈｒ］に増加する。その結果として、残っている残存ガス（ストリーム３５）が、従来技術では７，１１８Ｌｂ．Ｍｏｌｅｓ／Ｈｒ［７，１１８ｋｇ  ｍｏｌｅｓ／Ｈｒ］であるのに対して本発明では４，７９５Ｌｂ．Ｍｏｌｅｓ／Ｈｒ［４，７９５ｋｇ  ｍｏｌｅｓ／Ｈｒ］というはるかに少ない二酸化炭素を含有する。
【００３２】
第２に、本発明ではストリーム３６において凝縮される液体がより多量であることで、プロセス内で中程度の冷蔵により有効に用いられ得るプロセスストリームを提供する。結果として得られるフラッシングされたストリーム３６ａは、従来技術のプロセスにおけるポンピングされるストリーム３６ａよりも７２％多い流れを有して、ストリーム３９中、より多量の液体二酸化炭素（従来技術よりも３９％多い）を、より低い温度（−３３°Ｆ［−３６℃］、対して従来技術では−２０°Ｆ［−２９℃］）までサブクールすることを可能にするため、本発明での結果として得られるフラッシングされた二酸化炭素ストリーム３９ｂは、熱交換器１８において頂部蒸気ストリーム３４から二酸化炭素を凝縮するための冷媒として用いることができるはるかに多量の液体を含有する。
【００３３】
これら２つの因子の正味の結果は、あまり特定されない電力を用いて、カラム底部生成物ストリーム３８中、有意に多くの二酸化炭素（図１の従来技術のプロセスと比較して１９％多い）を、より高い効率で捕捉することである。これは、残存ガスストリーム３５に残る二酸化炭素がはるかに少なく、後の処理または使用のために残存ガスを調節するのに必要とされる下流の処理を大幅に低減し（または可能であれば完全に排除し）、所与の適用での全処理コストをさらに低減することも意味する。
他の実施形態
【００３４】
図２に示されている本発明の実施形態について先に記載されているように、フィードストリーム３１は、熱交換器１０において冷却されるに従って部分的に凝縮され、結果として得られる蒸気ストリーム３２および液体ストリーム３３は、次いで分留カラム１５の運転圧力まで膨張される。しかし、本発明は、この実施形態に限定されない。冷却されたフィードストリーム３１ａは、フィードガス中のより重質の炭化水素の量、およびフィードガスの圧力に依っては、液体を全く含有しなくてもよい（なぜなら、露点を超えているからである、または、クリコンデンバール(cricondenbar)を超えているからである）。かかる場合、セパレータ１１は必要とされない。いくつかの状況は、フィードガスを完全に濃縮すること、続いての、液相または濃密相流体を分留カラム１５の運転圧力に膨張することに有利であり得る。かかる場合も同様に、セパレータ１１を必要としなくてよい。
【００３５】
フィードガス条件、プラントサイズ、利用可能な機器、および他の因子は、仕事膨張機１２の排除、または代替の膨張デバイス（例えば、膨張バルブ）での置き換えが実現可能であることを示すことができる。個々のストリームの膨張が特定の膨張デバイスにおいて表されているが、適切な場合には代替の膨張手段が使用されてよい。例えば、液体ストリーム３３、３６、および／または３９ａの仕事膨張を保証する条件であってよい。
【００３６】
本発明によると、入口ガスおよび／または他のプロセスストリームからの圧縮された頂部蒸気ストリーム３４ｂに利用可能な冷却を補助するための外部冷蔵の使用が、特に、入口ガスが豊富な場合になされてよい。プロセス熱交換のためのセパレータ液体および／または脱メタン剤側部のドロー液の使用および分布、ならびに入口ガスを冷却するための熱交換器の特定の配置は、具体的な熱交換サービスのためのプロセスストリームの選択と同様に、それぞれの特定の適用に関して評価されなければならない。例えば、いくつかの状況では、部分的に蒸発したストリーム３６ｂを（図２に示すストリーム４４を介して）分留塔１５に直接供給することが、該ストリームを熱交換器１０においてさらに蒸発させ、次いで結果として得られるストリーム３６ｃを分留塔１５に供給することよりも有利であり得る。
【００３７】
フィードガスの温度および豊富度ならびに液体生成物ストリーム３８において許容されるメタンの量に依っては、分留カラム１５を離れる液体が生成物の仕様を満たすようにするための、フィードストリーム３１から利用可能な十分な加熱が存在しないことがある。かかる場合には、分留カラム１５は、外部の熱供給源によって加熱される１個以上のリボイラー（例えば、リボイラー１６）を含んでいてよい。
【００３８】
いくつかの状況において、冷蔵を提供するのに用いられるカラム底部生成物ストリーム３８の部分（ストリーム３９）は、加熱された後（ストリーム３９ｃ）に高圧に保存される必要がないことがある。かかる場合には、示されている圧縮および冷却（圧縮機２３、２５、および２７ならびに排出冷却器２４、２６、および２８）が必要とされないことがあり、ストリーム４０ａのみがストリーム４１に流れる。
【００３９】
本発明は、プロセスを運転させるのに必要とされるユーティリティ消費量あたりの、炭化水素ガスストリームからの二酸化炭素の分離の改善を提供する。プロセスを運転させるのに必要とされるユーティリティ消費の改善は、圧縮または再圧縮のための電力要件の低減、ポンピングのための電力要件の低減、外部冷蔵のための電力要件の低減、塔再沸のための電力要件の低減、またはこれらの組み合わせの形態で現れ得る。
【００４０】
本発明の好ましい実施形態と考えられることを記載したが、当業者は、例えば、以下の特許請求の範囲によって定義されている本発明の精神から逸脱することなく、本発明を様々な条件、フィードのタイプまたは他の要件に適合させるために、これらに他の変更およびさらなる変更を施すことができることを認識している。
【図１】
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【図２】
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