(57)【要約】  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。このシステムは、極低温蒸留塔を有する。蒸留塔は、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制御凍結ゾーンを有する。蒸留塔は、原料ガス流を受け入れ、次に原料ガス流をオーバーヘッドメタン流と二酸化炭素で構成された実質的に固形の物質に分離する。システムは、制御凍結ゾーンの下に設けられたコレクタトレーを有する。コレクタトレーは、実質的に固形の物質が制御凍結ゾーン内に沈殿しているときに実質的に固形の物質を受け入れる。システムは、フィルタを更に有する。フィルタは、実質的に固形の物質を受け入れて実質的に固形の物質を主として二酸化炭素で構成された固形物とメタンで構成された液状物質に分離する。固形物を液体及び固体として加温し、他方、液状物質を極低温蒸留塔に戻す。
2013504737.tif 000002
【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、
極低温蒸留塔であって、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制御凍結ゾーンを有し、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沈殿二酸化炭素で構成された実質的に固形の物質に分離する蒸留塔と、
前記極低温蒸留塔の下流側に設けられ、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前記低温液体スプレーとして前記極低温蒸留塔に戻す冷凍設備と、
前記制御凍結ゾーンの下に設けられ、前記実質的に固形の物質が前記制御凍結ゾーン内に沈殿しているときに前記実質的に固形の物質を受け入れ、該実質的に固形の物質を前記極低温蒸留塔から出るよう差し向けるコレクタトレーと、
前記実質的に固形の物質を受け入れて該実質的に固形の物質を主として二酸化炭素で構成された固体成分とメタンで構成された非固形物に分離する第１のフィルタと、
前記非固形物の少なくとも一部分を前記極低温蒸留塔に戻す液体還流ラインと、を備えている、
ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記コレクタトレーは、前記沈殿した実質的に固形の物質が落下して入る立下り管を有する、
請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記コレクタトレーは、前記実質的に固形の物質を（ｉ）重力流により、（ｉｉ）機械的並進装置の作動により、（ｉｉｉ）前記低温液体スプレーの一部分を前記コレクタトレー中に吹き込んで前記実質的に固形の物質に吹き付けることにより、又は（ｉｖ）これらの組み合わせによって前記極低温蒸留塔から出るよう差し向ける、
請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記コレクタトレーは、前記沈殿した実質的に固形の物質が落下して入る立下り管を有し、
前記機械的並進装置は、オーガであり、
前記オーガは、前記立下り管内に配置されている、
請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記極低温蒸留塔は、前記制御凍結ゾーンの上に位置した上方精留ゾーン及び前記制御凍結ゾーンの下に位置した下方蒸留ゾーンを更に有し、
前記極低温蒸留塔は、原料ガス流を前記下方蒸留ゾーン中に受け入れさせるよう構成されている、
請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記極低温蒸留塔は、ボトム流を前記下方蒸留ゾーンから放出するよう構成され、前記ボトム流は、液相の酸性ガスを含み、
前記液体戻りラインは、前記第１の液状物質の少なくとも一部分を前記下方蒸留ゾーンに戻す、
請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記ボトム供給流は、二酸化炭素、エタン、プロパン、ブタン、硫化水素、芳香族炭化水素又はこれらの組み合わせを実質的に液相の状態で含む、
請求項６記載のシステム。
【請求項８】
前記第１のフィルタは、（ｉ）多孔質濾過材、（ｉｉ）１つ又は２つ以上のフィルタプレス、（ｉｉｉ）１つ又は２つ以上のベルトプレス、（ｉｖ）ハイドロサイクロン、（ｖ）遠心分離器又は（ｖｉ）これらの組み合わせを有する、
請求項６記載のシステム。
【請求項９】
前記コレクタトレーは、約−７０°Ｆ〜−８０°Ｆ（−５６．７℃〜−６２．２℃）の温度で動作する、
請求項６記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１のフィルタからの前記固体成分は、第１のフィルタケークであり、
前記第１のフィルタからの前記液状物質は、第１の濾液である、
請求項８記載のシステム。
【請求項１１】
低温二酸化炭素流を用いて前記第１のフィルタケークを濯ぎ洗いし、第１の固‐液スラリを生じさせる濯ぎ洗い容器を更に有する、
請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
前記濯ぎ洗い容器は、前記第１のフィルタケークを混合して前記第１の固‐液スラリを生じさせるミキサを有する、
請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
多孔質濾過材を有する第２のフィルタを更に有し、前記第２のフィルタは、前記第１の固‐液スラリを受け入れて主として固体二酸化炭素で構成された第２のフィルタケーク及びメタンを含む液相の第２の濾液を生じさせる、
請求項１１記載のシステム。
【請求項１４】
前記システムは、前記第１の濾液と前記第２の濾液を組み合わせ、前記組み合わせ状態の第１の濾液と第２の濾液を液状物質として前記下方蒸留ゾーンに戻すよう構成されている、
請求項１３記載のシステム。
【請求項１５】
前記第１の濾液は、メタン、二酸化炭素、硫化水素又はこれらの組み合わせを更に含む、
請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
主として最終段フィルタケークから取り出された実質的に固形の物質を温めて実質的に純粋な二酸化炭素流を液相の状態で生じさせるよう構成された熱交換器を更に有し、
前記低温二酸化炭素流は、前記実質的に純粋な二酸化炭素流の一部分を含む、
請求項１１記載のシステム。
【請求項１７】
前記最終段フィルタケークは、前記第１のフィルタ、第２のフィルタ又は第３のフィルタ後に生じる、
請求項１６記載のシステム。
【請求項１８】
前記原料ガス流は、硫化水素を含み、
前記システムは、前記原料ガス流を前記極低温蒸留塔中に注入する前に前記原料ガス流から前記硫化水素の相当な部分を除去するよう構成された硫化水素除去システムを更に有する、
請求項５記載のシステム。
【請求項１９】
前記極低温蒸留塔は、前記制御凍結ゾーンの上に位置した上方精留ゾーンを更に有し、
前記極低温蒸留塔は、前記原料ガス流を前記制御凍結ゾーン中に受け入れさせるよう構成されている、
請求項１記載のシステム。
【請求項２０】
前記第１のフィルタは、多孔質濾過材、１つ又は２つ以上のフィルタプレス、１つ又は２つ以上のベルトプレス、ハイドロサイクロン、遠心分離器又はこれらの組み合わせを有する、
請求項１９記載のシステム。
【請求項２１】
前記コレクタトレーは、約−７０°Ｆ〜−８０°Ｆ（−５６．７℃〜−６２．２℃）の温度で動作する、
請求項１９記載のシステム。
【請求項２２】
前記第１のフィルタからの前記固体成分は、第１のフィルタケークであり、
前記第１のフィルタからの前記液状物質は、第１の濾液である、
請求項１９記載のシステム。
【請求項２３】
低温二酸化炭素流を用いて前記第１のフィルタケークを濯ぎ洗いし、第１の固‐液スラリを生じさせる濯ぎ洗い容器を更に有する、
請求項２２記載のシステム。
【請求項２４】
前記濯ぎ洗い容器は、前記第１のフィルタケークを混合して前記第１の固‐液スラリを生じさせるミキサを有する、
請求項２３記載のシステム。
【請求項２５】
多孔質濾過材を有する第２のフィルタを更に有し、前記第２のフィルタは、前記第１の固‐液スラリを受け入れて主として固体二酸化炭素で構成された第２のフィルタケーク及びメタンを含む液相の第２の濾液を生じさせる、
請求項２４記載のシステム。
【請求項２６】
前記液体戻りラインは、前記原料ガス流が前記極低温蒸留塔中に注入される前に、前記第２の液状物質の少なくとも一部分と前記原料ガス流を合流させる、
請求項２５記載のシステム。
【請求項２７】
前記第２の濾液を受け入れて二酸化炭素、Ｈ2Ｓ又はこれらの組み合わせを液相の状態で含むボトム液体流及び回収メタン流を生じさせるよう構成された蒸留分離器を更に有し、前記回収メタン流は、前記オーバーヘッドメタン流と組み合わされる、
請求項２６記載のシステム。
【請求項２８】
前記第１の濾液及び前記ボトム液体流は各々、硫化水素を更に含む、
請求項２７記載のシステム。
【請求項２９】
主として最終段フィルタケークから取り出された実質的に固形の物質を温めて実質的に純粋な二酸化炭素流を液相の状態で生じさせるよう構成された熱交換器を更に有し、
前記低温二酸化炭素流は、前記実質的に純粋な二酸化炭素流の一部分を含む、
請求項２５記載のシステム。
【請求項３０】
前記最終段フィルタケークは、前記第２のフィルタ又は前記第３のフィルタ内に生じる、
請求項２９記載のシステム。
【請求項３１】
脱水原料ガス流から酸性ガスを除去する方法であって、
極低温蒸留塔を用意するステップを有し、前記極低温蒸留塔は、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制御凍結ゾーン及び前記制御凍結ゾーンの下に位置したコレクタトレーを有し、さらに、
前記原料ガス流を前記極低温蒸留塔中に注入するステップと、
原料ガス流を冷やして前記原料ガス流内の二酸化炭素が実質的に固形の物質として前記コレクタトレー上に沈殿するようにする一方でメタンが実質的に蒸発してオーバーヘッドメタン流として前記極低温蒸留塔から出ることができるようにするステップと、
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位置した冷凍システム中に通すステップとを備え、前記冷凍システムは、前記オーバーヘッドメタン流を冷凍し、さらに、
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して前記低温液体スプレーとして役立つようにするステップと、
前記極低温蒸留塔から前記実質的に固形の物質をスラリとして除去するステップと、
前記実質的に固形の物質を主として二酸化炭素で構成された固形物及びメタンを含む液状物質に分離するステップと、
前記液状物質の少なくとも一部分を前記極低温蒸留塔に戻すステップと、を備えている、
ことを特徴とする方法。
【請求項３２】
前記コレクタトレーは、前記沈殿した実質的に固形の物質が落下して入る立下り管及び前記立下り管内に設けられた機械的並進装置を有し、
極低温蒸留塔から前記実質的に固形の物質を除去するステップは、前記機械的並進装置を作動させて前記実質的に固形の物質を前記立下り管から動かして前記極低温蒸留塔から出すステップを含む、
請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
前記コレクタトレーは、前記沈殿した実質的に固形の物質が落下して入る立下り管を有し、
前記コレクタトレーは、前記実質的に固形の物質を（ｉ）重力流により、（ｉｉ）機械的並進装置の作動により、（ｉｉｉ）前記低温液体スプレーの一部分を前記コレクタトレー中に吹き込んで前記実質的に固形の物質に吹き付けることにより、又は（ｉｖ）これらの組み合わせによって前記極低温蒸留塔から出るよう差し向ける、
請求項３１記載の方法。
【請求項３４】
前記極低温蒸留塔は、前記制御凍結ゾーンの上に位置した上方精留ゾーン及び前記制御凍結ゾーンの下に位置した下方蒸留ゾーンを更に有し、
前記原料ガス流は、前記下方蒸留ゾーン内に注入される、
請求項３１記載の方法。
【請求項３５】
前記下方蒸留塔からボトム流を放出するステップを更に有し、前記ボトム流は、酸性ガスを液相の状態で含み、
前記液状物質の少なくとも一部分を前記極低温蒸留塔に戻すステップは、前記液状物質を前記下方蒸留塔に送り出すステップを含む、
請求項３４記載の方法。
【請求項３６】
前記ボトム流は、エタン、プロパン、ブタン、硫化水素、二酸化炭素又はこれらの組み合わせを実質的に液相の状態で含む、
請求項３５記載の方法。
【請求項３７】
前記実質的に固形の物質を主として二酸化炭素で構成された固体成分及び主としてメタンで構成された液状物質に分離するステップは、前記実質的に固形の物質を第１のフィルタに通し、それにより主として固体二酸化炭素で構成された第１のフィルタケーク及びメタン及び二酸化炭素を液相の状態で含む第１の濾液を生じさせるステップを含む、
請求項３４記載の方法。
【請求項３８】
前記分離ステップは、
低温二酸化炭素流を用いて前記第１のフィルタケークを濯ぎ洗いするステップと、
前記第１のフィルタケークを混合して第１の固‐液スラリを生じさせるステップと、
前記第１の固‐液スラリを第２のフィルタに送り出し、それにより主として固体二酸化炭素で構成された第２のフィルタケーク及びメタンを液相の状態で含む第２の濾液を生じさせるステップとを更に含む、
請求項３７記載の方法。
【請求項３９】
前記第１の濾液と前記第２の濾液を組み合わすステップを更に有し、
前記下方蒸留ゾーンに戻された前記第２の液状物質は、前記組み合わせ状態の第１の濾液と第２の濾液を含む、
請求項３８記載の方法。
【請求項４０】
前記分離ステップは、
低温二酸化炭素流を用いて前記第２のフィルタケークを濯ぎ洗いするステップと、
前記第２のフィルタケークを混合して第３の固‐液スラリを生じさせるステップと、
前記第３の固‐液スラリを第３のフィルタに送り出し、それにより主として固体二酸化炭素で構成された第３のフィルタケーク及びメタンを液相の状態で含む第３の濾液を生じさせるステップとを更に含む、
請求項３７記載の方法。
【請求項４１】
主として最終段フィルタケークから取られた実質的に固形の物質を温めて実質的に純粋な二酸化炭素流を液相の状態で生じさせるステップを更に有し、
前記低温二酸化炭素流は、前記実質的に純粋な二酸化炭素流の一部分を含む、
請求項３７記載の方法。
【請求項４２】
前記実質的に固形の物質を温める前記ステップは、主として前記最終段フィルタケークから取られた前記実質的に固形の物質を熱交換器に通して熱が前記原料ガス流と交換されるようにするステップを含む、
請求項４１記載の方法。
【請求項４３】
前記第１のフィルタは、多孔質濾過材又は遠心機を有する、
請求項３７記載の方法。
【請求項４４】
前記脱水原料ガス流は、硫化水素を含み、
前記方法は、前記原料ガス流を前記極低温蒸留塔中に注入する前に、前記原料ガス流から前記硫化水素の相当な部分を除去するステップを更に有する、
請求項３７記載の方法。
【請求項４５】
前記極低温蒸留塔は、前記中間制御凍結ゾーンの上に位置した上方精留ゾーンを更に有し、
前記原料ガス流は、前記制御凍結ゾーン中に注入される、
請求項３１記載の方法。
【請求項４６】
前記実質的に固形の物質を主として二酸化炭素で構成された第１の固形物及び主としてメタンで構成された第２の液状物質に分離する前記ステップは、前記実質的に固形の物質を第１のフィルタに通し、それにより主として固体二酸化炭素で構成された第１のフィルタケーク及びメタン及び二酸化炭素を液相の状態で含む第１の濾液を生じさせるステップを含む、
請求項４５記載の方法。
【請求項４７】
前記第２の液状物質の少なくとも一部分を前記極低温蒸留塔に戻す前記ステップは、（ｉ）前記第１の濾液を直接前記制御凍結ゾーン中に注入して戻すステップ又は（ｉｉ）前記原料ガス流が前記極低温蒸留塔に注入される前に前記第１の濾液と前記原料ガス流を合流させるステップを含む、
請求項４６記載の方法。
【請求項４８】
前記分離ステップは、
低温二酸化炭素流を用いて前記第１のフィルタケークを濯ぎ洗いするステップと、
前記第１のフィルタケークを混合して第１の固‐液スラリを生じさせるステップと、
前記第１の固‐液スラリを第２のフィルタに送り出し、それにより主として固体二酸化炭素で構成された第２のフィルタケーク及びメタン、二酸化炭素及び硫化水素を液相の状態で含む第２の濾液を生じさせるステップとを更に含む、
請求項４５記載の方法。
【請求項４９】
前記分離ステップは、
低温二酸化炭素流を用いて前記第２のフィルタケークを濯ぎ洗いするステップと、
前記第２のフィルタケークを混合して第３の固‐液スラリを生じさせるステップと、
前記第３の固‐液スラリを第３のフィルタに送り出し、それにより主として固体二酸化炭素で構成された第３のフィルタケーク及びメタン、二酸化炭素及び硫化水素を液相の状態で含む第３の濾液を生じさせるステップとを更に含む、
請求項４８記載の方法。
【請求項５０】
前記第２の濾液と前記第３の濾液を組み合わすステップと、
前記第２の濾液及び前記第３の濾液を蒸留分離器中に注入し、それにより主として液相の二酸化炭素で構成されたボトム液体流及び回収メタン流を生じさせるステップと、
前記極低温蒸留塔からの前記オーバーヘッドメタン流を前記回収メタン流と組み合わすステップとを更に有する、
請求項４９記載の方法。
【請求項５１】
主として最終段フィルタケークから取られた実質的に固形の物質を温めて実質的に純粋な二酸化炭素流を液相の状態で生じさせるステップを更に有し、
前記低温二酸化炭素流は、前記実質的に純粋な二酸化炭素流の一部分を含む、
請求項４６記載の方法。
【請求項５２】
前記実質的に固形の物質を温める前記ステップは、主として前記最終段フィルタケークから取られた前記実質的に固形の物質を熱交換器に通して熱が前記原料ガス流と交換されるようにするステップを含む、
請求項５１記載の方法。
【請求項５３】
前記第１のフィルタは、多孔質濾過材又は遠心機を有する、
請求項４６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成分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９月９日に出願された米国特許仮出願第６１／２４０，８５０号（発明の名称：Cryogenic System for Removing Acid Gases From a Hydrocarbon Gas Stream, With Solid CO2 Recovery）の権益主張出願であり、米国特許仮出願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。
【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態様を紹介するものである。この説明は、本発明の特定の態様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。このようなガスは、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、大きな地上ブロックの状態で貯蔵されている。
【０００６】
硫黄が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、サワーガスを、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てもよい。
【０００７】
ＡＧＩを容易にするため、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）と，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とを含む。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、３００〜６００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。さらに、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。この点に関し、酸性ガスをカラム圧力（例えば３００〜６００ｐｓｉｇ）で液体として回収することができる。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。
【０００９】
極低温ガス処理は、追加の利点を有している。例えば、二酸化炭素の吸着には溶剤が不用である。さらに、メタン回収物を、単一容器で得ることができる（ライアン‐ホルムズ（Ryan-Holmes）法で用いられている多容器システムとは対照的である）。最後に、冷凍能力に応じ、生成ガスに関して例えば最低４ｐｐｍまで又はこれ以下の厳しいＨ2Ｓ仕様に適合することができる。
【００１０】
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、このような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（商標）”（ＣＦＺ（商標））プロセスを既に設計している。ＣＦＺ（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、次にこれら粒子が落下しているとき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、低温液体ＣＯ2／Ｈ2Ｓ流がボトム生成物として蒸留塔の底部に生じる。
【００１１】
ＣＦＺ（商標）プロセス及び関連機器の或る特定の態様は、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【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】
【００１３】
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、下方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、上方精留ゾーンも設けられる。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。
【００１４】
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方蒸留ゾーンまで流下する。下方蒸留ゾーンは、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。一態様では、ボトム酸性ガス流は、３０°Ｆ〜４０°Ｆ（−１．１℃〜４．４℃）で作られる。
【００１５】
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精留ゾーン中に上方に流れることができるようにする。
【００１６】
上方精留ゾーンでは、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。一態様では、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、液体の一部は、「還流」としてカラムに戻される。次に、液体還流は、低温スプレーとして精留ゾーン及び制御凍結ゾーン中に注入される。この点に関し、還流を得るために低温液体メタンを生じさせるプロセスは、ＣＦＺ塔に付随する機器を必要とする。この機器は、パイプ、ノズル、圧縮機、分離器、ポンプ及び膨張弁を含む。
【００１７】
上方精留ゾーン内で生じたメタンは、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モルパーセント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、純度の高い天然ガスに関する一層厳格な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。
【００１８】
一層厳格な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、より大型の冷凍設備が必要である。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。
【００１９】
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のＬＮＧ規格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】
【００２０】
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、システムは、極低温蒸留塔を有する。極低温蒸留塔は、中間制御凍結ゾーンを有する。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、好ましくは、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る液体環流である。
【００２１】
極低温蒸留塔は、原料ガス流を受け入れ、次に、この原料ガス流を（１）オーバーヘッドメタンガス流及び（２）二酸化炭素で構成された実質的に固形の物質に分離するよう構成されている。
【００２２】
システムは、極低温蒸留塔の下流側に位置した冷凍機器を更に有する。冷凍機器は、オーバーヘッドメタン流を冷却し、次にオーバーヘッドメタン流の一部分を環流として極低温蒸留塔内の精留ゾーンに戻すのに役立つ。液体環流の一部分を制御凍結ゾーン内に吹き込んで固体二酸化炭素粒子の沈殿を生じさせることができる。
【００２３】
このシステムは、コレクタトレーを更に有する。コレクタトレーは、固体ＣＯ2粒子が制御凍結ゾーン内に沈殿しているときに固体ＣＯ2粒子を受け入れるよう制御凍結ゾーンの下に位置決めされている。好ましくは、コレクタトレーは、沈殿物を中央立下り管中に差し向けるよう傾斜ベースを有する。立下り管は、オプションとして、固体ＣＯ2物質を含むスラリを極低温蒸留塔から出してＣＯ2回収施設に差し向ける機械的並進装置、例えばオーガを有するのが良い。
【００２４】
ＣＯ2回収施設は、好ましくは、複数個のフィルタで構成されている。システムは、少なくとも、スラリを受け入れる第１のフィルタを有する。スラリは、凍結又は固形の物質（「フィルタケーク」と称する）及び液状物質（「濾液」又は場合によっては「液状濾過物」と称する）に分離される。固形物は、主として、二酸化炭素で構成され、液状物質は、メタンを含む。液状物質は、少量の二酸化炭素、硫化水素、水銀及び重炭化水素を更に含む場合がある。理解されるように、本明細書で用いられるスラリという用語は、固形物及び液状物質を含むが、更にガス状物質又は他の非固形物を更に含む場合があるものとして用いられている。非固形物の処理では、液体は、気体及び／又は固体に変換される場合があり、次に、これらを種々の目的、例えば回収施設への再注入目的で使用できる。しかしながら、説明を簡単にするために、スラリの非固体部分がスラリからいったん分離されると、本明細書においては、物質の状態とは無関係にスラリの非固体部分を液状物質と称する場合がある。
【００２５】
システムは、液体戻りラインを更に有する。液体戻りラインは、ＣＯ2回収施設からの液状物質の少なくとも一部分を極低温蒸留塔に戻す。ここで、メタン及びこの中に同伴されている何らかの酸性ガス成分の次の処理が行われる。
【００２６】
極低温蒸留塔は、好ましくは、制御凍結ゾーンの上に位置した上方精留ゾーンを有する。極低温蒸留塔は、制御凍結ゾーンの下に位置した下方蒸留ゾーンを更に有するのが良い。後者の場合、極低温蒸留塔は、好ましくは、原料ガスを下方蒸留ゾーン中に受け入れさせるよう構成されている。さらに、極低温蒸留塔は、液体戻りラインからの液状物質を下方蒸留ゾーン中に受け入れさせる。メタン及び微量酸性ガス成分の次の処理は、下方蒸留ゾーン内で行われる。ここで、メタンは、温かい下方蒸留ゾーン内で蒸発し、制御凍結ゾーン及び上方精留ゾーンを通って上方に移動し、オーバーヘッドメタン流と合流する。二酸化炭素成分は、大部分、下方蒸留ゾーン内で蒸発し、上方に移動して制御凍結ゾーンに流入し、そしてコレクタトレー上に戻って沈殿する。次に、ＣＯ2成分は、スラリと共にＣＯ2回収施設に運ばれる。
【００２７】
極低温蒸留塔が下方蒸留ゾーンを有する場合、酸性ガスは、比較的温かい下方蒸留ゾーンからボトム液体流として落下する。ボトム液体流は、エタン、プロパン、ブタン、硫化水素又はこれらの組み合わせを実質的に液相の状態で含む場合がある。二酸化炭素も存在する場合がある。
【００２８】
一構成例では、極低温蒸留塔は、下方蒸留ゾーンを備えていない。この場合、原料ガス流は、蒸留塔内の制御凍結ゾーン中に注入される。さらに、液体戻りラインは、原料ガス流が極低温蒸留塔中に注入される前に又はそれと同時に、液状物質の少なくとも一部分を原料ガス流と合流させる。蒸留塔は、硫化水素を捕捉するボトム流を備えておらず、これとは異なり、硫化水素並びにメタン及び二酸化炭素の微量元素は、第２のフィルタ、オプションとして第３及び第４のフィルタよりＣＯ2回収施設内に捕捉される。硫化水素並びにメタン及び二酸化炭素の微量元素は、低温液状濾過物としてフィルタから放出される。濾液は、次に、蒸留塔内で処理され、その結果、回収メタン流が酸性ガスから分離される。回収メタン流は、商業製品として販売のためにオーバーヘッドメタン流と合わされる。
【００２９】
いずれの実施形態においても、ＣＯ2回収施設の端部のところにはオプションとして熱交換器が設けられる。熱交換器は、最終段フィルタケークから少なくとも部分的に取り出された実質的に固形の物質を温めて実質的に純粋な二酸化炭素流を液相の状態で生じさせるよう構成されている。実質的に固形の物質は、例えば原料ガス流を熱源として用いることにより温められる。
【００３０】
また、本明細書において、酸性ガス除去システムを用いて原料ガス流から酸性ガスを除去する方法が提供される。原料ガス流は、メタン、二酸化炭素及び多くの場合例えばエタン及び硫化水素のような他の成分を含む。
【００３１】
一実施形態では、この方法は、第１に、極低温蒸留塔を用意するステップを有する。蒸留塔は、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制御凍結ゾーンを有する。蒸留塔は、制御凍結ゾーンの下に位置したコレクタトレーを更に有する。
【００３２】
この方法は、原料ガス流を極低温蒸留塔中に注入するステップを更に有する。一構成例では、原料ガス流は、蒸留塔内の制御凍結ゾーンの下に位置した下方蒸留ゾーン中に注入される。一構成例では、原料ガス流は、蒸留塔内の制御凍結ゾーンそれ自体中に注入される。好ましくは、原料ガス流は、これが蒸留塔中に注入される前に実質的に脱水されている。
【００３３】
この方法は、原料ガス流を冷やすステップを更に有する。原料ガス流を冷やすことにより、原料ガス流中の二酸化炭素は、実質的に固形物としてコレクタトレー上に沈殿し、この上でスラリとなる。それと同時に、蒸留塔内の圧力は、供給流よりも低く、それにより、原料ガス流中のメタンが瞬間蒸発する。メタンは、制御凍結ゾーンの上方に位置した精留ゾーンを通って流れ、そしてオーバーヘッドメタン流として極低温蒸留塔から流出する。
【００３４】
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位置した冷凍システムに通すステップを更に有する。冷凍システムは、オーバーヘッドメタン流の少なくとも一部分を冷却して液体にする。この方法は、冷却されたオーバーヘッドメタン流の一部分を液体環流として極低温蒸留塔に戻すステップを更に有する。液体環流の一部分は、低温液体スプレーとしての役目を果たすことができる。
【００３５】
また、この方法の一部として、実質的に固形の物質が極低温蒸留塔から取り出される。一態様において、実質的に固形の物質の取り出しは、例えばスクリューコンベヤ又はオーガのような機械的並進装置の使用により達成される。オーガは、上述したコレクタトレーの立下り管内に位置するのが良い。オーガは、実質的に固形の物質又はスラリを切断し、これを並進させて蒸留塔から出して固体ＣＯ2処理機器に向かって並進させる。コレクタトレーは、例えば約−７０°Ｆ〜−８０°Ｆ（−５６．７℃〜−６２．２℃）の温度で動作することが好ましい。これは、ＣＯ2成分の凝固点（又は凍結点）の温度又はこれよりも僅かに低い温度である。
【００３６】
この方法は、実質的に固形の物質を実質的に固体のフィルタケーク及び実質的に液状の濾過物に分離するステップを更に有するステップを更に有する。フィルタケークは、主として二酸化炭素で構成され、濾液は、メタン及び残留二酸化炭素を含む。濾液は、他の成分、例えば重炭化水素及び更に軽芳香族炭化水素を含む場合がある。
【００３７】
分離ステップは、実質的に固形の物質又はスラリを第１のフィルタに通すことにより達成できる。これにより、主として固体二酸化炭素で構成される第１のフィルタケーク及び液相のメタン及び二酸化炭素を含む第１の濾液が生じる。第１のフィルタは、例えば、多孔質濾過材又は遠心機であるのが良い。
【００３８】
分離ステップは、低温二酸化炭素流を用いて第１のフィルタケークを濯ぎ洗いするステップ、第１のフィルタケークを混合して第１の固‐液スラリを生じさせるステップ及び第１の固‐液スラリを第２のフィルタに送り出すステップを更に有するのが良い。第２のフィルタは、主として固体二酸化炭素で構成された第２のフィルタケーク及びメタンを液相の状態で含む第２の濾液を生じさせる。
【００３９】
幾つかの具体化例では１回の分離ステップで十分であるが、追加のＣＯ2除去を行う場合がある。例えば、分離ステップは、低温二酸化炭素流を用いて第２のフィルタケークを濯ぎ洗いするステップ、第２のフィルタケークを混合して第３の固‐液スラリを生じさせるステップ及び第３の固‐液スラリを第３のフィルタに送り出すステップを更に有するのが良い。これにより、主として固体二酸化炭素で構成された第３のフィルタケーク及びメタンを液相の状態で含む第３の濾液が生じる。
【００４０】
この方法は、第２の液状材料の少なくとも一部分を極低温蒸留塔に戻すステップを更に有する。一態様では、第２の液状材料は、下方蒸留ゾーンに差し向けて戻される。別の態様では、第２の液状材料は、原料ガス流と合わされ、そして蒸留塔中の制御凍結ゾーン中に再注入される。
【００４１】
この方法の一実施形態では、第１の濾液と第２の濾液が組み合わされる。濾液からの組み合わせ状態の流体は、極低温蒸留塔に戻される濾液を形成する。この場合、組み合わせ状態の濾液は、好ましくは、下方蒸留塔中に注入される。
【００４２】
この方法の別の実施形態では、第１の濾液だけが液状濾過物として蒸留塔に戻される。この場合、第１の濾液は、制御凍結ゾーンに戻されるのが良い。蒸留塔は、好ましくは、下方蒸留ゾーンを備えていない。第２の濾液及びオプションとしての第３（又はその後の）濾液は、別個の下流側蒸留塔に送り出され、ここで、残留酸性ガスが最終的に、メタンから分離される。この場合、回収メタン流が得られ、この回収メタン流は、販売のために極低温蒸留塔のオーバーヘッドメタン流と合わされる。
【００４３】
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】
【００４４】
【図１】一実施形態の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】一実施形態の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】一実施形態の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】一実施形態の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６Ａ】一実施形態としてのコレクタトレーの平面図であり、ガス処理施設の一構成例でコレクタトレーが制御凍結ゾーンの下に位置する蒸留塔内に設けられている状態を示す図である。
【図６Ｂ】図６ＡのコレクタトレーのＢ‐Ｂ線矢視断面図である。
【図６Ｃ】図６ＡのコレクタトレーのＣ‐Ｃ線矢視断面図である。
【図６Ｄ】図６Ａのコレクタトレーの変形実施形態のこれ又Ｂ‐Ｂ線矢視断面図である。
【図７】本発明の一実施形態に従って原料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り、図６Ａ又は図６Ｄのコレクタトレーが用いられている状態を示す図である。
【図８】本発明の別の実施形態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り、この場合も又、図６Ａ又は図６Ｄのコレクタトレーが用いられている状態を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態としてガス流から酸性ガスを除去する方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
「物質移動装置」という用語は、接触対象の流体を受け入れ、このような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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
実施態様の説明
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。
【００５３】
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％〜４０％のメタンを含む場合がある。
【００５４】
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。これらは、例えばＣＯ2やＨ2Ｓのような酸性ガスである。
【００５５】
初期流体流１０は、約６００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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を冷やされた状態の流体流１２に変換する。好ましくは、この冷却流体流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。
【００６０】
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、下方蒸留ゾーン１０６、中間制御凍結ゾーン又は「スプレー区分」１０８及び上方精留ゾーン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内の制御凍結ゾーン１０８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、下方蒸留ゾーン１０６の頂部の近くのところに導入されても良い。
【００６１】
図１の構成例において、下方蒸留ゾーン１０６、中間スプレー区分１０８、上方精留ゾーン１１０及び全てのコンポーネントは、単一の容器１００内に収納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、下方蒸留ゾーン１０６及び制御凍結ゾーン１０８を１つの容器内に設置するのが良く、上方精留ゾーン１１０は、別の容器内に位置する。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。
【００６２】
いずれの実施形態においても、下方蒸留ゾーン１０６の温度は、冷却流体流１２の供給温度よりも高い。下方蒸留ゾーン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。
【００６３】
下方蒸留ゾーン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）を同様に下方蒸留ゾーン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。
【００６４】
再び図１を参照すると、冷却流体流１２を下方蒸留ゾーン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の上方で中間制御凍結ゾーン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。
【００６５】
冷却流体流１２をカラム１００内の２相フラッシュボックス型装置（又は蒸気分配器）１２４を通って下方蒸留ゾーン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‐液体混合物を部分的に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内に設けられているバッフルに当たるようスロット付きであるのが良い。
【００６６】
相当な液体スラッギング又は頻繁なプロセス混乱状態が予測される場合、冷却流体流１２は、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る必要がある。この場合、冷却供給流１２は、２相容器１７３内で分離されるのが良い。蒸気は、容器入口ライン１１を通って２相容器１７３から出て、蒸気は、この容器入口ラインのところで、入口分配器１２１を通ってカラム１００に流入する。次に、ガスは、カラム１００を通って上方に移動する。液体１３は、２相容器１７３から排出される。液体１３は、分配器１２４を通ってカラム１００内に差し向けられる。液体１３は、重力又はポンプ１７５によってカラム１００に供給されるのが良い。
【００６７】
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、下方蒸留ゾーン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、下方蒸留ゾーン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。
【００６８】
蒸気は、メルトトレー１３０（図２Ｂに示されている）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、そしてその下の下方蒸留ゾーン１０６を通って流れる。
【００６９】
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、メルトトレー１３０の真上で塔１００内に導入される。かくして、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。
【００７０】
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下方蒸留ゾーン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、制御凍結ゾーン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（加温する）。メルトトレー１３０は、蒸気の流れを放出して制御凍結ゾーン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の下側蒸留ゾーン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。
【００７１】
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線に沿ったメルトトレー１３０の断面図である。図２Ｃは、Ｃ‐Ｃ線に沿ったメルトトレー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。
【００７２】
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、制御凍結ゾーン１０８からメルトトレー１３０上に至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の下方蒸留ゾーン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。一態様では、ベース１３４は、波形である。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。
【００７３】
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下方蒸留ゾーン１０６内に入るようにするのに役立つ。
【００７４】
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。
【００７５】
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、制御凍結ゾーン１０８内における良好な熱／物質移動に寄与する。
【００７６】
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制御凍結ゾーン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。
【００７７】
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。制御凍結ゾーン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。
【００７８】
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。
【００７９】
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（図２Ｃに示されている）。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を経て下方蒸留ゾーン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。オペレータが下方蒸留ゾーン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。
【００８０】
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上で加温され、ＣＯ2富化液体に変換される。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。
【００８１】
ＣＯ2富化液体を液位制御下でメルトトレー１３０から抜き出され、重力の作用で下方蒸留ゾーン１０６に導入される。注目されるように、メルトトレー１３０の下の下方蒸留ゾーン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。
【００８２】
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。
【００８３】
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富化された状態の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。
【００８４】
液体中のメタンの割合が、液体が下方蒸留ゾーン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、下方蒸留ゾーン１０６中のトレー１２６の個数で決まる。下方蒸留ゾーン１０６の上方部分では、液体のメタン含有量は、２５モルパーセント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モルパーセント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。下方蒸留ゾーン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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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の下方蒸留ゾーン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、下方蒸留ゾーン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。
【００８８】
一態様では、トレー（例えばトレー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（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。
【００８９】
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。
【００９０】
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下方蒸留ゾーン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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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〜−７０°Ｆ（−４５．６℃〜−−５６．７℃）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。
【００９４】
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富化液体は、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の下方蒸留ゾーン１０６を参照すると、ガスは、下方蒸留ゾーン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。
【００９５】
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を出て上方精留ゾーン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。
【００９６】
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〜−１４５°Ｆ（−９２．８℃〜−９８．３℃）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。
【００９７】
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。
【００９８】
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、上方精留ゾーン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、液体還流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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
図１に戻ってこれを参照すると、液体還流１８は、上方蒸留又は精留ゾーン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。トレーに代えてランダムな又は体系化された実装方式を採用しても良い。
【０１０２】
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、コレクタトレー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、制御凍結ゾーン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コレクタトレー１４０のところに集められる。
【０１０３】
コレクタトレー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、コレクタトレー１４０も又、制御凍結ゾーン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。コレクタトレー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。
【０１０４】
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、液体の形態で下方蒸留ゾーン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。
【０１０５】
極低温蒸留塔１００内では、コレクタトレー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モルパーセントメタン、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、中間制御凍結ゾーン１０８内に圧送され、ノズル１２２を通って放出される。
【０１０６】
スプレー流２１の或る部分、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、中間制御凍結ゾーン１０８を通り、コレクタトレー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。
【０１０７】
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富化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、下方蒸留ゾーン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。
【０１０８】
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。制御凍結ゾーン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、制御凍結ゾーン１０８内でおこる物質移動に影響を及ぼす。
【０１０９】
本発明の譲受人は、国際出願日が２００７年１１月２０日である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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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モルパーセントのパイプラインＣＯ2規格並びに４ｐｐｍ以下のＨ2Ｓ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。
【０１１２】
酸性ガス成分を凍結させて制御凍結ゾーン１０８内の固体にし、次に、酸性ガス成分を溶解させて下方蒸留ゾーン１０６内の液体ボトム流２２の状態にし、次に底部再沸器１６０を用いてＣＯ2を同伴天然ガスから分離する。ＣＯ2の凍結と関連して相当多くの量のエネルギーが消費される。このエネルギーは、制御凍結ゾーン１０８内の固体成分が溶け、次に下方蒸留ゾーン１０６内で液相のＨ2Ｓ及び他の重炭化水素と再び混合する際に、少なくとも部分的に無駄になる。
酸性ガス注入又は処分のためには比較的純粋なＣＯ2が望ましいので、凍結ＣＯ2を分離するためには酸性ガス富化又は濃縮プロセス又は他の精製法が望ましい。この分離は、制御凍結ゾーン１０８の底部のところ又は下方蒸留ゾーン１０６の頂部のところで行われるべきである。かくして、ＣＯ2を溶解させ（そして、液体Ｈ2Ｓ及び重炭化水素成分と再混合し）そして重力の作用で液相成分を下方蒸留ゾーン１０６を通って落下させるのではなく、本発明では、メルトトレー１３０に代えてコレクタトレーを用いることを提案する。コレクタトレーは、制御凍結ゾーン１０８から硬化‐液スラリの形態で沈殿物を受け入れる。固‐液スラリは、コレクタトレー上に集められ、そして次の処理のために極低温蒸留塔から取り出される。
【０１１３】
図６Ａは、一実施形態としてのコレクタトレー６１０の平面図である。図６Ｂは、図６ＡのＢ‐Ｂ線で取ったコレクタトレー６１０の断面図である。図６Ｃは、Ｃ‐Ｃで取ったコレクタトレー６１０の断面図である。これら３つの図を一緒に参照してコレクタトレー６１０について説明する。
【０１１４】
最初に、コレクタトレー６１０は、ベース６２０を有する。ベース６２０は、実質的に扁平な本体であっても良く、或いは表面積を増大させるために起伏を有していても良い。いずれの構成においても、ベース６２０は、互いに反対側の側部に沿って好ましくは内方に傾斜し、その結果、ベース６２０上に落ちた流体は、中央立下り管６３０に向かって重力の作用で流れるようになる。
【０１１５】
図６Ｃの記載では、コレクタトレー１３０の中央にサンプ又は「立下り管」６３０がより明確に見える。コレクタトレーベース６２０は、固‐液スラリを送り出すよう立下り管６３０に向かって内方に傾斜している。ベース６２０は、重力の作用による固体及び液体の抜き出しを容易にするよう任意の仕方で傾けられるのが良い。
【０１１６】
図２Ａのメルトトレー１３０の場合と同様、図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃのコレクタトレー６１０は、複数本の煙突６２２，６２４（又は「立上り管」）を有する。煙突６２２，６２４は、蒸気の分布を向上させることができ、気相の流体が下方蒸留ゾーン１０６から上方に移動して中間制御凍結ゾーン１０８内に流入することができる。これは又、制御凍結ゾーン１０８内における良好な熱／物質移動又は輸送に寄与する。
【０１１７】
煙突６２２，６２４は、任意輪郭形状のものであって良い。例えば、煙突６２２，６２４は、丸形、長方形又は蒸気がコレクタトレー６１０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６２２，６２４は又、細く且つ制御凍結ゾーン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、蒸気が凍結ゾーン１０８中に立ち上っているときに蒸気を均等に分布させることができる。
【０１１８】
煙突６２２，６２４の頂部開口部は、好ましくは、ハット又はキャップ６２６で覆われる。キャップ６２６は、制御凍結ゾーン１０８から落下した固体が、コレクタトレー６１０をバイパスして下方蒸留ゾーン７０６内に移動する恐れを最小限に抑える。
【０１１９】
立下り管６３０は、ベース６２０と共に好ましくは傾けられている。立下り管６３０′の傾斜構造は、図６Ｄの側面図に示されている。図６Ｄは、図６Ａのコレクタトレー６１０の変形実施形態の断面図である。この図は、図６ＡのＢ‐Ｂ線で取られている。
【０１２０】
コレクタトレー６１０は、原料ガス流から酸性ガスを除去するシステムの一部として極低温蒸留塔中に組み込まれるよう設計されている。コレクタトレー６１０は、極低温蒸留塔の制御凍結ゾーンから落下した固体及び液体粒子を受け取るよう構成されている。コレクタトレー６１０は、更に、固体及び液体粒子で構成されたスラリを蒸留塔から運び出してＣＯ2回収施設に運び込むよう構成されている。
【０１２１】
図７は、本発明の一実施形態に従って炭化水素ガス流から酸性ガスを除去するガス処理施設７００を示す略図である。炭化水素ガス流は、貯留層開発領域又は「現場」で行われる炭化水素産出活動に源を発している。現場は、圧縮性の炭化水素が産出される場所であればどのような場所であっても良い。現場は、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。現場は、元の貯留層圧力から動作しても良く、或いは、石油・原油の回収増進を行っても良い。本明細書に添付の特許請求の範囲に記載されたシステム及び方法は、現場が酸性ガス成分で汚染された圧縮性炭化水素を産出している限り、開発中の現場の形式には限定されない。
【０１２２】
ガス処理施設７００は、コレクタトレー、例えば図６Ａのコレクタトレー６１０を利用している。図７で理解できるように、コレクタトレー６１０は、極低温蒸留塔７０５に組み込まれている。蒸留塔７０５は、中間制御凍結ゾーン７０８を有している。制御凍結ゾーン７０８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。
【０１２３】
低温スプレーは、好ましくは、蒸留塔７０５の下流側に位置したオーバーヘッドループ７１４から生じた液体環流である。オーバーヘッドループ７１４は、熱交換器１７０内に冷凍機器を有し、熱交換器１７０は、オーバーヘッドメタン流１４を冷却し、次に、オーバーヘッドメタン流１４の一部分を液体環流１８として極低温蒸留塔７０５に戻すのに役立つ。液体環流１８は、スプレーヘッダ１２０を通って制御凍結ゾーン７０８内に吹き込まれ、それにより固体炭化水素粒子の沈殿が生じる。図７に示されているように、液体環流１８は、スプレーヘッダ１２０を通って吹き込まれる前に、上方精留区分７１０に送り出され、このような上方精留区分７１０については以下に更に説明する。他の具体化例では、液体環流１８の何割か又は全てを直接スプレーヘッダ１２０又はスプレーヘッダ収集ドラム１７４に引き込むのが良い。
【０１２４】
図１の塔１００の場合と同様、極低温蒸留塔７０５は、酸性ガスで構成された初期流体流１０を受け入れるよう構成されている。初期流体流１０は、メタン、二酸化炭素及び場合によっては微量のエタン、窒素、ヘリウム及び硫化水素を含む。初期流体流１０は、好ましくは、蒸留塔７０５内中に注入される前に或る程度の脱水が行われる。脱水は、初期流体流をグリコール脱水プロセス中に通すことにより達成できる。（脱水システムは、図７には示されていない。）
【０１２５】
さらに、初期流体流１０は、好ましくは、蒸留塔７０５に流入する前に冷やされる。熱交換器１５０、例えば多管式熱交換器が初期流体流１０を冷やす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に提供して初期流体流１０の温度を約−３０°Ｆ〜−４０°Ｆに至らせる。次に、初期流体流１０を膨張装置１５２、例えばジュール‐トムソン（“Ｊ‐Ｔ”）弁に通すのが良い。その結果、冷やされた原料ガス流７１２が得られる。好ましくは、冷却原料ガス流７１２の温度は、約−４０°Ｆ〜−７０°Ｆである。
【０１２６】
注目されるように、ガス処理施設７００内において、原料ガス流７１２は蒸留塔７０５内で制御凍結ゾーン７０８の下に受け入れられる。具体的に説明すると、原料ガス流７１２は、制御凍結ゾーン７０８の下に位置する下方蒸留ゾーン７０６中に注入される。しかしながら、原料ガス流７１２は、２相容器、例えば図１に示されている容器１７３中に差し向けられても良いことは言うまでもない。これにより、主としてメタン蒸気（制御凍結ゾーン７０８に注入されたメタン蒸気）及び液体酸性ガス並びに場合によっては重炭化水素（下方蒸留ゾーン７０６中に注入された重炭化水素）で構成された分割流が生じる。２相容器１７３は、固形物が蒸留塔７０５の入口ライン及び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。
【０１２７】
一態様では、極低温蒸留塔７１２は、制御凍結ゾーン７０８内において約５５０ｐｓｉの圧力状態で作動され、冷却原料ガス流７１２は、約−６２°Ｆの状態にある。これらの条件では、原料ガス流７１２は、実質的に液相である。ただし、幾分かの蒸気相は、必然的に、冷却ガス流７１２中に同伴される場合がある。最も可能性のあることとして、ＣＯ2の存在に起因して固形物の生成が生じることはない。
【０１２８】
極低温蒸留塔７０５は、上方精留ゾーン７１０を更に有している。上方精留ゾーン７１０は、制御凍結ゾーン７０８の上方に位置している。図１の極低温蒸留塔７００と関連して上述したように、精留ゾーン７１０は、メタン蒸気を同伴状態の二酸化炭素分子から一段と分離するのに役立つ。精留ゾーン７１０は、オーバーヘッドメタンガス流１４を放出する。精留ゾーンは又、流体の一部分を液体流２０中に配分し、液体流２０は、スプレーヘッダ収集ドラム１７４を通り、次に圧力ブースタ１７６に通され、次にスプレーヘッダ１２０を通って塔７０５中に注入して戻される。
【０１２９】
注目されるように、ガス処理施設７００は、コレクタトレー６１０を更に有する。コレクタトレー６１０は、実質的に固形の物質が制御凍結ゾーン７０８から沈殿しているときに実質的に固形の物質を受け入れるよう制御凍結ゾーン７０８の下に位置決めされている。コレクタトレー６１０は、例えば約−７０°Ｆ〜−８０°Ｆの温度で動作することが好ましい。これは、ＣＯ2の凝固点（凍結点）の温度又はこれよりも僅かに低い温度である。かくして、スラリがコレクタトレー６１０のところに生じる。
【０１３０】
好ましくは、コレクタトレー６１０は、スラリを中央立下り管（図６Ｃにおいて符号６３０で示されている）中に差し向けるよう傾斜ベース（図６Ｃにおいて符号６２０で示されている）を有する。立下り管６３０は、オプションとして、立下り管内に機械的並進装置例えばオーガ（図６Ｂにおいて符号６４０で示されている）を有するのが良い。オーガ６４０は、固体ＣＯ2物質を含むスラリを機械的に動かして極低温蒸留塔７０５から出してＣＯ2回収施設７４０に向かって動かすのに役立つ。
【０１３１】
スラリ出口ライン７４１がガス処理施設７００内に設けられている。スラリ出口ライン７４１は、蒸留塔７０５からのスラリをＣＯ2回収施設７４０に移動させる。このように、二酸化炭素は、これが下方蒸留ゾーン７０６内に落下する前に蒸留塔７０５から実質的に除去される。スラリは、重力の作用で動かされるのが良い。代替的に又は追加的に、スラリは、オーガ６４０により並進可能である。さらに変形例として、低温液体環流１８の一部分が蒸留塔７０５の側壁からコレクタトレー６１０中に差し向けられてスラリをコレクタトレーから押し出して蒸留塔７０５から出しても良い。
【０１３２】
固体が溶融してボトム流体流７２２の一部として出ることができるようにしないで、ＣＯ2を固体の状態で抽出すると、幾つかの潜在的な利点が存在する。第１に、二酸化炭素を固体の状態に結晶化するプロセスは、適正な温度及び圧力で行われると、代表的には、実質的に純粋な固形物を生じさせる。或る微量のエタン、硫化水素及び重炭化水素がスラリの一部として固体中に同伴される場合があるが、固体ＣＯ2の分離により、実質的に純粋なＣＯ2生成物が得られる。軽い生成物、例えばエタン又は他の酸性生成物、例えばＨ2Ｓをストリッピングすることは、必ずしも必要ではない。というのは、このような生成物は、液体としてボトム流体流７２２中に落下することになるからである。
【０１３３】
また、原料ガス流７１２中のＣＯ2の相当多くの部分が純粋固体として回収されるので、ボトム流体流中のＣＯ2の量は、減少することになる。これにより、下流側プロセス、例えば酸性ガス富化及び硫黄回収ユニット（図示せず）に対する要求が軽減される。さらに、価値のある重炭化水素、例えばエタン又はプロパンをボトム流体流７２２から一層容易に回収することができる。というのは、ＣＯ2含有量が実質的に減少するからである。
【０１３４】
さらに、原料ガス流７１２中のＣＯ2の相当多くの部分をサイドドロー（side-draw）（スラリ出口ライン７４１のところ）として除去することにより、蒸留塔７０５内における蒸気及び液体の富化を減少させることができる。これにより、再沸器１６０及び凝縮器、即ち分離チャンバ１７２の低い能力が許容されると共に冷凍要件が緩和される。より重要なこととして、固体ＣＯ2の取り出しにより、供給能力が同等である場合に、小径の塔７０５の採用が可能である。サイズの減少は、一般に、塔７０５から抽出される固体ＣＯ2の量に比例する。
【０１３５】
再び図７を参照すると、二酸化炭素を主成分とするスラリは、スラリ出口ライン７４１を通ってＣＯ2回収施設７４０に運ばれる。ＣＯ2回収施設７４０は、第１のフィルタ７４２を有する。好ましくは、第１のフィルタ７４２は、スラリから固形物の相当な部分を補足する多孔質濾過材を有する。第１のフィルタ７４２は、例えば、ワイヤメッシュであるのが良い。変形例として、フィルタ７４２は、ポリエステル又は他の合成多孔質材料であっても良い。フィルタ７４２は、変形例として、遠心分離器、ハイドロサイクロン、１つ又は２つ以上のベルトフィルタ、１つ又は２つ以上のフィルタプレス又はこれらの組み合わせであっても良い。
【０１３６】
スラリの液体部分は、「濾液」と呼ばれる。濾液は、第１のフィルタ７４２を通過し、液体ライン７４４に送られる。濾液は、大部分がＣＨ4から成るが、ＣＯ2及びＨ2Ｓを更に含む場合がある。液体ライン７４４は、濾液を液体戻りライン７６０に送り出す。液体戻りライン７６０は、濾液を極低温蒸留塔７０５の下方蒸留ゾーン７０６に戻す。ＣＨ4は、蒸発してオーバーヘッドメタン流１４の一部となる。Ｈ2Ｓ及び何らかの重炭化水素成分は、蒸留塔７０５から落下して液体としてボトム流体流７２２中に入る。
【０１３７】
注目されるように、液体ライン７４４は、重炭化水素、特にエタン及びプロパンという測定可能な成分を更に含む場合がある。これら成分は、濾液１４４を従来型天然ガス液（“ＮＧＬ”）トレーン（図示せず）と類似したプロセス中に送ることにより回収可能である。
【０１３８】
第１のフィルタ７４２は、「フィルタケーク」と呼ばれるスラリの固体部分を補足する。フィルタケークは、大部分が二酸化炭素から成る。固体フィルタケークは、第１の固形物ライン７４６に沿って送り出される。フィルタケークは、スクリューコンベヤ、ヒルデブラント（Hildebrandt）抽出器又は当該技術分野において知られている他の手段によって第１のフィルタ７４２から第１の固形物ライン７４６を通って運ばれるのが良い。
【０１３９】
フィルタケークは、これが液相に入るよう温められるのが良い。一態様では、第１の固形物ライン７４６からの固体二酸化炭素は、熱交換器７７２で温められる。熱交換器７７２は、例えば、二酸化炭素を溶解させるために初期流体流１０からの熱を用いることができる。これにより、有益には、初期流体流１０が冷却され、その後、この初期流体流は、熱交換器１５０に流入する。それと同時に、温められた液体ＣＯ2は、実質的に純粋な二酸化炭素液体としてＣＯ2流体ライン７８６を通って送られる。  固形物ライン７４６内の凍結二酸化炭素（又はフィルタケーク）を直接熱交換器７７２に送り出すのではなく、オペレータは、凍結二酸化炭素を追加の濾過手段中に運ぶよう選択しても良い。ガス処理施設７００では、ＣＯ2回収施設７４０は、濯ぎ洗い容器７４８を有するのが良い。濯ぎ洗い容器７４８では、低温液体ＣＯ2は、凍結二酸化炭素に吹き付けられる。これは、新たなスラリを生じさせる作用効果を有し、残留メタン及び硫化水素は、液体として固体フィルタケークから濯ぎ洗いにより除かれる。
【０１４０】
濯ぎ洗い剤として用いられる低温二酸化炭素は、ＣＯ2送り出しライン７８４を通って送られる。濯ぎ洗い剤として用いられる低温ＣＯ2は、好ましくは、熱交換器７７２の出口７７８から引き出される。低温ＣＯ2ラインは、符号７８０で示されている。
【０１４１】
再び濯ぎ洗い容器７４８を参照すると、好ましくは、スラリは、濯ぎ洗い容器７４８内で混合される。撹拌装置７４７が濯ぎ洗い容器７４８内に設けられるのが良い。撹拌装置７４７は、例えば、表面積を生じさせるよう固形物を通って回転する１組の羽であるのが良い。表面積を作ることにより、固形物は、送り出しライン７４８からの低温液体ＣＯ2にさらされる。これは、残留メタン及び硫化水素を濯ぎ洗いして固形物から除去するのに役立つ。
【０１４２】
新たなスラリは、濯ぎ洗い容器７４８からスラリライン７５０を通って運ばれる。新たなスラリは、図７に符号７５２で示されている第２のフィルタに送られる。第２のフィルタ７５２は、新たなスラリから固体部分を補足する。このような固体部分は、この場合も又、大部分が二酸化炭素から成る。固体部分は、第２のフィルタケークであり、第２の固形物ライン７５６に沿って送られる。第２のフィルタケークは、ここから、これが液相に入るよう温められるのが良い。
【０１４３】
濯ぎ洗いステップ及び濾過ステップは、別々の容器、例えば濯ぎ洗い容器７４８及び濾過容器７５２内で起こるものとして示されていることが注目される。しかしながら、オペレータは、固形物の濯ぎ洗いと濾過を単一容器内で組み合わせて行うよう選択することができる。
【０１４４】
第２の濾液と呼ばれている新たなスラリの液体部分は、第２のフィルタ７５２を通過して液体ライン７５４に送られる。第２の濾液は、ＣＨ4を含み、場合によっては、Ｈ2Ｓ及び重炭化水素を更に含む。液体ライン７５４は、スラリの液体部分を液体戻りライン７６０に送る。かくして、第２の濾液７５４を呈する液体は、第１の濾液７５４を呈する液体と合流し、その後、液体戻りライン７６０を通って蒸留塔７０５中に注入される。ＣＨ4は、蒸発してオーバーヘッドメタン流１４の一部となる。Ｈ2Ｓ及びＣ2＋化合物は、蒸留塔７０５から落下して液体としてボトム流体流７２２中に入る。第１の濾液７４４か第２の濾液７５４かのいずれかが溶融ＣＯ2を万が一含んでいる場合、溶融ＣＯ2は、蒸発して制御凍結ゾーン７０８に入り、最終的に、凍結物質としてコレクタトレー６１０上に戻って沈殿する。
【０１４５】
オプションとして、第１の濾液７４４及び／又は第２の濾液７５４は、液体戻りライン７６０を通って更に精製されるよう小型周辺蒸留カラム（図示せず）に送られるのが良い。
【０１４６】
オペレータは、ライン７５６内の実質的に純粋な固体ＣＯ2を直接熱交換器７７２に運ぶよう選択することができる。変形例として、不純物の追加の分離を行っても良い。図７のボックス７７０は、ライン７５６内の固体ＣＯ2の１つ又は２つ以上の追加の濯ぎ洗い及び濾過段を示している。濯ぎ洗い及び濾過ステップの数は、ＣＯ2生成物の所望の純度で決まる。ライン７８２は、低温ＣＯ2を濯ぎ洗い剤として送り出すものとして示されている。第３（又はその後の）濾液７７４は、追加の濯ぎ洗い及び濾過段７７０から放出される。第３（又はその後の）固体ＣＯ2（又はフィルタケーク）は、ライン７７６を通って熱交換器７７２に送られる。最終のＣＯ2生成物ラインがライン７８６として示されている。液体ＣＯ2生成物は、酸性ガス注入のために使用でき又は高純度生成物として販売のために送り出し可能である。顧客は、例えば、石油・原油の回収増進のため又は他の目的のために液体ＣＯ2生成物を使用することができる。
【０１４７】
図７のガス処理施設７００は、冷却原料ガス流７１２が高いＣＯ2含有量、例えば約３０％を超えるＣＯ2含有量を有している条件で理想的に使用される。この条件では、原料ガス流７１２からのＣＯ2の全てを凍結するには相当な冷凍が必要になる場合がある。したがって、原料ガス流７１２を制御凍結ゾーン８０８及びコレクタトレー６１０の下の下方蒸留ゾーン７０６内に注入することがエネルギー効率が良いと考えられる。液体の形態のままであってボトム供給流７２２と一緒に蒸留塔７０５から落下して出るＣＯ2は、再沸器１６０により回収されて下方蒸留ゾーン７０６中に再注入される。
【０１４８】
図示のガス処理システム７００では、コレクタトレー６１０及び対応のスラリ出口ライン７４１の箇所は、原料ガス注入箇所よりも十分上方に位置決めされている。オペレータは、原料ガス流１２が極低温蒸留塔７０５に流入する箇所を上方の位置にするよう選択することができる。注入箇所を上方の位置にすることにより、コレクタトレー６１０上に固体として回収される原料ガス流７１２からの流体の量が増大する。これは、原料ガス流７１２が低い、例えば、約１０〜３０ｍｏｌパーセントのＣＯ2含有量を有する場合に一層有利である。
【０１４９】
本願において実施された一シミュレーションでは、コレクタトレー６１０及び対応のスラリ出口ライン７４１を原料ガス注入箇所のところ又はこれよりも僅かに高いところに位置決めした。原料ガス流７１２をこれが７０ｍｏｌパーセントＣＯ2及び３０ｍｏｌパーセントＣＨ4の組成を有するようシミュレートした。注入流量が約１０，０００標準ｍ3／時の状態で初期ガス温度４０℃であると仮定した。極低温蒸留塔７０５をこれが４５０ｐｓｉａで稼働するようシミュレートした。
【０１５０】
このシミュレーションにおいて、供給ＣＯ2の約９３％が固体として極低温蒸留塔から出た。極めて僅かの流体が液体の状態で蒸留塔を下って移動するようになった。これにより、当然のことながら、ボトム流体流７２２に関して相当な減容が生じると共に再沸器１６０に関する富化要件が約８９％減少した。この方式の欠点は、初期流体流１０を冷やすためには蒸留塔７０５の上流側で一層の冷却が熱交換器１５０で必要になるということである。これは、蒸留塔７０５の下流側において熱交換器１７０で必要とされる冷凍が僅かに減少することによって部分的に相殺される。
【０１５１】
図８は、本発明の変形実施形態に従ってガス流から酸性ガスを除去するガス処理施設８００を示す略図である。ガス処理施設８００は、ガス処理施設７００とほぼ同じである。この点に関し、ガス処理施設８００も又、コレクタトレー、例えば図６Ａのコレクタトレー６１０を利用している。コレクタトレー６１０は、極低温蒸留塔８０５に組み込まれている。蒸留塔８０５は、この場合も又、中間制御凍結ゾーン８０８を有している。制御凍結ゾーン８０８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。
【０１５２】
図１の塔７０５の場合と同様、極低温蒸留塔８０５は、炭化水素及び酸性ガスで構成された初期流体流１０を受け入れるよう構成されている。初期流体流１０は、好ましくは、蒸留塔７０５内中に注入される前に或る程度の脱水が行われる。さらに、初期流体流１０は、好ましくは、蒸留塔８０５に流入する前に冷やされる。熱交換器１５０、例えば多管式熱交換器が初期流体流１０を冷やす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に提供して初期流体流１０の温度を約−６０°Ｆ〜−８０°Ｆ（−５１．１℃〜−６２．２℃）に至らせる。次に、初期流体流１０を膨張装置１５２、例えばジュール‐トムソン（“Ｊ‐Ｔ”）弁に通すのが良い。その結果、冷やされた原料ガス流７１２が得られる。
【０１５３】
上述したように、ガス処理施設７００内において、原料ガス流７１２は蒸留塔７０５内で制御凍結ゾーン７０８の下に受け入れられる。具体的に説明すると、原料ガス流７１２は、制御凍結ゾーン７０８の下に位置する下方蒸留ゾーン７０６中に注入される。しかしながら、極低温蒸留塔８０５では、蒸留ゾーン（図７では符号７０６で示されている）が省かれており、コレクタトレー６１０は、ここでは、制御凍結ゾーン８０８内に位置している。さらに、原料ガス流８１２は、コレクタトレー６１０の上方で制御凍結ゾーン８０８中に注入される。これは、上述のシミュレーションと一致している。  冷やされた原料ガス流８１２の注入箇所を制御凍結ゾーン８０８中に上方に移動させる目的は、高い固体ＣＯ2回収率を得ることにある。これを達成するため、冷やされた原料ガス流８１２の温度を約−６０°Ｆ〜−８０°Ｆに下げる。これは、図７の原料ガス流７１２に課された温度範囲よりも低い温度範囲である。原料ガス流８１２が蒸留塔８０５に流入すると、この原料ガス流は、さっと流れて冷え、それによりＣＯ2が制御凍結ゾーン８０８内に沈殿する。蒸気ＣＯ2がスプレーヘッダ１２０から下降している液体ＣＨ4環流によって冷却される。これにより、コレクタトレー６１０上に沈殿する固体が生じ、それによりスラリが形成される。
【０１５４】
ガス処理施設７００の場合と同様、スラリは、ガス処理施設８００内で低温蒸留塔８０５からスラリ出口ライン８４１を通ってＣＯ2回収システム８４０に運ばれる。ＣＯ2回収システム８４０は、図７のＣＯ2回収システム７４０と同一であるのが良い。この点に関し、主として二酸化炭素で構成されたスラリは、第１のフィルタ７４２を通過し、次に、オプションとして、１つ、２つ又は３つの濯ぎ洗い及び濾過段を通って運ばれ、ついには、実質的に純粋なＣＯ2固体が得られる。ＣＯ2固体は、好ましくは、熱交換器７７２中で温められ、次に出口７７８を通って液体として放出される。液体ＣＯ2は、ライン７８６を通って生成物として放出される。
【０１５５】
図８のＣＯ2回収システム８４０では、第１のフィルタ７４２からの第１の濾液７４４は、極低温蒸留塔８０５に戻される。これは、図７のＣＯ2回収システム７４０の動作と一致している。しかしながら、メタン富化状態の第１の濾液７４４を液体戻りライン７６０を通って直接蒸留塔８０５に戻すのではなく、第１の濾液７４４を初期流体流１０と合流させる。このようにすると、メタン富化状態の第１の濾液７４４を制御凍結ゾーン８０８中への注入前に再び冷やすことができる。
【０１５６】
ＣＯ2回収システム８４０では、第２の濾液７５４とその後の濾液８７４は、液体戻りライン７６０では合わされず、これとは異なり、第２の濾液７５４とその後の濾液８７４は、互いに合わされて下流側蒸留カラム８９２に送られる。第２の濾液７５４及びその後の濾液８７４は、主として硫化水素で構成されているが、微量のメタン及び二酸化炭素を含む場合がある。再沸器８９２では、メタンは、回収メタン流８９４として放出される。回収メタン流８９４をメタン販売用生成物１６と合流させて販売製品８９８として市場に送られる。
【０１５７】
再沸器８９２は又、液体８９６を放出する。液体８９６は、大部分が硫化水素であり、微量の二酸化炭素を含む。Ｈ2Ｓ富化液体８９６は、処分され又は硫黄回収ユニット（図示せず）中に送られる。変形例として、第２の濾液７５４及びその後の濾液８７４は、再沸器８９２に進むことなく、処分され又は硫黄回収ユニットに送られる。これは、ＣＨ4含有量が回収に見合わず又は分離を必要とする場合に特に当てはまる。
【０１５８】
図７及び図８で理解できるように、互いに異なる処理方式を採用することができる。最適の構成は、多くの変数で決まる。これら変数としては、オーバーヘッド熱交換器、例えば熱交換器１７０内で得られるような冷凍の利用性（又は能力）、ＣＯ2生成物７８６の所望の純度及び最も重要なこととして初期流体流１０の組成が挙げられる。選択された流れ方式とは無関係に、固形物除去及び生成と組み合わされる蒸留の基本的原理が適用される。
【０１５９】
幾つかの状況においては、初期流体流１０は、高濃度、例えば約５〜１０パーセント以上の濃度の硫化水素を含む場合がある。幾つかの具体化例では、例えば、固体ＣＯ2回収が望ましい場合、高Ｈ2Ｓ濃度を有するガス供給流を極低温蒸留塔に通すことが望ましくない場合がある。というのは、Ｈ2Ｓの高レベルがＣＯ2を溶かす場合があり、それにより制御凍結ゾーン中での固体生成が阻止されると考えられるからである。この状況では、Ｈ2ＳとＣＯ2の高い比をもつ天然ガスが主蒸留塔７０５又は８０５への導入に先立って選択的Ｈ2Ｓ除去のために予備処理カラム（図示せず）に送られるのが良い。分離は、Ｈ2Ｓ分離法、例えば選択的アミンによる吸収、レドックス法又は吸着を用いて達成できる。しかる後、ガス流を上述の例示の処理施設７００又は８００に従って脱水して冷凍するのが良い。追加的に又は代替的に、他の具体化例でもＣＯ2回収生成物の状態の影響を受けず、Ｈ2Ｓを初期流体流中に残しても良い。
【０１６０】
硫黄種を蒸留塔の蒸留側で除去した場合の追加の利点は、硫黄除去により、回収システム７４０又は８４０からの高純度ＣＯ2生成物７８６の生成が可能になるということにある。さらに、高純度のＣ2＋生成物をボトム流体流７２２から回収することができる。当然のことながら、少量のＨ2Ｓは、極低温蒸留塔７０５，８０５内の相挙動が固体ＣＯ2生成を可能にすることを条件として、極低温蒸留塔７０５，８０５中に滑り込むようになる場合がある。このような少量のＨ2Ｓは、ボトム流体流２２中に回収される。
【０１６１】
原料ガス流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る。図９は、本発明の一実施形態として酸性ガス除去システムを用いて原料ガス流から酸性ガスを除去する方法９００を示す流れ図である。原料ガス流は、メタン、二酸化炭素及びおそらくはエタン及び硫化水素のような他の成分を含む。
【０１６２】
この方法９００は、まず最初に、極低温蒸留塔を用意するステップを有する。このステップは、ボックス９０５に示されている。蒸留塔は、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制御凍結ゾーンを有する。蒸留塔は、制御凍結ゾーンの下にコレクタトレーを更に有する。
【０１６３】
この方法９００は、原料ガス流を極低温蒸留塔中に注入するステップを更に有する。これは、ボックス９１０に示されている。一構成例では、原料ガス流を蒸留塔内で制御凍結ゾーンの下に位置する下方蒸留ゾーン中に注入する。別の構成例では、原料ガス流を蒸留塔内の制御凍結ゾーンそれ自体の中に注入する。好ましくは、原料ガス流は、蒸留塔中に注入される前に実質的に脱水されている。
【０１６４】
この方法９００は、原料ガス流を冷ますステップを更に有する。これは、図９のボックス９１５に示されている。原料ガス流を冷やすことにより、原料ガス流中の二酸化炭素が実質的に固形物としてコレクタトレー上に沈殿する。それと同時に、蒸留塔内の圧力は、供給流の圧力よりも低く、それにより原料ガス流中のメタンが実質的に蒸発する。メタンは、制御凍結ゾーンの上方に位置する上方精留ゾーンを通って流れ、次にオーバーヘッドメタン流として極低温蒸留塔から出る。
【０１６５】
方法９００は、オーバーヘッドメタン流を極低温蒸留塔の下流側の冷凍システムに通すステップを更に有する。これは、ボックス９２０に示されている。冷凍システムは、オーバーヘッドメタン流の少なくとも一部分を冷却して液体にする。
【０１６６】
方法９００は、冷却されたオーバーヘッドメタン流の一部分を液体環流として極低温蒸留塔に戻すステップを更に有する。液体環流は、低温液体スプレーとして役立つ。これは、ボックス９２５に示されている。
【０１６７】
また、方法９００の一部として、固形物を極低温蒸留塔から実質的に除去する。これは、ボックス９３０に示されている。好ましくは、実質的に固形の物質を除去することは、重力流によって達成される。変形例として、機械的並進装置、例えばスクリューコンベヤ又はオーガが設けられても良い。オーガは、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ及び図６Ｄに示されているようにコレクタトレーの立下り管内に位置するのが良い。オーガは、変形例として、実質的に固形の物質をＣＯ2回収システムに差し向けるよう蒸留塔の外部に配置されても良い。いずれの場合においても、オーガは、実質的に固形の物質を切断し、これをスラリとして蒸留塔から出してＣＯ2回収システムに向かって並進させる。
【０１６８】
方法９００は、二酸化炭素スラリを固形物と液状物質に分離するステップを更に有する。これは、ボックス９３５に示されている。第１の固形物は、主として二酸化炭素で構成され、液状物質は、メタン及び残留二酸化炭素を含む。液状物質は、他の成分、例えば硫化水素、重炭化水素及び軽芳香族炭化水素を含む場合がある。
【０１６９】
ボックス９３５の分離ステップは、スラリを第１のフィルタに通すことによって達成されるのが良い。これにより、主として固体二酸化炭素で構成された第１のフィルタケーク及び液相のメタン及び二酸化炭素を含む第１の濾液が生じる。第１のフィルタは、例えば、多孔質濾過材又は遠心機であって良い。
【０１７０】
ボックス９３５の分離ステップは、低温二酸化炭素流を用いて第１のフィルタケークを濯ぎ洗いし、第１のフィルタケークを混合して第１の固‐液スラリを生じさせ、そして第１の固‐液スラリを第２のフィルタに送るステップを更に含むのが良い。第２のフィルタは、主として固体二酸化炭素で構成された第２のフィルタケーク及び大部分がメタンであるが、この場合も又液相の二酸化炭素及び硫化水素を更に含む第２の濾液が生じる、
追加のＣＯ2除去を実施することができる。例えば、ボックス９３５の分離ステップは、低温二酸化炭素流を用いて第２のフィルタケークを濯ぎ洗いし、第２のフィルタケークを混合して固‐液スラリを生じさせ、そして固‐液スラリを更に第３のフィルタに送るステップを更に含むのが良い。これにより、主として固体二酸化炭素で構成された第３のフィルタケーク及びこの場合も又液相のメタン、硫化水素及び二酸化炭素を含む第３の濾液が生じる。
【０１７１】
方法９００は、第２の液状物質の少なくとも一部分を極低温蒸留塔に戻すステップを更に有する。これは、ボックス９４０に示されている。一態様では、第２の液状物質を下方蒸留ゾーンに差し向けて戻す。別の態様では、第２の液状物質を原料ガス流と合流させ、そして蒸留塔内の制御凍結ゾーン中に注入する。
【０１７２】
方法９００の一実施形態では、第１の濾液と第２の濾液を組み合わせる。これら濾液により生じる組み合わせ状態の流体は、極低温蒸留塔に戻される液状物質を形成する。この場合、液状物質は、好ましくは、下方蒸留ゾーン中に注入される。
【０１７３】
方法９００の別の実施形態では、第１の濾液だけを蒸留塔に戻す。この場合、第１の濾液を制御凍結ゾーンに送り戻すのが良い。蒸留塔は、好ましくは、下方蒸留ゾーンを備えておらず、これとは異なり、第２及びオプションとしての第３の濾液を別個の下流側蒸留塔に送り、ここで、残留酸性ガスを最終的にメタンから分離する。この場合、極低温蒸留塔のオーバーヘッドメタン流と合わされた回収メタン流が販売のために得られる。
【０１７４】
方法９００の更に別の構成例では、最終のフィルタケークを温める。これは、１つ、２つ、３つ又は４つ以上の濾過段が設けられているかどうかとは無関係に行われる。最終のフィルタケークは、例えどのようなものであっても最終フィルタから得られた最終段フィルタケークである。これは、当然のことながら、第１の固形物の少なくとも一部分を含むであろう。この加温ステップは、図９のボックス９４５に示されている。
【０１７５】
加温は、例えば、フィルタケークを構成する固体二酸化炭素と原料ガス流を熱交換することによって実施できる。その結果、低温の純二酸化炭素液体が得られる。純二酸化炭素は、市場で販売可能であり又は石油・原油の回収増進のために使用可能である。さらに、低温二酸化流の一部分は、上述したように固‐液スラリを生じさせるための濯ぎ洗い剤として使用できる。
【０１７６】
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。このような技術的改良により、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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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