(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正のジュール・トムソン係数を有し、凝縮性成分を含む流体流れから同凝縮性成分を除去するための方法において
初期注入流としての凝縮性成分を含む流体混合物の供給と、
そこから液体を凝結するための同初期注入流の処理および気体流を生じるための同液体の除去と、
高圧流を生じるための同気体流の圧縮および後冷却と、
冷却された低圧流を生じるための同高圧流の少なくとも一部の膨張、および同初期注入流内の凝縮性成分の冷却および凝結を増やすための同冷却された低圧流と同初期注入流の混合とを含む、方法。
【請求項２】
同初期注入流の処理が同冷却された低圧流での冷却を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
同流体が正のジュール・トムソン係数を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
同凝縮性成分が水分を含むことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
同初期注入流が酸性気体を含むことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
同処理が熱交換器手段での接触を含むことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
同流体が等エントロピーで膨張することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
同流体が等エンタルピーで膨張することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
凝結した液体が低温分離器を用いて除去されることを特徴とする請求項４〜請求項８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
更に同流体への水和物抑制剤の追加の任意の手順を含むことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
酸性気体を含む同注入流が水分で飽和していることを特徴とする請求項６〜請求項１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
水和物および／または水相の生成を防ぐために同流体が十分に脱水されることを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
正のジュール・トムソン係数を有し、凝縮性成分を含む流体流れから同凝縮性成分を除去するための装置において、
そこからの液体への初期注入流としての凝縮性成分を含む正のジュール・トムソン係数を有する流体混合物を処理し、気体流を生じるために同液体を除去するための凝縮手段と、
高圧流を生じるための同気体流の圧縮手段および後冷却手段と、
冷却された低圧流を生じるための同高圧流の少なくとも一部を膨張するための膨張回路と、
同初期注入流内の凝縮性成分の冷却および凝縮を増やすための同冷却された低圧流と同初期注入流を混合させるための同膨張回路と流体連通する循環回路とを含む、装置。
【請求項１４】
更に熱交換器手段を含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
同膨張回路が複数のジュール・トムソン弁を有することを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
凝縮性成分を含む正のジュール・トムソン係数を有する流体から同凝縮性成分を除去するための低温分離器手段をさらに含むことを特徴とする請求項１３〜請求項１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
同圧縮手段が複数の圧縮器を含むことを特徴とする請求項１３〜請求項１６のいずれかに記載の装置。
【請求項１８】
正のジュール・トムソン係数を有する流体流れであって、凝縮水を含む流体流れ中のガス水和物の生成を防ぐためのシステムにおいて、
以下を有する処理段階、
凝縮水を含む正のジュール・トムソン係数を有する流体の流れと、
部分的に脱水された気体流を生じるために凝縮した水を含む液体を同流体の流れから分離するための同流体の流れと流体連通する分離手段と、
同分離手段から放出される同部分的に脱水された気体流を圧縮し冷却するための圧縮手段および後冷却手段と、
部分的に脱水された気体流を放出するための出口手段と、
気体流を膨張し冷却するための膨張手段回路とを有し、
同回路は同部分的に脱水された気体流の一部を同膨張手段経由で同処理段階に循環するために配置されるシステム。
【請求項１９】
同膨張手段が膨張器を含むことを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
同膨張器が等エンタルピー膨張器を含むことを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
同膨張手段がジュール・トムソン弁を含むことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
同分離器手段が低温分離器を含むことを特徴とする請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
同膨張器が等エントロピー膨張器を包含することを特徴とする請求項１９〜請求項２２のいずれかに記載されるシステム。
【請求項２４】
同膨張器がターボ膨張器を含むことを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
同分離器手段が低温分離器を含むことを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は正のジュール・トムソン効果を示す混合流体からの凝縮性物質の除去に関し、より具体的には本発明は、例えば、金属イオン封鎖のために運搬、封入される気体流内の腐食と水和物の形成を最小化し、内部の液体水の生成を最小限にするか、または実質的に除去するための、酸性気体流からの水の除去に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油精製や燃焼過程に生じるような気体流はしばしば、水と混ざると酸を生じる気体を含む。こうした気体は一般に「酸性気体」と呼ばれる。石油精製で生じる最も一般的な自然発生する酸性気体は硫化水素（Ｈ２Ｓ）と二酸化炭素（ＣＯ２）である。燃焼、酸化、熱分解過程で生じる一般的な酸性気体は二酸化炭素（ＣＯ２）、二酸化硫黄（ＳＯ２）および窒素酸化物（ＮＯ、ＮＯ２）である。
【０００３】
酸性気体は一般的に水分を含む。自然発生する酸性気体はしばしば容器内で水分で飽和していて、燃焼により得られる気体は燃焼中の水素と酸素の反応で生じる水分と共存する。事実上、全ての酸性気体は酸性気体の除去または浄化の過程のある時点で最終的に水蒸気で飽和する。酸性気体が圧縮機を通るときなどに起きるように、規定の範囲において水分を含む酸性気体の温度が下がったり、圧力が上がったりすると、水分の一部が気体から液相に凝縮する。水の氷点より高いある温度で、水と酸性気体がガス水和物と呼ばれる「固体のような」構造を生じ始めることがある。水和物が生じ始めることがある温度は水和物生成温度（ＨＦＴ）と呼ばれ、圧力、組成物および混合物の含水量によって変わる。水和物は水と「氷のような」見かけであるが氷とは違う特性と構造を有する化合物を生じる小さな分子との物理的結合である。水和物はまた気体包接としても知られる。水和物は伝熱の減少、過剰な圧力降下、詰まり、生産妨害を生じることがあり、安全上の懸念もあるため、問題がある。
【０００４】
腐食を促進し、ガス水和物を生じることがあり、機械的および操作上の問題を生じることがあるので、いかなる気体システムにおいても水相の生成は望ましくない。生じる水相が酸性になり、腐食率が非常に増え、通常酸性でない気体より高いＨＦＴが生じるので、水相は酸性気体システム内では特に望ましくない。
【０００５】
表１は水中の様々な酸性気体の濃度における軟鋼に生じる腐食のレベルを示す。
【表１】
0005754052.tif 000002
水中の二酸化炭素とその他の気体による軟鋼の腐蝕＊
＊温度８０度Ｆ°、露出７２時間
出典：ワトキンズとキンチェローエ (１９５８)およびワトキンズとライト(１９５３)のデータ
【０００６】
記述は酸性気体に焦点を当てているが、正のジュール・トムソン係数を示すいかなる流体の流れから凝縮性成分を除去するために同方法論と概念は当業者であれば理解できるであろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の一つの実施形態の一つの目的は凝縮性成分を含む正のジュール・トムソン係数を有する流体から凝縮性成分を除去するための改良されたやり方の提供である。
【０００８】
本発明の一つの実施形態の更なる目的は凝縮性成分を含む流体から同凝縮性成分を除去するための方法において、
初期注入流として凝縮性成分を含む正のジュール・トムソン係数を有する流体混合物の供給と、
そこから液体を凝結するための同初期注入流の処理および気体流を生じるための同液体の除去と、
高圧流を生じるための同気体流の圧縮および冷却と、
冷却された低圧流を生じるための同高圧流の少なくとも一部の膨張、および同初期注入流内の凝縮性成分の冷却および凝縮を増やすための同冷却された低圧流と同初期注入流の混合とを含む、方法の提供である。
【０００９】
本発明の一つの実施形態の別の目的は、凝縮性成分を含む正のジュール・トムソン係数を有する流体から同凝縮性成分を除去するための装置において、
そこからの液体への初期注入流としての凝縮性成分を含む正のジュール・トムソン係数を有する流体混合物を処理し、気体流を生じるために同液体を除去するための凝縮手段と、
高圧流を生じるための同気体流の圧縮手段および後冷却手段と、
冷却された低圧流を生じるための同高圧流の少なくとも一部を膨張するための膨張回路と、
同初期注入流内の凝縮性成分の冷却および凝縮を増やすための同冷却された低圧流と同初期注入流を混合させるための同膨張回路と流体連通する循環回路とを含む、装置の提供である。
【００１０】
本発明の実施形態の更なる目的は凝縮水の除去中に同凝縮水を含む気体中のガス水和物の生成を防ぐためのシステムにおいて、
以下を有する処理段階、
凝縮水を含む正のジュール・トムソン係数を有する流体の流れと、
部分的に脱水された気体流を生じるために凝縮した水を含む液体を同流体の流れから分離するための同流体の流れと流体連通する分離手段と、
同分離手段から放出される同部分的に脱水された気体流を圧縮し冷却するための圧縮手段および後冷却手段と、
部分的に脱水された気体流を放出するための出口手段と、
気体流を膨張し冷却するための膨張手段回路とを有し、
同回路は同部分的に脱水された気体流の一部を同膨張手段経由で同処理段階に循環するために配置されるシステムの供給である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
図１と図２において、酸性気体内の含水量は温度に比例し、最大でＨ２Ｓでは約４００ ｐｓｉａでＣＯ２では９００ ｐｓｉａで、圧力に反比例する。この限度内で、圧力が高く温度が低いと酸性気体内の含水量が低い。
【００１２】
脱水は水和物と自由水の形成を最小化または防ぐために水を除去する処理である。比較的高いＨ２Ｓ濃度を含む酸性気体内で、濃密相（流体の臨界圧より上のある圧力）までの一般の多段階圧縮の段階の間の冷却中に通常、十分な水が除去されるので、別個の脱水処理は必要ない。酸性気体中のＣＯ２含有量が増えるにつれて、圧縮だけで十分な水を除去できる可能性は低くなり、通常別個の脱水処理が必要となる。
【００１３】
気体の脱水の一般的な方法は固体乾燥剤吸着、液体乾燥剤吸着、冷凍、膜分離、および乾性ガス除去である。最も一般的に使用される方法は固体乾燥剤吸着と液体乾燥剤吸着である。
【００１４】
液体乾燥剤吸着処理のグリコール脱水は、ほとんどの適用で好んで使用される最も経済的な処理であると一般にみなされている。こうした液体乾燥剤吸着処理にはいくつかの欠点がある。
【００１５】
高圧ＣＯ２内での用途におけるグリコールの損失が著しいことがある。
【００１６】
一般的に燃焼で生じる酸性気体内に見られる過度の酸素が著しく腐食を増加し、高い再生温度でグリコールの分解を加速し、継続的なグリコール再生を加える必要がある。
【００１７】
生成される酸性液に対処するためにステンレス鋼のような、高額な耐食金属で脱水装置を製造しなければならない。
【００１８】
グリコールは一般に再生のために４００°Ｆまで熱せられ、主としてベンゼン、トルエン、エチルベンゼンおよびキシレン（ＢＴＥＸ）およびその他の除去ガスの、揮発性有機化合物(ＶＯＣ’ｓ)のようなグリコールによっても吸収される他の汚染物質の大気中への放出が生じる。こうした一時的放出の制御には一般的に高価な蒸気回収装置を追加する必要があり、更に酸素汚染の可能性がある。
【００１９】
こうした処理の必要条件は高く、グリコール再生に用いられる燃料とグリコールの循環と蒸気回収装置の運転に必要な出力を含む。
【００２０】
脱水装置の製造の結果、大量の総二酸化炭素排出量が生じ、この用途から生じるＣＯ２はシステムと脱水処理に用いられるグリコールの形成を必要とする。
【００２１】
冷凍による脱水は温度が下がるにつれて気体が水を保持する能力が下がることを利用する。温度降下は外部の「冷凍」やその他の温度降下処理による熱交換で間接的に、または気体自身の膨張によって直接達成できる。気体の直接膨張はターボ膨張機内におけるような等エントロピー膨張や一般的な密閉設備で用いられるジュール・トムソン（ＪＴ）弁のような等エンタルピー膨張または気体圧縮冷凍処理で行われる。脱水の目的専用の間接冷凍ユニットの導入は一般に桁違いの費用がかかる。
【００２２】
直接等エンタルピーおよび等エントロピー冷凍脱水方法の両方は膨張装置、低温分離機および可能な限り処理から多くのエネルギーを回収するための少なくとも一つの熱交換器を用いる。最も単純な形では、気体全体が高圧から低圧に等エンタルピーまたは等エントロピーで膨張し、流体温度が水の凝結が起きるのに十分低くなる。凝結した水は低温分離機内で同処理から除去され、残った低温の、十分に乾いた気体は同処理の熱効率の改善のために流入流体の予冷に用いられる。
【００２３】
等エントロピー膨張の場合、膨張は膨張器で達成され、膨張器によって取り出される仕事は出口乾式ガスを部分的に再圧縮するために通常用いられる。
【００２４】
等エントロピー膨張を用いるか等エンタルピー膨張を用いるかの選択は必要な水の除去の量、ひいては必要な温度降下量に依存する。等エントロピー膨張は低温に達することができる。資本コストの観点から、等エントロピー処理は極めて高価であるが、回収作業の能力が相殺する利点である。運転と保守の観点から、等エンタルピー処理は機械的および運転上単純という利点があり、ほとんどの適用に適する。等エンタルピー処理の相殺の欠点は圧縮要件が増え余分な作業を消耗する必要があることである。
【００２５】
いかなる冷凍脱水においても一般的な欠点は、ほとんどの適用で望ましいレベルの脱水を達成するためにＨＦＴに近いか下回る温度に気体流を冷やす必要があることである。信頼できる操作のために、グリコールやメタノールのような熱力学水和物抑制剤の継続的追加が水和物生成温度を下げるのに通常必要である。必要であれば、グリコールとメタノールの両方は回復可能であるが、液体乾燥剤脱水の元で前述の全ての点を満たす別個の再生処理が必要である。メタノールは比較的無害でグリコールより下流処理の影響が少ないので、回収無しでメタノールを用いる選択がしばしばなされる。
【発明の効果】
【００２６】
効率的で費用対効果が高く従来の脱水処理で指摘される問題を回避する酸性気体流のための脱水処理が必要なことは明白である。
添付の図面を参照して以下の詳細な説明から本発明の特徴がより明らかとなるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】１００°Ｆでの様々の圧力における諸流体、酸性気体およびメタン（ＣＨ４） の飽和水分量の図解である。
【図２】１００°Ｆでの様々の圧力におけるＣＯ２に富む混合物およびメタン（ＣＨ４） の飽和水分量の図解である。
【図３】従来技術の高圧ＣＯ２作業におけるグリコールの損失の図解である。
【図４Ａ】１００％のＣＯ２を含む水飽和した流体流のための本発明の実施形態による等エンタルピー脱水処理の図である。
【図４Ｂ】８０％のＣＯ２と２０％のＨ２Ｓを含む流体流のための図４Ａによる等エンタルピー脱水処理の図である。
【図５Ａ】所望の温度降下を達成するためにスリップストリームの更なる膨張の前に主処理注入流内の水和物形成を防ぐために部分的に膨張したスリップストリームを熱するための熱交換器を備える図４Ａおよび図４Ｂによる等エンタルピー脱水処理の図解である。
【図５Ｂ】所望の温度降下を達成するためにスリップストリームの更なる膨張の前に主処理注入流内の水和物形成を防ぐために部分的に膨張したスリップストリームを熱するための熱交換器を備える図４Ａおよび図４Ｂによる等エンタルピー脱水処理の図解である。
【図６Ａ】スリップストリームの再導入の前に流体流から水を除去するための低温分離器と継続的水和物抑制剤の投入を備える図４Ａおよび図４Ｂによる等エンタルピー脱水処理の図解である。
【図６Ｂ】スリップストリームの再導入の前に流体流から水を除去するための低温分離器と継続的水和物抑制剤の投入を備える図４Ａおよび図４Ｂによる等エンタルピー脱水処理の図解である。
【図７】本発明の実施形態による多段階等エンタルピー処理の図解である。
【図８】ジュール・トムソン弁の一つが等エントロピー流体膨張器に置き換えられた本発明の実施形態による多段階等エントロピー処理の図解である。  図面内の同様の番号は同様の要素を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の実施形態は「冷媒」として役立つ一般的な酸性気体の熱力学特性を利用する。こうした気体は処理の作業範囲内で所定の圧力降下に対し比較的大きな温度降下を示す。同大きな温度降下は、注入流のスリップストリームを冷やすために用いられ、その後注入流を冷やすために、上流で再利用される。こうして、この方法は「自動冷蔵」するために再利用を用いる。絞り装置、通常は制限装置を通して等エンタルピーで気体を膨張させることでジュール・トムソン効果が得られる。等エンタルピー膨張中は気体から外的仕事は除かれない。ジュール・トムソン処理中の圧力に対する温度の変化率はジュール・トムソン（ケルビン）係数である。例えば、５０℃で６０ａｔｍの二酸化炭素のジュール・トムソン（ＪＴ）係数は同じ条件の窒素の場合の約５．６倍である。従って、ＣＯ２における温度降下は窒素における同じ条件での同じ圧力降下の場合の約５．６倍である。ＪＴ係数のデータはまたＨ２ＳおよびＳＯ２においても入手できる。
【００２９】
原油の増進回収（ＥＯＲ）用途、炭素捕捉および隔離（ＣＣＳ）用途のような商業的応用のために処理される酸性気体は通常輸送および／または隔離のために「濃密相」と一般に呼ばれる超臨界圧力に圧縮される。濃密相に達するために、初期圧力に応じて遠心力、往復、または衝撃圧縮を用いようが、圧縮は通常１つの段階より多い段階で行われる。段階間の圧力差は蒸気の好都合なＪＴ係数を利用する機会を提供する。
【００３０】
圧縮は圧縮される流体の臨界点に対する２つの違う領域に分かれる。第一領域の圧縮の段階は臨界前で、第二領域の段階はその臨界圧力を超える流体を奪う。臨界前の、水飽和と想定される圧縮の第一領域に入口流が入る。第一領域内で諸段階を通じて圧縮により一部の水が必然的に除去される。
【００３１】
本発明の実施形態では、圧縮の、特に臨界圧力に近いまたは上回る、１段階の冷却後の放出からの流体のスリップストリームは同段階の吸気圧力に、または追加の温度降下が必要であれば前段階に膨張される。膨張したスリップストリームの結果として生じる降下した温度は、必要であれば、最初に熱交換で、また最終的にはスリップストリームを主流体流に直接混ぜることで上流の主流体流を冷やすために用いられる。結果として生じる混ぜられた流れは気体から更に水を凝結する。必要な冷却量は水露点および／または水和物形成温度のための設計基準を満たす流れの組成に必要な最小含水量の関数である。
【００３２】
以下は本発明の実施形態をより詳しく記載する実施例である。
【００３３】
実施例１は基本的な実施形態である。
【００３４】
実施例２は低温分離器容器（ＬＴＳ）を用いる。実施例３は熱交換器（ＨＥＸ）を備える。
【００３５】
実施例４は多段階等エンタルピー実施形態である。実施例５は多段階等エントロピーおよび等エンタルピー実施形態である。
【００３６】
実施例１〜実施例３は異なる流れの組成を用いて示され、より具体的には１００％のＣＯ２Ｓを含む流れと、８０％のＣＯ２と２０％のＨ２Ｓを含む流れである。しかしながら、本発明の実施形態は異なる量のＨ２Ｓを含む、およびＳＯ２、ＮＯｘやその他の比較的大きいＪＴ係数を持つ気体混合物を有する流れに適用できることに留意されたい。
【００３７】
実施例４および実施例５は本発明の実施形態の低温性能および等エンタルピー処理と等エントロピー処理の間の違いを示す。
【００３８】
実施例１−基本原則
【００３９】
図４Ａおよび図４Ｂを参照して、本発明の実施形態で水飽和した酸性気体の注入流１０は吸気段階１２に入り、そこで次の段階１６の吸気圧力に圧縮される１４。同熱い圧縮蒸気１４は後冷却２０で冷却され１８、注入流内で水の一部とその他の凝結物の凝結が生じる。水を含む凝結した液体は圧縮の最終段階の上流の分離器２４内で除去される２２。分離器２４からの飽和ガス２６は更に２８で圧縮され３０で再び後冷却される。
【００４０】
圧縮され後冷却された流体流からのスリップストリーム３２は除去されジュール・トムソン弁（ＴＣＶ）３６経由で圧縮の同段階１６の低い吸気圧力に等エンタルピーで膨張される３４。同膨張により温度降下が生じ、その大きさは圧力降下の大きさと流体流の組成に依存する。より冷たい流れ３８は、圧縮の前段階を出る、後冷却された流れ１８と混合され必要な量の水を凝結するのに十分な温度降下を有する混合流４０が生じる。
【００４１】
図４Ａに示すように１００％のＣＯ２を有する注入流において、温度は約８７°Ｆに降下し、最終的な含水量は約７３ｌｂ／ＭＭｓｃｆに下がり、水和物生成温度（ＨＦＴ）が３０°Ｆになる。
【００４２】
図４Ｂに関し、８０％のＣＯ２と２０％のＨ２Ｓを含む注入流において、最終的な含水量は約８９ｌｂ／ＭＭｓｃｆにして同じ水和物生成温度（ＨＦＴ）の３０°Ｆを達成するのに、温度を約９３°Ｆに降下するだけで良い。
【００４３】
実施例２−熱交換器（ＨＥＸ）
【００４４】
注入流の組成が、大きな圧力降下の組み合わせで、主な脱水されていない注入流の水和物生成温度を下回る流れの温度を生じる場合は、図４Ａおよび図４Ｂに示される実施形態を変更して熱交換器（ＨＥＸ）を含めても良い。
【００４５】
図５Ａおよび図５Ｂに関し、従来の冷凍処理で用いられるように、水和物抑制剤の継続的投入の必要を避ける為に基本の実施形態に変更を加える。
【００４６】
図５Ａおよび図５Ｂにおいて、スリップストリーム３４は第２ジュール・トムソン弁（ＪＴＶ）経由で部分的に膨張する４２。部分的に膨張した流れの温度は、その後ジュール・トムソン弁（ＪＴＶ）５０経由の流れ４８の更なる膨張の前に、熱交換器４６内で上げられる。こうして、一部および全部膨張した流れ４２，４８の温度は主な脱水されない注入流のそれぞれの水和物生成温度より上に維持される。
【００４７】
実施例２の目的のために、設計水和物生成温度は１５°Ｆに設定された。
【００４８】
図５Ａに示すように１００％のＣＯ２を有する注入流において、最終的な含水量を約５１ｌｂ／ＭＭｓｃｆにして設計水和物生成温度（ＨＦＴ）の１５°Ｆを達成するために、同温度は約７３°Ｆに降下しなければならない。
【００４９】
図５Ｂに関し、８０％のＣＯ２と２０％のＨ２Ｓを含む注入流の場合、最終的な含水量が約６４ｌｂ／ＭＭｓｃｆになり、設計水和物生成温度（ＨＦＴ）の１５°Ｆを達成するのに、温度は約７９°Ｆに下げられた。
【００５０】
実施例３−低温分離器（ＬＴＳ）
【００５１】
図６Ａおよび図６Ｂに関し、本発明の実施形態は実施例２に記載される実施形態の代替として、温度降下が顕著な追加の分離器を用いる。
【００５２】
図６Ａおよび図６Ｂに示すように、図５Ａおよび図５Ｂの４６およびＪＴＶ４４は第２の温度交換器（ＬＴＳ）５２と置き換えられる。スリップストリーム５４はジュール・トムソン弁（ＴＣＶ）４４経由で膨張する５６。同第１の分離器２４は膨張したスリップストリーム４８の再投入の前に注入流からできる限り多くの水を除去するために配置される。処理設計が膨張したスリップストリーム４８の温度が３２°Ｆを下回ることを要求するときは膨張したスリップストリーム４８内に水和物抑制剤を追加することが検討される。水の早い除去が設計条件を満たすのに必要な冷却量を減らし、条件が整えば必要な水和物抑制剤の量を減らす。
【００５３】
実施例３の設計水和物生成温度は０°Ｆに設定された。
【００５４】
図６Ａに示すように、１００％のＣＯ２を有する注入流において、最終的な含水量を約３６ｌｂ／ＭＭｓｃｆにして設計水和物生成温度の０°Ｆを達成するために、同温度は約６２°Ｆに下げなければならない。
【００５５】
図６Ｂに関し、注入流は８０％のＣＯ２と２０％のＨ２Ｓを含み、最終的な含水量が約４５ｌｂ／ＭＭｓｃｆになり、設計水和物生成温度の０°Ｆを達成するのに、温度は約６７°Ｆに下げなければならなかった。
【００５６】
実施例４−多段階等エンタルピー
【００５７】
図７において、必要な温度降下が非常に大きい本発明の多段階の実施形態が用いられる。同実施形態は−４５°Ｆの水和物生成温度を達成するために設計された。
【００５８】
図７に示すように、この実施形態は熱交換器４６、低温分離器５２および継続的水和物抑制剤の投入５６を包含する。第１の分離器２４は熱交換器４６と温度降下した流れの最投入の間に配置される。注入流からの早い水の除去は冷却量と設計基準を満たすのに必要な水和物抑制剤を減らす。
【００５９】
より低い温度を達成するために、ジュール・トムソン弁４４経由でスリップストリーム５８の膨張に起因する圧力降下は少なくとも２つの段階の圧縮を通して起こる。こうして、部分的に膨張したスリップストリーム６０は熱交換器４６で熱せられ、ジュール・トムソン弁６４経由で完全に膨張し、水和物抑制剤の投入と共に、注入流２８を冷却するためにスリップストリーム５８の除去から２つまたはそれ以上の段階６６、６８上流の注入流に再投入される。冷却される注入流２８の更なる圧縮前に第２の分離器５２で冷却される注入流２８から凝結した水が除去される。
【００６０】
この実施例では、完全に膨張したスリップストリーム５６で達成された低温と冷却された注入流２８は水和物抑制剤の追加を必要とするが、第１の分離器２４における大部分の水の上流での除去の結果、水和物抑制剤の量は最小化される。
【００６１】
この実施例の冷却された注入流で達成される低温の更なる利点は圧縮段階の数を５段階から４段階に減らすことができ、総費用の削減となる。
【００６２】
実施例５−多段階等エントロピー
【００６３】
図８に関し、本発明の多段階の実施形態はスリップストリーム５８の膨張のために図７のジュール・トムソン弁４４に代えて従来の半径方向膨張タービンまたはターボ膨張器（米国、カリフォルニア、サンタマリア、マフィトレンチから入手できるような）のような等エントロピー流体膨張器６６を用いる。
【００６４】
この実施形態において、同等エントロピー流体膨張器は同じ圧力降下のジュール・トムソン弁（等エンタルピー膨張）を用いて可能なものより、膨張したスリップストリーム６０内でより低い温度を達成できる。加えて、必要なスリップストリームの割合は実施例４のものより小さい。
【００６５】
この実施形態のための段階３（６６）および段階４（６８）の所要動力は実施例４に比べて約２％低い。等エントロピー流体膨張器は段階３（６６）および段階４（６８）の約１．８％の出力を生む。更に、水和物抑制剤の要件が最小化される。
【００６６】
本明細書に記載する本発明の実施形態は従来の液体乾燥剤および等エンタルピー冷凍脱水処理に対する顕著な長所および相違を有する。
【００６７】
液体乾燥剤脱水処理と比較して、本発明の実施形態は従来の脱水装置の資本コストのごく一部で膨張弁（ＴＣＶ、ＪＴＶ）に置き換えることで従来の脱水装置の除去を可能にする。
【００６８】
密閉設備のような従来の等エンタルピー膨張冷凍処理と比較して、本発明の実施形態は圧縮の一段階、主気体−気体熱交換器、および水和物抑制剤部の追加の除去が可能になり、資本コストを大きく削減する。
【００６９】
先行技術の密閉設備では気体流全体が過度に圧縮され、設計圧力に膨張される必要がある。このため一般にシステムの初期圧縮所要動力は２０％から２５％増える。気体の組成と運転条件によって、高い圧縮機排出圧力により圧縮を丸々１段階追加する必要が生じることがある。
【００７０】
酸性気体の組成と必要な運転条件によって、冷却スリップストリームは一般に１段階を通る混合された流量の１０％から２０％である。圧縮の１段階を通る流量の増加は理論上、総圧縮出力需要を２％から４％（すなわち５段階圧縮機の１０％〜２０％の１／５）増やす。しかしながら、比較すると、この上昇は多くの場合従来の脱水装置の圧力降下による増加に匹敵する。更に、圧縮機の運転温度の降下による効率向上、ひいては付随する圧縮出力の降下がある。いくつかの事例において、圧縮出力要件は従来の脱水装置を用いたときより少ないという結果だった。
【００７１】
本発明の実施形態により可能になる低い吸気温度は従来の脱水および密閉設備の両方に対する付加的利点である。１段階の降下した温度は各段階の圧縮比のバランスを再び取る機会を提供し、各段階の排出温度が新しいより低い値で比較的等しくなるまで、吸気圧力がより涼しいより高い圧縮比がその他の圧縮比の降下を可能にする。排出温度の降下は一つまたはそれ以上の圧縮段階における追加のスリップストリーム量による追加の電力需要を幾分削減する。温度降下によりまた、弁の寿命が延び、運転時間が増え、維持費用が減る。ある時点で、より低い温度でバランスを再び取ることは、圧縮の全段階を削除するのに十分な意義があり、ひいては大きな資本コスト削減を供給できる。
【００７２】
本発明の実施形態の総二酸化炭素排出量は従来の方法より著しく低いと考えられる。装置の要件は非常に小さく製造の要求を削減し、グリコールの形成の必要はなくＣＯ２を生じる追加の設備は不要なので、これら全てはスリップストリームを圧縮するのに必要な電力の僅かな上昇（概して約２％）を補って余りある。加えて、本発明の実施形態では化学的必要条件がないので生態リスクを大きく削減する。
【００７３】
ＣＯ２、Ｈ２Ｓ、ＳＯ２およびＮＯｘを含む酸性気体は本発明の実施形態によく適する流体である。しかしながら、流体は本明細書に開示されるものに限定されるものではない。更に本発明の実施形態に用いられる熱力学原理は処理条件の所望範囲内で正のジュール・トムソン（ＪＴ）係数を示す全ての流体混合物、換言すれば膨張時に流体混合物は冷える、に当てはまる。総括すると、大きいＪＴ係数の流体は小さいＪＴ係数の流体より冷たくなり、それゆえスリップストリームされる流体は少なくてすむ。低いスリップストリームの要件は経済的に望ましい。
【００７４】
本発明の実施形態の適用は炭素捕捉および貯蔵（ＣＣＳ）、燃焼、気化および隔離のための産業化学処理から生じるＣＯ２、ＳＯ２、およびＮＯｘの処理、および隔離のための石油および気体処理からＨ２ＳおよびＣＯ２が捕捉されるＡＧＩ（酸性気体注入）にある。
【００７５】
本明細書に記述される実施例１〜実施例５は単一セットの条件に基づく。本発明の実施形態は各流体および条件のセットの最適化を必要とする。最適化はスリップストリームの開始に最も適し、スリップストリームの再結合に最も適する圧縮の段階の選択に関わる。別の最適化は基本、ＨＥＸ、ＬＴＳ、多段階、多段階等エントロピーまたは上記のその他の組み合わせであろうが、処理の最適な変形形態の選択に関わる。また、いかなる選択の範囲内で最適の器具使用および制御システムが含まれる必要があり適用の最適な運転点が設定される必要がある。
【００７６】
記載された実施例は定常性能であるとする。商業運転のために始動、稼動反転および終了に対応するためにその他の考慮がされる。一つの簡単な例は始動の最初の数分の間、および外部処理の反転期間中に温度とスリップストリーム流率は処理設計に定められる定常状態運転状態にないことがある。この条件を緩和するための設計の何かの提供なしに水和物が生成する可能性がある。それゆえ不安定状態性能での水和物の生成を一時的に防ぐために本発明の実施形態はメタノールのような熱力学水和物抑制剤の追加の性能を含んで設計される。
【符号の説明】
【００７７】
１０  注入流
１２  吸気段階
１４  圧縮蒸気
２４  分離器
２６  飽和ガス
３２  スリップストリーム
３６  ジュール・トムソン弁（ＴＣＶ）
４０  混合流
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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