相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求2014年11月20日提交的標題為《在天然氣的處理和提純期間用于過程監(jiān)視的集成分析器(integratedanalyzerforprocessmonitoringduringprocessingandupgradingofnaturalgas)》的第14/548,432號(代理案號sa6004pa)美國專利申請的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，所述申請的內(nèi)容特此以全文引用的方式并入。

本公開的實施例大體上涉及天然氣的處理，且更具體來說涉及在天然氣提純操作期間對天然氣組份的實時監(jiān)視。

背景技術(shù)：

對天然氣的需求至少部分地由于其可用于產(chǎn)生能量以及其適用于石油化工行業(yè)中的額外應(yīng)用而持續(xù)增加。最近在例如沙特阿拉伯等地方發(fā)現(xiàn)的許多新的天然氣田含有高含量的酸性氣體(硫化氫和二氧化碳)和氮氣。天然氣中高含量的酸性氣體和氮氣由于低btu值而限制了其作為能量源的使用，因為所生產(chǎn)天然氣的質(zhì)量和市場價值取決于其組份。高含量的氮氣、硫化氫和/或二氧化碳的存在是天然氣在產(chǎn)生能量和/或石油化工行業(yè)中的應(yīng)用中不適用的主要原因之一。無用的天然氣的富余產(chǎn)生了通過選擇性移除例如氮氣、水分和酸性氣體等成分而使無用天然氣變?yōu)橛杏玫男聶C會。這些成分的選擇性移除已經(jīng)通過低溫技術(shù)、隔膜的使用或者變壓吸附(psa)技術(shù)而實現(xiàn)。在一些情況下，已經(jīng)應(yīng)用兩種或三種技術(shù)的組合來實現(xiàn)所需結(jié)果。不需要的成分從大量氣體的選擇性移除過程通過對過程的可靠且連續(xù)監(jiān)視而得到輔助。此監(jiān)視可以通過使用例如氣體色譜法等技術(shù)或者其它基于光譜或激光的技術(shù)來實現(xiàn)。在新的或改進過程的開發(fā)期間，重要的是通過基于連續(xù)的基礎(chǔ)精確地確定傳入和傳出氣態(tài)產(chǎn)品的組份而知道提純模塊的性能。

傳統(tǒng)的氣體色譜法技術(shù)當串聯(lián)使用時具有超過±3％的準確度極限；意味著如果在單個應(yīng)用上使用兩個不同的氣體色譜儀，那么在同一氣體樣本的結(jié)果之間預(yù)期至少±3％變化。提純天然氣的目的涉及低溫、基于隔膜或類似的技術(shù)的使用，在此情況下，處理結(jié)果取決于氣體流中的溫度、壓力、流量以及水分的存在。過程提純配置中的任何改變會導致經(jīng)處理氣體的組份的1％到2％改善。對經(jīng)處理氣體的組份中的此微小改變的監(jiān)視在做出最適當隔膜的選擇或者修改現(xiàn)有隔膜或類似提純技術(shù)中是重要的。

氣體色譜法和其它分析器技術(shù)從氣體提純過程的早期階段就已在使用中，但多個氣體色譜儀的常規(guī)使用缺乏準確性。因此當前系統(tǒng)不能在正處理時區(qū)分天然氣的組份中的微小改變。因此，一直需要在處理期間確定天然氣的實時組份中的微小改變的改進的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

參見圖1，本公開的實施例是針對使用集成氣體色譜系統(tǒng)監(jiān)視天然氣的連續(xù)提純的過程。本公開的方法和系統(tǒng)具有工業(yè)適用性，尤其在石油、天然氣和電力行業(yè)中，原因在于從新的天然氣田獲得的無用天然氣的富余。有機會通過選擇性移除例如氮氣、水分和酸性氣體等成分而使來自新天然氣田的無用天然氣變?yōu)橛杏谩?/p>

根據(jù)一個實施例，提供一種用于分析天然氣的氣體色譜方法。所述方法包含將天然氣輸送通過冷凍器，以及從冷凍器輸送到至少兩個氣體提純隔膜。所述兩個氣體提純隔膜包含至少三個經(jīng)提純產(chǎn)品流出口，所述至少三個經(jīng)提純產(chǎn)品流出口被放置成分別提供經(jīng)提純天然氣的第一分割、經(jīng)提純天然氣的第二分割以及經(jīng)提純天然氣的第三分割。所述方法進一步包含操作氣體色譜系統(tǒng)，所述氣體色譜系統(tǒng)具有至少一個上游氣體色譜儀和至少兩個下游氣體色譜儀，所述至少兩個下游氣體色譜儀包含第一下游氣體色譜儀和第二下游氣體色譜儀。另外，所述至少一個上游氣體色譜儀、所述第一下游氣體色譜儀以及所述第二下游氣體色譜儀全部同時操作，所述至少一個上游氣體色譜儀、所述第一下游氣體色譜儀以及所述第二下游氣體色譜儀全部使用同一校準饋送進行校準，且所述至少一個上游氣體色譜儀、所述第一下游氣體色譜儀以及所述第二下游氣體色譜儀全部利用同一加熱爐來加熱天然氣的樣本。此外，所述方法包含將天然氣的樣本輸送到氣體色譜系統(tǒng)。具體來說，將退出所述冷凍器的所述天然氣的樣本、進入所述至少兩個氣體提純隔膜中的第一隔膜的所述天然氣的樣本以及進入所述至少兩個氣體提純隔膜中的第二隔膜的所述天然氣的樣本輸送到所述至少一個上游氣體色譜儀，且將退出所述經(jīng)提純產(chǎn)品流出口中的每一者的所述經(jīng)提純天然氣的樣本輸送到所述至少兩個下游氣體色譜儀。最終，所述方法包含以控制器監(jiān)視退出所述冷凍器的所述天然氣的所述樣本、進入所述至少兩個氣體提純隔膜中的第一隔膜的所述天然氣的所述樣本、進入所述至少兩個氣體提純隔膜中的第二隔膜的所述天然氣的所述樣本以及退出所述產(chǎn)品流出口中的每一者的所述經(jīng)提純天然氣的所述樣本的組份，以確定所述天然氣的提純。

在替代的氣體色譜方法實施例中，所述方法可以包含將進入冷凍器的天然氣的樣本輸送到所述至少一個上游氣體色譜儀，以及或作為代替，將退出冷凍器的天然氣的樣本輸送到所述至少一個上游氣體色譜儀。

在進一步實施例中，提供一種天然氣提純系統(tǒng)，其具有氣體色譜系統(tǒng)、冷凍器、至少兩個氣體提純隔膜以及控制器。所述氣體色譜系統(tǒng)包含至少一個上游氣體色譜儀和至少兩個下游氣體色譜儀，其中所述至少兩個下游氣體色譜儀表示第一下游氣體色譜儀和第二下游氣體色譜儀。另外，所述冷凍器流體連接到所述至少兩個氣體提純隔膜，且被配置成從天然氣供應(yīng)饋送移除重烴。此外，所述至少兩個氣體提純隔膜被配置成選擇性允許某些氣體滲透通過，以從天然氣移除雜質(zhì)。每一氣體提純隔膜還包含入口和至少三個產(chǎn)品流出口，所述至少三個產(chǎn)品流出口被放置成分別提供經(jīng)提純天然氣的第一分割、經(jīng)提純天然氣的第二分割以及經(jīng)提純天然氣的第三分割。另外，所述至少一個上游氣體色譜儀流體連接到所述冷凍器的出口、所述至少兩個氣體提純隔膜中的第一隔膜的所述入口以及所述至少兩個氣體提純隔膜中的第二隔膜的所述入口以允許將樣本輸送到所述至少一個上游氣體色譜儀。類似地，所述產(chǎn)品流出口中的每一者流體連接到所述至少兩個下游氣體色譜儀中的至少一者以用于將樣本輸送到所述至少兩個下游氣體色譜儀。此外，所述控制器被配置成監(jiān)視來自所述冷凍器的所述出口、所述至少兩個氣體提純隔膜中的所述第一隔膜的所述入口、所述至少兩個氣體提純隔膜中的所述第二隔膜的所述入口的所述天然氣的所述樣本以及來自所述產(chǎn)品流出口中的每一者的所述樣本的組份，以確定所述天然氣的提純。最終，所述至少一個上游氣體色譜儀和所述至少兩個下游氣體色譜儀被配置成同時操作，由單個校準氣體饋送進行校準，且提供單個加熱爐或串聯(lián)的一組加熱爐以加熱用于所述至少一個上游氣體色譜儀和所述至少兩個下游氣體色譜儀的天然氣樣本。

本文描述的實施例的額外特征和優(yōu)點將在隨后的詳細描述中陳述，且本領(lǐng)域的技術(shù)人員從所述描述將容易部分地了解或通過實踐本文描述的實施例而認識到所述特征和優(yōu)點，包含隨后的詳細描述、權(quán)利要求書以及附圖。

應(yīng)理解，前述一般描述和以下詳細描述兩者描述了各種實施例，且希望提供概述或框架以用于理解所要求標的物的性質(zhì)和特征。包含附圖以提供對各種實施例的進一步理解，附圖被并入本說明書且構(gòu)成本說明書的一部分。附圖圖示了本文描述的各種實施例，且連同描述內(nèi)容一起用以闡釋所要求標的物的原理和操作。

附圖說明

圖1是根據(jù)本公開的一個或多個實施例的集成分析器的示意性圖示。

具體實施方式

現(xiàn)在將詳細參考本公開的天然氣提純系統(tǒng)和方法的實施例。盡管提供圖1的系統(tǒng)為示例性的，但應(yīng)理解，本發(fā)明系統(tǒng)和方法涵蓋其它配置。

大體上，本發(fā)明涉及在允許在分離和提純的不同階段測量氣體組份改變的模式中使用集成氣體色譜法監(jiān)視天然氣的連續(xù)提純的過程。所述分析方法是基于集成氣體色譜系統(tǒng)，其具有利用單個加熱爐的多個色譜儀。此集成多色譜系統(tǒng)的使用允許所有色譜分離實體暴露于同一環(huán)境。個別色譜儀之間的一致環(huán)境允許監(jiān)視和量化過程中的小改變。

所述集成氣體色譜系統(tǒng)基于使用注射器、柱和檢測器的基本氣體色譜法的原理而工作。所述集成氣體色譜系統(tǒng)能夠在使用內(nèi)部或外部校準技術(shù)適當校準時量化各種組成成分。然而，當在兩個不同氣體色譜儀上分析同一樣本流時，即使當使用同一校準氣體校準時，從典型的獨立氣體色譜儀接收的分析數(shù)據(jù)也具有±3％變化。此變化的原因據(jù)信是由于使用兩個不同的加熱爐、不同的樣本遞送模式，以及專用于每一色譜儀的獨立控制器。相反，本文進一步描述的集成氣體色譜系統(tǒng)獨立于許多這些變量，例如多個獨立的加熱爐、不同的樣本遞送模式以及專用于每一色譜儀的獨立控制器。由于單個加熱爐、單個控制器以及一致的樣本遞送的協(xié)同組合而帶來的每一氣體色譜儀的分析之間的變量減少將氣體色譜儀之間的偏差減小到小于±1％。由于當評估天然氣提純性能時氣體組份的小改變的可靠測量是必要的，因此分析結(jié)果中的±3％變化太高，因為組份的改變隱藏于變化中，而減小到小于±1％允許進行評估。

執(zhí)行天然氣的分離以從天然氣流的總組份移除惰性或酸氣體含量成分，例如氮氣、硫化氫、二氧化碳和水。提純過程增加了氣體流中存在的各種碳氫化合物的摩爾含量，尤其是甲烷氣體的含量，這在天然氣中當出售時是較優(yōu)選的。由于各種成分從天然氣的分離取決于氣體的流量、溫度、壓力和水含量，因此極為重要的是知道天然氣分離和提純過程的效率的改變。所提供天然氣的物理性質(zhì)的微小改變，例如改變的流量、溫度、壓力或水含量，會導致分離和提純過程的不同性能，從而造成來自樣本流的氣體組份的改變。只有附接到過程的分析儀器足夠敏感以測量傳入氣體與所處理提純氣體之間的差異組份時才可測量這些改變。

用于提純天然氣的一個一般過程涉及使天然氣通過提純隔膜。具體來說，為了執(zhí)行天然氣的提純，使天然氣最初通過一系列步驟，其中移除重烴和過量的水。另外，在天然氣流的提純和相關(guān)聯(lián)分析之前從天然氣流除去任何顆粒和碳材料。隨后在下文詳細論述的氣體提純隔膜分離天然氣流的成分以提供具有不同最終組份的多個經(jīng)提純天然氣流。隨后使天然氣的樣本和經(jīng)提純天然氣流中的每一者與例如氦氣、氫氣或氮氣等載氣混合，且提供到氣體色譜儀。將樣本引入到氣體色譜儀的柱中，其能夠基于極性、沸點和其它分離準則而分離樣本流中存在的成分。在適當分離之后的每一成分通過氣體色譜儀中的一系列檢測器，且使用專用軟件報告其存在。饋送天然氣流和經(jīng)提純天然氣流中的每一者中的成分的報告允許對系統(tǒng)的操作參數(shù)的改變以及對氣體提純隔膜的性能的監(jiān)視。

參見圖1的實施例，示出了天然氣提純系統(tǒng)100。天然氣提純系統(tǒng)100包括氣體色譜系統(tǒng)10、冷凍器20、至少兩個氣體提純隔膜30，以及控制器60。如圖1中所示，氣體色譜系統(tǒng)10包括至少一個上游氣體色譜儀12和至少兩個下游氣體色譜儀，包括第一下游氣體色譜儀14和第二下游氣體色譜儀16。

冷凍器20是降低通過例如天然氣供應(yīng)饋送70的流的溫度的裝置。因此天然氣供應(yīng)饋送70的組份隨著某些成分沉淀和/或冷凝出而改變。冷凍器20的非限制性實例包含來自田納西州瓦特堡的pioneerairsystemsinc.的型號c9600as。冷凍器另外由例如trane(ingersollrand的分部)制造。

冷凍器20被配置成從天然氣供應(yīng)饋送70移除重烴，且流體連接到所述至少兩個氣體提純隔膜30。在各種實施例中，重烴定義為c5或更高的那些烴，意味著中心碳鏈由至少5個碳原子組成。在進一步實施例中，重烴定義為c7或更高的那些烴，意味著中心碳鏈由至少7個碳原子組成。在又進一步實施例中，重烴定義為c9或更高的那些烴，意味著中心碳鏈由至少9個碳原子組成。

冷凍器20降低由天然氣供應(yīng)饋送70提供的通過其中的天然氣的溫度。由天然氣供應(yīng)饋送70提供的天然氣的溫度降低導致天然氣的各種成分的冷凝。具體來說，溫度降低有助于重烴的移除，因為它們從氣態(tài)冷凝到液態(tài)，以及有助于水的移除，因為水從水蒸氣冷凝到液體水。舉例來說，冷凍器20可以作為再循環(huán)水系統(tǒng)而操作。待冷凝的蒸氣循環(huán)通過冷凝盤管，其通過再循環(huán)水系統(tǒng)在外部連續(xù)加濕。向上吹送空氣經(jīng)過盤管，造成少量的水蒸發(fā)。此蒸發(fā)從盤管移除熱，將盤管中的蒸氣冷卻和冷凝到比空氣冷卻或水冷卻冷凝器低的溫度。在實施例中，使用此技術(shù)使天然氣的溫度下降到大約85°f。在至少一個實施例的正常操作條件下，總天然氣流量為大約8百萬scf(標準立方英尺)/日通過冷凍器20，然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，可以針對不同的所需天然氣流量而縮放冷凍器。另外，冷凍器20具有允許i類2分區(qū)d組分類區(qū)域中的操作的設(shè)計特性。

所述至少兩個氣體提純隔膜30被配置成選擇性允許某些氣體透過，因此從天然氣供應(yīng)饋送70移除雜質(zhì)。在一實施例中，所述至少兩個氣體提純隔膜30包括第一隔膜40和第二隔膜50。第一隔膜40包括第一隔膜入口42和至少三個產(chǎn)品流出口44、46、48，其被放置成分別提供經(jīng)提純天然氣的第一分割、經(jīng)提純天然氣的第二分割以及經(jīng)提純天然氣的最終分割。類似地，第二隔膜50包括第二隔膜入口52和至少三個產(chǎn)品流出口54、56、58，其被放置成分別提供經(jīng)提純天然氣的第一分割、經(jīng)提純天然氣的第二分割以及經(jīng)提純天然氣的第三分割。為了本公開的目的，將分割定義為通過氣體提純隔膜30的層的處于給定溫度、壓力和流率的天然氣的某些組份，其產(chǎn)生不同組份的產(chǎn)品流。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解與從原油的分餾過程產(chǎn)生流的類似性，所述分餾過程根據(jù)從分餾過程移除的不同部分產(chǎn)生例如石腦油分割、煤油分割、柴油分割、重燃油分割以及底部產(chǎn)品。

經(jīng)提純天然氣包括原天然氣，其已減少或移除例如氮氣、水分和酸性氣體等過量和不需要的成分。經(jīng)提純天然氣的優(yōu)選組份是產(chǎn)生1020到1050的btu值的組份。作為基本規(guī)則，當?shù)獨獾陌俜直茸優(yōu)楦哂?0％時，btu值急劇下降，從而導致低值氣體。然而，原天然氣大體上具有通常超過大約13％的高氮氣含量，以及大體上在65-70％(v/v)的范圍中的甲烷。另外，原天然氣可含有大約1-4％酸性氣體，例如h2s和co2。

在實施例中，所述至少一個上游氣體色譜儀12流體連接到冷凍器20的出口、第一隔膜入口42以及第二隔膜入口52，用于將樣本輸送到所述至少一個上游氣體色譜儀12。另外，產(chǎn)品流出口44、46、48、54、56、58中的每一者流體連接到所述至少兩個下游氣體色譜儀14、16中的至少一者，用于將樣本輸送到第一下游氣體色譜儀14和第二下游氣體色譜儀16。

至少一個上游氣體色譜儀12和至少兩個下游氣體色譜儀14、16的非限制性實例包含progc+(thermofisherscientificinc)，以及來自yokogawa、abb和emerson的氣體色譜儀。

控制器60被配置成監(jiān)視來自冷凍器20的出口、第一隔膜入口42、第二隔膜入口52的天然氣的樣本以及來自產(chǎn)品流出口44、46、48、54、56、58中的每一者的樣本的組份，以確定天然氣供應(yīng)饋送70的提純。在各種實施例中，控制器60是可編程邏輯控制器(plc)。在進一步實施例中，控制器60是微處理器。控制器60可以是從每一氣體色譜儀接收數(shù)據(jù)的獨立單元，或者可以集成到氣體色譜儀中的至少一者中。

提供專用樣本處置系統(tǒng)以輸送天然氣樣本用于分析。如先前指示，氣體色譜系統(tǒng)10與例如第一隔膜入口42、產(chǎn)品流出口44、46、48、54、56、58或冷凍器20的出口等取樣點之間提供眾多連接。取樣點的總數(shù)目僅受氣體色譜系統(tǒng)10中的氣體色譜儀的數(shù)目以及每一取樣點的樣本分析所需的頻率的限制。在各種實施例中，提供至少9個取樣點。在進一步實施例中，提供至少15個取樣點。在又進一步實施例中，提供至少25個取樣點。

由于每次在給定氣體色譜儀上僅可分析單個樣本，因此流體連接到氣體色譜系統(tǒng)10中的每一個別氣體色譜儀的取樣點的數(shù)目決定了可確定每一取樣點處的天然氣組份的頻率。每一流的分析時間范圍可從幾分鐘到超過一小時，且因此如果三個取樣點連接到單個氣體色譜儀，則在給定取樣點處的取樣與分析之間可能少到幾分鐘或者多達幾小時。在各種實施例中，氣體色譜系統(tǒng)10中的一個或多個個別氣體色譜儀各自連接到單個取樣點，從而提供專用氣體色譜儀。在進一步實施例中，氣體色譜系統(tǒng)10中的每一氣體色譜儀連接到3個取樣點。在又進一步實施例中，氣體色譜系統(tǒng)10中的每一氣體色譜儀連接到5個取樣點。在再進一步實施例中，每一取樣點連接到氣體色譜系統(tǒng)10中的多個氣體色譜儀，從而允許同時分析的特定樣本改變。

取決于樣本流的組份，每一取樣點可能含有從兩種到二十種或更多成分。這些成分大部分是碳氫化合物、氮氣以及酸性氣體，例如硫化氫和二氧化碳。

除了碳氫化合物、酸性氣體和氮氣，樣本還可能含有水分。在各種實施例中，控制器60分析樣本流中存在的所有成分，水分含量除外。在進一步實施例中，控制器60分析樣本流中存在的所有成分加上在大氣壓或操作溫度下以氣相存在的任何水。

至少一個上游氣體色譜儀12和至少兩個下游氣體色譜儀14、16被配置成同時操作。具體來說，至少一個上游氣體色譜儀12和至少兩個下游氣體色譜儀14、16中的每一者同時分析不同樣本。氣體色譜系統(tǒng)10中的氣體色譜儀中的每一者的同時操作另外允許分析所述至少兩個氣體提純隔膜30中的單個一者的有效性，而沒有關(guān)于實際分析所需的時間的問題。舉例來說，至少一個上游氣體色譜儀12分析來自第一隔膜入口42的樣本，第一下游氣體色譜儀14分析來自提供經(jīng)提純天然氣的第一分割的產(chǎn)品流出口44的樣本，且第二下游氣體色譜儀16分析來自提供經(jīng)提純天然氣的最終分割的產(chǎn)品流出口48的樣本，這全部同時提供第一隔膜40的有效性的實時分析。相反，在沒有氣體色譜系統(tǒng)10中的氣體色譜儀的同時操作的情況下，從來自第一隔膜入口42的樣本、來自提供經(jīng)提純天然氣的第一分割的產(chǎn)品流出口44的樣本以及來自提供經(jīng)提純天然氣的最終分割的產(chǎn)品流出口48的樣本收集的組份日期將不一定在時間上類似，且因此當分析第一隔膜40的有效性時不能考慮來自第一隔膜入口42的樣本中的波動。

另外，至少一個上游氣體色譜儀12和至少兩個下游氣體色譜儀14、16由單個校準氣體饋送進行校準。單個校準氣體饋送的含量是基于將由集成氣體色譜系統(tǒng)分析的成分的數(shù)目。具體來說，配制校準氣體以近似匹配于待分析的天然氣流的組份。在特定實施例中，校準氣體的基本成分是氮氣。校準氣體中的氮氣是有益的，因為通過減少天然氣中存在的氮氣量來執(zhí)行天然氣的提純。在進一步實施例中，以另一惰性氣體作為基本成分來制備校準氣體。

汽缸或合格校準氣體的其它通常已知的器皿可從專門提供合格校準氣體混合物的廠商購買。在各種實施例中，例如汽缸等合格氣體器皿是從兩個不同廠商購買。使用從一個廠商接收的校準氣體混合物校準氣體色譜系統(tǒng)10中的氣體色譜儀中的每一者，且隨后利用來自第二廠商的校準氣體檢驗氣體色譜儀中的每一者的所接受校準作為驗證過程。在進一步實施例中，使用從單個廠商接收的校準氣體混合物校準氣體色譜系統(tǒng)10中的氣體色譜儀中的每一者而沒有單獨的驗證。

單個校準氣體提供氣體色譜系統(tǒng)10中的個別氣體色譜儀之間的較精確測量。具體來說，以由相同組份組成的校準氣體校準每一氣體色譜儀為每一氣體色譜儀提供了相同的校準。當利用具有不同組份的校準氣體時，氣體色譜儀的傳感器的校準中的稍微變化會提供不同結(jié)果。舉例來說，具有乙烷或丙烷的較高摩爾％的校準氣體可能提供與氮氣或二氧化碳較高的校準氣體稍微不同的校準。這是另外為何希望校準氣體近似表示天然氣的實際組份的原因。

提供單個加熱爐90或串聯(lián)的一組加熱爐以加熱用于至少一個上游氣體色譜儀12和至少兩個下游氣體色譜儀14、16的天然氣樣本。加熱爐中可含有氣體色譜儀的柱，其溫度受到精確控制。樣本通過柱的速率與柱的溫度成正比。柱溫度越高，樣本移動通過柱越快。然而，樣本移動通過柱越快，其與柱的固定相相互作用越少，且分離的分析物越少。因此，容納用于氣體色譜系統(tǒng)10的所有氣體色譜儀的柱的單個加熱爐90提供樣本通過柱的一致速率，無論使用的特定氣體色譜儀如何。無論使用的特定氣體色譜儀如何都實現(xiàn)樣本通過柱的一致速率是因為各種氣體色譜儀中的每一者的柱全部被同一個爐加熱到相同溫度。消除了恒溫器中的可變性或者多個爐之間的熱產(chǎn)生容量。樣本通過柱的一致速率是合意的，因為這減少了個別氣體色譜儀之間的變化，從而允許直接比較來自至少一個上游氣體色譜儀12、第一下游氣體色譜儀14以及第二下游氣體色譜儀16的分析物。

在各種實施例中，被放置成提供第一隔膜40的經(jīng)提純天然氣的第一分割的產(chǎn)品流出口44以及被放置成提供第二隔膜50的經(jīng)提純天然氣的第一分割的產(chǎn)品流出口54流體連接到第一下游氣體色譜儀14。

此外，在各種實施例中，被放置成提供第一隔膜40的經(jīng)提純天然氣的第二分割的產(chǎn)品流出口46流體連接到第一下游氣體色譜儀14，且被放置成提供第二隔膜50的經(jīng)提純天然氣的第二分割的產(chǎn)品流出口56流體連接到第二下游氣體色譜儀16。

在又進一步實施例中，被放置成提供第一隔膜40的經(jīng)提純天然氣的第三分割的產(chǎn)品流出口48以及被放置成提供第二隔膜50的經(jīng)提純天然氣的第三分割的產(chǎn)品流出口58流體連接到第二下游氣體色譜儀16。

雖然在各種實施例中提供特定取樣點到至少一個上游氣體色譜儀12、第一下游氣體色譜儀14和第二下游氣體色譜儀16中的每一者的詳細連接，但將取樣點連接到所提供特定布置中的氣體色譜儀不是必要的。同樣有可能且設(shè)想使用氣體色譜系統(tǒng)10中的任何可用氣體色譜儀分析來自取樣點的樣本。

在各種實施例中，控制器60耦合到流量調(diào)節(jié)器80以可控地調(diào)整天然氣供應(yīng)饋送70提供到冷凍器20的速率。流量調(diào)節(jié)器的非限制性實例包含可調(diào)整的閥和泵。通過冷凍器20的流率決定了天然氣流過氣體提純隔膜30有多快。氣體通過冷凍器20，然后進入氣體提純隔膜30以用于所需的分離。流量需要調(diào)節(jié)，因為氣體提純隔膜30的效率取決于傳入天然氣的流率和壓力。隔膜的效率取決于傳入氣體流的溫度。調(diào)節(jié)流量以維持氣體的溫度，且還從天然氣流移除重物質(zhì)以使得重物質(zhì)不會冷凝。

在各種實施例中，控制器60耦合到冷凍器20以調(diào)整冷凍器20的操作溫度。在優(yōu)選實施例中，冷凍器20操作的范圍在85與100°f之間。冷凍器20的降低的操作溫度允許氣體冷卻到較低溫度，這又增加了氣體提純隔膜30的效率，從而得到天然氣的所需一種或多種分割的較好比率。

在進一步實施例中，控制器60耦合到圖形顯示器，所述圖形顯示器被配置成提供由氣體色譜系統(tǒng)10輸出的過程操作參數(shù)。過程操作參數(shù)的非限制性實例包含每一氣體色譜儀的狀態(tài)、進行中的分析的剩余時間，以及樣本分析的結(jié)果。另外，樣本分析的結(jié)果可例如提供作為一個軌跡，其示出每一樣本組成作為水平基線上的‘峰’(色譜)或作為組成的列表，其中色譜的峰已經(jīng)通過軟件包來識別。圖形顯示器的非限制性實例包含lcd顯示器、led顯示器、crt顯示器和等離子顯示器。圖形顯示器可例如為能夠顯示圖像的全色顯示器、能夠顯示圖像的灰階顯示器、能夠顯示圖像的單色顯示器，或一系列指示燈/led/信標。

圖形顯示器將信息提供到人類操作者。在各種實施例中，信息用于信息化或監(jiān)視目的，且控制器60自動調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)以優(yōu)化天然氣提純操作。在進一步實施例中，由圖形顯示器提供的信息由人類操作者使用以手動地調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，以例如優(yōu)化天然氣提純操作。

再次參見圖1，控制器60可以包括處理器，以及至少一個圖形顯示器作為以通信方式耦合到所述處理器的操作者接口。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員熟悉的各種硬件預(yù)期用于所述處理器中，例如且不限于輸入/輸出模塊、可編程邏輯控制器、天線、電力供應(yīng)器等。如下文描述，下文實施例中描述的許多決策制定和控制特征是由可編程邏輯控制器執(zhí)行。也就是說，可編程邏輯控制器的替代方案也是預(yù)期的，例如微處理器控制器單元。如圖1的實施例中所示，控制器60可以從至少一個上游氣體色譜儀12和至少兩個下游氣體色譜儀14、16接收數(shù)據(jù)?；谶@些數(shù)據(jù)讀數(shù)，控制器60以指令編程以經(jīng)由流量調(diào)節(jié)器80、冷凍器20的操作和/或第一隔膜40和第二隔膜50的操作而自動調(diào)整例如從天然氣供應(yīng)饋送70的入口流率，包含從第一隔膜40的經(jīng)提純產(chǎn)品流出口44、46、48以及第二隔膜50的經(jīng)提純產(chǎn)品流出口54、56、58的流率。

由控制器60提供的信息以及由氣體色譜系統(tǒng)10輸出的過程操作參數(shù)的圖形用戶界面允許調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)以如上詳述自動地或者在來自操作者的輸入后改進或優(yōu)化天然氣提純操作。舉例來說，如果重烴的水平在第一隔膜入口42和第二隔膜入口52處太高，那么冷凍器20中的溫度和/或通過冷凍器20的天然氣供應(yīng)饋送70的流率可以由控制器60自動減小以允許額外的重烴移除。另外，如果氮氣的水平在第一隔膜40的經(jīng)提純天然氣的第一分割和/或第二隔膜50的經(jīng)提純天然氣的第一分割中太高，那么第一隔膜40和/或第二隔膜50可能經(jīng)過其有用壽命并需要更換。替代地，第一隔膜40和/或第二隔膜50可能具有用于正處理的天然氣供應(yīng)饋送70的不合意的分離參數(shù)，從而必須用具有較合意的分離參數(shù)的替代隔膜進行更換。大體上，當在低溫下傳入天然氣的壓力存在較高差異時，氣體提純隔膜30的效率增加。如果氮氣含量太高，那么在天然氣供應(yīng)饋送70的原天然氣中，在通過冷凍器20下降溫度的同時增加氣體的饋送壓力。在低甲烷的情況下，氣體提純隔膜30的隔膜材料的組份改變。

完整的系統(tǒng)可被配置成分析天然氣樣本中存在的所有成分作為一個報告，或者其可劃分為兩個或更多個部分，使得氣體的某些元素在一個分析報告中報告，且其它元素在第二、第三或后續(xù)分析報告中報告。

至少兩個氣體提純隔膜30根據(jù)通過隔膜表面的選擇性滲透的原理而工作。至少兩個氣體提純隔膜30被退出冷凍器20的天然氣混合物加壓。來自天然氣供應(yīng)饋送70的天然氣成分通過至少兩個氣體提純隔膜30的纖維的內(nèi)側(cè)和外側(cè)上的壓力和濃度的差異而分離。在來自天然氣供應(yīng)饋送70的天然氣的組份分離以形成經(jīng)提純天然氣流期間，二氧化碳、硫化氫、c1、c2、c3、c4、c5和水蒸氣具有強趨勢滲透通過隔膜，而氮氣在隔膜內(nèi)被抑制而無法作為富含氮氣的流通過隔膜。在各種實施例中，第一隔膜40和第二隔膜50在材料和構(gòu)造方面是相同或類似的，且被配置成從天然氣供應(yīng)饋送70選擇性移除大體上相同的組份。在進一步實施例中，第一隔膜40和第二隔膜50在材料和/或構(gòu)造方面大體上不類似，且使得它們被配置成從天然氣供應(yīng)饋送70選擇性移除不同組份和/或從天然氣供應(yīng)饋送70更有效地移除不同組份。在各種實施例中，第一隔膜40和第二隔膜50的構(gòu)造材料可以是任何人造聚合物，例如聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚硅酮、聚酰亞胺或這些聚合物的組合。大多數(shù)氣體提純隔膜30涂覆有第二聚合物溶液的額外薄層以使其特定用于基于應(yīng)用而實現(xiàn)某些分離水平。聚合物薄片包裹在多孔鋼管上，形成隔膜的多層，以基于每一氣體的滲透率/溶解度實現(xiàn)氣體彼此的所需分離。

當選擇至少兩個氣體提純隔膜30時應(yīng)當考慮以下因素：1.天然氣供應(yīng)饋送70的組份；2.所需的經(jīng)提純天然氣組份；3.天然氣供應(yīng)饋送70的壓力；以及4.氣體在進入至少兩個氣體提純隔膜30之前的溫度。這些因素取決于隔膜的種類以及由至少兩個氣體提純隔膜30實現(xiàn)的所需分離。

在操作中，如圖1中所示，天然氣提純系統(tǒng)100在天然氣提純程序之前和之后都分析天然氣供應(yīng)饋送70以確定至少兩個氣體提純隔膜30的有效性。具體來說，天然氣供應(yīng)饋送70提供未經(jīng)處理天然氣通過冷凍器20以產(chǎn)生不含液體的天然氣24。如先前指示，通過冷凍器20從未經(jīng)處理的天然氣移除了重烴以及液體。退出冷凍器20的不含液體的天然氣24隨后輸送到至少兩個氣體提純隔膜30。天然氣通過至少兩個氣體提純隔膜30產(chǎn)生來自第一隔膜40的經(jīng)提純產(chǎn)品流出口44、46、48以及第二隔膜50的經(jīng)提純產(chǎn)品流出口54、56、58的至少經(jīng)提純天然氣的第一分割、經(jīng)提純天然氣的第二分割，以及經(jīng)提純天然氣的第三分割。

此外，天然氣的樣本傳遞到氣體色譜系統(tǒng)用于分析。具體來說，退出冷凍器20的天然氣的樣本、在第一隔膜入口42處進入第一隔膜40的天然氣的樣本以及在第二隔膜入口52處進入第二隔膜50的天然氣的樣本輸送到至少一個上游氣體色譜儀12。另外，退出經(jīng)提純產(chǎn)品流出口44、46、48、54、56、58中的每一者的經(jīng)提純天然氣的樣本輸送到至少兩個下游氣體色譜儀14、16。在進一步實施例中，進入冷凍器20的天然氣的樣本、在第一隔膜入口42處進入第一隔膜40的天然氣的樣本以及在第二隔膜入口52處進入第二隔膜50的天然氣的樣本輸送到至少一個上游氣體色譜儀12。

在接收到天然氣樣本后，至少一個上游氣體色譜儀12和至少兩個下游氣體色譜儀14、16同時分析天然氣樣本的組份。舉例來說，至少一個上游氣體色譜儀12可以分析從第二隔膜入口52提供的天然氣樣本的組份，第一下游氣體色譜儀14可以同時分析來自被放置成提供第一隔膜40的經(jīng)提純天然氣的第一分割的產(chǎn)品流出口44的天然氣樣本的組份，且第二下游氣體色譜儀16也可以同時分析來自被放置成提供第二隔膜50的經(jīng)提純天然氣的最終分割的產(chǎn)品流出口58的天然氣樣本的組份。本領(lǐng)域的技術(shù)人員基于氣體色譜系統(tǒng)10與例如至少兩個氣體提純隔膜30和冷凍器20等樣本源之間的流體連接的本文具體公開將知曉其它樣本組合。

實例

為了以上實施例中的一者或多者的說明，下文已提供示例性系統(tǒng)。在此示例性系統(tǒng)中，提供未經(jīng)處理天然氣和經(jīng)提純天然氣流的各種成分的摩爾％。具體來說，通過至少一個上游氣體色譜儀12、第一下游氣體色譜儀14以及第二下游氣體色譜儀16中的每一者監(jiān)視十一種不同成分以提供天然氣提純過程的概要。下文在表1中提供具體數(shù)據(jù)。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)了解，在不脫離所要求標的物的精神和范圍的情況下可以對本文描述的實施例做出各種修改和變化。因此希望說明書涵蓋本文描述的各種實施例的修改和變化，前提是這些修改和變化屬于所附權(quán)利要求書及其等效物的范圍內(nèi)。