CN103140571A - 两阶段膜方法 - Google Patents

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Abstract

本发明包括用于提纯气体，优选天然气的两阶段方法。该方法以比现有技术方法更低的压缩机功率消耗和更低的膜面积需求提供更高的烃回收率。

Description

两阶段膜方法
在先国家申请的优先权要求
本申请要求2010年9月29日提交的美国申请No.61/387,492的优先权。
发明背景
本发明涉及用于提纯气体的膜方法。更特别地，本发明涉及用于提纯天然气的更有效两阶段方法。
膜方法已经广泛用于从天然气除去CO2和H2S、H2回收、空气分离等领域中的大宗气体分离。目前商业应用的气体分离膜材料通常为聚合物的，其对意欲分离的气体物种具有某些有限的选择性。因此，气体混合物中组分的完全分离难以实现。来自膜方法的产物料流倾向于不纯且产物回收率通常比100%低得多。例如在使用商业乙酸纤维素膜(CA)从天然气中除去CO2的应用中，甲烷和其它烃可在渗透物料流中随着CO2损失。商业上已使用多阶段膜方法以从渗透物料流中进一步回收烃，如关于两阶段膜方法的图1和关于两步骤膜方法的图3所示。取决于进料气体条件，两阶段膜方法的烃回收率通常超过95%，在一些情况下超过98%或甚至99%。主要代价是增加的压缩机的成本及其相关的功率消耗。
溶剂方法如基于胺溶剂的那些也已广泛用于以一般99%以上的烃回收率从天然气中除去CO2，但还需要考虑胺装置再沸器中(重要的)燃料消耗。然而，与溶剂方法相比，膜方法提供各种优点，例如远距离区域中安装和操作的容易性、降低的设施要求、脱水装置的删除和对于海上应用不存在海水运动效应，所述效应在溶剂方法的情况下可降低效率。由于烃的价格高且它的损失招致显著的代价，需要开发改进的膜方法以提高产物回收率，同时降低压缩机功率消耗。
发明概述
本发明提供用于提纯烃气体的方法，其包括将气体料流输送通过第一阶段膜单元以产生富烃残余物料流和烃减少的渗透物料流；将该渗透物料流压缩并将它输送通过分成第一段和第二段的第二阶段膜单元，其中各段产生残余物料流和渗透物料流且在那里将第一段的残余物料流供入第二段中。
烃气体可以为天然气或其它含烃气体。用本发明除去的杂质包括二氧化碳、硫化氢、氦气和水。
在本发明的优选实施方案中，将来自第二阶段膜单元的第二段的渗透物与来自第一阶段膜单元的渗透物再结合。
附图简述
图1显示基于现有技术系统的两阶段膜方法。
图2显示基于现有技术系统的可选的两阶段膜方法。
图3显示基于现有技术系统的两步骤膜方法。
图4显示基于现有技术系统的三阶段膜方法。
图5显示基于本发明的两阶段膜方法。
发明详述
在传统两阶段膜方法中，将来自第一阶段膜单元的渗透物气体再压缩并送入第二阶段膜单元中。来自第二阶段膜单元的残余物料流再循环并与第一阶段膜单元的进料气结合，而通常将第二阶段渗透物气体排出，点火，再注入或用作燃料气。在传统两阶段膜方法中。来自第二阶段膜的残余物CO2浓度通常保持接近进料气的CO2浓度，因为这提供压缩功率与膜面积之间的良好权衡。两步骤膜方法(图3)为用于某些应用中的可选配置。
如果需要较高的烃回收率，则技术人员可以以比进料CO2浓度更高的来自第二阶段膜的残余物CO2浓度操作膜系统。然而，这提高第一阶段膜的尺寸以及级间压缩机尺寸和它的功率。
图1显示基于现有技术的这种两阶段膜方法。显示进料2进入第一阶段膜4中。未通过第一阶段膜的气体为残余物，显示为产物6。将通过第一阶段膜的渗透物8在压缩机10中压缩以产生经压缩的渗透物12，其然后接触第二阶段膜14。来自第二阶段膜14的残余物16然后显示与进料2结合。含有从进料2中除去的二氧化碳和其它杂质的渗透物18为第二产物。通常渗透物8或渗透物18的滑流用作燃料气的来源。
提高常规两阶段膜方法的烃回收率的另一选择是使一部分第二阶段渗透物气体再循环返回压缩机中，如图2所示。除增加通向压缩机的气流外，经再循环的渗透物气体还提高进入第二阶段膜的气体的CO2浓度，这增加第二阶段膜的尺寸。在图2中，如同图1，显示进料2进入第一阶段膜4中，其中未通过第一阶段膜的残余物显示为产物6。将通过第一阶段膜的渗透物8在压缩机10中压缩以产生经压缩的渗透物12，其然后接触第二阶段膜14。来自第二阶段膜14的残余物16然后显示与进料2结合。含有从进料2中除去的二氧化碳和其它杂质的渗透物18为第二产物。然而，一部分渗透物18作为经再循环的渗透物20分离出，其与渗透物8结合，然后再次通过第二阶段膜14。
图3显示用于通过将第一膜阶段分成两段并使来自第二段的渗透物气体再循环而提高烃回收率的可选公开技术方法。显示进料2进入第一阶段膜的第一段40中，产生富烃残余物41和烃减少的渗透物18。将残余物41供入第二段42中，这产生另外富烃产物6和烃减少的渗透物43，其具有比来自第一段18的渗透物更大的烃含量。将该第二段渗透物43在压缩机10中压缩以产生压缩气体44，将其与进料2结合。
提高烃回收率的另一选择是如图4所示在第三膜单元中从第二阶段渗透物中回收一些烃，所述图4阐述基于现有技术方案的三阶段膜方法且不同于图5所示本发明。在图4中，显示进料2进入第一阶段膜4中，其中未通过第一阶段膜的残余物显示为产物6。将通过第一阶段膜的渗透物8在压缩机10中压缩以产生经压缩的渗透物12，其然后接触第二阶段膜14。来自第二阶段膜14的残余物16然后显示与进料2结合。显示将含有从进料2中除去的二氧化碳和其它杂质的渗透物18从第二阶段膜14送入第二压缩机30中。然后将第二经压缩的渗透物32送入第三阶段膜34中，其中将残余物36从第三阶段膜34送入经压缩的渗透物12中，且第三阶段膜渗透物38为来自系统的第二产物。
在本发明中，将两阶段膜方法的第二阶段膜单元分成两段。将第二阶段膜的第一段的残余物供入第二阶段膜的第二段中。来自第二阶段膜的第一段的渗透物含有比来自第二阶段膜的第二段的渗透物更少的烃，所以比来自标准两阶段膜方法的全部第二阶段渗透物更适于处理或再注入。含有比来自第一段的渗透物更多的烃的来自第二阶段膜单元的第二段的渗透物，再循环返回压缩机的入口。第二段的残余物像在传统两阶段膜构型中那样再循环至第一阶段膜的入口。图5为显示本发明的示意图。显示进料2进入第一阶段膜4中，其中未通过第一阶段膜的残余物显示为产物6。将通过第一阶段膜的渗透物8在压缩机10中压缩以产生经压缩的渗透物12，其然后接触第二阶段膜的第一段15。将来自第二阶段膜的第一段15的残余物22送入第二阶段膜的第二段25中。显示残余物26与进料2结合。显示来自第二膜的第二阶段25的渗透物28与渗透物8结合以再循环通过第二阶段膜的两段。烃含量低于渗透物28且含有从进料2中除去的二氧化碳和其它杂质的渗透物18为系统的第二产物。
与基于现有技术的两阶段膜方法(图1和2)相比，本发明提供将第二阶段渗透物气体分离成相对富CO2的料流用于处理或再注入和相对富烃的料流以再循环回到压缩机中的方法。
本发明的变化方案是那些其中一部分第一阶段渗透物、一部分来自第一段膜的渗透物或来自第二段膜的渗透物用作燃料气，例如以驱动压缩机的那些。
本发明的其它变化方案为那些，其中本发明用于分离不同于CO2的其它组分，例如H2S、He或H2O。有价值的料流可以为产物6或渗透物18。
以下实施例阐述本发明与现有技术方法相比的优点。
实施例1
在950psig(6,550kPag)和129℉(53.9℃)下以34MMSCFD(911,000标准立方米/天)的流速处理具有12.5%的CO2组成(84.5%CH4、1.5%C2H6、1%C3H8和0.5%N2)的天然气料流，使得它的CO2含量降至2%。使用如图1所示的两阶段膜方法以通过将来自第二阶段膜的残余物的CO2组成保持在12.5%或与进料相同(条件A)而除去CO2。由该模拟得到的烃回收率为97.4%，如下表中案例1a所示。为提高烃回收率，调整工艺条件(条件B)以使来自第二阶段膜的残余物具有34%的CO2组成(以下案例1b)。由该模拟获得的烃回收率为98.4%，这与案例1a相比烃损失降低38%。相同的烃回收率还可使用如图2所示的可选两阶段膜方法以稍稍更高的压缩功率得到(案例1c)。如果用本发明方法加工相同的进料料流，则可实现相同的烃回收率98.4%，但膜面积小19%，同时使用相同的压缩机功率(案例1d)。或者，使用与两阶段膜方法相同的膜面积(条件B，案例1b)，本发明方法可提供98.9%的回收率(与案例1b相比烃损失降低30%)，同时使用低15%的压缩机功率(案例1e)。总之，本发明方法使用小19%的膜面积提供与公开技术方法相同的烃回收率或将烃损失降低30%同时还使用低15%的压缩机功率消耗。
表1：来自实施例1的模拟结果
Figure BDA00002951133300051
实施例2
在950psig(6,550kPag)和70℉(21.1℃)下以500MMSCFD(13,397,000标准立方米/天)的流速处理具有7%CO2含量(90%CH4、1.5%C2H6、1%C3H8和0.5%N2)的天然气料流使得它的CO2含量降至1%。使用如图1所示两阶段膜方法以通过将来自第二阶段膜的残余物的CO2组成保持在7%或与进料相同(条件A)而除去CO2。由该模拟得到的烃回收率为98.1%。结果作为案例2a显示于下表中。为提高烃回收率，调整工艺条件以使第二阶段膜的残余物具有21%的CO2组成(条件B)。由该模拟获得的烃回收率为98.9%，如下表中关于案例2b所示。如果用本发明方法加工相同的进料料流，则相同的烃回收率98.9%可实现，但压缩机功率消耗低12%和膜面积低16%(案例2c)。或者，本发明方法容许对于相同压缩功率，同时还使用小12%的膜面积将烃回收率提高至99.2%(低22%的烃损失)。该案例的结果在下面显示为案例2d。如图4所示的三阶段膜方法也可用于进一步提高99.2%的烃回收率，但如表2(案例2e)所示，需要多15%的膜面积且两个压缩机的功率消耗与本发明方法相同。此外，三阶段方法的缺点是需要两个压缩机以及独立的第三阶段膜单元，这增加了方法的复杂性。
表2：来自实施例2的模拟结果
Figure BDA00002951133300061
实施例3
在600psig(4,240kPa)和130℉(54.4℃)下以200MMSCFD(5,360,000标准立方米/天)的流速处理具有35%CO2含量(59%CH4、3%C2H6、1%C3H8和2%N2)的天然气料流使得它的CO2含量降至8%。使用如图1所示的两阶段膜方法以通过将来自第二阶段膜的残余物的CO2组成保持在35%或与进料相同(条件A)而除去CO2。由该模拟得到的烃回收率为97.7%。结果作为案例3a显示于下表中。为提高烃回收率，调整工艺条件以使来自第二阶段膜的残余物具有60%的CO2组成(条件B)。由该模拟得到的烃回收率为98.4%，如下表中关于案例3b所示。如果用本发明方法加工相同的进料料流，则可实现相同的烃回收率98.4%，但以低13%的压缩机功率消耗，同时使用相同的膜面积(案例3c)。98.6%的较高烃回收率可使用如图2所示的可选两阶段膜方法使用较高的压缩功率得到(案例3d)。本发明方法可使用相同的压缩功率，但以小21%的膜面积实现98.6%的相同较高烃回收率(案例3e)。
表3：来自实施例3的模拟结果
Figure BDA00002951133300071

Claims (10)

1.提纯烃气体的方法，其包括：将气体料流输送通过第一阶段膜单元以产生第一阶段残余物料流和第一阶段渗透物料流，将一部分或全部所述第一阶段渗透物料流在压缩机中压缩以产生经压缩的渗透物料流，将所述经压缩的渗透物料流输送通过具有第一段和第二段的第二阶段膜单元，其中当所述经压缩的渗透物料流通过所述第二阶段膜单元的所述第一段时，所述第二阶段膜单元产生第一渗透物料流和第一残余物料流，当所述经压缩的渗透物料流通过所述第二阶段膜的所述第二段时产生第二残余物料流和第二渗透物料流。
2.根据权利要求1的方法，其中所述第二残余物料流与所述气体料流结合。
3.根据权利要求1的方法，其中所述第二渗透物料流与所述第一阶段渗透物料流结合。
4.根据权利要求1的方法，其中所述第一阶段残余物料流中未从所述气体料流中回收的烃的摩尔量与以相同压缩功率消耗的先前技术方法相比低至少5%，其中所述第二残余物料流具有比所述气体料流更高的二氧化碳浓度。
5.根据权利要求1的方法，其中所述第一阶段残余物料流包含与先前技术方法相比相等的从所述气体料流中回收的烃气体，其中所述压缩机消耗比对比先前技术方法少至少5%的功率，其中所述第二残余物料流具有比所述气体料流更高的二氧化碳浓度。
6.根据权利要求1的方法，其中实现目标烃回收率的组合膜面积与先前技术方法相比低至少5%，其中所述第二残余物料流具有比所述气体料流更高的二氧化碳浓度。
7.根据权利要求1的方法，其中所述气体料流包括天然气或其它含烃气体。
8.根据权利要求1的方法，其中所述渗透物料流包含至少一种选自二氧化碳、硫化氢、氦气和水的杂质。
9.根据权利要求1的方法，其中所述第一阶段残余物料流包含基于摩尔量至少95%的来自所述气体料流的所述烃气体。
10.根据权利要求8的方法，其中所述至少一种杂质为二氧化碳。
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