CN105658307B - 处理天然气原料的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供从天然气流去除酸性气体的方法，该方法包括以下步骤：(a)使包含天然气和酸性气体的进料流以进料压力(PF)通过膜的进料侧；(b)使包含吸收剂流体的吸收剂流在与所述进料侧相反的所述膜的吸收剂侧上通过以从所述天然气流去除酸性气体，其中所述吸收剂流的压力处于吸收剂压力(PA)；(c)控制进料压力(PF)与吸收剂压力(PA)的至少一个，以便使所述(PA)基本等于或大于所述(PF)并且不允许吸收剂流体留在膜孔中。本发明还提供了进行该方法的系统。

Description

处理天然气原料的方法和系统
技术领域
本发明涉及用于处理天然气原料的方法和系统。
背景
目前，天然气是使用第三多的化石形式燃料能源，并且其也作为清洁能源被熟知。如国际能源观察2011(IEO)预计，在2035年前，天然气消费将相比2008年增长52％，占能源消费市场的24％，并且超过煤炭成为使用第二多的燃料。
提取的天然气通常含有一定量的酸性气体(或“酸气”)，如二氧化碳(CO2)、硫化氢(H2S)等。这些酸性气体使天然气的热值下降，并且还会腐蚀用于其输送的管道。因此，已提出很多方法用于分离和去除这类酸性气体。理想地，商业化生产的天然气中，二氧化碳浓度不应超过3mol％。
工业中，目前已知的酸性气体分离技术包括化学吸收和物理吸收、固体吸收、低温蒸馏和膜分离。在所有这些方法中，基于胺的CO2吸收是最常使用的。基于胺的CO2吸收方法包括通过使胺溶剂与存在于天然气中的CO2反应来去除CO2。该反应通常在吸收柱中进行。通常，得到的富胺溶液(即，富含CO2的胺溶液)随后通过加热解吸CO2再生。然而，该方法具有诸多缺点，包括需要安装和维护大规模的设备(例如，吸收柱)，伴随的这些设施的高资金成本，以及吸收柱提供的小的有效传质面积。此外，在常规的吸收柱中独立地控制气体和液体的流速存在着巨大困难，这使得该方法不适于处理具有高酸性气体含量的天然气。在操作过程中，吸收柱也会遇到诸如夹带、溢流、漏液、泄漏等问题。
此外，随着天然气提取方法的发展趋向于提取具有相对高酸气浓度的天然气，并且所述提取在海洋位点进行，继续使用常规吸收柱是愈加不利的，并很快变得不可行。
为克服传统吸收柱的技术缺陷，已提出使用膜接触器来处理天然气。膜接触器是在一相不分散或混合至另一相中的情况下，实现气/液传质的装置。通常，在膜接触器中，通过渗透膜分隔气相和液相，其中，传质发生在膜表面上的气/液交界面。
相比诸如填充床塔、喷雾塔、文丘里涤气器或泡罩塔的常规分离设备，膜接触器具有以下优点：两相在膜接触器相反的面上(即，壳侧和管侧)流动，而因此不会混合。这对于避免经常在填充床/板式(tray)柱中遇到的诸如溢流、发泡、沟流和夹带的问题是有用的。此外，膜接触器提供的气-液比界面积(即，膜接触器每单位体积的界面表面积)相对更高，特别是对于中空纤维膜接触器的情况。
对于市售的中空纤维膜组件，比界面积为1500-3000m2/接触器体积(m3)，取决于中空纤维膜的直径和填充密度。显然，该比界面积显著高于诸如搅拌釜、泡罩塔、填充柱和板式柱的常规吸收装置提供的表面积(为100-800m2/m3)。
另外，膜接触器提供紧密结构，并因此减小占用面积。此外，膜接触器允许独立地控制和调节气相和液相的流速，并因此适用于处理具有高酸含量的天然气。此外，随着天然气提取的重点逐渐转移至海上作业，高且笨重的吸收塔将不适于在不稳定的海上平台上使用。
目前，膜接触器局限于在低压下(<1.0MPa)进行的天然气处理操作，且其中天然气含有低的酸性气体浓度(低于10％)。这可以归因于已知的在高压和高酸性气体条件下操作膜接触器中的问题。例如，当天然气含有大摩尔分数的酸性气体时，在去除酸性气体后，由于气体组分的改变，天然气中较重的成分可以在膜接触器中发生冷凝。该问题可被高压操作条件进一步加重。这导致可以粘附在膜表面并使膜结垢(foul)的重烃液滴形成。
此外，处理高压天然气需要供应加压相等的吸收剂流。然而，在这种高压操作条件下，天然气与吸收剂流体之间压力差的微小波动可导致不希望的效果。例如，如果吸收剂压力低于天然气压力，则一些天然气成分，特别是如甲烷(CH4)的有用化合物，可被迫通过膜孔并成为吸收剂流损失。另一方面，如果吸收剂相对于天然气处于更高的压力，则吸收剂分子可进入膜孔，导致膜孔堵塞，或者在极端条件下甚至导致吸收剂突破进入气流。这减小了可用的传质表面积，并因此降低了脱酸过程的总效率。
因此，上述缺陷阻碍了膜接触器用于高压提取相对酸性的天然气。然而，天然气通常从加压条件(通常约大于1.0MPa至8.0MPa)的气井直接提取。优选地，在正在提取天然气的条件下处理天然气，以避免冗余且昂贵的降压步骤。还预期这样做是更加实用的且在经济上令人满意的。
因此，亟需提供克服上述技术问题或至少改善上述技术问题的处理天然气的系统和方法。
概述
在第一个方面中，提供了从天然气流去除酸性气体的方法，该方法包括以下步骤：(a)使包含天然气和酸性气体的进料流以进料压力(PF)通过膜的进料侧；(b)使包含吸收剂流体的吸收剂流在与所述进料侧相反的膜的吸收剂侧上通过以从所述天然气流去除酸性气体，其中所述吸收剂流的压力处于吸收剂压力(PA)；(c)控制进料压力(PF)与吸收剂压力(PA)的至少一个，以便使所述(PA)基本等于或大于所述(PF)并且不允许吸收剂流体留在膜孔中。
所公开的方法有利地适于处理高压(1.0MPa至15MPa)天然气进料流。就此而言，所公开的方法有利地提供了能够保持PF与PA基本相同的控制步骤。在一个实施方案中，在处理过程中，将吸收剂流体与天然气进料流之间的压力差(ΔP)有利地控制在预设值或预设值以下。在一个实施方案中，如果吸收剂流体压力变得显著高于天然气压力，即，当所述压力差超过预设值时，所述控制步骤可以包括从吸收剂压力去除吸收剂的步骤，从而降低压力PA。
在另一个方面中，提供了从天然气流去除酸性气体的系统，该系统包括：包含膜阵列的膜接触器，各个膜具有进料侧和与所述进料侧相反的吸收剂侧；包含天然气和酸性气体的进料流，其与所述膜的进料侧流体连通，并处于进料压力(PF)；包含吸收剂流体的吸收剂流，其与膜的吸收剂侧流体连通并处于吸收剂压力(PA)；控制工具，其用于控制进料压力(PF)与吸收剂压力(PA)的至少一个，以便使所述(PA)基本等于或大于所述(PF)并且不允许吸收剂流体留在膜孔中。
有利地，由于控制工具用于防止加压的吸收剂使膜孔堵塞，所公开的系统能够处理高压天然气进料流。
在一个实施方案中，所述系统还包括装配在膜接触器上游的加热工具，用于将天然气进料流加热至天然气进料流的计算露点或该计算露点以上。
有利地，通过将天然气进料流加热至其露点或其露点以上的温度，可以避免天然气原料中较重烃类成分的冷凝，从而防止可粘附在膜表面并导致膜在操作过程中结垢的液态烃类液滴形成。在一个实施方案中，正在向膜接触器传送的天然气基本上是气态的。
定义
以下本文中使用的词汇和术语应具有所表明的含义：
除非另外示出，使用百分比来表示酸性气体(例如，CO2、H2S)的浓度，所使用的百分比应指摩尔百分比。
在本说明书的上下文中，术语“微孔性的”，当用于指渗透膜时，指具有约0.01μm至约10μm孔径的渗透膜。
词汇“基本”不排除“完全”，例如，“基本不含”Y的组分可以是完全不含Y的。必要时，词汇“基本”可以从本发明的定义省略。
在本说明书的上下文中，术语“基本等于”当指进料压力(PF)和吸收剂压力(PA)时，意指(PF)和(PA)相同或相互之间相差不超过5％或更小、或4％或更小、或3％或更小、或2％或更小、或1％或更小。为避免疑义，表述“基本等于”可意指PA>PF或PA<PF，只要ΔP不超过导致液体进入膜的临界压力差值。膜润湿的临界压力差可由本领域技术人员得到，并取决于多个因素，包括膜的孔径、使用的吸收剂类型、膜的材料、操作温度等。
除非另外指定，术语“包括”和“包含”，和其语法变体，旨在表示“开放式的”或“包含式的”语言，使得其包含所描述的要素，也允许其包含另外的、未描述的要素。
如本文中使用的，术语“约”，在指制剂成分浓度的情况下，通常意指示出值的+/-5％，更通常地意指示出值的+/-4％，更通常地意指示出值的+/-3％，更通常地意指示出值的+/-2％，更通常地意指示出值的+/-1％，且更通常地意指示出值的+/-0.5％。
本公开中，某些实施方案可以以范围形式公开。应理解，范围格式的描述仅为了方便和简洁，且不应被解释为不可改变地限制公开范围的大小。因此，应考虑对范围的描述，使其明确地公开该范围内所有可能的子范围以及该范围内所有单独的数值。例如，诸如1至6的范围描述应被认为明确公开了诸如1至3、1至4、1至5、2至4、2至6、3至6等的子范围，以及公开了该范围内单独的数值，例如，1、2、3、4、5和6。无论范围多大，以上规定均适用。
任选实施方案的公开
以上所公开的处理天然气进料流的方法的示例性、非限定性实施方案将在下文中公开。
在公开方法的一个实施方案中，控制步骤(c)配置为使PA保持在不大于PF 5％的值。在优选的实施方案中，PA不大于PF 4％。更优选地，PA不大于PF 3％。更优选地，PA不大于PF 2％。在一个优选的实施方案中，PA不大于PF 1％。
在一个实施方案中，PA与PF的压力差不大于选自：0.2MPa、0.19MPa、0.18MPa、0.17MPa、0.16MPa、0.15MPa、0.14MPa、0.13MPa、0.12MPa、0.11MPa、0.10MPa、0.09MPa、0.08MPa、0.07MPa、0.06MPa、0.05MPa、0.04MPa、0.03MPa、0.025MPa、0.02MPa和0.01MPa的压力。
在一个实施方案中，天然气进料流可包含C1-C6烷烃、CO2、H2S、和水(H2O)。天然气可含有约3％至约85％的酸性气体，即，CO2或H2S或其混合物。在其他实施方案中，天然气原料可含有至少约5％、约10％、约15％、约20％、约25％、约30％、约35％、约40％、约45％、约50％、约55％、约60％、约65％、约70％、约75％、约80％和至少约85％的酸性气体。在一个实施方案中，天然气原料可含有约9％至约61％的酸性气体。
在一个实施方案中，在经过步骤(a)之前，所述公开的方法还包括步骤(d)，将天然气进料流加热至计算露点或该计算露点以上。在一个实施方案中，可以根据天然气进料流的组分计算露点。在另一个实施方案中，可以根据去除酸性气体部分的改性天然气进料流组分来计算露点。有利地，通过根据改性组分计算露点，该计算露点将会更接近酸性气体被吸入吸收剂之后的天然气状态的近似值。在一个实施方案中，加热步骤(d)包括将天然气进料流加热至高于计算露点至少5℃的温度。
在一个实施方案中，加热步骤(d)包括以下步骤：(d1)分析天然气进料流的组分；(d2)计算所述天然气原料的露点；以及(d3)将所述天然气进料流加热至计算露点或该计算露点以上的温度。
分析步骤(d1)可包括分析天然气的特定组分，和测定其中存在的各种成分的相对分数。可以通过计算机程序进行该计算。在一个实施方案中，在计算步骤(d2)的过程中，根据由减除了酸性气体成分(例如，CO2和H2S)的天然气原料的分析成分组成的参考天然气组分来计算露点。有利地，进行这种计算改进以得到酸性气体被吸收剂除去(strip)/吸收后的经处理的(脱酸的)天然气的理论露点。这种改进保证了计算得到更精确的露点，并防止操作过程中较重天然气成分在膜上的冷凝(可导致膜结垢)。
在一个实施方案中，控制步骤(C)可进一步包括以下步骤：(c1)测量吸收剂流和天然气流之间的压力差(ΔP)；(c2)比较ΔP与预设值；以及(c3)当测量的压力差(ΔP)大于预设值时，减小吸收剂的流速。
减小步骤(c3)可包括从吸收剂流去除吸收剂。在一个实施方案中，该步骤可包括分流至少一部分正在向膜供应的吸收剂。可将分流传送回到储存区域，例如，吸收剂储存元件。因此，可以减小正在向膜供应的吸收剂的总流速，这导致PA降低。该分流步骤可包括激活一个或多个阀门来转移吸收剂的流体，使其远离所述膜。减小步骤(c3)可包括使吸收剂的流速分步减小，以便使ΔP回到可接受的位于预设值的值或预设值以下的值。
在一个实施方案中，测量的压力差ΔP可以由下列等式(I)表示
等式(I)：ΔP＝PA–PF
其中PA表示进入膜的吸收剂侧的吸收剂的压力；而PF表示通过膜的进料侧的天然气流的压力。在一个实施方案中，ΔP为约0MPa至约0.2MPa的值。在其他实施方案中，ΔP可以是选自：0、0.01MPa、0.02MPa、0.03MPa、0.04MPa、0.05MPa、0.06MPa、0.07MPa、0.08MPa、0.09MPa、0.1MPa、0.11MPa、0.12MPa、0.13MPa、0.14MPa、0.15MPa、0.16MPa、0.17MPa、0.18MPa、0.19MPa和0.20MPa的值。
在所公开的方法中，吸收剂流和天然气流可以以逆流或并流(co-current)的形式接触。
所公开的方法可以用于处理具有1.0MPa至15.0MPa高压的天然气进料流。在某些实施方案中，天然气进料流可表现出选自：1.0MPa、2.0MPa、3.0MPa、4.0MPa、5.0MPa、6.0MPa、7.0MPa、8.0MPa、9.0MPa、10.0MPa、11.0MPa、12.0MPa、13.0MPa、14.0MPa和15.0MPa的压力。在一个实施方案中，天然气原料可表现出至少5.0MPa至约15.0MPa的压力。在另一个实施方案中，天然气原料可表现出至少8.0MPa的压力。在一个实施方案中，天然气原料可表现出至少8.0MPa至12MPa的压力。
在一个实施方案中，吸收剂可以是选自：2,2-甲基二乙醇胺(MDEA)、二乙醇胺(DEA)、二乙烯三胺(DETA)、三乙烯四胺(TETA)或其混合物的胺溶液。在另一个实施方案中，吸收剂可以是选自：鏻、铵、吡啶鎓和咪唑鎓离子液体的离子液体。在另一个实施方案中，吸收剂是海水。
所公开的方法可以包括在加热步骤(d)之前进行的另外的预处理步骤。示例性的预处理步骤可包括，但不限于重力分离、气/液分离和过滤。有利地，预处理后的天然气优选地不含有尺寸大于膜接触器中使用的膜的孔径的液体颗粒或其他颗粒物。
上文所公开的处理天然气进料流的系统的示例性、非限定性实施方案将在下文中公开。
在一个实施方案中，控制工具可包括至少一个压力分析器，其配置为测量吸收剂流和天然气流之间的压力差(ΔP)，其中ΔP＝PA-PF。所述压力分析器可以包括多个装配在处理系统中适当选择的位置的压力传感器，用于测量吸收剂流和天然气流的压力。例如，可以在膜接触器的吸收剂入口提供传感器，以测量供应至膜接触器的吸收剂的压力。也可以在膜接触器的进料出口提供传感器，用于测量排出膜接触器的产物天然气的压力。所述压力分析器还可以包括电子工具，例如，配置计算机来接收来自压力传感器的压力值，并计算吸收剂流与天然气流的压力差(ΔP)。
在一个实施方案中，可以将压力分析器操作地与流体控制器连接，所述流体控制器配置为从吸收剂流去除吸收剂。例如，流体控制器可以配置为当测量的ΔP大于预设值时减小吸收剂的流速。所公开的系统还可以包括至少一条分流路径，用于分流至少一部分正在向膜接触器传输的吸收剂。由于分流，可以减小正在向膜接触器供应的吸收剂的总流速，因此导致吸收剂压力PA降低。在一些实施方案中，可以沿所述分流路径装配至少一个或多个阀门，并且可以通过流体控制器激活这些分流阀门，使其开启或关闭至不同的程度，以实现吸收剂的流速减小。例如，当ΔP大于预设值时，可以程序控制流体控制器开启分流阀门，使一部分吸收剂从膜接触器分流，其中，谨慎控制分流量以便使ΔP回到可接受的位于预设值的值或预设值以下的值。
在一些实施方案中，预设值为约0MPa至约0.2MPa的整数值。在一个实施方案中，设定点选为0.08MPa。
在某些所公开系统的实施方案中，可以提供加热工具，在天然气流进入膜接触器之前对其进行加热。可以将加热工具操作地与包括分析器和温度控制器的温度控制系统连接。分析器可以配置为计算天然气进料流的露点。可以将计算露点转发(relay)至依次配置为控制加热工具的温度控制器，以便将天然气进料流加热至该计算露点或该计算露点以上。
该计算步骤可包括分析天然气的特定组分，和测定其中存在的各种成分的相对分数。可以通过计算机程序进行该计算。在一个实施方案中，根据由减除了酸性气体成分(例如，CO2和H2S)的天然气原料的分析成分组成的参考天然气组分来计算露点。有利地，做出这种计算改进以得到酸性气体被吸收剂除去/吸收后的通过膜接触器的天然气的露点。这种改进保证了计算得到更精确的露点，并防止操作过程中较重天然气成分在膜上的冷凝，否则其可导致膜结垢。在一个实施方案中，加热工具配置为将天然气原料加热至高于计算露点至少5℃，以便为估算误差提供足够的缓冲。
加热工具可包含一个或多个选自以下的热交换器：壳式和管式热交换器、板式热交换器、板式和翅式热交换器、板式和壳式热交换器、废热交换器、绝热式热交换器和管式热交换器。在一个实施方案中，在通过热交换器之后，天然气流基本不含有液体颗粒或液滴。
在另一个实施方案中，膜接触器用作热交换的容器。例如，被传送到膜接触器中的吸收剂液体可以被充分加热，以便将通过膜接触器的天然气的温度升高至其计算露点或比该计算露点高至少5℃。
膜接触器内可以装配一个或多个渗透膜。渗透膜可以由基本微孔性和疏水聚合物材料组成。在其他实施方案中，可以表面处理渗透膜，以赋予其表面疏水性。渗透膜的聚合物材料可以选自，聚丙烯(PP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚砜(PS)、聚乙烯酰亚胺(PEI)、聚酰胺/聚酰亚胺、醋酸纤维素或其共聚物。渗透膜可以以螺旋型结构、级联片状结构或中空纤维结构提供。各个膜可以由相同或不同的聚合物材料制成。优选地，所选择的膜应表现出大的表面积，并且应基本与吸收剂相容，使膜的结垢或润湿最小化。在一个实施方案中，渗透膜为PVDF中空纤维膜。在其他实施方案中，渗透膜优选为诸如PTFE膜的低表面能膜。PTFE膜可以是表面改性的膜，以降低其表面能量。在一个实施方案中，中空纤维膜的孔隙率为15％至70％，且平均孔径为0.01-2.0μm。
膜接触器可包含传送气态天然气流的管侧(经由管侧传送)，和用相对于管侧逆流的流体传送吸收剂的壳侧，反之亦然。在其他实施方案中，膜接触器可以配置为使天然气与吸收剂以并流形式流动。
所公开的用于处理天然气的系统还可以包括位于热交换器上游的预处理元件。示例性的预处理元件可包括，但不限于，重力分离器、气/液分离器和过滤器。有利地，预处理后的天然气优选地不含有尺寸大于膜接触器中使用的膜的孔径的液体颗粒或其他颗粒物。
附图简述
附图说明了所公开的实施方案，并用于解释所公开实施方案的原理。然而，应理解附图仅设计用于说明的目的，且并非作为限制本发明的定义。
图1为公开的用于处理天然气原料以便从中去除酸气的系统的示意图。
附图详述
图1描述了根据本发明的天然气处理系统10的示意图。天然气原料2是含有C1-C6烷烃、CO2、H2S和水的混合物的高压气态流(1.0MPa至15.0MPa)。沿系统10的各个部分装配了一系列阀门4，来控制通过系统10的天然气的流速。
系统10的上游提供了预处理部分，所述预处理部分包括重力分离器6、气/液分离器8和过滤器16。重力分离器6通过沉降过程去除了可存在于天然气原料2中的大颗粒物。然后将天然气原料2传送至气/液分离器8，其中原料2的任何液体成分随液体流12移除。然后将流出的天然气流14传送至过滤器16以进一步去除夹带的大颗粒物。过滤器16可具有1nm至100nm的筛目尺寸。在一个实施方案中，过滤器具有10nm(0.01微米)的筛目尺寸。
然后，向热交换器24输送过滤的天然气。将热交换器24操作地连接至与温度控制系统28串联运行的组分分析器26。操作时，分析器26用于检测各种天然气原料2中包含的成分。测定特定组分并将该信息转发至温度控制系统28。根据转发的组分信息，温度控制系统28能够计算出天然气原料2的理论露点。温度控制系统28使用计算露点来控制热交换器24的加热负荷，以便将天然气原料2加热至其计算露点或该计算露点以上。在一个实施方案中，将天然气原料2加热至高于其计算露点至少5℃的温度。
然后使加热的天然气流18向膜接触器32传送。膜接触器32包含多个装配在其外壳内的中空纤维膜组件。中空纤维膜限定了用于接收加压的胺吸收剂44流入的壳侧，和用于接收高压、加热的天然气流18的管侧。在一个实施方案中，膜接触器32配置为使天然气流18和加压的胺吸收剂44以逆流模式流动。
操作时，高压泵42用于将加压的胺吸收剂44供应至膜接触器32。提供了压力差控制系统，其用于细微地调节和控制加压胺吸收剂44的压力。压力差控制系统包括压力控制器48，其能够接收胺入口和产物天然气36的压力值信息。压力控制器48将胺44和天然气36的压力值进行比较，并生成压力差值ΔP，其中ΔP＝PA–PF。PA表示测量的胺吸收剂44的压力，而PF表示天然气36的压力。将预设值输入压力控制器48。如果ΔP超过输入的设定点，则压力控制器用于开启阀门46来将至少一部分胺吸收剂44分流回到贫胺源38中。通过这样做，降低了胺吸收剂44的压力。显然，阀门46在足以使ΔP值回到预设值或预设值以下的值的水平开启。然后随着富胺流34，从膜接触器32去除富胺，即，高浓度酸性气体饱和/含有高浓度酸性气体的胺。虽然未在图1中示出，可以将富胺流34传送至再生器元件，在该处，将酸性气体从富胺流34去除(例如，通过加热)，以再生贫胺，用于处理系统10。
实施例
通过引用具体实施例进一步对本发明的非限定性实例进行更详细的描述，其不应被解释为以任何方式限定本发明的范围。
实施例1
用本发明公开的系统处理经重力分离、气/液分离、过滤和加热预处理的天然气原料。使用气体组分分析器(例如，ABB TotalFlow，Gas Chromatograph，NGC 8209)来分析原料组分。表1中提供了天然气原料的详细组分数据。
通过模拟计算，天然气(无酸性气体)计算露点为-2.9℃。在这种情况下，由于经预处理的天然气的温度高于计算露点，天然气不经过另外加热被传送至膜接触器中。
膜接触器中使用多孔、中空纤维、PTFE膜。测量的静态表面水接触角为约110°，且膜的平均孔径为0.1μm。PTFE膜的孔隙率为约40％，且使用的吸收剂为具有40％质量分数的2,2-甲基二乙醇胺(MDEA)，并将其温度保持在30℃。
天然气从顶部至底部通过膜接触器的管侧，而MDEA吸收剂经由壳侧从膜接触器的底部向顶部供应。在稳态时，膜接触器中天然气的压力为约40.0atm(4.053MPa)，而MDEA的压力为约40.5atm(4.104MPa)。
表1还示出了从上述处理配置得到的产物天然气的组分。
表1
实施例2
按照实施例1测定经预处理的天然气原料的组分，且表2中提供了其组分。
天然气(无酸性气体)的计算露点为约27.8℃。经预处理的天然气的温度为25℃，且低于计算露点。因此，在将天然气传送至膜接触器中之前，通过热交换器对其进行加热。
在该实施例中，使用经改性而赋予了疏水性的微孔性、中空纤维PTFE膜。测量静态表面水接触角为130°。平均孔径为0.2μm，且膜的孔隙率为60％。使用的吸收剂为具有30％质量分数的二乙醇胺(DEA)，并保持在35℃的温度。天然气从顶部至底部通过膜接触器的管侧，而吸收剂从底部至顶部通过壳侧。
在稳态条件时，膜接触器中天然气压力为约60.0atm(6.08MPa)，而吸收剂压力为60.5atm(6.13MPa)。
表2中也提供了产物天然气的组分。
表2
应用
与常规天然气处理方法(例如，使用吸收柱的那些方法)相比，所公开的系统和方法具有诸多优于常规系统的优点，包括占用更少空间的紧密结构、更低的能耗、改善的酸性气体去除效率，减少的产物气体损失，并且还能够独立地控制系统中气体和液体的流速。另外，所公开的压力控制系统允许所公开的系统和方法用于处理高压天然气原料，膜没有结垢、污染和腐蚀的风险。因此，在天然气纯化，特别是海洋位点的天然气提取中，所公开的方法和系统具有广阔的应用前景。
显然，在阅读前述公开内容后，在不偏离本发明的主旨和范围的情况下，其他各种对本发明的改进和改变对于本领域技术人员是显而易见的，并且所有的这类改进和改变在所附权利要求的范围内。

Claims (36)

1.从天然气流去除酸性气体的方法，所述方法包括以下步骤：
a.使包含天然气和酸性气体的天然气进料流以进料压力(PF)通过膜的进料侧，其中所述天然气进料流处于1.0MPa至15.0MPa的压力；
b.使包含吸收剂流体的吸收剂流在与所述进料侧相反的所述膜的吸收剂侧上通过以从所述天然气流去除酸性气体，其中所述吸收剂流的压力处于吸收剂压力(PA)；
c.控制所述进料压力(PF)与所述吸收剂压力(PA)的至少一个，以便使所述吸收剂压力(PA)基本等于或大于所述进料压力(PF)并且不允许所述吸收剂流体留在所述膜的孔中。
2.如权利要求1所述的方法，其中吸收剂压力(PA)与进料压力(PF)的差不大于0.2MPa。
3.如权利要求1所述的方法，其中吸收剂压力(PA)与进料压力(PF)的差不大于0.15MPa。
4.如权利要求1所述的方法，其中吸收剂压力(PA)与进料压力(PF)的差不大于0.1MPa。
5.如权利要求1所述的方法，其中吸收剂压力(PA)与进料压力(PF)的差不大于0.05MPa。
6.如权利要求1所述的方法，其中吸收剂压力(PA)与进料压力(PF)的差不大于0.025MPa。
7.根据权利要求1所述的方法，其还包括步骤(a)之前的步骤(d)：将所述天然气进料流加热至所述天然气进料流的计算露点或所述计算露点以上。
8.根据权利要求7所述的方法，其中步骤(d)包括将所述天然气进料流加热至高于所述计算露点至少5℃的温度。
9.根据权利要求8所述的方法，其中步骤(c)包括以下步骤：
(c1)测量所述吸收剂流与所述天然气进料流之间的压力差；
(c2)将所述压力差与预设值进行比较；以及
(c3)当所述测量的压力差大于所述预设值时，减小所述吸收剂的流速。
10.根据权利要求9所述的方法，其中步骤(c3)包括从所述吸收剂流去除吸收剂。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述测量的压力差指ΔP值，其中ΔP＝PA–PF。
12.根据权利要求11所述的方法，其中ΔP为0MPa至0.2MPa的值。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述吸收剂流与所述天然气进料流以逆流形式接触。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述天然气进料流的压力为至少5MPa。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述天然气进料流的压力为5MPa至15MPa。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述天然气进料流的压力为8MPa至12MPa。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述天然气进料流含有3％至85％的酸性气体。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述吸收剂流包含胺溶液。
19.从天然气流去除酸性气体的系统，所述系统包括：
包含膜阵列的膜接触器，各个膜具有进料侧和与所述进料侧相反的吸收剂侧；
包含天然气和酸性气体的天然气进料流，其与所述膜的进料侧流体连通并处于进料压力(PF)，其中所述天然气进料流处于1.0MPa至15.0MPa的压力；
包含吸收剂流体的吸收剂流，其与所述膜的吸收剂侧流体连通并处于吸收剂压力(PA)；
控制工具，其用于控制所述进料压力(PF)与所述吸收剂压力(PA)的至少一个，以便使所述吸收剂压力(PA)基本等于或大于所述进料压力(PF)并且不允许所述吸收剂流体留在所述膜的孔中。
20.如权利要求19所述的系统，其中吸收剂压力(PA)与进料压力(PF)的差不大于0.2MPa。
21.如权利要求19所述的系统，其中吸收剂压力(PA)与进料压力(PF)的差不大于0.15MPa。
22.如权利要求19所述的系统，其中吸收剂压力(PA)与进料压力(PF)的差不大于0.1MPa。
23.如权利要求19所述的系统，其中吸收剂压力(PA)与进料压力(PF)的差不大于0.05MPa。
24.如权利要求19所述的系统，其中吸收剂压力(PA)与进料压力(PF)的差不大于0.025MPa。
25.根据权利要求19所述的系统，其还包括装配在所述膜接触器上游的加热工具，用于将所述天然气进料流加热至所述天然气进料流的计算露点或该计算露点以上。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述加热工具配置为将所述天然气进料流加热至高于所述计算露点至少5℃的温度。
27.根据权利要求26所述的系统，其中所述控制工具包括装配为测量所述天然气进料流与所述吸收剂流之间的压力差(ΔP)的压力分析器，其中ΔP＝PA–PF。
28.根据权利要求27所述的系统，其中将所述压力分析器与能够从所述吸收剂流去除吸收剂的流体控制器操作地连接。
29.根据权利要求28所述的系统，其中所述流体控制器配置为当ΔP大于预设值时从所述吸收剂流去除吸收剂。
30.根据权利要求29所述的系统，其中ΔP的值为0MPa至0.2MPa。
31.根据权利要求19所述的系统，其中所述膜接触器以逆流形式传送所述吸收剂流和所述天然气进料流。
32.根据权利要求19所述的系统，其中所述天然气进料流的压力至少为5MPa。
33.根据权利要求19所述的系统，其中所述天然气进料流的压力为5MPa至15MPa。
34.根据权利要求19所述的系统，其中所述天然气进料流的压力为8MPa至12MPa。
35.根据权利要求19所述的系统，其中所述天然气进料流含有3％至85％的酸性气体。
36.根据权利要求19所述的系统，其中所述吸收剂流包含胺溶液。
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