CN106268176B - 一种原料天然气深度脱碳工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种原料天然气深度脱碳工艺，包括以下步骤：1)对脱碳吸收塔进行充压；2)采用离心泵往吸收塔顶部连续注入循环量的醇胺溶液；3)待脱碳吸收塔的温度、压力稳定后，往脱碳吸收塔底部连续通入原料天然气，CO₂被醇胺溶液吸收脱碳后得到的净化天然气从脱碳吸收塔顶流出；4)吸收了CO₂的醇胺溶液由脱碳吸收塔底排出，经再生系统再生后通过离心泵返回脱碳吸收塔顶部循环利用。本发明提高了系统设计的经济性，节省投资、降低能耗。

Description

一种原料天然气深度脱碳工艺

技术领域

本发明具体涉及一种原料天然气深度脱碳工艺，以醇胺溶液浓度、原料天然气压力、溶液温度为优化参数，给出醇胺溶液循环量最低的技术方案，以达到节省投资、降低能耗。

背景技术

天然气是一种公认的清洁能源，具有发热量高、污染少、使用方便等优点。随着社会经济的发展，天然气的需求量越来越大，对其储存和运输效率提出了更高要求。由于液化天然气的体积仅为液化前标准状况下气体体积的1/600，天然气大规模跨越海洋运输主要是以液化原料天然气的方式进行。

天然气液化之前必须对其进行预处理，其中深度脱碳是预处理的重要环节。通常要求液化前天然气中CO₂含量低于50ppm。目前，天然气脱碳的主要方法是醇胺溶液吸收法，即采用醇胺水溶液吸收原料天然气中CO₂。通常，醇胺水溶液的组成为：醇胺(一乙醇胺、二乙醇胺、甲基二乙醇胺)、活化剂和水。

醇胺溶液循环量是深度脱碳系统的重要设计参数，其数值大小决定了设备投资和装置能耗。醇胺溶液循环量越高，相关设备尺寸就会越大，相应地设备投资和装置能耗就越高。醇胺溶液循环量与溶液浓度、原料天然气压力、溶液温度密切相关，因此有必要研究它们之间的关系，从而寻找到醇胺溶液循环量最低的技术方案。

发明内容

本发明的目的是克服上述技术问题，提高系统设计的经济性。

为此，本发明提供了一种原料天然气深度脱碳工艺，包括以下步骤：

步骤1)对脱碳吸收塔进行充压，使脱碳吸收塔内压力与原料天然气压力一致；

步骤2)采用离心泵往吸收塔顶部连续注入循环量的醇胺溶液；

所述醇胺溶液的循环量确定按以下步骤：

步骤(1)给出优化参数的取值范围：x∈D_x、z∈D_z、t∈D_t、p∈D_p，

式中：

x：醇胺溶液浓度，wt.％；

z：活化剂浓度，wt.％；

t：醇胺溶液温度，℃；

p：原料天然气压力，kPa；

D_x：醇胺溶液浓度取值范围，wt.％；

D_z：活化剂浓度取值范围，wt.％；

D_t：醇胺溶液温度取值范围，℃；

D_p：原料天然气压力取值范围，kPa；

步骤(2)在各优化参数取值范围内，随机组合产生8组优化参数组合数列为初始复合形的8个顶点：

X₁(x₁，z₁，t₁，p₁)；

X₂(x₂，z₂，t₂，p₂)；

·······

X_i(x_i，z_i，t_i，p_i)；

X₈(x₈，z₈，t₈，p₈)；

其中，X_i为第i个优化参数组合数列，1≤i≤8；

x_i为在D_x范围内随机选取的第i个醇胺溶液浓度，wt.％；

z_i为在D_z范围内随机选取的第i个活化剂浓度，wt.％；

t_i为在D_t范围内随机选取的第i个醇胺溶液温度，℃；

p_i为在D_p范围内随机选取的第i个原料天然气压力，kPa；

步骤(3)计算8个顶点各对应的目标函数醇胺溶液循环量V₁，V₂，···，V₈；

步骤(4)将计算出的目标函数值醇胺溶液循环量V₁，V₂，···，V₈，按由大到小顺序排序：

V_H＞V_G＞···＞V_L；

最差点为V_H，次差点为V_G，最优点为V_L，相应地，优化参数组合数列为：X_H，X_G，···，X_L；

X_H(x_H，z_H，t_H，p_H)；

X_G(x_G，z_G，t_G，p_G)；

·······

X_L(x_L，z_L，t_L，p_L)；

步骤(5)计算初始复合形8个顶点的中心点Xs：

然后再计算中心点的目标函数醇胺溶液循环量Vs；

步骤(6)计算终止条件：

式中：

ε：计算精度，取值范围：10^-3～10^-6；

若上式成立，则醇胺溶液最低循环量为V_L，相应地优化参数组合数列为X_L(x_L，z_L，t_L，p_L)；若上式不成立，则进行步骤7)；

步骤(7)计算除去最差点X_H后各顶点中心X_c：

当H≠8时；

当H＝8时；

步骤(8)计算映射点X_R：

X_R＝X_C+α(X_C-X_H)

式中：α为映射系数；

步骤(9)判断映射点X_R(x_R，z_R，t_R，p_R)是否在可行范围内，即：x_R∈D_x，z∈D_z，t_R∈D_t，p_R∈D_p；

式中：

x_R：映射点处醇胺溶液浓度，wt.％；

z_R：映射点处活化剂浓度，wt.％；

t_R：映射点处醇胺溶液温度，℃；

p_R：映射点处原料天然气压力，kPa；

若是在可行范围内，执行步骤(10)；若不在可行范围内，映射系数α减半，按照步骤(8)重新计算映射点；

步骤(10)计算X_R处的目标函数醇胺溶液循环量V_R：

若V_R＜V_H，则用X_R代替最差点X_H，返回步骤(3)重新计算；若V_R≥V_H，映射系数α减半，按照步骤(8)重新计算映射点；若α≤10^-10，用次差点V_G代替最差点V_H，返回步骤(7)；

步骤3)待脱碳吸收塔的温度、压力稳定后，往脱碳吸收塔底部连续通入原料天然气，原料天然气与醇胺溶液在脱碳吸收塔内逆流接触，CO₂被醇胺溶液吸收脱碳后得到的净化天然气从脱碳吸收塔顶流出；

步骤4)吸收了CO₂的醇胺溶液由脱碳吸收塔底排出，经再生系统再生后通过离心泵返回脱碳吸收塔顶部循环利用。

所述目标函数醇胺溶液循环量V₁，V₂，···，V₈，Vs，V_R计算步骤如下：

(1)根据溶解度方程计算出原料天然气中CO₂在醇胺溶液中的平衡溶解度α_c：

溶解度方程：

式中

原料天然气中CO₂分压，kPa；

CO₂亨利系数；

x：醇胺溶液浓度，wt.％；

z：活化剂浓度，wt.％；

α_c：CO₂平衡溶解度，定义为mol CO₂/mol(醇胺+活化剂)；

K₁：醇胺分子在溶液中的电离平衡常数；

K₂：活化剂在溶液中的电离平衡常数；

K₃：CO₂在溶液中的电离平衡常数；

(2)计算CO₂实际溶解度：

α_CO2＝yα_c

式中，α_CO2：CO₂实际溶解度，定义为mol CO₂/mol(醇胺+活化剂)；

y：实际溶解度偏离平衡溶解度的程度；

(3)计算CO₂脱除速率，由原料天然气摩尔流量和原料天然气中CO₂含量计算CO₂脱除速率：

n_co2＝x_co2n

式中：

n_co2：CO₂脱除速率，mol/h；

x_co2：原料天然气中CO₂摩尔分数；

n：原料天然气摩尔流量，mol/h；

(4)计算目标函数醇胺溶液循环量：

式中：

V：目标函数醇胺溶液循环量，m³/h；

n_co2：CO₂脱除速率；

x_m：醇胺溶液摩尔体积，(醇胺+活化剂)mol/m³；

α_CO2：CO₂实际溶解度，mol CO₂/mol(醇胺+活化剂)。

本发明基于复合形优化算法的基本原理，以溶液浓度、原料天然气压力、溶液温度为优化参数，以溶液循环量为目标函数。通过搜索优化参数，确定溶液循环量最低的技术方案，为原料天然气深度脱碳系统的设计提供了科学依据，提高了系统设计的经济性。

下面将结合附图做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图；

图2是醇胺溶液循环量计算流程图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例提供了一种如图1所示原料天然气深度脱碳工艺，包括以下步骤：

步骤1)对脱碳吸收塔进行充压，使脱碳吸收塔内压力与原料天然气压力一致；

步骤2)采用离心泵往吸收塔顶部连续注入循环量的醇胺溶液；

如图2所示，醇胺溶液的循环量确定按以下步骤：

步骤(1)给出优化参数的取值范围：x∈D_x、z∈D_z、t∈D_t、p∈D_p，

式中：

x：醇胺溶液浓度，wt.％；

z：活化剂浓度，wt.％；

t：醇胺溶液温度，℃；

p：原料天然气压力，kPa；

D_x：醇胺溶液浓度取值范围，wt.％；

D_z：活化剂浓度取值范围，wt.％；

D_t：醇胺溶液温度取值范围，℃；

D_p：原料天然气压力取值范围，kPa；

步骤(2)在各优化参数取值范围内，随机组合产生8组优化参数组合数列为初始复合形的8个顶点：

X₁(x₁，z₁，t₁，p₁)；

X₂(x₂，z₂，t₂，p₂)；

·······

X_i(x_i，z_i，t_i，p_i)；

X₈(x₈，z₈，t₈，p₈)；

其中，X_i为第i个优化参数组合数列，1≤i≤8；

x_i为在D_x范围内随机选取的第i个醇胺溶液浓度，wt.％；

z_i为在D_z范围内随机选取的第i个活化剂浓度，wt.％；

t_i为在D_t范围内随机选取的第i个醇胺溶液温度，℃；

p_i为在D_p范围内随机选取的第i个原料天然气压力，kPa；

步骤(3)计算8个顶点各对应的目标函数醇胺溶液循环量V₁，V₂，···，V₈；

步骤(4)将计算出的目标函数值醇胺溶液循环量V₁，V₂，···，V₈，按由大到小顺序排序：

V_H＞V_G＞···＞V_L；

最差点为V_H，次差点为V_G，最优点为V_L，相应地，优化参数组合数列为：X_H，X_G，···，X_L；

X_H(x_H，z_H，t_H，p_H)；

X_G(x_G，z_G，t_G，p_G)；

·······

X_L(x_L，z_L，t_L，p_L)；

步骤(5)计算初始复合形8个顶点的中心点Xs：

然后再计算中心点的目标函数醇胺溶液循环量Vs；

步骤(6)计算终止条件：

式中：

ε：计算精度，取值范围：10^-3～10^-6；

若上式成立，则醇胺溶液最低循环量为V_L，相应地优化参数组合数列为X_L(x_L，z_L，t_L，p_L)；若上式不成立，则进行步骤7)；

步骤(7)计算除去最差点X_H后各顶点中心X_c：

当H≠8时；

当H＝8时；

步骤(8)计算映射点X_R：

X_R＝X_C+α(X_C-X_H)

式中：α为映射系数；

步骤(9)判断映射点X_R(x_R，z_R，t_R，p_R)是否在可行范围内，即：x_R∈D_x，z∈D_z，t_R∈D_t，p_R∈D_p；

式中：

x_R：映射点处醇胺溶液浓度，wt.％；

z_R：映射点处活化剂浓度，wt.％；

t_R：映射点处醇胺溶液温度，℃；

p_R：映射点处原料天然气压力，kPa；

若是在可行范围内，执行步骤(10)；若不在可行范围内，映射系数α减半，按照步骤(8)重新计算映射点；

步骤(10)计算X_R处的目标函数醇胺溶液循环量V_R：

若V_R＜V_H，则用X_R代替最差点X_H，返回步骤(3)重新计算；若V_R≥V_H，映射系数α减半，按照步骤(8)重新计算映射点；若α≤10^-10，用次差点V_G代替最差点V_H，返回步骤(7)；

步骤3)待脱碳吸收塔的温度、压力稳定后，往脱碳吸收塔底部连续通入原料天然气，原料天然气与醇胺溶液在脱碳吸收塔内逆流接触，CO₂被醇胺溶液吸收脱碳后得到的净化天然气从脱碳吸收塔顶流出；

步骤4)吸收了CO₂的醇胺溶液由脱碳吸收塔底排出，经再生系统再生后通过离心泵返回脱碳吸收塔顶部循环利用。

其中，目标函数醇胺溶液循环量V₁，V₂，···，V₈，Vs，V_R计算步骤如下：

(1)根据溶解度方程计算出原料天然气中CO₂在醇胺溶液中的平衡溶解度α_c：

溶解度方程：

式中

原料天然气中CO₂分压，kPa；

CO₂亨利系数；

x：醇胺溶液浓度，wt.％；

z：活化剂浓度，wt.％；

α_c：CO₂平衡溶解度，定义为mol CO₂/mol(醇胺+活化剂)；

K₁：醇胺分子在溶液中的电离平衡常数；

K₂：活化剂在溶液中的电离平衡常数；

K₃：CO₂在溶液中的电离平衡常数；

(2)计算CO₂实际溶解度：

α_CO2＝yα_c

式中，α_CO2：CO₂实际溶解度，定义为mol CO₂/mol(醇胺+活化剂)；

y：实际溶解度偏离平衡溶解度的程度；

(3)计算CO₂脱除速率，由原料天然气摩尔流量和原料天然气中CO₂含量计算CO₂脱除速率：

n_co2＝x_co2n

式中：

n_co2：CO₂脱除速率，mol/h；

x_co2：原料天然气中CO₂摩尔分数；

n：原料天然气摩尔流量，mol/h；

(4)计算目标函数醇胺溶液循环量：

式中：

V：目标函数醇胺溶液循环量，m³/h；

n_co2：CO₂脱除速率；

x_m：醇胺溶液摩尔体积，(醇胺+活化剂)mol/m³；

α_CO2：CO₂实际溶解度，mol CO₂/mol(醇胺+活化剂)。

本发明通过搜索优化参数，确定溶液循环量最低的技术方案，为原料天然气深度脱碳工艺提供了科学依据，提高了系统设计的经济性。

本实施例没有详细叙述的计算方法属本行业的公知技术和常用方法，这里不一一叙述。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种原料天然气深度脱碳工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)对脱碳吸收塔进行充压，使脱碳吸收塔内压力与原料天然气压力一致；

步骤2)采用离心泵往吸收塔顶部连续注入循环量的醇胺溶液；

所述醇胺溶液的循环量确定按以下步骤：

步骤(1)给出优化参数的取值范围：x∈D_x、z∈D_z、t∈D_t、p∈D_p，

式中：

x：醇胺溶液浓度，wt.％；

z：活化剂浓度，wt.％；

t：醇胺溶液温度，℃；

p：原料天然气压力，kPa；

D_x：醇胺溶液浓度取值范围，wt.％；

D_z：活化剂浓度取值范围，wt.％；

D_t：醇胺溶液温度取值范围，℃；

D_p：原料天然气压力取值范围，kPa；

步骤(2)在各优化参数取值范围内，随机组合产生8组优化参数组合数列为初始复合形的8个顶点：

X₁(x₁，z₁，t₁，p₁)；

X₂(x₂，z₂，t₂，p₂)；

·······

X_i(x_i，z_i，t_i，p_i)；

X₈(x₈，z₈，t₈，p₈)；

其中，X_i为第i个优化参数组合数列，1≤i≤8；

x_i为在D_x范围内随机选取的第i个醇胺溶液浓度，wt.％；

z_i为在D_z范围内随机选取的第i个活化剂浓度，wt.％；

t_i为在D_t范围内随机选取的第i个醇胺溶液温度，℃；

p_i为在D_p范围内随机选取的第i个原料天然气压力，kPa；

步骤(3)计算8个顶点各对应的目标函数醇胺溶液循环量V₁，V₂，···，V₈；

步骤(4)将计算出的目标函数值醇胺溶液循环量V₁，V₂，···，V₈，按由大到小顺序排序：

V_H＞V_G＞···＞V_L；

最差点为V_H，次差点为V_G，最优点为V_L，相应地，优化参数组合数列为：X_H，X_G，···，X_L；

X_H(x_H，z_H，t_H，p_H)；

X_G(x_G，z_G，t_G，p_G)；

·······

X_L(x_L，z_L，t_L，p_L)；

步骤(5)计算初始复合形8个顶点的中心点Xs：

然后再计算中心点的目标函数醇胺溶液循环量Vs；

步骤(6)计算终止条件：

式中：

ε：计算精度，取值范围：10^-3～10^-6；

若上式成立，则醇胺溶液最低循环量为V_L，相应地优化参数组合数列为X_L(x_L，z_L，t_L，p_L)；若上式不成立，则进行步骤7)；

步骤(7)计算除去最差点X_H后各顶点中心X_c：

当H≠8时；

当H＝8时；

步骤(8)计算映射点X_R：

X_R＝X_C+α(X_C-X_H)

式中：α为映射系数；

步骤(9)判断映射点X_R(x_R，z_R，t_R，p_R)是否在可行范围内，即：

x_R∈D_x，z∈D_z，t_R∈D_t，p_R∈D_p；

式中：

x_R：映射点处醇胺溶液浓度，wt.％；

z_R：映射点处活化剂浓度，wt.％；

t_R：映射点处醇胺溶液温度，℃；

p_R：映射点处原料天然气压力，kPa；

若是在可行范围内，执行步骤(10)；若不在可行范围内，映射系数α减半，按照步骤(8)重新计算映射点；

步骤(10)计算X_R处的目标函数醇胺溶液循环量V_R：

若V_R＜V_H，则用X_R代替最差点X_H，返回步骤(3)重新计算；若V_R≥V_H，映射系数α减半，按照步骤(8)重新计算映射点；若α≤10^-10，用次差点V_G代替最差点V_H，返回步骤(7)；

步骤3)待脱碳吸收塔的温度、压力稳定后，往脱碳吸收塔底部连续通入原料天然气，原料天然气与醇胺溶液在脱碳吸收塔内逆流接触，CO₂被醇胺溶液吸收脱碳后得到的净化天然气从脱碳吸收塔顶流出；

步骤4)吸收了CO₂的醇胺溶液由脱碳吸收塔底排出，经再生系统再生后通过离心泵返回脱碳吸收塔顶部循环利用；

其中，目标函数醇胺溶液循环量V₁，V₂，···，V₈，Vs，V_R计算步骤如下：

(1)根据溶解度方程计算出原料天然气中CO₂在醇胺溶液中的平衡溶解度α_c：

溶解度方程：

式中

原料天然气中CO₂分压，kPa；

CO₂亨利系数；

x：醇胺溶液浓度，wt.％；

z：活化剂浓度，wt.％；

α_c：CO₂平衡溶解度，定义为mol CO₂/mol(醇胺+活化剂)；

K₁：醇胺分子在溶液中的电离平衡常数；

K₂：活化剂在溶液中的电离平衡常数；

K₃：CO₂在溶液中的电离平衡常数；

(2)计算CO₂实际溶解度：

式中，CO₂实际溶解度，定义为mol CO₂/mol(醇胺+活化剂)；

y：实际溶解度偏离平衡溶解度的程度；

(3)计算CO₂脱除速率，由原料天然气摩尔流量和原料天然气中CO₂含量计算CO₂脱除速率：

式中：

CO₂脱除速率，mol/h；

原料天然气中CO₂摩尔分数；

n：原料天然气摩尔流量，mol/h；

(4)计算目标函数醇胺溶液循环量：

式中：

V：目标函数醇胺溶液循环量，m³/h；

CO₂脱除速率；

x_m：醇胺溶液摩尔体积，(醇胺+活化剂)mol/m³；

CO₂实际溶解度，mol CO₂/mol(醇胺+活化剂)。