CN111732981B - 基于膜分离的闪蒸气脱碳脱水方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天然气处理及加工技术领域，是一种基于膜分离的闪蒸气脱碳脱水方法及装置，该基于膜分离的闪蒸气脱碳脱水方法，按照下述方法进行：富液进入闪蒸罐进行降压闪蒸，膜分离组件中分离出的燃气由膜分离出料管线排出，该装置包括闪蒸罐、除沫罐、热能回收器、空冷器、气液分离器、精细过滤器、换热器、膜分离组件、加热器。本发明能够对天然气脱碳工序产生的富液闪蒸气进行一步法脱碳脱水处理，可使处理后的富液循环使用，处理后的闪蒸干气能够高效、安全地作为燃料气使用，解决了闪蒸气处理运行成本高、管理维护难度大和低热值难以利用的问题，具有安全、省力、简便、高效的特点。

Description

基于膜分离的闪蒸气脱碳脱水方法及装置

技术领域

本发明涉及天然气处理及加工技术领域，是一种基于膜分离的闪蒸气脱碳脱水方法及装置。

背景技术

天然气作为一种清洁能源得到了广泛应用，为满足快速增长的天然气需求，近年来高含碳气田的开发日益增多，如国内吉林长岭气田、大庆徐深气田、中海油东方气田、中石化松南气田、塔里木阿克莫木气田等，按照商品气质外输标准要求，原料气处理需要对其进行脱碳（脱硫）处理，目前国内外气田的天然气脱碳主流工艺仍以醇胺法为主，为满足循环使用，吸收CO₂的醇胺溶液（富液）需经降压闪蒸后进行再生，而富液降压过程中会出现一部分闪蒸气，由于闪蒸气压力低（0.8MPa至1.4MPa）、温度高、高含CO₂（CO₂体积含量40%至70%），若利用贫液再吸收循环量大、能耗高、效果差。

目前常用的解决办法主要有三种，第一种是通过压缩机增压后返回至原料气入口进入脱碳吸收塔；第二种是通过低压放空火炬系统放烧；第三种是掺混至燃料气系统。第一种方式虽能较好的解决闪蒸气的出路，但需要增设压缩机，投资高、能耗高、设备多、管理维护难度大，运行成本高（达到0.5元/立方）；而第二种方式因闪蒸气温度高（65℃至85℃）、高含碳、饱和含水，放空过程中因温降会析出大量的游离水，最终在管线里积聚，会加快管道腐蚀，冬季极易造成冻堵，存在较大安全隐患，且高含CO₂会存在燃烧不完全的现象，会造成环境污染和资源浪费现象；第三种方式不经脱碳脱水处理掺混至燃料气系统，由于CO₂含量高，掺混后会使得燃料气热值降低，影响燃气设备效率，造成热负荷不够，影响处理厂供热系统平稳运行，且闪蒸气饱和含水，极易造成冻堵，为避免腐蚀整个燃料气系统（包括燃气设备）需要选用耐CO₂的材质，会造成投资增加。

发明内容

本发明提供了一种基于膜分离的闪蒸气脱碳脱水方法及装置，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决天然气脱碳工艺中现有存在富液闪蒸气脱碳脱水投资高、能耗高、设备多、冻堵、污染、管理维护难度大且存在较大安全隐患的问题。

本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种基于膜分离的闪蒸气脱碳脱水方法，按照下述方法进行：第一步，天然气脱碳工序中产生的富液进入闪蒸罐进行降压闪蒸，闪蒸后得到的液体由再生管线排出，闪蒸后得到的闪蒸气进入除沫罐进行除沫；第二步，除沫后的闪蒸气进入热能回收器的管程中进行换热降温后，由热能回收出料管线进入空冷器进行冷却；第三步，空冷器中冷却后的闪蒸气进入气液分离器中进行气液分离；第四步，气液分离器中分离出的液体由分离器出料管线排出，气液分离器中分离出的气体由精细过滤器进料管线进入精细过滤器；第五步，经精细过滤器过滤后的气体进入热能回收器的壳程中与热能回收进料管线中进入热能回收器管程中除沫后的闪蒸气进行换热升温，在热能回收器中换热升温后的气体进入换热器的壳程中继续升温；第六步，换热器中升温后的气体由膜分离进料管线进入膜分离组件中进行分离，膜分离组件中分离出的含水CO₂尾气由去酸气系统管线排出，膜分离组件中分离出的燃气由膜分离出料管线排出。

本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种基于膜分离的闪蒸气脱碳脱水方法的装置，包括闪蒸罐、除沫罐、热能回收器、空冷器、气液分离器、精细过滤器、换热器、膜分离组件、加热器，闪蒸罐中部进口固定连通有进液管线，闪蒸罐底部出口固定连通有再生管线，除沫罐坐在闪蒸罐上且闪蒸罐顶部出口与除沫罐底部进口固定相连通，除沫罐顶部出口与热能回收器中部进口之间固定连通有热能回收进料管线，热能回收器中部出口与空冷器中部进口之间固定连通有热能回收出料管线，空冷器中部出口与气液分离器中部进口之间固定连通有空冷器出料管线，气液分离器底部固定连通有分离器出料管线，气液分离器顶部出口与精细过滤器进口之间固定连通有精细过滤器进料管线，精细过滤器出口与热能回收器顶部进口之间固定连通有过滤器出料管线，换热器底部进口固定连通有循环进料管线，换热器底部出口固定连通有循环出料管线，热能回收器底部出口与换热器中部进口之间固定连通有换热器进料管线，换热器中部出口与膜分离组件中部进口之间固定连通有膜分离进料管线，膜分离组件中部出口固定连通有膜分离出料管线，膜分离进料管线上固定连通有排液管线，膜分离组件底部固定连通有去酸气系统管线，膜分离出料管线上固定连通有一号放空管线，去酸气系统管线与一号放空管线之间固定连通有二号放空管线，排液管线进口右侧的膜分离进料管线与加热器中部出口之间固定连通有加热器出料管线，加热器中部进口固定连通有加热器进料管线。

下面是对上述发明技术方案之二的进一步优化或/和改进：

上述热能回收器和换热器均为管壳结构。

上述膜分离组件为中空纤维膜。

上述闪蒸罐中部右侧固定安装有闪蒸液位计，再生管线上固定安装有再生控制阀，热能回收进料管线上依次固定安装有CO₂分析仪、闪蒸气压力表、闪蒸气控制阀，气液分离器下部固定安装有分离器液位计，分离器出料管线上固定安装有分离器控制阀，加热器出料管线上依次固定安装有加热温度计、单向阀，膜分离组件中部出口与一号放空管线进口之间的膜分离出料管线上固定安装有CO₂分析仪，一号放空管线进口右侧的膜分离出料管线上依次固定安装有膜分离压力表、膜分离控制阀，循环进液管线上固定安装有循环控制阀，换热器中部出口与排液管线进口之间的膜分离进料管线上依次固定安装有换热温度计、换热压力表，排液管线上固定安装有排液控制阀。

上述还包括控制柜，控制柜第一信号输入端与闪蒸液位计信号输出端电连接，控制柜第一信号输出端与再生控制阀信号输入端电连接，控制柜第二信号输入端与闪蒸气压力表信号输出端电连接，控制柜第二信号输出端与闪蒸气控制阀信号输入端电连接，控制柜第三信号输入端与分离器液位计信号输出端电连接，控制柜第三信号输出端与分离器控制阀信号输入端电连接，控制柜第四信号输入端与膜分离压力表信号输出端电连接，控制柜第四信号输出端与膜分离控制阀信号输入端电连接，控制柜第五信号输入端与换热温度计信号输出端电连接，控制柜第五信号输出端与循环控制阀信号输入端电连接，控制柜第六信号输入端与换热压力表信号输出端电连接，控制柜第六信号输出端与排液控制阀信号输入端电连接，控制柜第七信号输入端与加热温度计信号输出端电连接，控制柜第七信号输出端与加热器信号输入端电连接。

本发明能够对天然气脱碳工序产生的富液闪蒸气进行一步法脱碳脱水处理，可使处理后的富液循环使用，处理后的闪蒸干气能够高效、安全地作为燃料气使用，解决了闪蒸气处理运行成本高、管理维护难度大和低热值难以利用的问题，具有安全、省力、简便、高效的特点。

附图说明

附图1为本发明最佳实施例的工艺流程示意图。

附图中的编码分别为：1为闪蒸罐，2为除沫罐，3为热能回收器，4为空冷器，5为气液分离器，6为精细过滤器，7为换热器，8为膜分离组件，9为进液管线，10为再生管线，11为热能回收进料管线，12为热能回收出料管线，13为空冷器出料管线，14为分离器出料管线，15为精细过滤器进料管线，16为过滤器出料管线，17为循环进料管线，18为循环出料管线，19为换热器进料管线，20为膜分离进料管线，21为膜分离出料管线，22为排液管线，23为去酸气系统管线，24为一号放空管线，25为二号放空管线，26为控制柜，27为单向阀，28为CO₂分析仪，29为加热器，30为加热器出料管线，31为加热器进料管线，32为闪蒸液位计，33为再生控制阀，34为闪蒸气压力表，35为闪蒸气控制阀，36为分离器液位计，37为分离器控制阀，38为加热温度计，39为膜分离压力表，40为膜分离控制阀，41为循环控制阀，42为换热温度计，43为换热压力表，44为排液控制阀。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。本发明中所提到各种化学试剂和化学用品如无特殊说明，均为现有技术中公知公用的化学试剂和化学用品。

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例1：如附图1所示，该基于膜分离的闪蒸气脱碳脱水方法，按照下述方法进行：第一步，天然气脱碳工序中产生的富液进入闪蒸罐1进行降压闪蒸，闪蒸后得到的液体由再生管线10排出，闪蒸后得到的闪蒸气进入除沫罐2进行除沫；第二步，除沫后的闪蒸气进入热能回收器3的管程中进行换热降温后，由热能回收出料管线12进入空冷器4进行冷却；第三步，空冷器4中冷却后的闪蒸气进入气液分离器5中进行气液分离；第四步，气液分离器5中分离出的液体由分离器出料管线14排出，气液分离器5中分离出的气体由精细过滤器进料管线15进入精细过滤器6；第五步，经精细过滤器6过滤后的气体进入热能回收器3的壳程中与热能回收进料管线11中进入热能回收器3管程中除沫后的闪蒸气进行换热升温，在热能回收器3中换热升温后的气体进入换热器7的壳程中继续升温；第六步，换热器7中升温后的气体由膜分离进料管线20进入膜分离组件8中进行分离，膜分离组件8中分离出的含水CO₂尾气由去酸气系统管线23排出，膜分离组件8中分离出的燃气由膜分离出料管线21排出。

现有技术中，天然气脱碳装置中存在的富液闪蒸气脱碳脱水投资高、能耗高、设备多、处理运行成本高、管理维护难度大且存在较大安全隐患；本发明根据富液闪蒸气温度高、压力低、饱和含水、高含碳及夹带泡沫等特点，另厂内燃料气需要从外输产品气取气，通常外输气压力较高，需调压后方可作为燃料气，压力能得不到较好的利用，基于相态平衡和膜分离组合处理装置，采用除沫、空冷、预分离、过滤、换热及膜分离组合工艺技术，对富液闪蒸气实现一步法脱碳、脱水，处理后的闪蒸干气能够高效、安全地作为燃料气使用，处理后的富液能够循环使用，节能环保。本发明基于膜分离的闪蒸气脱碳脱水方法及装置通过换热网络优化和能量梯级利用，做到能量高效利用，最大程度的实现了节能降耗，本发明按照工艺流程及最优水力和热力学布置进行有机组合，使得机电一体化高度集成，具备自动控制、远程监控。

实施例2：如附图1所示，该基于膜分离的闪蒸气脱碳脱水方法的装置，包括闪蒸罐1、除沫罐2、热能回收器3、空冷器4、气液分离器5、精细过滤器6、换热器7、膜分离组件8、加热器29，闪蒸罐1中部进口固定连通有进液管线9，闪蒸罐1底部出口固定连通有再生管线10，除沫罐坐在闪蒸罐1上且闪蒸罐1顶部出口与除沫罐2底部进口固定相连通，除沫罐2顶部出口与热能回收器3中部进口之间固定连通有热能回收进料管线11，热能回收器3中部出口与空冷器4中部进口之间固定连通有热能回收出料管线12，空冷器4中部出口与气液分离器5中部进口之间固定连通有空冷器出料管线13，气液分离器5底部固定连通有分离器出料管线14，气液分离器5顶部出口与精细过滤器6进口之间固定连通有精细过滤器进料管线15，精细过滤器6出口与热能回收器3顶部进口之间固定连通有过滤器出料管线16，换热器7底部进口固定连通有循环进料管线17，换热器7底部出口固定连通有循环出料管线18，热能回收器3底部出口与换热器7中部进口之间固定连通有换热器进料管线19，换热器7中部出口与膜分离组件8中部进口之间固定连通有膜分离进料管线20，膜分离组件8中部出口固定连通有膜分离出料管线21，膜分离进料管线20上固定连通有排液管线22，膜分离组件8底部固定连通有去酸气系统管线23，膜分离出料管线21上固定连通有一号放空管线24，去酸气系统管线23与一号放空管线24之间固定连通有二号放空管线25，排液管线22进口右侧的膜分离进料管线20与加热器29中部出口之间固定连通有加热器出料管线30，加热器29中部进口固定连通有加热器进料管线31。

本发明中，可安装备用的膜分离组件8，当一组膜分离组件8进行再生时，可继续使用另一组膜分离组件8，确保膜分离工序正常进行。闪蒸罐1与除沫罐2可集成在一起，除沫罐2的长度可为0.5m至1.0m，除沫罐2的公称直径通常为管道直径的5倍至8倍，公称直径不少于200mm，除沫罐2内装有耐CO₂腐蚀的散堆或规整填料。精细过滤器6与气液分离器5可集成在一起，精细过滤器6可选用玻璃纤维及微纤维的滤芯，精细过滤器6的过滤精度可为0.1μm至0.5μm以上的液滴。加热器29可选用电加热器或以导热油、蒸汽作为热源。本发明可根据需要安装流量计、阀门、撬装底座来更安全有效的对富液闪蒸气进行脱碳脱水。

实施例3：如附图1所示，作为上述实施例的优化，热能回收器3和换热器7均为管壳结构。换热器7可采用导热油或蒸汽作为热源。一般富液闪蒸气温度为65℃至85℃，当闪蒸气温度较高，达到75℃至85℃时，能使热能回收器3中输出的气体温度达到70℃至80℃时，根据实际情况，换热器7可不工作，由热能回收器3输出的气体可直接进入膜分离组件8进行处理。

实施例4：如附图1所示，作为上述实施例的优化，膜分离组件8为中空纤维膜。膜分离组件8可选用直径为φ130mm，长度为1100mm的脱碳专用中空纤维膜，当处理气量为25000m³/d，压力为1.0MPa至1.2MPa时，可选用10根膜并联运行，膜分离进料管线20中产品气甲烷收率可达90%至95%，水露点可为-5℃至-10℃，膜分离组件8的气体出口可设置取样口、水露点分析仪或CO₂分析仪28，可根据甲烷收率和水露点要求来增减膜分离组件8中膜的根数，以便掌握膜分离组件8的气体出口CO₂含量，更好的控制脱碳效果。可采用压缩空气或氮气对膜分离组件8进行再生，压缩空气或氮气的压力可为0.4MPa至1.0MPa，可用加热器29对压缩空气或氮气进行加热，可控制膜分离组件8的再生温度为60℃至80℃，按照单组膜处理气量2000m³/d计算，在温度为20℃、压力为101.325kPa时，膜分离组件8的再生气量可为20m³/h至50m³/h，再生周期可为3d至5d，当膜分离组件8进行再生时，膜分离进料管线20内的气体可由排液管线22排出至低压火炬系统放烧。

实施例5：如附图1所示，作为上述实施例的优化，闪蒸罐1中部右侧固定安装有闪蒸液位计32，再生管线10上固定安装有再生控制阀33，热能回收进料管线11上依次固定安装有CO₂分析仪28、闪蒸气压力表34、闪蒸气控制阀35，气液分离器5下部固定安装有分离器液位计36，分离器出料管线14上固定安装有分离器控制阀37，加热器出料管线30上依次固定安装有加热温度计38、单向阀27，膜分离组件8中部出口与一号放空管线24进口之间的膜分离出料管线21上固定安装有CO₂分析仪28，一号放空管线24进口右侧的膜分离出料管线21上依次固定安装有膜分离压力表39、膜分离控制阀40，循环进液管线17上固定安装有循环控制阀41，换热器7中部出口与排液管线22进口之间的膜分离进料管线20上依次固定安装有换热温度计42、换热压力表43，排液管线22上固定安装有排液控制阀44。

实施例6：如附图1所示，作为上述实施例的优化，还包括控制柜26，控制柜26第一信号输入端与闪蒸液位计32信号输出端电连接，控制柜26第一信号输出端与再生控制阀33信号输入端电连接，控制柜26第二信号输入端与闪蒸气压力表34信号输出端电连接，控制柜26第二信号输出端与闪蒸气控制阀35信号输入端电连接，控制柜26第三信号输入端与分离器液位计36信号输出端电连接，控制柜26第三信号输出端与分离器控制阀37信号输入端电连接，控制柜26第四信号输入端与膜分离压力表39信号输出端电连接，控制柜26第四信号输出端与膜分离控制阀40信号输入端电连接，控制柜26第五信号输入端与换热温度计42信号输出端电连接，控制柜26第五信号输出端与循环控制阀41信号输入端电连接，控制柜26第六信号输入端与换热压力表43信号输出端电连接，控制柜26第六信号输出端与排液控制阀44信号输入端电连接，控制柜26第七信号输入端与加热温度计38信号输出端电连接，控制柜26第七信号输出端与加热器29信号输入端电连接。控制柜26可采用RTU（远程测控终端）或PLC控制系统，通过RS485接口与上位机通讯，实现自动化控制。

本发明包括闪蒸气处理和膜再生两部分，可根据实际工况确定是否需要设置再生流程或采用可拆式，拉运至工厂再生，可采用撬装结构，闪蒸罐1可单独安装，操作方便，维护简单，膜分离组件8可再生使用，充分节约资源，安全高效、经济实用，假设处理厂富液闪蒸气为25000m³/d， CO₂含量为60%，通过本发明处理后，若CO₂脱除率为85%（可调），年燃气回收气量约405×104m³，每年创效约400万元，具有很好的经济效益，本发明主要用于高含碳气田脱碳工序富液闪蒸气的脱碳脱水，也可用在与本工况相类似的需要脱碳、脱水的单井或集输站场等场合，具有十分广阔的应用前景。

综上所述，本发明能够对天然气脱碳工序产生的富液闪蒸气进行一步法脱碳脱水处理，可使处理后的富液循环使用，处理后的闪蒸干气能够高效、安全地作为燃料气使用，解决了闪蒸气处理运行成本高、管理维护难度大和低热值难以利用的问题，具有安全、省力、简便、高效的特点。

以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

Claims (6)

1.一种基于膜分离的闪蒸气脱碳脱水方法，其特征在于按照下述方法进行：第一步，天然气脱碳工序中产生的富液进入闪蒸罐进行降压闪蒸，闪蒸后得到的液体由再生管线排出，闪蒸后得到的闪蒸气进入除沫罐进行除沫；第二步，除沫后的闪蒸气进入热能回收器的管程中进行换热降温后，由热能回收出料管线进入空冷器进行冷却；第三步，空冷器中冷却后的闪蒸气进入气液分离器中进行气液分离；第四步，气液分离器中分离出的液体由分离器出料管线排出，气液分离器中分离出的气体由精细过滤器进料管线进入精细过滤器；第五步，经精细过滤器过滤后的气体进入热能回收器的壳程中与热能回收进料管线中进入热能回收器管程中除沫后的闪蒸气进行换热升温，在热能回收器中换热升温后的气体进入换热器的壳程中继续升温；第六步，换热器中升温后的气体由膜分离进料管线进入膜分离组件中进行分离，膜分离组件中分离出的含水CO₂尾气由去酸气系统管线排出，膜分离组件中分离出的燃气由膜分离出料管线排出。

2.一种实施根据权利要求1所述的基于膜分离的闪蒸气脱碳脱水方法的装置，其特征在于包括闪蒸罐、除沫罐、热能回收器、空冷器、气液分离器、精细过滤器、换热器、膜分离组件、加热器，闪蒸罐中部进口固定连通有进液管线，闪蒸罐底部出口固定连通有再生管线，除沫罐坐在闪蒸罐上且闪蒸罐顶部出口与除沫罐底部进口固定相连通，除沫罐顶部出口与热能回收器中部进口之间固定连通有热能回收进料管线，热能回收器中部出口与空冷器中部进口之间固定连通有热能回收出料管线，空冷器中部出口与气液分离器中部进口之间固定连通有空冷器出料管线，气液分离器底部固定连通有分离器出料管线，气液分离器顶部出口与精细过滤器进口之间固定连通有精细过滤器进料管线，精细过滤器出口与热能回收器顶部进口之间固定连通有过滤器出料管线，换热器底部进口固定连通有循环进料管线，换热器底部出口固定连通有循环出料管线，热能回收器底部出口与换热器中部进口之间固定连通有换热器进料管线，换热器中部出口与膜分离组件中部进口之间固定连通有膜分离进料管线，膜分离组件中部出口固定连通有膜分离出料管线，膜分离进料管线上固定连通有排液管线，膜分离组件底部固定连通有去酸气系统管线，膜分离出料管线上固定连通有一号放空管线，去酸气系统管线与一号放空管线之间固定连通有二号放空管线，排液管线进口右侧的膜分离进料管线与加热器中部出口之间固定连通有加热器出料管线，加热器中部进口固定连通有加热器进料管线。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于热能回收器和换热器均为管壳结构。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于膜分离组件为中空纤维膜。

5.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于闪蒸罐中部右侧固定安装有闪蒸液位计，再生管线上固定安装有再生控制阀，热能回收进料管线上依次固定安装有CO₂分析仪、闪蒸气压力表、闪蒸气控制阀，气液分离器下部固定安装有分离器液位计，分离器出料管线上固定安装有分离器控制阀，加热器出料管线上依次固定安装有加热温度计、单向阀，膜分离组件中部出口与一号放空管线进口之间的膜分离出料管线上固定安装有CO₂分析仪，一号放空管线进口右侧的膜分离出料管线上依次固定安装有膜分离压力表、膜分离控制阀，循环进液管线上固定安装有循环控制阀，换热器中部出口与排液管线进口之间的膜分离进料管线上依次固定安装有换热温度计、换热压力表，排液管线上固定安装有排液控制阀。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于还包括控制柜，控制柜第一信号输入端与闪蒸液位计信号输出端电连接，控制柜第一信号输出端与再生控制阀信号输入端电连接，控制柜第二信号输入端与闪蒸气压力表信号输出端电连接，控制柜第二信号输出端与闪蒸气控制阀信号输入端电连接，控制柜第三信号输入端与分离器液位计信号输出端电连接，控制柜第三信号输出端与分离器控制阀信号输入端电连接，控制柜第四信号输入端与膜分离压力表信号输出端电连接，控制柜第四信号输出端与膜分离控制阀信号输入端电连接，控制柜第五信号输入端与换热温度计信号输出端电连接，控制柜第五信号输出端与循环控制阀信号输入端电连接，控制柜第六信号输入端与换热压力表信号输出端电连接，控制柜第六信号输出端与排液控制阀信号输入端电连接，控制柜第七信号输入端与加热温度计信号输出端电连接，控制柜第七信号输出端与加热器信号输入端电连接。

Images