CN117143645A - 一种多级膜分离捕集天然气中二氧化碳的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多级膜分离捕集天然气中二氧化碳的装置及方法。所述装置的结构如下:一级膜分离单元的渗余气出口与天然气外输管路连接,渗透气出口与气体混合器连接,气体混合器与天然气压缩机连接;二级膜分离单元的二级一段膜分离单元的入口与天然气压缩机连接,的渗余气出口与二级二段膜分离单元的入口连接,渗透气出口与三级膜分离单元的入口连接;二级二段膜分离单元的渗余气出口与天然气外输管路连接,渗透气出口与气体混合器连接;三级膜分离单元的渗余气出口与气体混合器连接,渗透气出口与CO2回注驱油或封存单元连接。本发明通过膜分离工艺优化,实现了低能耗、低投资前提下,中低浓度天然气脱CO2净化的同时捕集高浓度CO2。
Description
技术领域
本发明涉及一种多级膜分离捕集天然气中二氧化碳的装置及方法,属于天然气净化领域。
背景技术
按照惯例,开采出高CO2含量的天然气需要经过CO2脱除以达到国家天然气管道输送标准。因此,前期膜法天然气CO2分离捕集装置主要目标是实现天然气的达标输送,同时尽可能多回收烃类,但是对捕集的CO2含量没有特别要求。为进一步实现“碳达峰、碳中和”目标,若可将捕集的CO2二次利用,将有效降低CO2排放量。对于油气开发行业,尤其是在海上油气开采过程,捕集的CO2直接用于驱油即可减少海管输送过程CO2腐蚀,又可提高油田采收率,是最具应用潜力的CO2回收方向之一。CO2回注驱油效果受CO2含量影响,CO2含量越高,驱油效果越好。因此,若膜分离捕集CO2过程能够提高CO2含量,将有助于提高CO2驱油效果。发明专利CN 101909722A公布的多级膜分离方法,主要采用两级膜分离工艺,该方法可以提高烃回收率,同时提高捕集CO2浓度,但是对于CO2含量20%以下的天然气,捕集CO2浓度很难达到90%以上。而且对于CO2液化过程,通常要求CO2含量达到90%以上,以减少压缩过程能耗。需开发多级膜分离工艺,以尽量低的能耗增加,在净化天然气的同时捕集高浓度CO2。
发明内容
本发明的目的是提供一种多级膜分离捕集天然气中CO2的装置及方法,在不增加原二级膜分离工艺主体设备的基础上,通过对压缩机后膜分离单元进行串并联组合工艺优化,实现天然气净化要求的同时,多级膜捕集CO2浓度达到CO2回注驱油要求。
本发明所提供的多级膜分离捕集天然气中CO2的装置,包括一级膜分离单元、天然气压缩机、二级膜分离单元和三级膜分离单元;
所述一级膜分离单元的渗余气出口与天然气外输管路连接,渗透气出口与气体混合器连接,所述气体混合器与所述天然气压缩机连接;
所述二级膜分离单元包括二级一段膜分离单元和二级二段膜分离单元,所述二级一段膜分离单元的入口与所述天然气压缩机连接,所述二级一段膜分离单元的渗余气出口与所述二级二段膜分离单元的入口连接,所述二级一段膜分离单元的渗透气出口与所述三级膜分离单元的入口连接;所述二级二段膜分离单元的渗余气出口与所述天然气外输管路连接,所述二级二段膜分离单元的渗透气出口与所述气体混合器连接;
所述三级膜分离单元的渗余气出口与所述气体混合器的入口连接,所述三级膜分离单元的渗透气出口与CO2回注驱油或封存单元连接。
本发明进一步提供了一种多级膜分离捕集天然气中CO2的方法,包括如下步骤:
S1、天然气经所述装置的所述一级膜分离单元进行膜分离,其中,渗余气直接作为产品气去下游管输或利用,渗透气进入所述气体混合器;
S2、所述气体混合器出口的低压气体经所述天然气压缩机加压至一级膜分离入口压力后,进入所述二级一段膜分离单元;
S3、气体经所述二级一段膜分离单元进行膜分离,其中,二级一段膜渗余气进入所述二级二段膜分离单元,二级一段膜渗透气保持0.7~1.5MPa的压力,进入所述三级膜分离单元;
S4、气体经所述二级二段膜分离单元进行膜分离,其中,二级二段膜渗余气作为产品气去下游管输或利用,二级二段膜渗透气进入所述气体混合器;
S5、气体经所述三级膜分离单元进行膜分离,其中,三级膜渗余气进入所述气体混合器,三级膜渗透气去CO2回注驱油或封存。
上述的方法中,所述天然气中CO2含量为5%~30%,优选5%~15%;
所述天然气的压力为3~10MPa,优选5~8MPa;。
上述的方法中,所述一级一段膜分离单元的渗余气中CO2含量为0~5%,优选0~3%;
所述天然气压缩机为一级压缩机、二级压缩机或多级压缩机;
所述天然气压缩机的入口压力为0.1~1.0MPa,优选0.3~0.6MPa;
所述天然气压缩机的出口压力为3~10MPa,优选5~8MPa,且压缩机出口压力较原料气压力高0.2~0.5MPa;
所述天然气压缩机的出口温度为30~70℃。
上述的方法中,所述二级一段膜渗余气中CO2含量为10~30%,优选10~20%;
所述二级一段膜渗透气中CO2含量为50~80%,优选60~75%;
所述二级一段膜渗透气的压力为0.7~2.0MPa,优选0.7~1.5MPa;
所述二级二段膜渗余气中CO2含量为0~5%,优选0~3%;
所述二级二段膜渗透气中CO2含量为20~60%,优选30~50%;
所述二级二段膜渗透气的压力为0.1~1.0MPa,优选0.3~0.6MPa。
上述的方法中,所述三级膜渗余气中CO2含量为15~75%,优选20~50%;
所述三级膜渗透气中CO2含量为90%以上,优选95%以上;
所述三级膜渗透气的压力为0.05~0.6MPa,优选0.1~0.4MPa;
所述二级膜分离单元与所述三级膜分离单元的气体渗透通量的比值为1.0~5.0:1,优选1.5~3:1;
所述三级膜分离单元与所述二级膜分离单元的气体分离系数的比值为1.0~1.5:1。
本发明具有如下有益效果:
本发明通过将二级膜分成两段,捕集CO2含量相对较高的二级一段膜渗透气来提高CO2的捕集浓度,烃类含量较高的二级二段膜分离循环回收提高烃回收率;通过保持二级一段膜渗透气的压力作为三级膜分离的推动力,在不需额外增加压缩机的前提下,进行CO2进一步浓缩。该工艺通过膜分离工艺优化,实现了低能耗、低投资前提下,中低浓度天然气脱CO2净化的同时捕集高浓度CO2。
附图说明
图1为本发明提供的多级膜分离捕集天然气中CO2装置的示意图。
图2为本发明多级膜分离捕集天然气中CO2方法的一级膜分离单元工艺流程简图,其中,11-1至11-n表示一级膜分离组件。
图3为本发明多级膜分离捕集天然气中CO2方法的二级膜分离单元工艺流程简图,其中,21气体混合器,22压缩机洗涤器;23压缩机;24冷却器;25洗涤器;26-1至26-n表示二级一段膜组件;27-1至27-n表示二级二段膜组件。
图4为本发明多级膜分离捕集天然气中CO2方法的三级膜分离单元工艺流程简图,其中,31-1至31-n表示三级膜组件。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明,均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
如图1所示,本发明提供的多级膜分离捕集天然气中CO2的装置包括一级膜分离单元、气体混合器、天然气压缩机、二级膜分离单元和三级膜分离单元。
其中,一级膜分离单元的渗余气出口与天然气外输管路连接,渗透气出口与气体混合器连接,气体混合器与天然气压缩机连接。
如图3所示,二级膜分离单元包括二级一段膜分离单元和二级二段膜分离单元,二级一段膜分离单元的入口与天然气压缩机连接,渗余气出口与二级二段膜分离单元的入口连接,渗透气出口与三级膜分离单元的入口连接;二级二段膜分离单元的渗余气出口与所述天然气外输管路连接,渗透气出口与气体混合器连接。
本发明装置中,三级膜分离单元的渗余气出口与气体混合器连接。
实施例1、
压力为5.8MPa、温度为40℃、CO2含量为10.06%、气量100万方/天的天然气进入一级膜分离单元。一级膜、二级膜、三级膜组件的CO2渗透通量均为50GPU、CO2/CH4分离系数均为43。一级膜分离渗余气CO2含量为2.7%,压力为5.7MPa,达到管输天然气标准,去下游管输;一级膜分离渗透气CO2含量为33.5%,压力为0.7MPa,进入气体混合器。
一级膜分离渗透气、二级二段膜渗透气和三级膜渗余气三股气体经气体混合器共混后进入天然气压缩机,经二级压缩,气体增压至6.0MPa。压缩机出口气体进入二级一段膜分离,二级一段膜分离渗余气CO2含量为13.59%,继续进入二级二段膜分离脱CO2,二级二段膜分离渗余气CO2含量为2.5%,达到管输天然气要求,与一级膜渗余气一起去管输。二级一段膜渗透气压力为0.9MPa,CO2含量为78.43%,继续进入三级膜分离捕集CO2。三级膜渗透气CO2含量为95.3%,去回注。
实施例2、
压力为5.8MPa、温度为40℃、CO2含量为10.06%、气量100万方/天的天然气进入一级膜分离单元。一级膜、二级膜、三级膜组件的CO2渗透通量均为50GPU、CO2/CH4分离系数均为43。一级膜分离渗余气CO2含量为2.7%,压力为5.7MPa,达到管输天然气标准,去下游管输;一级膜分离渗透气CO2含量为45.3%,压力为0.2MPa,进入气体混合器。
一级膜分离渗透气、二级二段膜渗透气和三级膜渗余气三股气体经气体混合器共混后,混合气压力0.19MPa,进入天然气压缩机,经三级压缩,气体增压至6.0MPa。压缩机出口气体进入二级一段膜分离,二级一段膜分离渗余气CO2含量为17.3%,继续进入二级二段膜分离脱CO2,二级二段膜分离渗余气CO2含量为2.8%,达到管输天然气要求,与一级膜渗余气一起去管输。二级一段膜渗透气压力为0.9MPa,CO2含量为83.5%,继续进入三级膜分离捕集CO2。三级膜渗透气CO2含量为96.1%,去回注。
实施例3、
压力为6MPa、温度为35℃、CO2含量为10.06%、气量100万方/天的天然气先经活性炭吸附过滤器去除固体颗粒、液滴以及部分水蒸气。过滤器出口气进入天然气加热器加热至55℃,然后进入一级膜分离单元。一级膜组件和二级膜组件的CO2渗透通量均为150GPU、CO2/CH4分离系数均为28,三级膜组件CO2渗透通量为50GPU、CO2/CH4分离系数为43。一级膜渗余气压力降低至5.8MPa、温度降至52℃,CO2含量降至2.9%,去天然气管输。一级膜渗透气CO2含量41.2%、压力0.2MPa,进入气体混合气。
一级膜分离渗透气、二级二段膜渗透气和三级膜渗余气三股气体经气体混合器共混后压力0.19MPa,进入天然气压缩机,经三级压缩,气体增压至6.0MPa。压缩机出口气体进入二级一段膜分离,二级一段膜分离渗余气CO2含量为16.5%,继续进入二级二段膜分离脱CO2,二级二段膜分离渗余气CO2含量为2.9%,达到管输天然气要求,与一级膜渗余气一起去管输。二级一段膜渗透气压力为0.8MPa,CO2含量为79.6%,继续进入三级膜分离捕集CO2。三级膜渗透气CO2含量为95.5%,去回注。
实施例4、
压力为5.8MPa、温度为40℃、CO2含量为10.06%、气量100万方/天的天然气进入一级膜分离单元。一级膜、二级膜、三级膜组件的CO2渗透通量均为50GPU、CO2/CH4分离系数均为43。一级膜分离渗余气CO2含量为2.7%,压力为5.7MPa,达到管输天然气标准,去下游管输;一级膜分离渗透气CO2含量为45.3%,压力为0.2MPa,进入气体混合器。
与实施例2不同,二级膜分离只有一级。一级膜分离渗透气和三级膜渗余气两股气体经气体混合器共混后,混合气压力0.19MPa,进入天然气压缩机,经三级压缩,气体增压至6.0MPa。压缩机出口气体进入二级膜分离,二级膜分离渗余气CO2含量为2.8%,达到管输天然气要求,与一级膜渗余气一起去管输。二级膜渗透气压力为0.9MPa,CO2含量为72.8%,继续进入三级膜分离捕集CO2。三级膜渗透气CO2含量为92.3%,去回注。
Claims (7)
1.一种多级膜分离捕集天然气中CO2的装置,包括一级膜分离单元、天然气压缩机、二级膜分离单元和三级膜分离单元;
所述一级膜分离单元的渗余气出口与天然气外输管路连接,渗透气出口与气体混合器连接,所述气体混合器与所述天然气压缩机连接;
所述二级膜分离单元包括二级一段膜分离单元和二级二段膜分离单元,所述二级一段膜分离单元的入口与所述天然气压缩机连接,所述二级一段膜分离单元的渗余气出口与所述二级二段膜分离单元的入口连接,所述二级一段膜分离单元的渗透气出口与所述三级膜分离单元的入口连接;所述二级二段膜分离单元的渗余气出口与所述天然气外输管路连接,所述二级二段膜分离单元的渗透气出口与所述气体混合器连接;
所述三级膜分离单元的渗余气出口与所述气体混合器连接,所述三级膜分离单元的渗透气出口与CO2回注驱油或封存单元连接。
2.一种多级膜分离捕集天然气中CO2的方法,包括如下步骤:
S1、天然气经权利要求1所述装置的所述一级膜分离单元进行膜分离,其中,渗余气直接作为产品气去下游管输或利用,渗透气进入所述气体混合器;
S2、所述气体混合器出口的低压气体经所述天然气压缩机加压至一级膜分离入口压力后,进入所述二级一段膜分离单元;
S3、气体经所述二级一段膜分离单元进行膜分离,其中,二级一段膜渗余气进入所述二级二段膜分离单元,二级一段膜渗透气进入所述三级膜分离单元;
S4、气体经所述二级二段膜分离单元进行膜分离,其中,二级二段膜渗余气作为产品气去下游管输或利用,二级二段膜渗透气进入所述气体混合器;
S5、气体经所述三级膜分离单元进行膜分离,其中,三级膜渗余气进入所述气体混合器,去CO2回注驱油或封存。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:所述天然气中CO2含量为5%~30%;
所述天然气的压力为3~10MPa。
4.根据权利要求2或3所述的方法,其特征在于:所述一级膜分离单元的渗余气中CO2含量为0~5%;
所述天然气压缩机为一级压缩机、二级压缩机或多级压缩机;
所述天然气压缩机的入口压力为0.1~1.0MPa;
所述天然气压缩机的出口压力为3~10MPa,且压缩机出口压力较原料气压力高0.2~0.5MPa;
所述天然气压缩机的出口温度为30~70℃。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的方法,其特征在于:所述二级一段膜渗余气中CO2含量为10~30%,优选10~20%;
所述二级一段膜渗透气中CO2含量为50~80%;
所述二级一段膜渗透气的压力为0.7~2.0MPa;
所述二级二段膜渗余气中CO2含量为0~5%;
所述二级二段膜渗透气中CO2含量为20~60%;
所述二级二段膜渗透气的压力为0.1~1.0MPa。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的方法,其特征在于:所述三级膜渗透气中CO2含量为90%以上;
所述三级膜渗透气的压力为0.05~0.6MPa。
7.根据权利要求2-6中任一项所述的方法,其特征在于:所述二级膜分离单元与所述三级膜分离单元的气体渗透通量的比值为1.0~5.0:1;
所述三级膜分离单元较所述二级膜分离单元的气体分离系数的比值为1.0~1.5:1。
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PB01 | Publication | ||
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