CN202107679U - 一种水合物法连续分离天然气中二氧化碳的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种水合物法连续分离天然气中二氧化碳的装置。装置包括进气管（9）、低温水浴（1）、低温水罐（2）、气体压缩机（3）、液体增压水泵（4）、气液混合器（5）、管式分离器（6）、液体输送泵（16）和水合物分解塔（8）；由补水管进的水和加试剂管进的添加剂一起进入低温水罐，冷却到水合物分离温度，经增压后与增压后的天然气一起进入气液混合器混合，连续形成水合物，分离后的水合物浆进入水合物分解塔，分解水合物回收溶液和CO2，本实用新型实现了水合物法连续快速脱除天然气中CO2，CH4产量是100m3/h。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种水合物法高效连续分离天然气中CO2的装置。
背景技术
气体水合物是水与甲烷、乙烷、CO2及H2S等小分子气体在一定温压条件下形成的非化学计量性笼状晶体物质，又称笼型水合物。当沼气形成水合物时，水合物相中气体组成与气相组成不一致，CO2在水合物相富集，CH4在气相中富集，实现CH4和CO2的分离。水合物分离法分离天然气中CO2可以实现天然气脱碳工艺的简单化、技术安全环保化、生产稳定化、费用低廉化等效果，在天然气脱碳方面具有较好的工业前景。为实现水合物分离法脱除天然气中CO2工业化，需要设计出一套安全高效的连续水合物法脱除天然气中CO2工艺。因此，研发水合物法快速高效分离天然气中CO2技术及工艺具有重要意义。
目前，水合物法分离沼气和天然气中的CO2还没有工业应用案例。水合物法分离气体研究较多的是烟气的分离，N2和CO2在5℃下形成水合物压力相差25MPa，CH4和CO2在5℃下形成水合物压力相差2MPa。因为CH4和CO2的生成水合物的压力相差很小，CO2生成水合物条件下，CH4也易于生成水合物，使水合物法分离沼气对天然气中CO2的选择性要低于烟气中对CO2的选择性，用水合物法脱除天然气中CO2，CH4生成水合物的比例较高，分离难度大。气体水合物形成要经过气体溶解、晶核生成和晶体生长阶段，水合物只能在气液界面形成，且开始形成的膜状水合物阻止气体进一步与水溶液接触，水合物生成过程由反应速率控制变为气体扩散速率控制，使水合物的自然生成速度十分缓慢，水合物法分离天然气中CO2的效率低下，远远不能满足工业需要。当近年来，在如何提高水合物法分离沼气的选择性，提高水合速率方面，国内外许多科研人员进行了大量研究并取得了很大的进展。研究的方向主要包括：在动力学上，采用拉大CO2和CH4形成水合物的时间方法，在热力学上，添加能拉大CH4和CO2形成水合物压力的添加剂，改善传质/传热条件，增强混合等。
水合物法分离天然气中CO2的研究近几年才开始，文献和专利报道都集中在研究阶段。例如2009年，Nena Dabrowski等设计了一个多级平衡结晶流程模拟水合物分离天然气中CO2,得出水合物可以分离天然气中CO2，需要解决的问题是甲烷损失率高的问题。壳牌石油公司在水合物法分离天然气中CO2研究较多，2009年，Mark van Denderen等研究了THF,CTAB,NaCL存在下水合物分离天然气中CO2的效果，得出水合物可以分离CH4/CO2混合气，但反应速率慢，甲烷损失较多。2009年，Michael Golombok等通过动力学研究天然气中CO2的脱除，发现CO2形成水合物的诱导时间对搅拌速率更敏感，随着搅拌速率的增加，诱导时间CO2减少比CH4快，搅拌转速在500RPM以下，CO2生成水合物的诱导时间大于CH4生成水合物的诱导时间，搅拌速率1000RPM时，CO2的诱导时间远低于CH4，这样当CO2生成水合物后，CH4还是气体，从而可以实现CH4与CO2的分离。
上述水合物法分离天然气中CO2方法目前只停留在试验阶段，还没有实现工业化。在国外，特别是日本、挪威对水合物分离技术非常重视，壳牌石油公司在水合物法脱除天然气中CO2研究较多。但是，离商业化应用还用一定距离，还有许多技术问题需要解决。因此开发水合物法高效连续脱除天然气中CO2的装置很有意义。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种能够高效、连续分离天然气中CO2的装置，本实用新型也也用于天然气中其它气体分离如H2S分离。
为达到上述目的，本实用新型采用了以下的技术方案：
一种水合物法连续分离天然气中CO2的装置，包括进气管9、低温水浴1、低温水罐2、气体压缩机3、液体增压水泵4、气液混合器5、管式分离器6、液体输送泵16和水合物分解塔8；所述低温水罐2设有加试剂口、出水口、补水口和液体进口，出水口依次与液体增压泵4和气液混合器5的液体进口连接；加试剂口与加试剂管18相连，补水口与补水管17相连；所述低温水罐2中设有气体管道，气体管道的一端连接进气管9，另一端依次与气体压缩机3和气液混合器5的气体进口连接，所述低温水罐2中还设有冷却水管道，冷却水管道的两端分别与低温水浴1的第一出水口和第一进水口相连；所述的管式分离器6包括管程和壳程，壳程的冷却水进口与低温水浴1的第二出水口相连，壳程的冷却水出口与低温水浴1的第二进水口通过管道相连，管式分离器6的管程进口与气液混合器5的出口通过管道连接，管式分离器6管程的设有气体出口和液体出口，管程的液体出口与水合物分解塔8的进口相连，水合物分解塔的顶部设有气体排出口，底部设有液体出口，液体出口连接到低温水罐2的液体进口，所述的水合物分解塔8中交错设有塔板，底部有一加热器19。
所述管程为并联的直管10及与其相贯通的部分；壳程为直管外的通道及与其相贯通的部分，壳程设有折流板。
所述直管外设有翅片20；直管内设有流体回旋鳞片12。
所述流体回旋鳞片12的高度与管径比为0.6~0.7，两流体回旋鳞片间距离与管径比在1.5~2.0。
所述水合物分解塔8可以为板式精馏塔。
所述管程的气体出口连接有两条管路，一条通过压力阀与进气管连接，构成进气管的支路，另一条连接压力阀，直接排出气体。
所述的装置连续分离天然气中CO2的方法，包括以下步骤：
（1）由补水管加入的水和由加试剂管加入的水合物促进剂一起进入低温水罐形成混合液，低温水浴中的冷却水进入低温水罐将混合液冷却至5~15℃，混合液进入液体增压水泵增压至2~7MPa；由进气管通入的含CO2的天然气经低温水罐冷却后进入气体压缩机，增压至2~7MPa；经增压后的混合液和天然气一起进入气液混合器混合；
（2）混合后的气液混合物进入管式分离器中发生水合反应，生成水合物浆，同时分离出的气体一部分作为产品气CH4输出，另一部分气体回流到进气管；
（3）水合物浆进入水合物分解塔，水合物浆在20~40℃分解，产生的气体CO2输出，液体经液体输送泵回流至低温水罐，即连续分离天然气中的CO2。
所述低温水浴1的温度为1~7℃。
所述水合物浆从水合物分解塔的最上层塔板一步步流下到最下层塔板。
所述管式分离器的内部有并联的直管；管外壳程设置折流板，管道外带有翅片用于增强换热。管道内安装流体回旋鳞片，回旋鳞片的高度与管径比在0.6-0.7之间，两鳞片间距离与管径比在1.5-2.0之间。列管内走气液混合物，管外走冷却介质。管道并联不仅增强单位体积气液混合物换热效果，而且避免管道过长导致生成水合物堵塞管道的问题，有效提高水合物分离效率；设置折流板可以改善冷却介质与直管的对流角度，提高传热系数。此外折流板还可以起到支撑管束、保持管距的作用。翅片增大了管壁与冷却介质的换热面积，增强传热效果；流体回旋鳞片既可增加气液混合物流动的湍流程度，增大气液混合效果，强化热量传递和质量传递，又可避免水合物在管壁面粘结。
从管式分离器出来的气体一部分作为产品CH4输出，一部分进入气体循环回路，通过调节输出气体和循环气体的比例，使输出气体中CH4的浓度达到要求。
从管式分离器出来的水合物浆进入水合物分解塔，水合物分解塔底部有加热器。水合物浆进入分解塔内压力降低，同时在塔板上传热，水合物在低压高温下分解，分解后的气体CO2经塔顶管道输出，分解后的液体进入液体循环回路。
相对于现有技术所具有的优点及有益效果：
1、实现水合物法脱除天然气中CO2；
2、本实用新型设置了流体回旋鳞片，使气液混合物回旋流动，增大了气-液接触面积；
3、加快反应过程的传质与传热；
4、实现水合物法连续快速脱除天然气中CO2。
附图说明
图1是本实用新型实施案例装置示意图；
图2是本实用新型管式分离器的单管示意图；
图3是管式分离器中列管中安装的流体回旋翅片示意图。
1-低温水浴；2-低温水罐；3-气体压缩机；4-液体增压水泵；5-气液混合器；6-管式分离器；7-液体输送泵；8-水合物分解塔；9-进气管；10-直管；11-折流板；12-流体回旋鳞片 13-气体压力调节阀；14-气体压力调节阀；15-气体压力调节阀；16-液体输送泵；17-补水管；18-加试剂管；19-加热器；20-翅片。
具体实施方式
下面结合附图和实施案例对本实用新型内容做进一步详细说明：
如图1所示，一种水合物法连续分离天然气中CO2的装置，包括进气管9、低温水浴1、低温水罐2、气体压缩机3、液体增压水泵4、气液混合器5、管式分离器6、液体输送泵（7，16）和水合物分解塔8；所述低温水罐2设有加试剂口、出水口、补水口和液体进口，出水口依次与液体增压泵4和气液混合器5的液体进口连接；加试剂口与加试剂管18相连，补水口与补水管17相连；所述低温水罐2中设有气体管道，气体管道的一端连接进气管9，另一端依次与气体压缩机3和气液混合器5的气体进口连接，所述低温水罐2中还设有冷却水管道，冷却水管道的两端分别与低温水浴1的第一出水口和第一进水口相连；所述的管式分离器6包括管程和壳程，壳程的冷却水进口与低温水浴1的第二出水口相连，壳程的冷却水出口与低温水浴1的第二进水口通过管道相连，管式分离器6的管程进口与气液混合器5的出口通过管道连接，管式分离器6管程的设有气体出口和液体出口，管程的液体出口与水合物分解塔8的进口相连，水合物分解塔的顶部设有气体排出口，底部设有液体出口，液体出口连接到低温水罐2的液体进口，所述水合物分解塔8为板式精馏塔，交错设有塔板，底部有一加热器19。
所述管程为并联的直管10及与其相贯通的部分；壳程为直管外的通道及与其相贯通的部分，壳程设有折流板。图2所示，所述直管外设有翅片20；直管内设有流体回旋鳞片12。
图3中，所述流体回旋鳞片12的高度与管径比为0.6~0.7，两流体回旋鳞片间距离与管径比在1.5~2.0。
所述管程的气体出口连接有两条管路，一条通过压力阀与进气管连接，构成进气管的支路，另一条连接压力阀，直接排出气体。
所述的装置连续分离天然气中CO2的方法，包括以下步骤：
（1）由补水管加入的水和由加试剂管加入的水合物促进剂一起进入低温水罐形成混合液，低温水浴中的冷却水进入低温水罐将混合液冷却至5~15℃，混合液进入液体增压水泵增压至2~7MPa；由进气管通入的含CO2的天然气经低温水罐冷却后进入气体压缩机，增压至2~7MPa；经增压后的混合液和天然气一起进入气液混合器混合；
（2）混合后的气液混合物进入管式分离器中发生水合反应，生成水合物浆，同时分离出的气体一部分作为产品气CH4输出，另一部分气体回流到进气管；
（3）水合物浆进入水合物分解塔，水合物浆在20~40℃分解，产生的气体CO2输出，液体经液体输送泵回流至低温水罐，即连续分离天然气中的CO2。
所述低温水浴1的温度为1~7℃。
所述水合物浆从水合物分解塔的最上层塔板一步步流下到最下层塔板。
实施例2
本实施案例装置在使用时，由补水管17来的水和加添加剂管18来的水合物促进剂一起进入低温水罐，经低温水浴1冷却到7℃，液体增压泵4使液压提高到3MPa。由进气管9来的含CO2的天然气经低温水罐，被其内的低温液体冷却后进入气体压缩机3使气体压力提高到3MPa。经水泵增压后的带有促进剂的液体和经气体压缩机增压后的天然气一起进入气液混合器5。气体与液体充分混合，由此在气液混合器5出口处形成带有大量微小气泡的水。然后，上述气液混合物进入管式分离器，在管内进行湍流回旋流动，在此过程中气体与液体充分混合传质和传热，CO2与液体水合从混合气中分离；分离后的气体一部分经气体压力调节阀13作为产品CH4输出，一部分气体经气体压力调节阀14循环回进气管9，形成气体回路。
所述的冷却热交换系统由低温水浴1的循环冷却介质提供，温度为5℃，用管道连接至管式分离器6和低温水罐2，经换热之后温度升高，然后循环回低温水浴1进行下一个循环。
所述水合物分解塔8底部设有加热器19，加热器向塔内提供热量使水合物分解。管式分离器6中的水合物浆经液体输送泵7进入水合物分解塔，水合物在塔内从最上面第一块塔板，一步步流到最下面一块塔板，水合物一步步分解。分解后的气体经塔顶部管道13输出，分解后的液体经液体流量泵16循环回低温水罐进行下一个循环。本实施案例有以下优点：1 实现水合物法脱除天然气中CO2;2 增大了气-液接触面积；3加快反应过程的传热；4实现水合物法连续快速脱除天然气中CO2，CH4产量100m3/h。
Claims (6)
1.一种水合物法连续分离天然气中二氧化碳的装置，其特征在于，包括进气管（9）、低温水浴（1）、低温水罐（2）、气体压缩机（3）、液体增压水泵（4）、气液混合器（5）、管式分离器（6）、液体输送泵（16）和水合物分解塔（8）；所述低温水罐（2）设有加试剂口、出水口、补水口和液体进口，出水口依次与液体增压泵（4）和气液混合器（5）的液体进口连接；加试剂口与加试剂管（18）相连，补水口与补水管（17）相连；所述低温水罐（2）中设有气体管道，气体管道的一端连接进气管（9），另一端依次与气体压缩机（3）和气液混合器（5）的气体进口连接，所述低温水罐（2）中还设有冷却水管道，冷却水管道的两端分别与低温水浴（1）的第一出水口和第一进水口相连；所述的管式分离器（6）包括管程和壳程，壳程的冷却水进口与低温水浴（1）的第二出水口相连，壳程的冷却水出口与低温水浴（1）的第二进水口通过管道相连，管式分离器（6）的管程进口与气液混合器（5）的出口通过管道连接，管式分离器（6）管程的设有气体出口和液体出口，管程的液体出口与水合物分解塔（8）的进口相连，水合物分解塔的顶部设有气体排出口，底部设有液体出口，液体出口连接到低温水罐（2）的液体进口，所述的水合物分解塔（8）中交错设有塔板，底部有一加热器（19）。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述管程为并联的直管（10）及与其相贯通的部分；壳程为直管外的通道及与其相贯通的部分，壳程设有折流板。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述直管外设有翅片（20）；直管内设有流体回旋鳞片（12）。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述流体回旋鳞片（12）的高度与管径比为0.6~0.7，两流体回旋鳞片间距离与管径比在1.5~2.0。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述水合物分解塔（8）为板式精馏塔。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述管程的气体出口连接有两条管路，一条通过压力阀与进气管连接，构成进气管的支路，另一条连接压力阀，直接排出气体。
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