[發(fā)明專(zhuān)利]一種利用膜分離原料氣中二氧化碳的方法、裝置和系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410670396.0
• 申請(qǐng)日: 2014-11-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104479779A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-04-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周紅軍;江皓;浦鵬;張松林
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)石油大學(xué)（北京）;北京中石大新能源研究院有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): C10L3/10
• 分類(lèi)號(hào): C10L3/10;B01D53/22
• 代理公司: 北京同立鈞成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11205
• 代理人: 陶敏;黃健

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種氣體分離技術(shù)，特別涉及一種氣體膜分離技術(shù)，尤其涉及一種利用膜分離原料氣中二氧化碳的方法、裝置和系統(tǒng)。

背景技術(shù)

天然氣的主要成分為烷烴，其中以甲烷為主，此外還含有硫化氫、二氧化碳、氮?dú)狻⑺魵夂蜕倭康囊谎趸迹ǔＰ枰獙?duì)天然氣進(jìn)行凈化以去除原料氣中的硫化氫、二氧化碳和水蒸氣，從而使其滿(mǎn)足天然氣產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。例如作為民用燃料的天然氣，要求其總硫含量≤200mg/m³，硫化氫含量≤20mg/m³，二氧化碳含量≤3％，水露點(diǎn)在交接點(diǎn)壓力下比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5℃。常規(guī)天然氣資源相對(duì)集中，并且處理規(guī)模大，目前普遍采用胺法脫硫脫碳及甘醇脫水工藝。

除常規(guī)天然氣外，我國(guó)還包括許多非常規(guī)的能源資源，例如頁(yè)巖氣及其它一些小規(guī)模的天然氣等，其組成雖與天然氣相似，但二氧化碳含量相對(duì)較高，有的甚至高達(dá)80％。由于這些能源資源具有資源分散、產(chǎn)氣量少、質(zhì)量不穩(wěn)定、穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間短等特點(diǎn)，因此，利用常規(guī)天然氣凈化處理工藝對(duì)這些非常規(guī)能源資源進(jìn)行凈化存在投資大、設(shè)備操作穩(wěn)定性差、經(jīng)濟(jì)效益低等缺陷。目前，尚無(wú)可借鑒的成熟技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)這些非常規(guī)的能源資源進(jìn)行規(guī)模性地開(kāi)發(fā)利用，從而造成極大的資源浪費(fèi)。

氣體膜分離技術(shù)是在壓力的驅(qū)動(dòng)下，借助氣體中各組分在高分子膜表面上的吸附能力及膜內(nèi)溶解-擴(kuò)散上的差異(即滲透速率差異)來(lái)對(duì)氣體中的組分進(jìn)行分離的過(guò)程。氣體在膜兩側(cè)的壓力差作用下，滲透速率相對(duì)較快的氣體如水蒸氣、氫氣、氦氣、硫化氫、二氧化碳等透過(guò)膜而在膜的滲透?jìng)?cè)得到富集(滲透氣)，而滲透速率相對(duì)較慢的氣體，如甲烷、氮?dú)狻⒁谎趸肌鍤獾葎t在膜的滯留側(cè)被富集(滲余氣)，從而達(dá)到分離目的。目前，用于氣體膜分離的高分子膜主要有聚烯烴、纖維素類(lèi)、聚砜、聚酰亞胺、有機(jī)硅材料及聚硅酸酯等，其中聚酰亞胺中空纖維膜因具有操作壓力高、通量大、分離系數(shù)高等優(yōu)勢(shì)而備受青睞。

隨著對(duì)頁(yè)巖氣等非常規(guī)天然氣以及小規(guī)模氣井的開(kāi)采，需要發(fā)展小型化、移動(dòng)式、易操作、低成本的凈化提純技術(shù)，氣體膜分離具有廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種利用膜分離原料氣中二氧化碳的方法、裝置和系統(tǒng)，應(yīng)用于有一定的井口壓力、含CO₂較多、規(guī)模較小的天然氣和頁(yè)巖氣氣井。

本發(fā)明提供的一種利用膜分離原料氣中二氧化碳的方法，利用井口壓力使氣井中的原料氣進(jìn)入至少一級(jí)膜組件進(jìn)行分離，形成滲余氣和富含二氧化碳的滲透氣，其中所述井口壓力為1～9MPa。

本發(fā)明利用一些氣井具有一定的井口壓力這一特點(diǎn)，使氣井中的原料氣帶壓進(jìn)入膜組件進(jìn)行分離，從而無(wú)需額外增加壓縮設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)膜分離，因而有效地節(jié)約了投資和運(yùn)行成本。在本發(fā)明中，在滿(mǎn)足原料氣氣井具有1～9MPa的井口壓力、原料氣中含有二氧化碳以及可以采用膜對(duì)原料氣中的二氧化碳和其它組分進(jìn)行分離的前提下，對(duì)原料氣的其它組分沒(méi)有嚴(yán)格要求，其它組分例如可以為甲烷，井口壓力例如為1～5MPa。

進(jìn)一步地，所述滲透氣的壓力為0～8MPa，并且所述原料氣與所述滲透氣之間的壓力差≥1MPa。氣體經(jīng)過(guò)膜組件，滲透氣的壓力即會(huì)降低，所以，第一級(jí)膜組件的分離處理過(guò)程，視壓力變化情況決定是否需要人為干預(yù)，即，所述滲透氣的壓力可以是原料氣通過(guò)膜分離后自然形成的壓力，必要時(shí)也可以通過(guò)設(shè)置在所述膜組件上的閥門(mén)進(jìn)行控制。

在本發(fā)明具體方案中，所述原料氣包括甲烷和二氧化碳，該原料氣經(jīng)分離形成富含甲烷的滲余氣和富含二氧化碳的滲透氣。

本發(fā)明的方法尤其適用于，二氧化碳的體積含量為5～80％的原料氣，進(jìn)一步可以為二氧化碳提及含量為5～40％的原料氣；所述原料氣的溫度則可以為0～50℃，進(jìn)一步可以為20～35℃；所述膜分離的操作溫度可以為0～50℃，進(jìn)一步可以為20～35℃，并且在所述原料氣進(jìn)入至少一級(jí)膜組件進(jìn)行分離前，可以將所述原料氣的溫度調(diào)節(jié)至膜分離的操作溫度。

本發(fā)明所述的至少一級(jí)膜組件可以包括多個(gè)串聯(lián)連接和/或關(guān)聯(lián)連接的多個(gè)膜組件，多個(gè)膜組件的連接方式可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置。例如，在井口壓力大、原料氣產(chǎn)量高時(shí)，可以設(shè)置多個(gè)并聯(lián)的膜組件，從而使原料氣同時(shí)進(jìn)入多個(gè)并聯(lián)的膜組件；而在上一級(jí)膜組件無(wú)法滿(mǎn)足分離需求時(shí)，則可以串聯(lián)下一級(jí)膜組件，直至滿(mǎn)足分離需求。