[實用新型]一種利用氣井井口壓力進行膜分離的裝置和系統

有效

• 申請號: 201420701730.X
• 申請日: 2014-11-20
• 公開（公告）號: CN204436362U
• 公開（公告）日: 2015-07-01
• 發明（設計）人: 周紅軍;江皓;浦鵬;張松林
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（北京）;北京中石大新能源研究院有限公司
• 主分類號: E21B43/34
• 分類號: E21B43/34
• 代理公司: 北京同立鈞成知識產權代理有限公司 11205
• 代理人: 陶敏;黃健

技術領域

本實用新型涉及一種膜分離設備，特別涉及一種利用氣井井口壓力進行膜分離的裝置和系統。

背景技術

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、氮氣、水蒸氣和少量的一氧化碳，通常需要對天然氣進行凈化以去除原料氣中的硫化氫、二氧化碳和水蒸氣，從而使其滿足天然氣產品標準。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％，水露點在交接點壓力下比輸送條件下最低環境溫度低5℃。常規天然氣資源相對集中，并且處理規模大，目前普遍采用胺法脫硫脫碳及甘醇脫水工藝。

除常規天然氣外，我國還包括許多非常規的能源資源，例如頁巖氣及其它一些小規模的天然氣等，其組成雖與天然氣相似，但二氧化碳含量相對較高，有的甚至高達80％。由于這些能源資源具有資源分散、產氣量少、質量不穩定、穩產時間短等特點，因此，利用常規天然氣凈化處理工藝對這些非常規能源資源進行凈化存在投資大、設備操作穩定性差、經濟效益低等缺陷。目前，尚無可借鑒的成熟技術和經驗對這些非常規的能源資源進行規模性地開發利用，從而造成極大的資源浪費。

氣體膜分離技術是在壓力的驅動下，借助氣體中各組分在高分子膜表面上的吸附能力及膜內溶解-擴散上的差異(即滲透速率差異)來對氣體中的組分進行分離的過程。氣體在膜兩側的壓力差作用下，滲透速率相對較快的氣體如水蒸氣、氫氣、氦氣、硫化氫、二氧化碳等透過膜而在膜的滲透側得到富集(滲透氣)，而滲透速率相對較慢的氣體，如甲烷、氮氣、一氧化碳、氬氣等則在膜的滯留側被富集(滲余氣)，從而達到分離目的。目前，用于氣體膜分離的高分子膜主要有聚烯烴、纖維素類、聚砜、聚酰亞胺、有機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、分離系數高等優勢而備受青睞。

隨著對頁巖氣等非常規天然氣以及小規模氣井的開采，需要發展小型化、移動式、易操作、低成本的凈化提純系統，氣體膜分離具有廣闊的應用前景。

實用新型內容

本實用新型提供一種利用氣井井口壓力進行膜分離的裝置和系統，該裝置和系統可應用于有一定的井口壓力、含CO₂較多、規模較小的天然氣和頁巖氣氣井。

本實用新型提供一種利用氣井井口壓力進行膜分離的裝置，包括至少一級膜組件，所述膜組件上設有原料氣進口、滲余氣出口和滲透氣出口，所述原料氣進口通過剛性管道與氣井的緩沖設備連接。

進一步地，所述至少一級膜組件包括多級串聯或并聯設置的膜組件。膜組件的設置方式可以根據實際需要進行設置；例如，在井口壓力大、原料氣產量高時，可以設置多個并聯的膜組件，從而使原料氣同時進入多個并聯的膜組件；而在上一級膜組件無法滿足分離需求時，則可以串聯下一級膜組件，直至滿足分離需求。并且，可以理解的是，所述膜組件具有中空纖維膜，例如聚酰亞胺中空纖維膜、乙酸纖維素中空纖維膜、聚二甲基硅氧烷中空纖維膜、聚砜中空纖維膜等。此外，可以在所述至少一級膜組件上設置閥門，從而對中空纖維膜內外的壓力差進行控制。

本實用新型的裝置利用一些氣井具有一定的井口壓力這一特點，使氣井中的原料氣帶壓進入膜分離裝置進行分離，從而無需額外增加壓縮設備即可實現膜分離，因而有效地節約了投資和運行成本。本實用新型的裝置，在滿足原料氣氣井具有大于1MPa的井口壓力、原料氣中含有二氧化碳以及可以采用膜對原料氣中的二氧化碳和其它組分進行分離的前提下，對原料氣的其它組分沒有嚴格要求。原料氣例如可以包括甲烷和二氧化碳，該原料氣經本實用新型的裝置分離后，可以形成富含甲烷的滲余氣和富含二氧化碳的滲透氣。特別是，原料氣中二氧化碳的體積含量可以為5～80％，進一步可以為5～40％。

在本實用新型一實施方式中，所述至少一級膜組件包括串聯設置的第一級膜組件和第二級膜組件，所述第一級膜組件上設有氣體進口、滲余氣出口和滲透氣出口，所述第二級膜組件上設有氣體進口、滲余氣出口和滲透氣出口；

所述第一級膜組件的氣體進口與所述氣井的緩沖設備連接；

所述第一級膜組件的滲透氣出口與所述第二級膜組件的氣體進口連接。

進一步地，所述至少一級膜組件還可以包括第三級膜組件，其上設有氣體進口、滲余氣出口和滲透氣出口，第三級膜組件可根據原料組成和前兩級膜的提純效果確定連接位置，例如，所述第一級膜組件的滲透氣出口與所述第三級膜組件的氣體進口連接。