[發明專利]具有能量回收的二氧化碳與天然氣的膜分離

有效

• 申請號: 201510619366.1
• 申請日: 2015-09-25
• 公開（公告）號: CN105597497B
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: J.M.普勒格爾;J.E.帕拉馬拉;J.T.金德特
• 申請（專利權）人: 氣體產品與化學公司
• 主分類號: B01D53/22
• 分類號: B01D53/22;C10L3/10
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 徐晶;楊思捷

使用單級膜分離系統使二氧化碳與天然氣分離以產生通常滿足天然氣管線分配的規格的保留氣體和包含甲烷的滲透氣體，將滲透氣體燃燒以產生例如用于提供該工藝本身的公用工程需要或輸出到集成工藝的動力和/或熱。優勢包括在動力消耗方面的總體降低和工藝效率方面的改進。

技術領域

本發明涉及使用膜例如半透膜使二氧化碳與天然氣分離的方法。

背景技術

使酸性氣體與未處理的天然氣分離可稱為使天然氣“脫硫(sweetening)”。在未處理的天然氣中通常見到的酸性氣體的實例包括二氧化碳(CO₂)和硫化氫(H₂S)，且含有這些氣體中的一種或多種的未處理的天然氣可被稱為“酸”氣。本發明因此可包括使未處理的或“酸”天然氣“脫硫”方法的至少一部分。該方法旨在能夠制造適合分配的管線品質并由消費者使用的天然氣。

在經由管線分配之前必須處理含有超過3%二氧化碳且常超過1.5%二氧化碳的天然氣礦藏以降低二氧化碳含量。最常見的處理方法是在溶劑內化學吸收，其為通常使用例如單乙醇胺(MEA)的胺水溶液的溶劑洗滌方法。在這一方法中，貧二氧化碳胺溶液從天然氣中吸收二氧化碳以生成富二氧化碳溶劑，該富二氧化碳溶劑從天然氣分離。溶劑通過施加熱再生，該熱從胺溶液中汽提出二氧化碳。二氧化碳隨后通常排到大氣中。然而，胺吸收系統消耗大量能量來使溶劑再生且需要非常危險的化學品。

膜處理是可提供較簡單的操作和較高效率的供選技術。遺憾的是，通常需要多于一個膜級以實現高天然氣回收率。通常，相對于甲醇，該膜優先被二氧化碳滲透，但選擇性不是太高，以致于不能防止顯著分數的甲烷滑移(slip)到滲透物中。該甲烷滑移可通過增加至少一個另外的膜級以從滲透物中回收甲烷并使其再循環來減輕，代價是額外的膜和再壓縮的動力消耗。因此，膜系統通常需要高于約10%的二氧化碳濃度以與包括胺吸收的處理方法在經濟上相競爭。

Scholes等(Fuel；第96卷；第15-28頁；2012)提供了當前膜技術的簡便概述。他們描述了三類聚合物膜：即乙酸纖維素、聚酰亞胺和全氟聚合物的物理參數和性能特征。典型的CO₂/CH₄選擇性為4-100，盡管在實踐中該選擇性可因天然氣中的雜質的性質和量及溫度而顯著改變。

在使用膜以從天然氣中除去二氧化碳的領域中存在許多實例。例如，Frantz(US7429287A)教導了燃燒具有低熱值的滲透物以產生動力的多級二氧化碳去除膜系統。

Baker等(US5558698A)教導了包括從天然氣中除去二氧化碳和硫化氫的一個或多個級段的膜系統，以使在滲透物中甲烷的濃度最小化。

Lokhandwala (US6035641A)教導了相對于氮氣對甲烷具有選擇性且用以升級具有低熱值的氣流的單級膜系統。該滲透物富含甲烷且用以產生動力。

還已經使用膜來從生物氣體中除去二氧化碳。例如，Biehl等(WO2010/006910A)教導了從具有低熱值且含有至少18體積%二氧化碳、其余基本上由甲烷、水蒸氣和氮氣組成的生物氣體進料中除去二氧化碳的單級膜系統。該系統產生作為保留物的含有優選小于15體積%二氧化碳的用于分配的天然氣流，以及含有優選至少8體積%甲烷以便在熱電聯產廠中后燃燒器(afterburner)中使用的滲透物流。

發明內容

根據本發明的第一方面，提供了使二氧化碳與天然氣分離的方法，所述方法包括：

將包含二氧化碳的天然氣進料(例如，“酸”或“未處理的”天然氣)引入單級膜分離系統以使二氧化碳與所述天然氣進料分離，從而生成富甲烷的保留氣體(例如，“脫硫的”或“處理過的”天然氣)和包含甲烷的富二氧化碳的滲透氣體；

燃燒所述滲透氣體的至少一部分以產生燃燒排出氣體；和

從所述燃燒回收能量以便例如在所述方法內和/或在集成方法內使用。