（油气田开发工程专业论文）苏里格气田低温分离工艺技术研究.pdf

英文摘要 印n a m h e “篙t i a n 咖s h k a 啪o p e 粕n g 州( s i g 咖n a t m u r l e 善8 芝戋磐阳 ： ) z 边2 型7 一【7 i n s t r u c t o r ：l it i a t a i ( s i g n a t u r e ) 叁i 丑豳五 ： a b s t r a c t n o r m a lt e m p e r a t u r es e p a r a t i o nt e c h n o l o g ya n dt r i a t h l o ng l y c o lt e c h n o l o g ya r ea d o p t e da t p r e s e n ti ns u l i g eg a sf i e l d d u r i n gn a t u r a lg a sg a t h e r i n ga n dt r a n s m i s s i o n ，i tw a sf o u n dt h a t t h e r ew a sg a sc o n d e n s a t ec o n d e n s i n gi np i p e l i n e ，t h ec o n d i t i o ne f f e c ts e v e r e l ys a f e t ya n d s t a t i o n a r yo ft h ec o m p r e s s o ri ns h a a n x it ob e i j i n gp i p e l i n eg a sc o m p r e s s o rs t a t i o n ，s ot h e p r o d u c t i o nc a p a c i t y c a r ln o tb ed e v e l o p e de f f e c t i v e l y ，i no r d e rt or e d u c ee f f e c to fg a s c o n d e n s a t e ，t h i sp a p e rs t u d yt h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n ts t a t u so fl o wt e m p e r a t u r e s e p a r a t i o nt e c h n o l o g y , s e l e c t i n gs e p a r a t i o nm e t h o do ft h r o t t l ea n dr e f r i g e r a t i o n ，e v a l u a t i n g f e a s i b i l i t ya n da p p l i c a b i l i t yo ft h el o wt e m p e r a t u r ed e h y d r a t i o nt e c h n o l o g y , e x p e r i m e n t i n ga n d e v a l u a t i n gt h ee f f e c to fl o wt e m p e r a t u r es e p a r a t i o na td i f f e r e n tw o r k i n gs y s t e m ，c o n f i r m i n g f e a s i b l ev o l u m eo fm e l l o wa n do p t i m a lr u n n i n gp a r a m e t e r s t h ec o m p o s i t i o na n dp r o p e r t yo f m a t e r i a lg a sa n dp r o d u c t i o ng a sw e r ea n a l y z e d ，s ou n d e r s t a n d i n gc l e a r l yt h et y p eo fg a s r e s e r v o i ro fs u l i g eg a sf i e l d ，m a k i n gs u r et h es t y l eo fd e v e l o p m e n ta n do p t i m a lt e c h n o l o g y s y s t e mo fg a s l i q u i ds e p a r a t i o ni ng r o u n da n dt h el o w e s tw o r k i n gp r e s s u r eo fa c h i e v i n g p r o d u c t i o ng a sg u i d e l i n ea f t e re x c h a n g ec o l d t h er u l eo fp r e s s u r e f a l li sa n a l y z e da n dt h e u s a g en u m b e ro fy e a ro fl o wt e m p e r a t u r es e p a r a t i o nt e c h n o l o g yi sj u d g e d t h ee f f e c to f p r e - s e p a r a t i o na th i g hp r e s s u r ei se v a l u a t e db yh i g hp r e s s u r es e p a r a t i o nu n i t ，s oi n c r e a s i n gt h e r u n n i n gt e c h n o l o g i cp a r a m e t e r so fl o wt e m p e r a t u r es e p a r a t i o n t h ep a p e rr e s o l v e sp r e f e r a b l y t h eq u e s t i o no fm e a s u r e ，t r a n s m i s s i o na f f e c t i o ni np i p e l i n e ，e n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n d e c o n o m yb e n e f i ti nn a t u r a lg a sp r o d u c t i o na sr e s u l to ft h ee f f e c to fg a sc o n d e n s a t e r e s e a r c h a n da p p l i c a t i o no nt h et e c h n o l o g yo fl o wt e m p e r a t u r es e p a r a t i o na c h i e v et h ei n d e xo fc o u n t r y s e c o n dt y p eac l a s si no u t s i d et r a n s m i s s i o ng a s ，m e e t i n gt h er e q u e s to fh y d r o c a r b o na n dw a t e r d e wp o i n to f c o n s u m e r k e y w o r d s ：s u l i g eg a sf i e l d ，l o wt e m p e r a t u r es e p a r a t i o n ，n a t u r a lg a sg a t h e r i n g t r a n s m i s s i o n ，g a sc o n d e n s a t e ，d e h 3 ，d r a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知+ 除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名 遛垫丛叁 只期： 鲨：芏! ! ! 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公r 丌阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：竺! 垒， 日期：一石f 刁 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题提出、研究意义及课题来源 苏里格气阳目前采用常温分离、三甘醇脱水工艺流程，但在天然气集输过程中，由 于有液态烃的析出，严重影响了管输能力和三甘醇脱水净化处理的效果；同时也给陕京 管线压缩机安全平稳运行带来巨大的危害；因为凝析油分离不彻底，导致其在计量系统 中析出，严重影响了天然气的计量，从而为气井产能预测带来困难：没有回收的凝析油 也造成了较大的资源、经济损失；凝析油的挥发性较大，容易污染环境。因此进行苏里 格气田低温分离工艺技术研究工作具有较大的经济效益和社会效益，为气藏地面开发模 式提供依据。 论文通过试验研究，能够较好的解决天然气生产中由于凝析油的影响而存在的计量 问题、管输影响问题、环境污染问题和经济效益问题。 本研究课题来自苏里格气田生产现场。 1 2 低温分离技术国内外研究及应用现状 1 2 1 低温分离集输工艺技术概述 低温分离一般可分为浅冷和深冷i i “j 。浅冷以回收丙烷( c 3 ) 为主要目的，制冷温度 一般在一1 5 一2 5 。c 左右；深冷则以回收乙烷( c 2 ) 为目的或要求丙烷收率大于9 0 ，制冷 温度一般在一9 0 1 0 0 。c 左右，而中冷温度一般在3 0 6 0 * ( 2 。有时也把中冷温度归于深 冷部分，有的文献也称为中深冷工艺。浅冷分离常用的制冷工艺有节流膨胀制冷法( 即 焦尔汤姆逊法) 、冷剂压缩循环制冷和单级膨胀制冷。应用较多的方法是冷剂制冷和单 级膨胀制冷。根据所处理气体的组成不同，( c 3 ) 的收率可达5 0 7 0 。而深冷工艺主 要有复叠式制冷、膨胀制冷和膨胀制冷与冷剂制冷相结合的混合( 复合) 制冷法，( c ，) 收 率可达到8 5 以上。 根据天然气的组成和用途，油田上所采取的制冷方式和制冷深度也有所不同。但其 原则工艺则是一致的，如图l 一1 所示。 干气 原料 图卜1 低温分离原理流程 阳安4 釉人学硕+ 学位论文 原料气预处理主要用分离器。增压用压缩机，如果原料气本来压力就高，视回收深 度要求可以不增压。净化是脱去原料气中的水、二氧化碳、硫化氢等对低温回收有不利 影响的物质，可以用吸收法或吸附法。对油田气而言一般含硫化氢很少，若含量多则一 般需要增设净化厂进分馏单元应用分馏塔将回收下来的轻烃进行进一步分离或稳定。 低温分离法有四个单元，分别为： ( 1 ) 冷量获得系统 为了冷凝天然气必须需要冷量，冷量的来源方式为内冷和外冷。内冷是气体本身经 压缩膨胀的热力过程获得冷量；外冷则是由单独设置的制冷循环为气体冷凝提供冷量。 对于甲烷含量较多的气体，由于可凝组分含量少而不凝的干气多，则一般不需要外冷源。 相反，对甲烷含量较少的富气，要冷凝的组分多，仅靠内冷不足以将可凝组分全部冷凝， 因而要求辅以外冷，补充的方式一般分为冷剂制冷。当然，所需冷量不仅与气体的贫富 程度有关，也与所要求的回收率有关。 ( 2 ) 净化系统 天然气特别是油田伴生气所含杂质一般为水分、二氧化碳、硫化氢等。这些杂质会 使分离设备冻堵或腐蚀，因此，在冷凝分离之前必须首先将它们清除。水分的脱除最早 采用三甘醇或二甘醇吸收，净化效果不理想，露点只能达到4 0 。c 。近年来采用分子筛吸 附干燥，效果显著提高，露点可达一7 0 。c 。对于温度水平不太低，则二氧化碳不必清除； 如需提供纯甲烷及纯乙烷，由于温度下降，二氧化碳易形成干冰堵塞管线和设备，故需 考虑脱碳( 在深冷中也可以采用工艺措施解决二氧化碳结冰问题) 。对于硫化氢其脱除往 往由净化厂承担。 ( 3 ) 分凝及精馏系统 分凝：轻烃回收装置中包括几个温度水平。在不同的温位下分别产生相应的凝液。 将各个温度水平下的凝液收集并进行精馏。 精馏：由分凝所得的凝液为原料气中较重组分的混合物，为了满足用户要求需进 一步分离成较窄的馏分。目前一般是将各股凝液按温度顺序引入精馏塔不同的高度进行 精馏。首先进入脱乙烷塔，塔顶产品为干气，塔底产品为c 3 及其以上的混合物。再送入 轻油稳定塔( 脱丁烷塔) 进行又一次精馏，达到分离成液化气和稳定轻油的目的。 ( 4 ) 热交换系统 冷量的获得与传递是轻烃回收的关键。热交换系统的任务就是要完成外冷的输入和 产品冷量的回收。前者的设备有压缩机后的换热器( 水冷或空冷) 及制冷系统的蒸发器： 后者的设备有干气换热器及膨胀换热器。此外为保证精馏过程的正常进行，还需设精馏 塔塔顶冷凝器和塔底重沸器，常用设备有冷箱、空冷器等。 第一章绪论 1 2 2 低温分离集输常用工艺方法 1 冷剂制冷工艺【j 1 冷剂制冷轻烃回收工艺( 外冷) 有吸收制冷和压缩制冷工艺。吸收式制冷的特点是直 接利用热能制冷，目前在轻烃回收中应用较少。而压缩式制冷是一种相变制冷，即利用 液态冷剂变为气态时的吸热效应进行制冷，该工艺所用冷剂有氨、氟里昂、两烷等。在 目前的新建装置中多选用丙烷作为制冷剂。 在冷剂制冷工艺当中，制冷剂的选择是相当重要的，冷剂有氨、氟里昂、丙烷或乙 烷乙烯等。氨是油田气凝液回收常用的制冷剂之一，其优点是在冷凝器中工作压力一般 不大于1 7 0 0 k p a ；氨不溶于润滑油，泄漏时容易发现，价廉易得。氨的缺点是能燃烧爆 炸。有刺激性气味对人体有一定毒性，对铜和铜合金有腐蚀作用。 用丙烷丙烯或乙烷乙烯可获得更低的致冷温度。 氟里昂一1 2 的单位容积制冷量9 0 1 2 k j m 3 ，虽然比氨小，但有基本无毒无味、对金属 腐蚀小、不燃烧不爆炸的优点。在致冷负荷不大、制冷温度不要求很低时也可以考虑使 用。 2 j t 膨胀工艺 j t 膨胀工艺即焦耳一汤姆逊( j o u l e t h o m s o n ) 膨胀方法回收液烃，在很多情况下它 是一种极富吸引力的方法【4 】。它用j t 阀通过气体本身的膨胀来致冷。该法与透平膨胀 致冷工艺和冷剂制冷工艺相比，在以下的几种情况下具有优势：低的处理量和适度的 乙烷效率；过程没有转动设备；比较宽的负荷范围：简单的设备与操作。 3 复合制冷工艺 复合制冷工艺指采用两种或两种以上的制冷方式进行轻烃回收的工艺方法。对于富 气，虽然制冷温度可以达到要求，但由于其含有较多的重组分，单一制冷所提供的冷量 达不到要求，有时用膨胀致冷机能达到，但由于膨胀制冷机的带液问题，这时往往需要 采用膨胀制冷工艺来实现。目前，天然气工业应用最多的是采用外加制冷剂循环制冷作 为辅助冷源，膨胀制冷作为主冷源，并采用逐级冷冻和逐级分出凝液的工艺措施来降低 冷量消耗和提高冷冻深度，以达到较高的轻烃收率。即冷量来自两部分：一部分由膨胀 制冷法提供；一部分则由冷剂制冷法提供。当原料气组成较富、或其压力低于适宜的冷 凝分离压力，为了充分、经济的回收天然气液而设置原料气压缩机时，应采用有冷剂预 冷的联合制冷法。 由于我国的伴生气大多具有组成较富、压力较低的特点，所以自8 0 年代以来新建或 改建的天然气凝液回收装置普遍采用膨胀制冷法及有冷剂制冷的联合制冷法，而其中的 膨胀制冷设备又以透平膨胀机为主。 目前，天然气液回收装置采用的几种主要工艺方法的烃类回收率见表。其中 m e h r a 法的实质是用物理溶剂( 例如n - 甲基吡略烷酮) 代替吸收油，将原料气中的c 2 4 吸 阿安秆油人学硕十学位论文 收后，采用抽提蒸馏的工艺获得所需的c 2 + 。乙烷、丙烷的回收率依市场需求状况而定 分别为2 9 0 和2 1 0 0 ，这种灵活性是透平膨胀机制冷法所不能比拟的。 表卜1n g l 回收方法的烃类回收率( ) n g l 回收方法乙烷丙炕 r 烷 天然汽油c ” 吸收法 54 07 58 7 低温油吸收法 1 57 59 09 5 冷剂制冷法 2 55 59 39 7 阶式制冷法 7 08 59 5 1 0 0 节流阀制冷法 7 09 09 71 0 0 透平膨胀机制冷法 8 59 7 1 0 0 1 0 0 马拉法 2 9 02 1 0 0 1 0 0】0 0 4 带有冷剂制冷的j t 工艺 在某些情况下，原料天然气的压力不是很高或者原料天然气相当的富，这是往往使 用冷剂制冷来作为j t 阀工艺的补充以强化回收效率。气体首先进行脱水处理，然后经 过换热器、蒸发器以降低其进入低温分离器的温度。此工艺最大的特点是有多个换热器 将待处理气体不断的降温，充分利用了处理过的气体的低温能量，以达到较好的低温分 离效果，其工艺流程如图1 2 所示。 图1 2 带有冷剂制冷的j t 工艺 5 带有冷剂制冷的膨胀机工艺 常规膨胀机加外冷复合工艺包括原料气增压、分子筛脱水、丙烷( 或其他制冷剂) 蒸 发器预冷，然后再进入膨胀机进一步制冷。外冷器般位于装置的主冷箱之前冷剂制冷 冷位与重烃冷凝冷位相适应。油气嗣中的重烃如c s ，c 6 ，c 7 等一般含量较多，虽然其冷 凝冷位要求不高，但冷量耗费较多。如果只采用膨胀机会严重降低制冷深度，进而降低 c ：，c ，等轻质烃的冷凝率。采用简单的冷剂循环制冷作为辅助冷源，可将重烃先行分出， 使进膨胀机的气流变贫，这样不仅会降低膨胀机的带液量，且有利于提高膨胀机的制冷 第一章绪论 深度，从而使c 2 ，c 3 冷凝率得到提高。 1 2 3 低温分离集输新型工艺方法 1 d h x 工艺1 5 7 1 带有冷剂制冷的膨胀机工艺有多种形式，常见的有传统工艺、残余气循环、气体过 冷工艺、冷残余气循环工艺、液体过冷工艺以及d h x 工艺，其中以d h x 工艺最为典型。 d h x 工艺作为一种在不回收c 2 情况下，能大幅度提高c 3 收率的轻烃回收新工艺， 其与常规流程设备的区别主要是增加了轻组分分馏塔，d h x 工艺在近几年国内引进的几 套轻烃回收装置中被广泛采用。 d h x 工艺也称直接换热工艺，是加拿大埃索资源公司于1 9 8 4 年首先提出并在j u d y g r e e k 装置得以实践并获得成功的新工艺。大港油田压气站于1 9 9 5 年引进了美国 p r o q u t p 公司1 0 0 1 0 4 n i t l 3 d 天然气处理装置，其流程如图1 3 所示。 图卜3 直接换热工艺( d h x ) 流程 吐哈油罔丘陵联合站1 9 9 7 年引进了德国l i n d e 公司1 2 0 1 0 4 n m 3 d 天然气处理装 置，主要处理丘陵油田伴生气和丘陵联合站原稳气，回收天然气中c 3 + 组分，丙烷设计 收率8 5 。主要工艺处理过程为：原料气增压一分子筛脱水一丙烷制冷一膨胀机制冷一 d h x 工艺一脱乙烷塔一脱丁烷塔一产品。 该装置采用d h x 工艺，在相同的条件下c 3 收率由7 2 提高到9 5 。该工艺的实质 是用脱乙烷塔回流罐的液烃换热，节流降温后进入d h x 塔，以此吸收膨胀机出口低温 分离器出来的气相中含有的c 3 + 组分，从而提高c 3 收率。 在轻烃回收装置中设置d i t x 工艺的主要特点有： 1 ) d h x 工艺冷量利用合理。轻组分分馏塔采用低温吸收制冷工艺，脱乙烷塔顶气 先经过与轻组分分馏塔顶低温气体换热，将气体中绝大部分c ，吸收冷凝下来，再进入轻 组分分馏塔顶部与膨胀机出口低温气体在塔内逆流接触，同时进行传质传热，通过换热 拍安7 讯b 人学硕士学位论文 闪蒸出凝液中大量c l 、c 2 等轻组分。由于凝液中c i 、c 2 等轻组分的气化制冷，轻组分 分馏塔塔顶气相及塔底液相温度均比进料温度低。不仅回收了脱乙烷塔塔顶气中绝大部 分c 3 组分，同时也增加了膨胀机出口气中c 3 冷凝量，即降低了脱乙烷塔的气相负荷， 又增加了装置c 3 收率。 2 ) d h x 工艺脱乙烷塔回流操作平稳。由于装置用于处理较富的油田伴生气，为了 提高c 3 收率，脱乙烷塔宜采用全塔分馏方式。当脱乙烷塔采用常规全回流操作时，不但 消耗冷量，同时因为回流液中c 2 等轻组分较多，多数塔顶回流泵难以正常操作，而采用 d h x 工艺恰好解决了这一问题。d i - i x 工艺可省掉脱乙烷塔顶冷箱、回流罐等设备，轻 组分分馏塔塔底低温凝液直接作为回流进脱乙烷塔顶部。由于回流凝液操作温度低且其 中c 2 及较轻组分含量大幅度下降，因此塔底增压泵运行平稳。 对一定组分的天然气，提高冷凝压力或降低冷凝温度，冷凝液量增加；但压力提高 到一定程度或温度降低到一定程度，c 3 + 凝液量的增加程度远小于c 2 凝液量的增加。不 采用d h x 工艺，单靠降低冷凝温度来提高c 3 收率会造成大量的c 2 一起冷凝，对于不回 收c 2 的中浅冷装置来说经济上是不合理的。 d h x 工艺的关键在于轻组分分馏塔采用吸收气化制冷。它有一定的适用范围： 原料气较富，d h x 工艺轻组分分馏塔采用吸收制冷( 直接换热) 原理，c 3 收率提 高幅度主要取决于原料气中c l c 2 的比值。在轻烃回收装置操作条件下，d h x 工艺在不 同原料气c l c 2 比值时，与脱乙烷常规全回流相比装置c 3 收率增加值见表1 2 。原料气 中c l c 2 比值越小，脱乙烷塔塔顶气低温凝液率越高，d h x 工艺c 3 收率提高幅度越大， 一般要求原料气中c l c 2 7 。当原料气c l c 2 比值大于1 2 8 3 5 时，c 3 收率增加已很小。 原料气中c 3 + 含量对d h x 工艺影响较小，原因是大部分c 3 + 在膨胀机前低温分离器分出。 表卜2d h x 工艺在不同原料下c a 收率( ) c l c 2 原料c 3 含量 常规回流d h x ：艺 c ，收率增加 4 ，7 68 3 88 0 3 9 5 11 4 8 4 9 l8 0 27 9 89 4 81 50 6 2 06 2 37 7 48 6 8 9 4 6 9 3 6 9 47 7 18 4 57 4 7 7 94 8 07 3 58 0 87 3 9 6 l3 _ 3 86 4 36 8 03 7 脱乙烷塔操作压力应高于干气外输压力，脱乙烷塔操作压力取决于脱丁烷塔操作 压力及干气外输压力，d h x 工艺在低压下操作较为有利，一般要求干气外输压力p 1 7 m p a ，这样即可以利用原料气压力能，又可以保证脱乙烷塔塔顶气不需增压直接进轻 组分分馏塔进行介质换热。 2 新型冷冻法【8 】 第一章绪论 新型冷冻法是一种以周期切换的冷冻方式，它解决了传统冷冻法不能应用于在冰点 温度下进行脱水操作的困难。将这种新型冷冻法应用于天然气的脱水预处理，可达到预 定的脱水效果，保证了北方地区油气阿天然气在冬季的不冻结安全输送；应用于轻烃分 离工艺，不仅可以简化流程，减少设备，降低能耗，同时达到较高的c 3 收率。图卜4 为 新型冷冻法的原理工艺流程。 图卜4 新型冷冻法原理流程 t 、3 、6 、9 换向阀2 、7 冷凝蒸发 4 水冷器5 一制冷剂压缩机 8 节流 传统冷冻法脱水原理是用制冷剂将含水气体混合物冷却到一定的温度、凝析出水分 经分离除去其中的大部分水分。显然，采用这种冷冻法脱水的操作温度仅能在冰点以上， 否则无法解决因操作温度降低到冰点以下而产生的冻结问题，而限制其脱除水分的深度。 如用加压冷冻法脱水，虽然可以提高脱水深度，但由于增加了成本操作温度仍不能低于 冰点，所以应用范围也受到了限制。而采用这种新型冷冻法，可以解决操作温度低于冰 点以下水分凝结成冰( 霜) 后的解冻问题，从而使气体混合物脱水达到一定深度，为冷冻 法脱水和轻烃回收技术的广泛应用开辟了新的前景。 为确保天然气输气管的顺利操作，对寒冷地区的长距离输送，要求每百万立方米天 然气中的含水量不高于o 6 k g 。新型冷冻法的应用解决了传统冷冻法无法在露点温度低于 冰点温度下脱水解冻的困难，因而具有理论上的先进性和技术上的突破性。将它应用于 天然气脱水预处理的工艺流程，与其它脱水工艺相比，其流程结构简单、投资少，脱水 效果显著，保证了我国北方地区天然气在冬季的不冻结安全输送。而且，在脱水的同时 可副产一定数量的混烃，特别对于富轻烃的天然气，经济效益更为可观。用它代替轻烃 回收装置中的分子筛吸附，不仅简化流程，减少设备，而且提高了整个装嚣的热力学效 率。对于富气轻烃在不使用低温膨胀机的庸况下，可得到令人满意的c ，收率。 3 颇尔气液分离装置【9 】 颇尔气液分离装置由预处理器和气液聚结器组成。预过滤器主要是除去天然气中固 体颗粒，过滤精度可达o 3 f z r n ( 去除效率9 9 9 8 ) ，以保护下游气液聚结器，延长其使用 寿命。气液聚结器主要是除去天然气中的凝液，大量研究表明，天然气中杂质液滴大小 在o 1 1 o p m 范围内，这些液滴很容易随气液一起通过，用传统的机械分离不能分离出 嘣安i i 油大学硕十学何论文 来，颇尔的气液聚结器是专门为去除这一范围内的液滴设计的，能将液滴去除至 0 0 1 p p m w 以下，甚至可达o 0 0 3p p m w ，即去除颗粒0 1 p m 液滴。 ( 1 ) 颇尔预过滤器结构及主要过滤元件 颇尔预过滤器为立式滤壳，最高工作压差o 3 m p a ，内装9 根m c c l 4 0 1 滤芯， m c c l 4 0 1 采用树脂粘结玻璃纤维介质，结构坚固，具有容污量高、净压降低、寿命长和 操作费用低等特点。 采用打褶设计，这种打褶结构使其在很小的柱状体积下具有高效的过滤面积，与 传统的过滤器相比，其过滤面积超出1 0 倍以上，使得流通密度更低，由于流通密度与滤 芯寿命成反比，在某种情况下流通量减半时滤芯的处理量可能增加四倍，过滤面积大也 意味着更换周期延长，滤芯用量减少，同时加工费用减低。 内部由不锈钢端盖保护，通过内。型圈j 下向密封，不需要昂贵的内部硬件，这 种单个o 型圈设计可满足迅速简易的滤芯更换要求，降低维修费用，使操作维护时间缩 短，减少了系统停车时间。 由于颇尔采用优质的材料、先进的技术，制造出的纤维直径很细，这样有效体积 或空隙较大，而且介质仍具有足够的强度，可以在受压时不会破坏。有效体积大使得容 污量更高、渗透性更强、使用寿命更长。 ( 2 ) 颇尔气液聚结器及主要过滤元件 颇尔气液聚结器为立式外壳形，最高工作压差为o 2 m p a ，工作温度一1 8 - 4 0 c ，内 装1 9 根c c 3 l g 0 2 型滤芯，滤芯固定在管板上。c c 3 l g 0 2 型滤芯结构特征如下： 正向密封机制：滤芯一端的o 型圈可防止污染物通过。 金属支撑芯：轴心力量由一根打孔的不锈钢柱支撑，同时还能够提供液涌保护。 聚结器的折褶介质：聚结器由树脂粘结的大面积、多褶介质构成，外裹无纺聚合 物支撑及排液层。在低压下很宽的流速范围内都可以实现高效分离。 外部排液层：外层包裹的聚合物，起着排出聚结的液体污染物，同时防止夹带的 作用。在流动速率和液体波动的情况下依然具有一致的高效性。 夕i - j h 强层：使用时支撑滤芯介质。 专利的疏油疏水处理：经颇尔专利的疏油，疏水处理后，介质表面的能量降低， 即使在气体高速流动时也具有很高的排污功能，可防止雾沫夹带。同时聚结单元的体积 也会缩小。 流体的相容性：这种大流量聚结器与水、凝析油具有相容性。 聚丙烯端盖：整个滤芯采用颇尔专利技术融封入聚丙烯端盖中，可防止污染物旁 通并起着增加滤芯强度的作用。 ( 3 ) 流程工艺 经气液重力分离器低温分离后的天然气，先经过预过滤器进行过滤分离，分离出的 天然气中的固体颗粒，然后进入气液聚结器。天然气先进入下部的沉降区，经体积膨胀、 r 第一章绪论 碰撞将分离出颗粒大的液滴；天然气再进入聚结区，由内向外流动通过相分离聚结元件 的表面，并通过滤芯表面颇尔专利疏油疏水技术的处理，使天然气中悬浮的小液滴聚结 在一起形成大液滴，可以将聚结液体从底部排出，净化天然气从气液聚结器顶部排出直 接外输。 1 2 4 膜分离技术 上世纪五十年代，膜分离技术在液体分离、海水淡化等工业领域得到应用，但用以 分离气体仍属空白。1 9 6 0 年后由于不对称膜的研制成功，为膜技术应用于气体分离铺平 了道路。之后，又发展了在膜上加有涂层的复合膜，目前这类膜材料已成为开发的主要 方向。1 9 7 4 年美国孟山都公司( m o n s a n t o c o ) 制成了有代表性的普里森( p r i s m ) 中空纤维 膜分离器。迄今已有2 0 多套装置在世界各地运转，主要用于分离氢气和生产富氧空气。 上世纪八十年代以来，膜分离技术应用于天然气的处理，除去其中的酸气，时间虽 然不长，但发展速度却相当快。究其原因，主要是因为膜分离技术与酸性气体传统的处 理方法( 如化学溶剂法、物理溶剂法、低温分馏法等) 相比具有一定的优势，尤其是处理 含酸气浓度高的气体，优势更为明显，因而这方面的应用越来越多，显示出广阔的发展 前景f 1 0 tl l 】。 国内研制的中空纤维膜以往太多用于液体分离，近年开始进行气体分离研究。如四 川化工厂、四川化工研究所等单位用聚碳酸脂中空纤维膜从合成氨尾气中分离氢气，四 川石油管理局威远天然气化工厂也与有关单位协作进行了利用中空纤维管膜从天然气中 分离氦气的实验，并取得了一定成果。1 9 8 2 年上海吴泾化工厂引进了普里森膜分离器， 用于从合成氨尾气汇总回收氢，取得了明显的经济效益。然而，从总体来看国内目前尚 处于起步阶段。 在某些特定情况下，把膜分离技术应用于天然气净化可以克服常用胺法的固有弱点。 上世纪八十年代以来国外在这方面进行了大量的实验，并己实现了工业化。从应用实践 看，这项技术在天然气净化工艺领域中有广阔的发展前景，尤其在处理酸气含量很高的 原料气( 天然气、注二氧化碳进行第二次强化采油的油阳伴生气) 时效果明显。 1 膜分离技术分离原理 1 ) 分离的基本特点 气体膜分离是利用气体混合物在压差作用下通过薄膜( 如醋酸纤维素膜) 时各组分渗 透速率的差异来进行的。如图1 5 所示，水蒸气、硫化氢及二氧化碳等组分比较容易透 过薄膜，而烃类则不易。所以，透过气中的水蒸气、硫化氢及二氧化碳等组分得到了富 集，而渗余气中酸性气体就可基本脱除。 曲安4 i 油人学硕士学位论文 图卜5 天然气膜分离过程示意图 2 ) 渗透过程的机理及基本公式 可用于气体分离的膜材料很多，按材质大致分为多孔质膜和非多孔质膜i n 】。它们的 渗透机理完全不同。前者可以聚乙烯或特氟隆聚合物膜为代表，各种气体分子均以其固 有的速度从多空体的微孑l 渗透过去，靠渗透速度的差别来达到分离的目的，因而其分离 效果与原料气和渗透气的流动状态密切相关。通常，微孔中气体的渗透速度与其分子量 平方根的倒数成正比。目前气体分离上常用的是非多孔质膜，它们按构造不同又可分为 平板式、中空纤维式、薄膜式等：也可按膜的微观结构不同，分为均质膜、不对称膜、 复合膜等。非多孔质膜的分离效果基本上和气体的流动状态无关，气体是通过分子间隙 渗透，可用溶解扩散机理来说明 1 3 】。按此机理，气体渗透过程分为以下三个阶段：气 体分子溶解在膜表面；溶解的气体分子在膜内活性扩散、移动；气体分子从膜的 另一侧解吸。 根据以上认识，气体通过致密的非多孔膜时的简化数学模型可表示如下： q ：丝亟二墨! 1 ) o ，(1- 式中： 见组分a 通过膜的渗透量，c m 2 ； a 膜面积，c m 2 ； 白组分a 在原料气侧的分压，c m h g 只组分f l _ 在原料气侧的分压，c m h g ； f 一膜厚度，c m ； k 一组分a 的渗透系数c m 3 c 州c m 2 c m h g s 。 ( 1 1 ) 式的渗透系数k 是表示气体渗透过不同膜时的难易程度。为适应工艺要求，需 分离的气体组分在膜上应有较大的k 值。然而仅仅如此是不够的，影响分离的另一个重 要参数是分离因子a ，即要求分离的两种气体和b ) 渗透系数的比值。 a a - b = 觚 ( 1 - 2 ) 选择分离用的膜时，既要求有较大的渗透系数，也要求有合适的分离因子。非多孔 质膜的渗透系数都比多孑l 质膜小，但其分离因子却大的多，这就是非多孔质膜在气体分 离工艺中被广泛采用的原因【。不同聚合物膜对甲烷、氮、氦等的渗透系数也不同。在 醋酸纤维膜上，于相同条件下，天然气净化中经常涉及气体的相对渗透率如表l 一3 所示。 从表的数据中可以看出，a h 2 s c h 4 为5 0 ，驰0 2 _ c h 4 为3 0 ，即h 2 s 、c 0 2 等酸性气体组分对 第一章绪论 c h 4 的分离因子都较大。但h 2 s 、c 0 2 之问的分离因子则较小，a h 2 s _ c 0 2 为1 7 。因此就分 离因子而言，用膜技术从天然气中分离掉h 2 s 、c 0 2 是可以实现的。 表卜3 醋酸纤维膜上气体的相对渗透率 组分 水蒸气 h e h 2h 2 sc 0 20 2 c o c h an ， c 2 h 6 相对渗透率 l o o151 21 0610o 30 2o 1 80 1 3 ) 脱水机理 天然气膜法脱水工艺是近年来发展起来的天然气“干法”净化技术，是当代最具有 代表性的高新技术之一，它与固体催化转化技术相结合，既克服了传统工艺脱水的不足， 又使集成工艺的优势得到充分发挥，具有显著的技术优势和经济竞争力。 在膜的表面层中，有大量的毛细管孔，气体通过这些毛细管孔的流动主要是自由分 子流、表面流、粘滞流及筛分机理联合作用的结果，其中粘滞流不产生气体分离。自由 分子流的c h 4 在膜或膜的表面的流动速率大于比其分子量大的h 2 0 、c 0 2 、h 2 s ( 气体的 流动速率与气体分子量平方根成反比) ，这样h 2 0 、c 0 2 、h 2 s 的流动速度比c h 滞后， 为其充分透过膜打下了基础。而且当为自由分子流时，纯气体的渗透系数与操作压力无 关，维持恒定。气体流经膜，表面流占主导地位时，根据膜的特性得：h 2 0 、c 0 2 、h 2 s 的渗透性随压力增加而增加，而且h 2 0 、c 0 2 、h 2 s 的渗透系数大于c h 4 。根据筛分机 理，c h 4 的分子直径为0 4 n m ，大于h 2 0 、c 0 2 、h 2 s 的分子直径，而膜孔的平均尺寸为 o 3 r i m 左右，这样c h 4 在膜中难以通过，而水和少部分的c 0 2 、h 2 s 可以通过膜孔，从 而达到天然气脱水的目的l l ”。 天然气膜法脱水的机理如图1 6 所示。图中：p 1 原料气压力，p 2 产品气压力，p 3 为 渗透气压力，m p a ；t l 为原料气温度，t 2 为产品气温度，t 3 为渗透气温度，k ；q 1 为原 料气标准状态下流量，q 2 为渗透气标准状态下流量，q 3 为渗透气标准状态下流量，m 3 h ； x 。为原料气中饱和水含量，x 2 为产品气中饱和水含量，x 3 为渗透气中饱和水含量，m g l 。 图卜6 天然气膜法脱水机理示意图 当富含水蒸气的天然气( 即原料气) 在压力p - 的推动下通过薄膜时，由于薄膜的表皮 层中有很多毛细管孔，不同的气体组分通过薄膜时的速率有极大的差异，即速率分异现 象。“高速气体”快速通过薄膜而与“低速气体”分离，两种气体经过不同的导压管在处 两安打油大学硕十学 ：i ) ：论文 理系统的不同出口排出。“高速气体”又称渗透性气体，富含水蒸气。“低速气体”是经 过脱水后的净化气( 即产品气) ，保持较高的压力进入外输管线。天然气膜法脱水就是利 用薄膜的这种特殊性质，选用一种特殊的膜，脱除天然气中的饱和水蒸气，从而降低天 然气的水露点，满足管输要求。 4 ) 膜的选择 渗透系数p 和分离因子a 是决定气体分离膜渗透性和选择性的两个主要参数，它们 分别表示了气体在分离膜中的渗透难易程度和分离的好坏程度。p 和a 的值与膜材料和 分离气体的种类有关，而且对于用同一种膜材料如气体，如果a 值较大，则p 值就较小。 用于处理天然气，采用的膜材料有醋酸纤维素、聚砜、聚碳酸脂等聚合物，它们对h 2 s 、 c 0 2 、水分等天然气中的杂质都有较高的渗透性和较强的分离能力。表1 - 4 列出3 种 c 0 2 c i - h 分离膜的性能比较。 表卜4c 0 , c h 一分离膜的性能比较 膜 j p c 0 2f 2 c 0 2 c h 4 温度( ) 醋酸纤维素1 5 93 0 8 3 5 聚碳酸脂 6 2 4 4 3 5 聚砜 4 42 8 3 3 5 影响膜的气体渗透流量的因素，就膜本身而言，主要是膜的厚度和其渗透系数。对 于已有的膜材料，要提高膜的渗透流量，关键是改进制膜工艺，减小膜的厚度，但又不 要损失膜的选择性。非对称膜与复合膜的先后出现，解决了过去均质膜因渗透流量太小 而使用起来不经济的弱点，它们较薄的选择性渗透层使得膜的渗透流量明显增加，因而 当前应用最广的气体分离膜是非对称膜和复合膜【l ”。 工业上应用膜分离技术，除了要求气体分离膜有较高的渗透系数和分离因子之外， 还对膜的机械性能、耐温性和对化学品的抗腐蚀性有一定的要求。表1 5 处理天然气常 用的两种聚合物性质的对比。 表卜5 聚合物性质对比 类别聚砜 醋酸纤维素 t o ( 晶体)2 3 0 3 0 0 熔点温度( ) t g ( 无定形) 1 9 0 2 3 0 物理性质 热弯曲温度( ) 1 7 4 2 0 34 1 9 1 线型热膨胀系数( 1 0 6 i n i n ) 5 2 5 61 1 0 1 7 0 相对密度 1 2 4 1 3 71 2 8 1 3 4 吸水量0 2 2 o 4 31 7 7 0 拉伸强度( 6 8 9 k p a ) 8 4 0 0 - - 1 2 0 0 07 0 0 0 1 6 0 0 0 破裂伸长率( ) 6 4 1 5 01 5 5 5 机械性质 弯曲强度( 6 8 9 m p a ) 1 5 4 0 0 1 8 6 0 0 6 0 0 0 1 0 0 0 0 弯曲模量( 6 8 9 1 0 5 k p a ) 3 7 5 3 9 01 2 i 4 第一章绪论 从它们的热弯曲温度可以看出，由醋酸纤维素制成的膜有较低的使用温度，而聚砜 制成的使用温度较高；醋酸纤维素相对高的吸水量说明，将其用于气体分离，允许气体 中的水分含量较高，处理天然气时水分含量达到相对湿度的1 0 ，而对膜的渗透流量无 明显影响。因此认为，就流量、选择性、稳定性而论，用于天然气处理，醋酸纤维素是 最有希望的分离膜材料。 为了提高膜的分离效率，目前工业上采用的膜分离单元主要有中空纤维型和螺旋卷 型两类。可根据具体的处理条件恰当的进行选择。中空纤维型膜的单位面积价格要比螺 旋卷型薄膜便宜，但膜的渗透性较差，因而需要的膜面积就较大；另外中空纤维型管束 直径较小( 常小于3 0 0 9 m ) ，它来传输渗透气，如果渗透气流量过大，则会导致管束内压 力显著下降而影响膜的分离效果。而螺旋卷型的设计很好的解决了这个问题，由于它是 将比中空纤维型膜选择性渗透层更薄的膜弄成卷型放入管状容器内，因此具有较高的渗 透流量而膜的承受能力也得到了提高；同时，还可根据特殊的要求将单元设计成适当的 尺寸以便于安装和操作。因此尽管螺旋卷型薄膜单位面积价格比中空纤维型膜要贵3 5 倍，但因其具有上述优点，国外天然气的膜处理装置多采用螺旋卷型分离单元。 2 膜分离技术应用现状 1 ) 膜分离在气体分离中的应用 7 0 年代开始，世界上许多国家对膜分离技术用于气体分离进行了工业实验。但迄今 为止，利用膜分离技术对天然气进行处理的主要集中在美国、加拿大的5 家公司i l ”。腠 分离技术用于气体分离，最早在工业上获得成功的是m o n s a n t o 公司，它于1 9 7 9 年研出 p r i s m t m 膜分离器。截止1 9 8 6 年9 月，世界上已有2 1 个国家采用了p r i s m t m 膜分 离器，其总数达1 2 2 套，其中用于c 0 2 c h 4 分离的有1 1 套。利用膜分离技术从天然气 中除去酸气与传统处理方法相比经济上有相当的吸引力。目前采用p r i s m t m 膜系统的 工艺流程都是按不同原料气压力、流速、酸气浓度以及对烃损失的不同要求而设计的， 图1 7 为典型的流程示意图。 图1 - 7p r i s m t m 膜系统流程示意图 实验表明，即使对酸气浓度低于1 0 ( m 0 1 ) 的原料气，采用膜系统处理，也能获得 满意效果。工业上已采用一级p r l s m t m 膜系统对c 0 2 含量为3 5 ( m 0 1 ) 的天然气 进行了处理，结果残余气中c 0 2 含量降至 1 5 ( m 0 1 ) 。处理含酸气浓度低的原料气会使 膜系统规模增大，但采用膜处理仍是经济的。 阿安石油人学硕+ 学位论文 不。 如果原料气压力较低，而且要求减少烃的损失，则可采用二级膜系统。如图1 _ 8 所 图卜8 二级膜系统流程示意图 另外，膜分离可与传统的处理工艺混合使用，如图1 - 9 所示。 图卜9 麒系统+ 传统工艺流程不惹图 有时由于原料气中酸气浓度或者流量增加都要求扩大工艺的处理能力。这时，在已 有的传统工艺之前，采用膜分离系统除去原