天然气膜法脱水

石油与天然气化工CHEMICAL ENGINEERING OF OIL GAS2006天然气膜法脱水蒋毅蒋洪朱聪(西南石油学院)摘要为了使开釆的井口天然气达到管榆标准,脱水是必不可少的处理工作,但传统的脱水工艺弊病很多,膜法脱水是新引进的技术,具有巨大的发展潜力。本文从天然气膜法脱水的原理入手,提出了膜选择的特征参数,并深入剖析了膜分离装置各部分的作用,最后通过膜法脱水、传统的三廿醇脱水和分子筛脱水的对比研究和工程实例的数据,充分说明了膜法脱水的优势和可行性。关键词膜脱水选择分离比较天然气作为一种洁净、高效、方便的优质燃料和重透余气要的化工原料,其应用范围日益扩大。但开采的井口天然气成分复杂,需要经过处理和加工后才能进人管道输送。通常,脱水是必不可少的处理工作,其目的是水蒸气避免在有水存在的情况下酸性气体对管道设备的腐蚀,并且防止生成水合物堵塞管道。目前天然气脱水大都釆用甘醇吸收法,但这种工艺存在诸多弊病。膜法脱水是新引进的技术,该工艺设备简单、投资低、卸图1混合气体透过 Spare膜的相对速度装容易、操作方便,因而具有巨大的发展潜力。天然气膜法脱水,国外在20世纪80年代开始研究,目前美国、日本、加拿大等国已有工业应用。1998°Q年,中国科学院大连化物所和中国石油天然气总公司长庆石油勘探局合作开发了天然气膜法脱水工业性实验装置,并进行了1700多小时的运行。该装置日处理量(3-15)×104m3,产品气的露点温度控制在28℃~-8℃(其输送压力小于4.6MPa),甲烷回收率nurse扩散表面扩散分子筛分≥98%,膜性能稳定图2膜分离机理示意图1基本原理用于天然气脱水的膜主要是由聚砜、醋酸纤维、聚1.1 Knudsen扩散酰亚胺等材料制成的微孔膜。天然气通过这些膜,当膜孔孔径比气体分子的平均自由程小时,气体各组分分子因渗透速度不同而在膜两侧富集,这样就分子与孔壁之间的碰撞几率大于分子间的碰撞,其分实现了分离。其实,水在各种玻璃态高分子中渗透速离原理主要遵循 Knudsen扩散理论。根据 Knudsen理度通常是最大的(图1),脱水相对于脱除天然气中的论气体的渗透速度可以表示为:其它组分要容易一些。2RT2(p1-P2)由于膜孔孔径和内孔表面性质的差异,使得天然气各组分分子与膜之间的相互作用程度有所不同,从式中:P1P2是气体在膜高、低压侧的分压,Pa;L是膜而表现出不同的传递特性。虽然天然气通过膜的流动的厚度,m;是孔隙率,m/m2;r是孔径,m十分复杂,但经研究认为,膜分离机理主要是 Knuds从(1)式可以看出,气体透过膜孔的速度与其相扩散、表面扩散和分子筛分联合作用的结果3,如图对分子质量的平方根成反比。因此,在天然气通过膜第35卷第2期天然气膜法脱水1.2表面扩散发的天然气膜法脱水工业性实验装置,其前处理单元天然气各组分分子都可在膜表面发生吸附,并沿就由并流旋风分离、高效过滤和微换热三个过程组成表面运动。当存在压力梯度时,分子在膜表面的占据天然气通过并流旋风分离器,在静止氧化破乳/重力沉率是不同的,从而产生浓度梯度,分子向表面浓度递减降的作用下,将气相与液固相分离;然后进入高效过滤的方向扩散,所以利用表面扩散可以获得更大的分离器,利用超滤和毛细管凝聚技术回收凝析油;最后在微系数。换热器中,天然气温度升高到饱和露点(水、烃)以上,1.3分子筛分保证进入膜分离单元后无游离态水(或烃)形成。根据分子筛分机理,CH4分子直径为0.4mm,大原料气预处理单无蹊分离单元产品气于水分子直径,而膜孔的平均尺寸为0.3nm左右,这样CH4分子难以通过膜孔,而水分子则可以后处理典元废气、废液2特征参数图3膜分离装置示意图天然气膜法脱水的核心技术在于选择适合待处理天然气情况的脱水膜。笔者通过分析研究特别提出了膜分离单元是整个分离装置的核心单元,它是两个在选膜时供参考的关键特征参数。个中空纤维膜分离器。预处理后的原料气从分离器壳2.1渗透系数程膜分离高压侧导入,在相应侧分压差的驱动下渗透系数表示气体通过膜的难易程度,是指单位渗透通过膜壁而进入纤维的管程—低压渗透侧,然时间、单位压力下气体透过单位膜面积的量与膜厚度后沿纤维外侧纵轴流动最后干气从与分离器进气口的乘积。其公式如下:相对的另一侧出口排除(图4)。(2)渗透气式中:P是渗透系数,m3/(Pa·s);p是膜两侧的压原料气上→产品气差,Pa。中空纤维膜为满足天然气脱水的工艺要求,应选用P值较大原料气产品气的膜。渗透气2.2分离系数膜对于两种组分的分离性能可以用分离系数a图4中空纤维式膜组件示意图来显示,a一般用下式表示P由于经过预处理的原料气中的水处于饱和状态,(3)所以渗透侧的水在浓缩后极易呈液态析出,影响膜的在选择天然气脱水膜时,an十分关键,通过CH4稳定性。因此,一般在渗透侧采用抽真空或干燥气体和水的分离系数可以清楚地展示膜的脱水性能。表1(干燥后的天然气或氮气)吹扫工艺(图5),以迅速排列出了在相同工况的醋酸纤维膜上,水对天然气中其出渗透侧的水。某些脱水系统将反吹气与渗透气的混它组分的分离系数。合气重新压入膜分离系统,这样可使整个脱水系统无烃类损失。表1醋酸纤维膜上,水对天然气中其它组分的分离系数组分XCH4CO:H2SC2H6N2H2 Co He C2脱水后产品50016.7101000555.68,3333.36.71加热器3膜分离装置原料气天然气膜法脱水的分离装置一般由三部分组成:膜分离预处理预处理单元、膜分离单元和后处理单元(图3)3.预处理单元的作用是在膜分离前将原料天然气中图5产品气吹扫式膜分离系统的杂质、液态水、凝析油等影响膜稳定性的有害物质去石油与天然气化工I00CHEMICAL ENGINEERING OF OIL & GAS2006处理,以达到安全排放的环保标准。了商品化阶段。意大利南部的Sni工厂采用 Permea4对比研究和工程实例Maritime production公司的膜装置(图6)脱水,得到的结果(表4)令人非常满意。从膜法脱水与传统三甘醇(TEG)脱水以及分子筛法脱水的对比研究数据(见表2表3)可以看出膜法5小结和建议脱水在设备成本和设备重量上都占有优势,特别是在膜法脱水能有效地脱除天然气中的水,降低其水初级脱水上这种优势十分明显。并且膜法脱水无需额露点,满足现场要求,使天然气达到外输气质标准。并外试剂加入;在脱水过程中无材料消耗,无须再生,操且和传统工艺相比,该工艺具有设备简单、结构紧凑、作费用低;无二次污染,不存在溶液储存发泡、设备腐重量轻、占据空间小操作费用低等优点。蚀等问题。笔者建议将膜法脱水与分子筛净化技术结合,用表2膜法脱水和TEG法脱水的性能比较前者先初级脱除大部分的水和轻烃,再用后者进行深性能TEG膜+预处理度脱除,这样可能会取得更优的技术、经济效果。同水的脱除率,%<9595时,国内也应加强天然气脱水用膜的开发,争取使膜的设备成本比0.8a0Cm达到500-200,膜上水的渗透率大于8.33设备重量比0.5510m3/(m2·Pa·s)。表3膜法、TEG法和分子筛法的单套参考文献200×10′m3/d脱水装置公用消耗对照表1任建新.膜分离技术及其应用,化学工业出版社,2002:82TEG法分子筛法膜法2荆国林,隋军天然气工业中的膜分离技术石油与天然气化工循环水消耗量,m3/d72098,27(2)电耗量,kWh/d3王锰,王湛,李政雄膜材料及其制备.材料科学与工程出版中燃料气耗量,m3/d48004956心,2001:153-220材料消耗202年一次4陈赓良膜分离技术在天然气净化工艺中的应用,天然气工业,操作成本,万元/年210·注:TEC法和分子师法按4年更换一次TEC和分子筛考5刘莱嫽等,膜分离技术应用手册化学工业出版社,2001:18-305虑,平均消耗20υ/a;膜法每2年更换一次膜芯。6王兴龙,郑欣.长庆气田天然气膜法脱水工艺技术讨论天然气工7 Johannessen T and Jones K. In: Proceedings of the KAPOC Conference原料气反吹气作者简介产品气蒋毅:198年生,西南石油学院油气储运专业在读硕士研究加压四川省成都市新都区西南石油学院。13548126000.E-mail:simarker@126.com.反吹气收修改稿:2005-11-3图6 Permea膜脱水系统工艺流程示意图编辑:康莉表4 Permea膜脱水系统现场试验的参数参数原料气流量,m/d26880吹气流量,m/d1440原料气露点,℃(含水700mg/L反吹气温度,℃操作温度,℃渗透气压力,MPa操作压力,MPa4.8-5.2产品气露点,℃(含水34mg/L)