kl800.com省心范文网

膜技术在天然气分离中的应用研究


第 27 卷   5 期           南 石 油 学 院 学 报          Vol 27   No. 5 第 . 西   2005 年  10 月         Journal of Southwest Petroleum Institute           Oct 2005      文章编号 : 1000 - 2634 ( 2005 ) 05 - 0068 - 04

膜技术在天然气分离中的应用研究
杨 毅 , 李长俊 , 刘恩斌
(西南石油学院石油工程学院 , 四川 成都 610500)



摘要 : 膜分离技术是新兴的分离技术 。在分析膜类型及特点的基础上 ,研究了膜分离天然气的原理 ,指出了适用于天 然气处理的膜的类型 。结合天然气分离的特点 , 提出了几套拟用于天然气处理的膜分离系统及其相应的工艺 , 并分 析了各个工艺的优劣性 ,对天然气的处理开辟了一个崭新的领域 ,特别对单井脱水 ,脱酸性气体具有极为广阔的应用 前景 。 关键词 : 天然气 ; 膜分离 ; 酸性气体 ; 膜材料 ; 工艺流程 中图分类号 : TE868           文献标识码 : A

引  言
天然气中一般含有一定量的水 、 硫化氢 、 及二氧 化碳 ,这给集输工艺带来了较大的影响 。同时 , 由于 水和酸性气体的存在 ,会严重腐蚀管道 。为此 , 国内 外采用多种方法对天然气进行处理 , 主要集中在站 场内 ,而用于单井中水 、 硫化氢及二氧化碳等杂质分 离技术还很不成熟 。随着制膜技术的不断提高 , 膜 法分离天然气越来越被人们重视 , 成为常规胺 (如 DEA 和 MDEA ) , 物理吸收 (如 Selexol) 和甘醇脱水 等工艺强有力的竞争对手 。 膜分离技术始于 19 世纪末 。 20 世纪 60 年代 , 在许多液 — 液分离技术的基础上 , 得到了进一步的 发展 。从 70 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大量的工业试验 。但迄今为 止 ,利用膜分离技术对天然气进行处理主要集中在 [1] 美国和加拿大 。 膜分离技术用于气体分离 , 最先在工业上获得 成功的是 Mosaton 公司 , 它于 1979 年研制出 PR IS M 膜分离器 ,它用于分离二氧化碳效果较好 。膜分离 技术最有潜力的应用是对含高浓度酸性原料气的处 理 。美国埃克森天然气化工厂采用醋酸纤维素螺旋 卷型分离器对酸性天然气的处理进行了现场试验 , 结果表明膜分离技术不存在物理的或化学的不稳定 性 。 Grace membrace system s公司采用一级或二级
① 收稿日期 : 2004 - 09 - 30 基金项目 : 四川省重点学科建设项目 ( SZD0416) 。

Grace膜分离系统以除去天然气中的二氧化碳 、 硫化

氢及水份等杂质效果显著 。 国内对膜分离技术在油气处理中的应用进行了 一些探索性的研究 。长庆油田在先导性开发试验区 进行了工业性试验 ,取得了一定的效果 ,但与世界上 发达国家相比仍有较大的差距 , 将膜分离技术用于 现场还需解决较多的技术难题 。本文在分析适用于 天然气处理的膜的基础上 , 提出了膜分离的主要技 术思路及相应的工艺流程 , 为膜分离技术的深入研 究奠定基础 。

1  膜分离技术的原理

[2]

物质通过半透膜的原理实际上是一种可释性机 理 ,世界上几乎所有投入商业使用的膜都是利用其 对某一组分的优先或选择可释性来达到目的的 。现 场上就是利用这种原理从天然气中分离出二氧化 碳、 硫化氢和水蒸汽 。 这种渗透膜由特殊选择的多聚体材料制成 , 使 其形成平板型或中空纤维型 , 它并不象某些粒子过 滤器一样具有网孔或小洞而且根据气体在固体物质 上吸附和扩散原理 , 这种原理的相反过程通常可在 某些特定的气体环境里密封圈的增塑和膨胀作用下 观察到 ,气体分离膜取这一现象有利的一面 。 聚合体是特殊选择的 , 对所要分离的气体具有

作者简介 : 杨 毅 ( 1977 - ) ,男 (汉族 ) ,辽宁营口人 , 硕士 ,在读博士 ,主要从事天然气分离技术的研究工作 。

第 5 期                毅等 :   杨 膜技术在天然气分离中的应用研究

69

高度选择性 。两类气体的分离也可能是由于气体通 过多聚体的速度差异而达到分离的目的 。表 1 列出 了醋酸纤维素膜上气体的相对渗透率 。
表 1  醋酸纤维素膜上气体的相对渗透率
组分 相对渗透率
He 水蒸汽 H 2 100 15 12 H 2 S CO 2 O 2 10 6 1 CO 0. 30 CH 4 0. 20 N2 0. 18 C2 H 6 0. 10

离膜中的渗透难易程度和分离的好坏程度 , 而且对 于同一种膜材料如果分离因子值较大 , 则渗透系数 就较小 。目前用于处理天然气的主要膜材料有醋酸 纤维素和聚砜 ,它们对二氧化碳 ,硫化氢和水蒸汽等 天然气中的杂质都有较高的渗透性和较强的分离能 力。 就膜本身而言 ,影响膜的气体渗透流量的因素 , 主要是膜的厚度和渗透系数 。对于现有的膜材料 , 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 , 因而得到了广泛 的应用 。 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 性能耐温性能和对化学药品的抗蚀性有一定的要 求 ,两种分离膜的性能比较如表 2 所示 。
表 2  两种分离膜的性能比较 [ 324 ]
分离因子 抗拉强度 (CO 2 /CH4 ) (6 89 / kPa) .
30. 8 28. 3

由表 1 中数据可看出甲烷的相对渗透率远小于 二氧化碳 、 硫化氢和水蒸汽的相对渗透率 。膜分离 是一个浓度差驱动过程 ,气体通过膜分离器时 ,其中 的二氧化碳 、 硫化氢和水蒸汽等杂质被分离气体吸 收到膜中 ,再扩散到低压侧形成了渗透气 。没有渗 出的甲烷气作为保留气体从另一侧流出 , 仍具有较 高的压力 (图 1 ) 。

图 1  分离原理图

膜材料 醋  酸 纤维素 聚砜

渗透 系数 (CO 2 )
15. 9 4. 4

热弯曲 温  度 /℃

相对 密度

吸水量 /%

然而 ,膜分离系统的分离效果也受到膜的选择 性的影响 ,因此必须通过进一步的试验筛选出适用 于天然气处理的膜的类型 。

7000 ~16000

41 ~91

1. 2 ~1. 3 1 7~7 0 . .

8400 ~12000 174 ~203 1. 2 ~1. 3 0 2~0 4 . .

2  膜的类型和特点
渗透系数和分离因子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分

3  膜分离系统的配套流程

[5 - 6]

利用醋酸纤维素或聚砜膜材料制成螺旋卷型膜 元件或中空纤维膜元件装入金属压力容器组装成撬 装膜处理单元 。膜分离系统大体上由三部分组成 (如图 2 所示 ) 。

图 2  分离系统图

3. 1  分离过滤系统

( 2 ) 第二分离器主要目的是过滤井下带来的化

分离过滤系统设有三个分离器 : ( 1 ) 第一分离器为立式重力式分离器 , 分上下 两段 ,上段有过滤网 。其主要目的是彻底分离游离 水 ,液态烃和固体杂质 ,以免损坏膜单元 。

学药剂 (如缓蚀剂 , 甘醇类 ) 的汽相部分 , 可采用活 性碳吸收 ,用后更换不进行再生 。 ( 3 ) 第三分离器与第一分离器功效相同 , 也可 作为第一分离器备用设备 ,平时起把关作用 。当然 ,

70

西南石油学院学报                    2005 年

分离过滤系统也可根据气井来气的性质 , 油气田自 行设计安装 。 3. 2   加热加压系统 主要目的是防止液态水的形成 , 这是因为液态 水会破坏膜的渗透能力 。气体通常需要加热升温到 11 摄氏度左右 。一般的方式有两种 , 当膜系统为单 级时采用水套炉加热 , 当膜分离系统为两级时利用 压缩机的出口气体 (温度较高的气体 ) 进行换热 。 如果气井来气经过分离过滤后的干净气体压力过低 则需要加压系统 。 3. 3   膜处理单元 为获得最佳的经济效益 , 有各种不同类型的橇 装膜分离工艺可满足特定条件下的气体处理要求 。 天然气膜处理工艺拟采用单级膜系统 、 单级部分再 循环膜系统、 两级膜系统 、 串联膜系统 、 串联再循环膜 系统及两级串联系统和与传统工艺串联的膜系统。 3. 3. 1   单级膜系统 各种膜工艺的设计中应最常用的是单级膜系 统 ,如图 1 所示 。由于单级膜系统结构具有简单投 资少的优点 ,一般情况下 , 它对用户最具有吸引力 。 虽然单级膜系统的净化气回收率比其他多级系统 低 ,但其经济效益极为可观 。 3. 3. 2   单级部分再循环膜系统 提高产品回收率的最简单方法是采用再循环工 艺 ,如图 3 所示 。渗透气流部分经增压后再循环到 原料气中 。再循环气流可优化 , 以达到最佳设计要 求 ,在这种情况下 ,除追加再循环压缩费用和增加膜 用量外 ,可大大提高总的产品回收率 。
图 5  串联膜系统

图 4  两级膜系统

3. 3. 4   串联膜系统

串联膜系统是将两套以上的膜系统串联使用 , 以达到提高渗透气质量的目的 。如图 5 所示 。串联 膜系统的优点是 ,第二级膜系统的渗透气热值高 ,并 可用作动力压缩机的燃料气或提供热能 。

3. 3. 5   串联膜再循环系统

改善简单的串联膜系统设计的一种方法是将第 二级膜的渗透气再循环至一级膜系统的进口 , 如图
6 所示 。这种设计可提高甲烷的回收率 。

图 6  串联膜再循环系统

图 3  单级部分再循环膜系统

3. 3. 6   两级串联膜系统

两级串联膜系统是将第三套膜设置在第二级膜 的渗透气出口处 ,用于分离压缩后的二级膜渗透气 , 并将净化气再循环至二级膜的进口处 ,如图 7 所示 。 这种工艺设计不仅可保持较高的净化气回收率 , 而 且大大降低了投资和减小了膜面积 。 由于油气田中已存在了大量的天然气传统处理 工艺 ,弃之可惜 。因此 ,可采用膜法分离方法与传统 处理工艺相结合的天然气处理方法 , 流程如 图 8 所

3. 3. 3   两级膜系统

改善单级膜系统的另一种方法是用两级膜系 统 ,如图 4 所示 。该系统另外增加一套膜系统来取 代单级部分再循环系统中的分流器 , 对第一级膜系 统排除的渗透气进行再分离 , 从而大幅度地提高产 品回收率及总的经济效益 。

第 5 期                毅等 :   杨 膜技术在天然气分离中的应用研究

71

就无泄漏和排污问题 , 而且由于该装置无可动部件 且体积小 ,因而不易受外部环境的影响和干扰 。 然而 , 在对膜的寿命进行了大量的试验以后认 为 ,大量液态水的存在会对膜的性能产生不利的影 响 。因此要求在进入膜系统处理之前 , 原料气需要 脱水 ,再经过过滤分离器除去其中所有的固体杂质 , 并保证没有液体进入膜单元 。因此要求在现场应用 膜分离器前应该进行初分离 , 以排除液态水及较大 的固体杂质 。 由于膜分离器是种较新气体分离设备 , 在膜单 元的选择方面应根据现场需要处理的原料气的性质 选择相应的膜单元 。 由于膜单元的寿命相对较短 , 经常由于破损需 要更换 ,因此应根据现场的特性设计出适合现场维 修 (更换膜单元 )的膜分离器 。
图 8  膜技术与传统工艺结合

图 7  两级串联膜系统

示 。即在已有的传统工艺之前采用膜系统除去原料 气中的大部分酸气 ,然后用传统工艺进行精制 ,这样 也可获得较好的分离效果 。

我国拥有大量的天然气资源 , 因此需要加速研 究和推广膜分离技术 , 脱除天然气中的酸气及水分 杂质 ,使其达到管输标准 ,以节省大量用于管道防腐 的人力及物力 。膜分离技术必然取代天然气传统的 分离工艺 ,成为处理天然气的主要方法 。

参考文献 :
4  结论和建议
膜分离技术是处理天然气的新方法 , 具有显著 的优点 : ( 1 ) 投资低 ,操作简单 ,重量轻 ,占地面积小 。 ( 2 ) 膜分离系统处于“ ” 干 的状态 , 没有溶液储 存 ,发泡降解及腐蚀设备等问题 。 ( 3 ) 由于膜分离系统在脱出天然气中酸性气体 的同时还能脱去大部分水蒸汽 , 所以可减轻天然气 脱水装置的负荷 ,有时甚至可完全取代他脱水装置 。 ( 4 ) 由于膜循环系统不需要循环液体 ,因此也
[1]  王学松 . 膜分离技术及其应用 [M ]. 北京 : 科学出版

社 , 1994.
[2]  张才箐 . 天然气中酸性气体脱出的新方法 — 膜分离方

法 [ J ]. 天然气工业 , 1993, 13 (1) : 95 - 99.
[3]  陈华 ,蒋国梁 . 膜分离法与深冷法联合用于从天然气

中提氦 [ J ]. 天然气工业 , 1995, 15 ( 2 ) : 71 - 73.
[4]  陈庚良 . 膜分离技术在天然气净化工艺中的应用 [ J ].

天然气工业 , 1989, 9 ( 2 ) : 51 - 62.
[5]  霍肖男 ,关昌伦 . 膜分离技术在天然气净化领域的应

用 [ J ]. 天然气与石油 , 1993, 11 (1) : 18 - 12.
[ 6 ]  王勇 ,孙晓春 . 天然气薄膜分离技术 [ J ]. 天然气与石

油 , 1993, 11 (1) : 13 - 17

(编辑   朱和平 )

No. 5                 Journal of Southwest Petroleum Institute in 5% NaCl solution 46. 8 g ? g
-1 -1



, in 0. 3% CaCl2 solution

14. 17 g?g . Ability of the inorganic materials for raising water - absorbent speed and power: kaolin > montmorillonite > talc. Contribution of inorganic materials for raising salt - absorbent speed and power: talc > kaolin > mont orillonite. Contribution m morillonite > kaolin. of the inorganic materials for raising salt resistance: talc >mont2 Key words: organic / inorganic comp lex; copolymerization, absorbency, salt resistance THE D ISPO S IT I N O F O I F IELD W ASTEW ATER BY O L
JOURNAL O F SOU THW ES T PETROL EUM IN S T ITU TE, VOL.

JOURNAL O F SOU THW ES T PETROL EUM IN S T ITU TE, VOL.

27, NO. 5, 72 - 74, 2005 ( ISSN 1000 - 2634, IN CH IN ES E )

mental condition. The p ropagation p roperty of the crosslinked in porous medium.

27, NO. 5, 65 - 67, 2005 ( ISSN 1000 - 2634, IN CH IN ES E )

position of gas - field wastewater The reacting mechanis and . m condign technological conditions have been studied in the lab.

Results show that the main pollutant CODc r removal rates of gas - field wastewater are 50% ~60% when take this technique as first - order reaction, while CODc r removal rates can reach 70%

~80% when as secondary reaction. In addition, this p rocess requires si p le facilities and no additional chem ical agent m . Key words: gas - field wastewater; electrocoagulation; CODc r removal rates

SOU THW ES T PETROL EUM IN S T ITU TE, VOL. 27, NO. 5, 68 -

widely According to the p rincip les of membrane separation and . character, this paper considered the type of membrane , which

membrane materiel; technical p rocess

M ED IUM

of membrane system. Then, this paper put forward some mem 2 p lication of this technology makes a new field in gas - treating, especially, it has very w ide p rospect for dehydration and de sulfurization from the acid gas p roduction in a single well . brane separation system s and corresponding technology The ap 2 . Key word: natural gas; membrane separation; acid gas; EXPER I ENTAL STUDY O N THE DY NAM IC FLOW 2 M ING GELL ING T I E O F CRO SSL INKED POLYM ER M SOL UT I N AND ITS TRANSFER PROCESS IN PO RO US O LUO Xian Οbo ( Southwest Petroleum Institute, Chengdu Si2

610500, China) , L I Chang Ο jin, L I En Οbin. JOURNAL O F U 71, 2005 ( ISSN 1000 - 2634, IN CH IN ES E )

EL ECTROCOAGULAT I N O WANG B ing ( Southwest Petroleum Institute, Chengdu Si2 chuan 610500, China ) , FENG Ying, ZHANG Tai Ο liang . RAL GAS SEPARAT I N O YANG Yi ( Southwest Petroleum Institute, Chengdu Sichuan RESEARCH O N M EM BRANE TECHNOLO GY IN NATU2 M embrane separation is a new chem ical separation which dealing w ith natural gas In the latest years, it was noticed more . can treat the natural gas very well , and the operating parameters It has been raised a new method, electrocoagulation in dis2

polymer solution is excellent by the transfer p rocess experim ent Key words: crosslinked polymer solution; polyacrylam ide;

porous medium; dynam ic gelling tim e; p ropagation

JOURNAL O F SOU THW ES T PETROL EUM IN S T ITU TE, VOL.

27, NO. 5, 75 - 77, 2005 ( ISSN 1000 - 2634, IN CH IN ES E )

was analyzed in the paper, and builds a fault tree w ith failure of water - jacket heater as top event was set up. W ith the fault tree analysis, the m inim um cut - set of the fault tree was obtained. W ith the calculation of structure significance of bottom events,

were p resented in paper .

CALCULAT I N FO R AX I O AL TE PERATURE D RO P M O N BUR IED CRUD E P IPEL INE W ITH NUM ER ICAL

W ES T PETROL EUM IN S T ITU TE, VOL. 27, NO. 5, 78 - 81,

p ipeline. The change of flow state and flow model judged by crit2 ical temperature on buried crude p ipeline was put forward. On

VAL UE INTEGRAL M ETHOD X IE Ying ( Southwest Petroleum Institute, Chengdu Sichuan 610500, China ) , YUAN Zong Οm ing JOURNAL O F SOU TH 2 . 2005 ( ISSN 1000 - 2634, IN CH IN ES E ) cussed when the flow state of oil was changed on buried crude The calculation method of critical temperature was dis2

chuan 610500, China ) , PU W an Οfen , WU HaiΟyan, et al . Sichuan 610500, China ) , YAO An Ο lin, YI Ping, et al N . tree; structure significance

ling ti e and transfer p rocess of crosslinked polymer solution has m

el The flow ing gelling ti e has been ascertained and the trans2 . m fer p rocess in porous medium has been considered. Results indi2 cate that the dynam ic gelling tim e is more than the static gelling nalysis is the causality of failures from the top tree event to the bottom tree event the analysis was conducted from the results to . acteristics of simp licity, easy understanding, flexibility, an ef2 fective method for reliability analysis and evaluation of engineer2 ing A ll factors that may make the water - jacket heater failure . the weakest factor was found. The major way of water - jacket heater failure was determ ined. And the corresponding measures Key wards: water - jacket heater; failure; analysis; fault FA I URE ANALY S IS O F W ATER - JACKET HEATER L J I NG Hong Οye ( Southwest Petroleum Institute, Chengdu A It is very important to p revent the water - jacket heater from accidents, imp rove its reliability, and expand its using life for ti e and the dynam ic gelling ti e is 9 - 11 days in the experi2 m m safety of oil & gas gathering and transm ission. The fault tree a2 the causes, from the top to the bottom. The method is the char2

been conducted in porous medium w ith a long sand packing mod2

In this article, experim ental investigation of the flow ing gel2


赞助商链接

IC卡燃气表使用说明

IC 卡燃气表使用说明 本产品符合 GB/T6968—...五、技术指标 流量范围: RXHT—J1.6IC RXHT—J...IC卡燃气应用探讨 3页 1下载券 威星IC卡燃气表...

膜式燃气表的选型及安装使用

燃气表的选型及安装使用 一、前言 城市燃气事业的飞速发展使燃气的计量工作...随着我国天然气的开发与应用, 我国已完成或正建设中 的“西气东输”一线工程...

膜式燃气表JJG577—2012新规程与JJG577—2005检定规程...

(2013)022-138-1 燃气表属于容积式气体流量计,广泛应用天然气、人工煤气计量中,随着科学技术 的不断发展,近几年燃气表的行业状况发生了很大的变化,...

膜式表,燃气表

式表,燃气表_能源/化工_工程科技_专业资料。G6/G10/G16/G25/G40/G65/G100 G6G6-G100 燃气技术参数: G6/G10/G16/G25/G40/G65/G100 适用于...

膜式燃气表生产知识竞赛试题

燃气表在使用过程中造成不计量或不过气称之为...D、空气对流 A、摩擦起电 B、感应起电 C、分离 ...燃气技术比武理论... 6页 1下载券 14)...

天然气脱硫除湿膜项目可行性研究报告

天然气脱硫除湿项目可行性研究报告_纺织/轻工业_...围绕影响项目的各种因素, 运用大量的数据资料论证拟建...全面技术经济分析论证的科学方法,在投资管理中,可行...

天然气脱硫除湿膜项目可行性研究报告编写格式及参考(模...

中投信德 可研领域专业机构 天然气脱硫除湿项目 可行性研究报告 编制单位:北京中投信德国际信息咨询有限公司 高级工程师:高建 第1页 中投信德 可研领域专业机构 ...