用于酸性气体去除的工艺设计的制作方法

发明背景

本发明涉及用于从天然气物流中去除酸性气体(co2和h2s)的系统和方法。更具体地说，本发明涉及设计成通过膜渗透而不使用胺或物理溶剂来去除这些酸性气体的系统和方法。

通过传统的酸性气体去除技术(如胺类和物理溶剂)去除的酸性气体的总量受到接触器的尺寸、溶剂初始安装量和再生速率的限制。因此，如果酸性气体的去除要求由于入口气体中较高的酸性气体浓度而增加至超过原始设计裕度(通常比设计基准高5％至10％)，则必须添加更多设备以处理所述气体。实际上，通常对于含各浓度的co2的天然气田来说，很可能在项目的有效期内，入口气体中的co2含量会增加。h2s也是如此。

气藏具有有限的有用的生产寿命。因此，天然气的大量使用者如lng厂、发电厂和气体管道通常在20-30年时间范围内接收来自一个或多个井或田的产生气体，每个井或田具有天然气和酸性气体的不同组合。通常从具有不同酸性气体百分比的不同气田供应气体，并且将不同的气体物流共混在一起以形成进料气。

因此，气体组成随着来自将气体贡献给共混进料气的单个井的不同的生产量和酸性气体组成而变化。这种变化被气体生产公司的以下一般惯例扩大，首先生产最经济的低酸性气井，以最大限度地提高早期财务收益。这种惯例导致随着时间的推移生产具有越来越高的酸性气体组成的气体。

在初始酸性气体处理设备被安装在管道的lng动力厂的上游时，气田的实际长期生产概况和酸性气体组成概况经常是高度不确定的。因此，通常必须在某一稍后日期增加另外的酸性气体去除。为了使酸性气体系统的总成本保持较低，酸性气体去除系统经常最初未被设计成在气田生产寿命内处置在高入口酸性气体组成范围的入口气体。因此，通常在各阶段(例如阶段1、阶段2……阶段n)中添加新的酸性气体处理设备和相关压缩，这给操作增加了相当大的资金成本。

需要尽可能小地保持初始酸性气体处理系统的尺寸，但仍然足够灵活以避免当进料物流中酸性气体浓度增加时，随着时间的推移向该系统添加另外的设备。

发明概要

用于酸性气体(co2和h2s)去除的系统和工艺设计利用与灵活的设备和控制系统配置组合的膜渗透，以允许最大效率来使用初始安装的预处理、膜渗透和压缩设备，但仍然在项目的有效期内处置非常宽范围的入口气体组成，同时维持非渗透气体规范。所述系统和工艺通过调节初级渗透物、次级渗透物和再循环气操作而在入口co2浓度的宽范围内有效地操作。

在优选的实施方案中，初级膜单元或队列(train)与次级膜单元或队列串联放置。优选地，每个单元掺入具有玻璃状聚合物(例如但不限于三乙酸纤维素或乙酸纤维素)的螺旋卷绕或中空纤维膜，所述膜随着酸性气体入口浓度随时间增加而提供增加的效率和能力。

随着co2或h2s入口浓度增加，渗透流从初级膜单元增加。对于某些玻璃状聚合物膜，在螺旋卷绕或中空纤维配置中，渗透速率(通量)随着入口co2气体组成的升高而增加，因此所述系统可以更高的入口co2百分比去除更多的酸性气体，并且不像具有固定的酸性气体去除能力的溶剂体系。因此，即使酸性气体入口组成已增加，原始的膜酸性气体co2去除系统设备也经常可被用于所有未来的处理，这不像会要求将来设备扩充的溶剂或胺体系。渗透流的全部或一部分可被压缩并传送(route)至第二膜单元，另一部分绕过压缩并被传送至下游工艺如热氧化器、扩张部分(flare)、低(200至300)btu燃料气体系统，或者被压缩并重新注入。

来自次级膜单元的非渗透流的全部或一部分可在再循环回路中被压缩并与入口气体物流共混至初级膜单元，所述非渗透流的另一部分作为燃料气体被传送。来自次级膜单元的渗透流被传送至下游工艺如热氧化器、扩张部分、低btu燃料气体系统，或被压缩并重新注入。

除了降低阶段扩充资金成本外，该系统和工艺还允许最终使用者获取更多种类的未来气体供应源，所述供应源原本在没有另一常规的酸性气体去除阶段扩充的情况下将不可获得。

在所述系统的优选实施方案中，所述系统包括：

初级膜单元，其被布置成接收含有酸性气体并容纳至少一个玻璃状聚合物膜装置的入口天然气物流；

压缩机，其被布置成接收离开所述初级膜单元的渗透流的至少一部分；

旁路回路，其被布置成接收离开所述初级膜单元的所述渗透流的至少一部分；

用于控制通向所述压缩机和所述旁路回路的所述渗透流的构件；

次级膜单元，其被布置成从所述压缩机接收压缩的渗透流并容纳至少一个玻璃状聚合物膜装置；和

再循环回路，其具有被布置成接收离开所述次级膜单元的非渗透流的压缩机；

其中所述系统的所述玻璃状聚合物膜装置的总量“q”是

q＝y(mb+nb)，xcb→cs

其中“mb”和“nb”分别是初级单元和次级单元中玻璃状聚合物膜装置的预定量，其可有效地将入口天然气物流的预期最小酸性气体含量“cb”降低至要求的非渗透酸性气体含量规范“cs；并且其中当x≤y时以及当x>y时，“y(mb+nb)”可有效地将入口天然气物流的酸性气体含量xcb降低至要求的非渗透酸性气体含量规范cs，y在1.1至1.3的范围内；x在1.0至3.5的范围内。

在仅利用初始安装的设备并随时间维持相同的非渗透气体规范的同时，对随时间而变化的天然气入口物流的酸性气体入口浓度进行操作的膜渗透工艺的优选实施方案包括以下步骤：

使入口气体物流通过容纳至少一个玻璃状聚合物膜装置的初级膜单元；

压缩离开所述初级膜单元的渗透流的至少一部分；

可选地，将离开所述初级膜单元的所述渗透流的一部分传送至旁路回路；

通过使所述压缩的渗透流通过容纳至少一个玻璃状聚合物膜装置的次级膜单元，从所述压缩的渗透流去除酸性气体；

压缩离开所述次级膜单元的非渗透流的至少一部分；和

使所述压缩的非渗透流再循环至所述入口气体物流；

其中所述工艺的玻璃状聚合物膜装置的总量“q”与上文针对上述系统所述的相同。

附图简述

图1是通过膜渗透去除酸性气体的系统和工艺的一个优选实施方案的示意图。灵活的设备和控制系统配置允许初始安装的预处理设备、膜设备和压缩设备在项目的有效期内处置非常宽范围的入口气体组成的最大效率和持续使用。

图2是所述系统和工艺的另一优选实施方案的示意图，其中初级膜单元和次级膜单元串联布置为队列。

用于附图中的元件和数字

10系统和工艺

15入口天然气物流

20初级膜单元或队列

23非渗透物流(销售气体)

25渗透流物流

27绕过压缩的渗透物流的部分

30压缩机或压缩步骤

35压缩的渗透物流

40次级膜单元或队列

43非渗透流或物流

45渗透流或物流

47燃料气

50压缩机或压缩步骤

55压缩的非渗透物流

60热氧化器(还可能是扩张部分或某另一下游工艺)

具体实施方式

参照图1和图2，用于酸性气体去除的系统和工艺10的优选实施方案被布置成接收来自一个或多个天然气井或田的入口天然气物流15。虽然入口天然气物流15的酸性气体浓度随时间增加，但系统和工艺10适应这种增加，而不添加另外的设备，并且不依赖于下游胺或物理溶剂的任何增加。用于系统和工艺10中的玻璃状聚合物膜被选择为使得去除能率效率(removaldutyefficiency)随着酸性气体浓度增加而增加。设计系统和工艺以在初始条件下处置酸性气体浓度的约15％增加，将酸性气体浓度有效地处理至远高于15％增加，由此消除对另外设备或另外的下游胺或物理溶剂的需要。

在一个优选的实施方案中，玻璃状聚合物膜布置在初级膜单元和次级膜单元中，以在相同的入口气体流速下处置超过基础(最低预期)酸性气体浓度两倍的酸性气体浓度。在另一优选的实施方案中，玻璃状聚合物膜布置在初级膜队列和次级膜队列中，以在相同的入口气体流速下处置酸性气体浓度，所述气体流速最高达基础酸性气体浓度的3.5倍或更多(例如20％co2增加至70％)。此外，随着入口气体中的酸性气体浓度增加，现有的膜工厂入口流量可同时增加最高达20％至25％，而无需添加另外的设备。

系统和工艺10使用初级膜单元或队列20，所述初级膜单元或队列20被布置成使用合并螺旋卷绕或中空纤维玻璃状聚合物膜的一个或多个膜步骤来接收入口气体物流15；以及次级膜单元或队列40，所述次级膜单元或队列40与初级单元或队列20串联布置，并使用合并螺旋卷绕或中空纤维玻璃状聚合物膜的一个或多个膜步骤。次级单元或队列40接收离开初级单元或队列20的渗透物流25的全部或一部分。每个单元或队列20、40合并螺旋卷绕或中空纤维玻璃状聚合物膜。当布置为队列时，每个队列20、40内的膜彼此串联，使得一部分渗透物可被传送至队列20或40内的紧邻的下游膜单元，并且所述队列内的渗透物压力可经调节以匹配当前的工艺要求。

随着co2或h2s入口浓度增加，渗透流25从初级膜单元或队列20增加。渗透流25的全部或一部分可被压缩30，并且压缩的渗透物流35被传送至次级膜单元或者队列40，而另一部分27绕过压缩30并且被传送至热氧化器60。

来自次级膜单元或队列40的非渗透流43的全部或一部分可在再循环回路中被压缩50并与流入初级膜单元或队列20中的入口天然气物流15共混。非渗透流43的另一部分可作为燃料气体47被传送。类似于来自初级膜单元或队列20的旁路渗透流27，来自次级膜单元或队列40的渗透流45被传送至热氧化器60。

优选地，用于每个单元或队列20、40中的玻璃状聚合物与用于另一单元或队列40、20中的玻璃状聚合物是相同类型或种类的玻璃状聚合物，但所述膜的量或表面积可在两者之间不同。无论玻璃状聚合物的量或表面积如何，所选玻璃状聚合物都应当是随着co2或h2s酸性气体入口浓度随时间增加而可提供增加的效率者。玻璃状聚合物的实例包括但不限于呈螺旋卷绕或中空纤维配置的乙酸纤维素、三乙酸纤维素、聚酰亚胺、聚酰胺、聚砜和多层复合膜。

举例来说，随着酸性气体入口浓度随时间增加，三乙酸纤维素膜可提供增加的效率。该特定中空纤维膜的co2去除能力随着入口co2浓度增加而变得越来越高，入口co2浓度增加的原因在于入口气体物流中增加的co2分压和玻璃状聚合物的co2溶解性增强的通量。注意这对于h2s同样适用，所述h2s通常追踪co2渗透速率。

在一种实例情况下，在相同的入口流速下，对于从20％增加至40％co2的入口气体物流，总co2去除能率增加233％，并且对于增加至60％co2的入口气体物流，总co2去除能率增加最高达367％(参见表1)。虽然酸性气体浓度已从基础条件增加至两倍和三倍，但所述系统和工艺的优选实施方案仅需要初始针对115％的基础条件设计来处置所有情况，包括70％的co2。换句话说，相对于处置基础条件所需的总量，在1.05至1.3的范围内并且甚至更优选约在约1.1至1.2的范围内，增加用于单元20、40中的玻璃状聚合物的总量，提供相对于基本情况在2至3.5倍范围内的去除能率。在常规的胺或物理溶剂体系中没有发现或可实现这种随co2浓度升高而增加效率。另外，在较高的酸性气体浓度下操作成本显著低于传统设计。

表1.增加co2浓度的实例性系统和工艺效率。

除了初级和次级膜单元或队列20、40之外，系统和工艺设计10的其它方面也可被优化，包括初级渗透压缩30、再循环压缩50以及控制系统和管道配置，所述控制系统和管道配置控制绕过次级膜单元或队列40的渗透物25的量以及从该单元或队列40再循环的非渗透物43的量。还可将压缩30、50能力转向至销售气体增压器压缩或提高最终出口渗透气体压力。该方法使得能够随着入口物流15中的co2或h2s浓度增加而进行无缝操作。

例如，低入口co2气体需要更高百分比的初级渗透气体25被压缩30，并被发送至次级膜单元或队列40用于另外的烃回收。相比之下，当在更高的入口co2条件下操作时，更多的初级渗透气体25可绕过压缩30，并且次级膜单元40仍然实现烃回收目标。绕过次级膜单元40允许将前一压缩30或50的一些或全部重新部署为其它功能，例如销售气体增压器压缩，或者在增强的油回收的情况下，可将前一压缩30或50重新部署为增压最终出口渗透气体压力以降低下游回注压缩需求。这种设计的灵活性允许改变其它设备能率。例如，随着入口气体物流15中的co2或h2s增加，来自初级和次级膜单元或队列20、40的气体流量显著变化。这进而需要改变压缩和流量控制以优化性能。

初级渗透物25压缩30的使用可随着气体流入和流出压缩变化而利用再循环压缩50来调节，或者可借助于绕过次级渗透物和销售气体服务的流动平衡来降低至压缩30的气体流动。另外，所用的膜的初始量可在相同设计的初级和次级膜单元或队列20、40之间重新配置或调节。

用于系统和工艺10中的串联布置的玻璃状聚合物膜装置的总量“q”为：

q＝y(mb+nb)，xcb→cs(方程1)

其中mb和nb分别是膜单元或队列20和40中玻璃状聚合物膜装置的预定量，其可有效地将所述入口气体物流(例如20％、25％co2)的预期最小(基本情况)酸性气体含量“cb”降低至要求的非渗透酸性气体含量规范“cs”(例如5％、6％co2)；并且

其中当x≤y时以及当x>y时，y(mb+nb)可有效地将所述入口天然气物流的酸性气体含量xcb降低至要求的非渗透酸性气体含量规范cs；x在1.0至3.5的范围内，y在1.05至1.3的范围内，更优选在1.1至1.2的范围内。

注意y影响资金成本，并且x/y是相对于资金成本增加的效率。在本发明的系统和工艺中，y<x通过宽范围的入口酸性气体条件以实现相同的非渗透酸性气体含量规范。由于某些玻璃状聚合物膜中的酸性气体渗透速率(流量)随着入口co2气体组成的升高而增加，因此所述系统可以更高的入口co2百分比去除更多的酸性气体，并且不像具有固定的酸性气体去除能力的溶剂体系，对于给定的入口气体物流流速，q玻璃状聚合物装置可在没有另外设备的情况下，有效地处理相对于基础条件远高于15％且最高达350％的酸性气体含量。

系统和工艺的优选实施方案被提供为说明性实例。以下权利要求限定本发明的范围，并且包括所列举的要素被赋予的等同物的全部范围。