一种利用气井井口压力进行膜分离的装置和系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种膜分离设备，特别涉及一种利用气井井口压力进行膜分离的装置和系统。
【背景技术】
[0002]天然气的主要成分为烷烃，其中以甲烷为主，此外还含有硫化氢、二氧化碳、氮气、水蒸气和少量的一氧化碳，通常需要对天然气进行净化以去除原料气中的硫化氢、二氧化碳和水蒸气，从而使其满足天然气产品标准。例如作为民用燃料的天然气，要求其总硫含量(200mg/m3，硫化氢含量彡20mg/m3，二氧化碳含量彡3%，水露点在交接点压力下比输送条件下最低环境温度低5°C。常规天然气资源相对集中，并且处理规模大，目前普遍采用胺法脱硫脱碳及甘醇脱水工艺。
[0003]除常规天然气外，我国还包括许多非常规的能源资源，例如页岩气及其它一些小规模的天然气等，其组成虽与天然气相似，但二氧化碳含量相对较高，有的甚至高达80 %。由于这些能源资源具有资源分散、产气量少、质量不稳定、稳产时间短等特点，因此，利用常规天然气净化处理工艺对这些非常规能源资源进行净化存在投资大、设备操作稳定性差、经济效益低等缺陷。目前，尚无可借鉴的成熟技术和经验对这些非常规的能源资源进行规模性地开发利用，从而造成极大的资源浪费。
[0004]气体膜分离技术是在压力的驱动下，借助气体中各组分在高分子膜表面上的吸附能力及膜内溶解-扩散上的差异(即渗透速率差异)来对气体中的组分进行分离的过程。气体在膜两侧的压力差作用下，渗透速率相对较快的气体如水蒸气、氢气、氦气、硫化氢、二氧化碳等透过膜而在膜的渗透侧得到富集(渗透气)，而渗透速率相对较慢的气体，如甲烷、氮气、一氧化碳、氩气等则在膜的滞留侧被富集(渗余气)，从而达到分离目的。目前，用于气体膜分离的高分子膜主要有聚烯烃、纤维素类、聚砜、聚酰亚胺、有机硅材料及聚硅酸酯等，其中聚酰亚胺中空纤维膜因具有操作压力高、通量大、分离系数高等优势而备受青睐。
[0005]随着对页岩气等非常规天然气以及小规模气井的开采，需要发展小型化、移动式、易操作、低成本的净化提纯系统，气体膜分离具有广阔的应用前景。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型提供一种利用气井井口压力进行膜分离的装置和系统，该装置和系统可应用于有一定的井口压力、含0)2较多、规模较小的天然气和页岩气气井。
[0007]本实用新型提供一种利用气井井口压力进行膜分离的装置，包括至少一级膜组件，所述膜组件上设有原料气进口、渗余气出口和渗透气出口，所述原料气进口通过刚性管道与气井的缓冲设备连接。
[0008]进一步地，所述至少一级膜组件包括多级串联或并联设置的膜组件。膜组件的设置方式可以根据实际需要进行设置；例如，在井口压力大、原料气产量高时，可以设置多个并联的膜组件，从而使原料气同时进入多个并联的膜组件；而在上一级膜组件无法满足分离需求时，则可以串联下一级膜组件，直至满足分离需求。并且，可以理解的是，所述膜组件具有中空纤维膜，例如聚酰亚胺中空纤维膜、乙酸纤维素中空纤维膜、聚二甲基硅氧烷中空纤维膜、聚砜中空纤维膜等。此外，可以在所述至少一级膜组件上设置阀门，从而对中空纤维膜内外的压力差进行控制。
[0009]本实用新型的装置利用一些气井具有一定的井口压力这一特点，使气井中的原料气带压进入膜分离装置进行分离，从而无需额外增加压缩设备即可实现膜分离，因而有效地节约了投资和运行成本。本实用新型的装置，在满足原料气气井具有大于IMPa的井口压力、原料气中含有二氧化碳以及可以采用膜对原料气中的二氧化碳和其它组分进行分离的前提下，对原料气的其它组分没有严格要求。原料气例如可以包括甲烷和二氧化碳，该原料气经本实用新型的装置分离后，可以形成富含甲烷的渗余气和富含二氧化碳的渗透气。特别是，原料气中二氧化碳的体积含量可以为5?80%，进一步可以为5?40%。
[0010]在本实用新型一实施方式中，所述至少一级膜组件包括串联设置的第一级膜组件和第二级膜组件，所述第一级膜组件上设有气体进口、渗余气出口和渗透气出口，所述第二级膜组件上设有气体进口、渗余气出口和渗透气出口 ；
[0011]所述第一级膜组件的气体进口与所述气井的缓冲设备连接；
[0012]所述第一级膜组件的渗透气出口与所述第二级膜组件的气体进口连接。
[0013]进一步地，所述至少一级膜组件还可以包括第三级膜组件，其上设有气体进口、渗余气出口和渗透气出口，第三级膜组件可根据原料组成和前两级膜的提纯效果确定连接位置，例如，所述第一级膜组件的渗透气出口与所述第三级膜组件的气体进口连接。
[0014]进一步地，在所述第一级膜组件的气体进口与所述气井的缓冲设备之间设置有第一减压器，在所述第一级膜组件的渗余气出口端设置有第二减压器。
[0015]在本实用新型另一实施方式中，所述至少一级膜组件包括串联设置的第一级膜组件和第二级膜组件，所述第一级膜组件上设有气体进口、渗余气出口和渗透气出口，所述第二级膜组件上设有气体进口、渗余气出口和渗透气出口 ；
[0016]所述第一级膜组件的气体进口与所述气井的缓冲设备连接；
[0017]所述第一级膜组件的渗余气出口与所述第二级膜组件的气体进口连接；
[0018]所述第二级膜组件的渗透气出口与所述第一级膜组件的原料气进口连接。
[0019]进一步地，在所述第二级膜组件的渗透气出口与所述第一级膜组件的原料气进口之间设置有加压器。
[0020]进一步地，所述至少一级膜组件设置于标准集装箱内。即，将所述装置设计为撬装式；所述装置的其它组件均可布置在该标准集装箱内。该设置方式结构紧凑，便于安装和迀移；该系统在运输到现场后，只需完成接口管道和外部电气的连接就可调试运行，并方便根据实际情况(例如产量、分离目标等)来增加或减少膜组件，应用更加灵活。
[0021]本实用新型还提供一种利用气井井口压力进行膜分离的系统，包括上述任一所述的装置与所述装置的至少一级膜组件连接的预处理系统，所述预处理系统包括换热器、脱硫反应器、颗粒过滤器、脱油反应器中的一种或多种。并且，各器件的设置顺序可为任意。
[0022]进一步地，所述预处理系统包括依次串联连接的换热器、脱硫反应器和颗粒过滤器，所述预处理系统与所述膜组件连接。其中，所述换热器至少实施使原料气的露点温度低于膜分离的操作温度20°C以上、并分离出所形成的液态水的换热处理；所述脱硫反应器实施对所述原料气的脱硫处理，并使所述原料气中的总硫含量低于1ppm ;所述颗粒过滤器实施对所述原料气的脱细微颗粒物处理，并使所述原料气中颗粒粒径小于0.0lym0
[0023]进一步地，所述预处理系统还包括与所述膜组件连接的脱油反应器，其与所述换热器、所述脱硫反应器或所述颗粒过滤器串联连接。并且，所述脱油反应器可以设置在所述换热器与所述脱硫反应器之间，或者设置在所述脱硫反应器与所述颗粒过滤器之间。
[0024]在本实用新型中，所述换热器、脱硫反应器、颗粒过滤器、脱油反应器可以是本领域常规的结构或其组合。
[0025]进一步地，所述换热器为依次串联连接的冷干机和加热器。其中，所述冷干机用于使所述原料气的露点温度低于所述膜分离的操作温度20°C以上，并分离出所形成的液态水；所述加热器用于将经换热处理的原料气加热至膜分离所需的温度。
[0026]此外，所述脱硫反应器可以是填装固体脱硫剂的脱硫塔，所述固体脱硫剂可以为活性炭和/或氧化铁，其主要用于脱除硫化氢，