[发明专利]用于酸性气体去除的工艺设计

说明书

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；