基于PRO II平台回收EOR采出气中CO2模拟研究

陆诗建

(中石化节能环保工程科技有限公司，山东东营 257026)

随着二氧化碳驱三次采油技术的规模化推广，二氧化碳驱采出液地面工艺面临着一些难题:二氧化碳被注入地下后，约有50%～60%被永久封存于地下，剩余的40%～50%则随着油田伴生气溢出。由于高含CO2，二氧化碳驱采出气不经过必要的处理不能进入集输管网或被点燃，只能直接排放，这既污染了环境，又浪费了天然气、CO2资源，降低了二氧化碳驱油和埋存效果。为研究采出气CO2分离利用的价值，开发采出气脱碳技术，同时依托胜利油田CO2驱研究需求，以31号计量站采出气为研究对象，基于PROⅡ工艺软件SIMSCI计算模型进行了1000 Nm3/d膜法脱碳仿真计算研究。

1 研究条件

图1 单级膜工艺原理

图2 单级膜处理工艺建模

31号计量站采出气气体组成为非极性的CO2、N2和小分子烃类，故仿真研究热力学计算方法采用PR状态方程。采用的模拟方法为单级膜处理工艺，原理和建模工艺如图1和图2所示。

基础条件:

①原料气组成见表1。

表1 31号计量站CO2驱采出气组成

②原料气进气总量1000 Nm3/d(1472．32 ft3/h)，进气温度10℃，进气压力 0．3 kPa(43．5psia)。

③空冷器空气进气量100000 ft3/h，进气温度25℃，出气温度30℃。

④分离器压降考虑为5 kPa(0．725psi)，换热器压降考虑为20 kPa，压缩过程设计为2级压缩，压缩机绝热效率考虑为75%。

⑤各组分渗透系数对比:

表2 聚砜膜对不同气体组分的渗透系数*(cm3(STP)·cm·cm－2·s－1·Pa－1)30℃

渗透侧产品气技术指标要求:CO2回收率≥90%，产品气CO2纯度≥90%，烃类回收率≥80%。

2 结果与讨论

2．1 压缩机出口压力对分离效果的影响规律

进膜气体压力(即压缩机2级压缩后压力)分别考虑为0．8、1．0、1．2、1．4、1．6、1．8、2．0 kPa，膜材料面积为 45 m2，进膜气体温度40℃，渗透侧出口压力0．2 kPa，进行工艺计算，研究对渗透侧、高压侧分离效果的影响。

2．1．1 渗透侧出口参数

图1 压缩机出口压力对产品气CO2浓度的影响

图2 压缩机出口压力对产品气CO2收率的影响

由图1可知，随着压缩机压力升高，渗透侧产品气中CO2浓度逐步降低，从93．1%下降到86．9%，其中1．6 kPa为临界点，产品气浓度为89．74%。

由图2可知，随着压缩机压力升高，渗透侧CO2收率逐渐升高，当大于1．4 kPa时收率升高变缓。1．4 kPa时CO2收率为84．86%，1．6 kPa 时 CO2收率为 90．64%。

图3 压缩机出口压力对产品气总量的影响

图4 压缩机出口压力对产品气CO2流量的影响

如图3所示，随着压缩机压力升高，渗透侧产品气总量逐渐升高。如图4所示，随着压缩机出口压力升高，渗透侧产品气流量逐渐升高，从472．02 lb－mol/h升高到918．23 lb－mol/h。

2．1．2 高压侧出口参数

如图5所示，随压缩机出口压力升高，高压侧烃类浓度快速升高，从33．9%升高到65．9%。如图6所示，随压缩机出口压力升高，高压侧烃类流量快速下降，从326．5 lb－mol/h下降到274．8 lb－mol/h。

由图7可见，随压缩机出口压力升高，高压侧烃类收率逐渐下降，从95．07%下降到80．01%。由图8可见，随着压缩机出口压力升高，高压侧CO2浓度逐渐降低，从49．56%降低到7．66%。

图5 压缩机出口压力对高压侧烃类浓度的影响

图6 压缩机出口压力对高压侧烃类流量的影响

图7 压缩机出口压力对高压侧烃类收率的影响

图8 压缩机出口压力对高压侧CO2浓度的影响

图9 压缩机出口压力对高压侧烃类热值的影响

由图9可见，随压缩机出口压力升高，高压侧烃类浓度快速升高，对应烃类热值也逐渐升高，从12．8 MJ/m3升高到24．9 MJ/m3。综上，充分考虑渗透侧和高压侧分离效果，认为1．6 kPa是较佳的压力点。

2．2 膜材料面积对分离效果的影响规律

膜材料面积分别考虑为15、25、35、45、55、65、75m2，进膜气体压力为1．6 kPa，进膜气体温度40℃，渗透侧出口压力0．2 kPa，进行工艺计算，研究对渗透侧、高压侧分离效果的影响。

2．2．1 渗透侧出口参数

图10 膜面积对产品气CO2浓度的影响

图11 膜面积对产品气CO2收率的影响

图12 膜面积对产品气CO2总量的影响

图13 膜面积对产品气CO2总量的影响

由图10所示，随膜面积的增大，产品气CO2的浓度逐渐下降，从94．7%下降到83．1%。其中膜面积为45 m2时为转折点，此时CO2浓度为89．74%。如图11所示，随着膜面积增大，产品气CO2收率先快速升高后逐渐趋于平缓。拐点为45 m2，CO2的收率为90．64%。

如图12所示，随着膜面积增大，产品气总量逐渐升高，升高趋势渐缓。如图13所示，随着膜面积增大，产品气CO2流量逐渐升高，趋势变缓，在45 m2出现明显拐点，此时CO2流量为861．11 lb － mol/hr。

2．2．2 高压侧出口参数

如图14所示，随着膜面积增大，高压侧烃类浓度逐渐升高，从32．67%升高到70．76%。如图15所示，随着膜面积增大，高压侧烃类流量逐渐降低，从332．07 lb－mol/hr下降到244．62 lb － mol/hr。

图14 膜面积对高压侧烃类浓度的影响

图15 膜面积对高压侧烃类流量的影响

如图16所示，随着膜面积增大，高压侧烃类热值逐渐升高，从 12．34 MJ/m3升高到 26．74 MJ/m3。

图16 膜面积对高压侧烃类热值的影响

如图17所示，随膜面积升高，高压侧烃类收率快速下降，从96．7%下降到72．1%。

图17 膜面积对高压侧烃类收率的影响

2．3 渗透侧压力对分离效果的影响规律

渗透侧排气压力考虑为 0．10、0．15、0．20、0．25、0．30、0．35、0．40 kPa，进气温度为40℃，膜材料面积45 m2，进膜气体压力为1．6 kPa，进行工艺计算，研究对渗透侧、高压侧分离效果的影响。

2．3 ．1 渗透侧出口参数

由图18，随渗透侧压力升高，产品气CO2浓度先升高后下降，但变化很小，稳定在89%左右;渗透侧压力为0．35 kPa时达到最大，为89．93%。如图19所示，随着渗透侧压力的升高，产品气CO2收率逐渐下降，95．1%下降到78．5%。其中0．20 kPa为90%收率临界点。

图18 渗透侧压力对产品气CO2浓度的影响

图19 渗透侧压力对产品气CO2收率的影响

如图20所示，随着渗透侧压力升高，产品气总量不断下降，从1009．7 lb － mol/hr下降到828．9 lb －mol/hr。这说明抽真空有助于膜法脱碳系统渗透侧总量增大，同时有助于提高CO2收率，但是产品气CO2浓度会有所下降。如图21所示，随着渗透侧压力升高，产品气CO2流量逐渐降低。

图20 渗透侧压力对产品气总量的影响

图21 渗透侧压力对CO2流量的的影响

2．3．2 高压侧出口参数

如图22所示，与渗透侧CO2浓度变化规律类似，随着渗透侧压力提高，高压侧烃类浓度也逐渐下降，从62．9%下降到47．1%。如图23所示，随着渗透侧压力提高，高压侧烃类流量逐渐升高，但变化不是很大，从291．3 lb－mol/hr升高到302．4 lb －mol/hr。

如图24所示，随着渗透侧压力提高，由于烃类浓度逐渐下降，使得烃类热值也逐渐下降，从23．8 MJ/m3下降到17．8 MJ/m3。如图25所示，随着渗透侧压力升高，高压侧烃类收率逐渐升高，从84．8%升高到88%。

图22 渗透侧压力对高压侧烃类浓度的影响

图23 渗透侧压力对高压侧烃类流量的影响

图24 渗透侧压力对高压侧烃类热值的影响

图25 渗透侧压力对高压侧烃类收率的影响

综上所述，在没有产品气流量、烃类流量或烃类热值(浓度)的要求下，渗透侧压力保持常压即可，不用再上设备进行增压或抽真空。

2．4 进气CO2浓度对分离效果的影响规律

进气 CO2浓度考虑为24．535%、34．535%、44．535%、54．535%、64．535%、74．535%、84．535%，进气温度为40℃，膜材料面积 45m2，进膜气体压力为1．6 kPa，渗透侧出口压力0．20 kPa，进行工艺计算，研究对渗透侧、高压侧分离效果的影响。

2．4．1 渗透侧出口参数

如图26所示，当原料气中CO2浓度从24．535%升高至84．535%时，产品气 CO2浓度先快速升高后趋于平缓。64．535%为临界点，CO2浓度为89．74%;84．535%时 CO2浓度为92．23%。如图27所示，当原料气中CO2浓度提高时，产品气CO2收率快速升高，从66．4%升高至99．3%。

图26 进气CO2浓度对产品气CO2浓度的影响

图27 进气CO2浓度对产品气CO2收率的影响

图28 进气CO2浓度对产品气总量的影响

图29 进气CO2浓度对产品气CO2流量的影响

如图28所示，当原料气中CO2浓度提高时，产品气总量快速升高，从355．99 lb－mol/hr上升到 1339．61 lb－ mol/hr。如图29所示，当原料气中CO2浓度提高时，产品气中CO2流量总量快速升高，从239．82 lb－mol/hr上升到1235．57 lb－mol/hr。

2．4．2 高压侧出口参数

如图30所示，当原料气中CO2浓度提高时，高压侧烃类浓度快速下降，从76．01%下降到26．68%。这是因为进气CO2浓度提高使得进气烃类浓度降低(N2浓度不变)。如图31示，当原料气中 CO2浓度提高时，高压侧烃类流量快速降低，从848．61 lb－mol/hr下降到35．41 lb－mol/hr。

图30 进气CO2浓度对高压侧烃类浓度的影响

图31 进气CO2浓度对高压侧烃类流量的影响

如图32所示，当原料气中CO2浓度提高时，高压侧烃类热值随着烃类浓度的快速降低而降低，从28．36 MJ/m3下降到11．32 MJ/m3。如图33所示，当原料气中CO2浓度提高时，高压侧烃类收率也逐步下降，从91．02%降至72．33%。

图32 进气CO2浓度对高压侧烃类热值的影响

图33 进气CO2浓度对高压侧烃类收率的影响

2．5 进气N2浓度对分离效果的影响规律

进气 N2浓度考虑为 2．14%、4．14%、6．14%、8．14%、10．14%、12．14%、14．14%，进气 CO2浓度不变(64．535%)，进气温度为40℃，膜材料面积45 m2，进膜气体压力为1．6 kPa，渗透侧出口压力0．20 kPa，进行工艺计算，研究对渗透侧、高压侧分离效果的影响。

2．5．1 渗透侧出口参数

图34 进气N2浓度对产品气CO2浓度的影响

图35 进气N2浓度对产品气CO2收率的影响

如图34所示，随着原料气中N2浓度提高，渗透侧产品气中CO2浓度逐步下降，但下降总量不大，从91．8%降至88．1%。其中进气浓度为12．14%时产品气浓度为89．74%，为临界点。如图35所示，随着原料气中N2浓度提高，渗透侧产品气中CO2收率逐步上升，但升高总量不大，从89．74%升至91．35%。主要原因是N2浓度提高使得烃类浓度下降。

如图36所示，当原料气中N2浓度提高时，产品气总量逐步升高，从928．24 lb －mol/hr上升到985．31 lb － mol/hr。如图37所示，当原料气N2浓度提高时，产品气CO2流量逐步提高，从852．55 lb －mol/hr上升到867．87 lb－mol/hr。

图36 进气N2浓度对产品气总量的影响

图37 进气N2浓度对产品气CO2流量的影响

2．5．2 高压侧出口参数

如图38所示，当原料气中N2浓度提高时，高压侧烃类浓度快速下降，从77．86%下降到39．69%。

图38 进气N2浓度对高压侧烃类浓度的影响

如图39所示，当原料气中N2浓度提高时，高压侧烃类流量快速降低，从 423．61 lb－mol/hr下降到 193．33 lb－mol/hr。如图40所示，当原料气中N2浓度提高时，高压侧烃类热值随着烃类浓度的快速降低而降低，从29．24 MJ/m3下降到15．16 MJ/m3。如图41所示，当原料气中N2浓度提高时，高压侧烃类收率变化很小，维持在85% ～86%。原因是N2与烷烃的渗透系数处于一个数量级，相差不是很大。

图39 进气N2浓度对高压侧烃类流量的影响

图40 进气N2浓度对高压侧烃类热值的影响

图41 进气N2浓度对高压侧烃类收率的影响

3 结论

(1)对聚砜单级膜工艺体系，研究结果表明在二级压缩压力1．6 kPa、进膜气体温度40℃、渗透侧排气压力0．20 kPa时达到最佳工艺参数，综合性能好，膜材料应用最少(膜面积45 m2)，渗透侧分离效果、CO2浓度、CO2收率与高压侧分离效果、烃类浓度、烃类收率、烃类热值均为最优。

(2)综合分析表明，对聚砜膜工艺，膜面积增大到一定程度、膜压力提高到一定程度，可以实现既定的技术指标(产品气CO2纯度≥90%或95%，产品气CO2收率≥80%或90%，高压侧烃类热值≥31．4 MJ/m3，高压侧烃类收率≥80%，高压侧CO2浓度≤2%)，但有一个限度或最佳值，当继续增大压力或膜面积时不仅投资成本增大，部分分离技术指标反而会快速下降(比如产品气CO2浓度)。因此，在选择膜面积、膜压力时，需要按照膜材料分离工艺与渗透系数进行详细计算，达到最佳的技术指标和经济效益。