聚酰亚胺膜回收不凝气中CO2模拟研究

屈丹龙

中国石油化工股份有限公司油田勘探开发事业部, 北京 100020

0 前言

1 模拟实验

由于本工程所涉及气体为非极性的CO2、N2和小分子烃类,仿真研究热力学计算方法采用PR状态方程。本文采用的模拟方法为单级膜处理工艺,原理和建模工艺见图1。

图1 单级膜工艺原理

基础条件:

1)原料气组成见表1。

表1 低温精馏塔顶不凝气组成

组分含量㊞ϕ㊣/()CO264.535N212.140CH422.805C2H60.449C3H80.016㊞n㊣-C4H100.035㊞i㊣-C4H100.020 其中,温度范围为8～10 ℃;压力范围为0.2～0. 3 MPa;流量为245 m3/h。

2)原料气进气总量1 000 m3/d,压力为0.3 MPa，温度为10 ℃。

4)空冷器流量为2 800 m3/h，进气和出气温度分别为25 ℃、30 ℃。

5)各组分渗透系数对比见表2。

表2 聚酰亚胺膜对不同气体组分的渗透系数

单位:(cm3(STP)·cm·cm-2·s-1·Pa-1)30 ℃

6)本实验以应用较为广泛的聚酰亚胺膜为研究对象进行仿真计算。

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

膜面积设置为30 m2，气体入口温度为40 ℃，渗透侧出口压力为0.2 MPa，压缩机出口压力为0.8～0.2 MPa，按0.2 MPa等差设置。

2.1.1 渗透侧出口参数

图2为压缩机出口压力对产品气CO2浓度的影响。

图3～4分别为压缩机出口压力对产品气总量和产品气CO2流量的影响。

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

由图3可知,随着压缩机出口压力升高,渗透侧产品气总量逐渐升高,但趋势逐渐变缓。由图4可知,随着压缩机出口压力升高,渗透侧产品气CO2流量逐渐升高,从252.88 kmol/h升高到423.13 kmol/h,升高趋势逐渐变缓。

2.1.2 高压侧出口参数

图5～6分别为压缩机出口压力对高压侧烃类浓度和流量的影响。

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为压缩机出口压力对高压侧烃类收率的影响。

图7 压缩机出口压力对高压侧烃类收率的影响

图8为压缩机出口压力对高压侧CO2浓度的影响。

图8 压缩机出口压力对高压侧CO2浓度的影响

综上,充分考虑渗透侧和高压侧分离效果,认为 1.6 MPa 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10、20、30、40、50、60、70 m2,压缩机出口压力为1.6 MPa,进膜气体温度40 ℃,渗透侧出口压力0.2 MPa,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9为膜面积对产品气CO2浓度的影响。

图9 膜面积对产品气CO2浓度的影响

图10～11分别为膜面积对产品气CO2总量和流量的影响。

图10 膜面积对产品气CO2总量的影响

图11 膜面积对产品气CO2流量的影响

由图10可知,随着膜面积增大,产品气总量逐渐升高,升高趋势渐缓。由图11可知,随着膜面积增大,产品气CO2流量逐渐升高,趋势变缓,在30 m2出现明显拐点,此时CO2流量为407.89 kmol/h。

2.2.2 高压侧出口参数

图12～13分别为膜面积对高压侧烃类浓度和流量的影响。

图12 膜面积对高压侧烃类浓度的影响

图13 膜面积对高压侧烃类流量的影响

图14为膜面积对高压侧烃类收率的影响。

图14 膜面积对高压侧烃类收率的影响

图15为膜面积对高压侧CO2浓度的影响。

图15 膜面积对高压侧CO2浓度的影响

2.3 渗透侧压力对分离效果的影响规律

渗透侧排气压力分别为0.1a、0.15a、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4 MPa,进气温度为40 ℃,膜材料面积30 m2,压缩机出口压力为1.6 MPa,按照上述参数进行工艺计算,研究不同压力对渗透侧、高压侧分离效果的影响。

2.3.1 渗透侧出口参数

图16为渗透侧压力对产品气CO2浓度的影响。

图16 渗透侧压力对产品气CO2浓度的影响

图17～18分别为渗透侧压力对产品气总量和CO2流量的影响。

图17 渗透侧压力对产品气总量的影响

图18 渗透侧压力对CO2流量的的影响

由图17可知,随着渗透侧压力升高,产品气总量不断下降,从471.76 kmol/h下降到402.83 kmol/h。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。由图18可知,随着渗透侧压力升高,产品气CO2流量逐渐降低。

2.3.2 高压侧出口参数

图19～20分别为渗透侧压力对高压侧烃类浓度和流量的影响。

图19 渗透侧压力对高压侧烃类浓度的影响

图20 渗透侧压力对高压侧烃类流量的影响

图21为渗透侧压力对高压侧烃类收率的影响。

图21 渗透侧压力对高压侧烃类收率的影响

图22所示为渗透侧压力对高压侧CO2浓度的影响。

图22 渗透侧压力对高压侧CO2浓度的影响

根据上述研究发现，在无烃类和产品气流量要求时，渗透侧压力可设置为常压。

2.4 进气CO2浓度对分离效果的影响规律

2.4.1 渗透侧出口参数

图23～24分别为进气CO2浓度对产品气CO2浓度和总量的影响。

图23 进气CO2浓度对产品气CO2浓度的影响

图24 进气CO2浓度对产品气总量的影响

图25为进气CO2浓度对产品气CO2流量的影响。

图25 进气CO2浓度对产品气CO2流量的影响

由图25可知,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114.14 kmol/h上升到564.18 kmol/h。

2.4.2 高压侧出口参数

图26～27分别为进气CO2浓度对高压侧烃类浓度和流量的影响。

图26 进气CO2浓度对高压侧烃类浓度的影响

图27 进气CO2浓度对高压侧烃类流量的影响

图28分别为进气CO2浓度对高压侧烃类浓度收率的影响。

图28 进气CO2浓度对高压侧烃类收率的影响

图29为进气CO2浓度对高压侧CO2浓度的影响。

图29 进气CO2浓度对高压侧CO2浓度的影响

2.5 进气N2浓度对分离效果的影响规律

2.5.1 渗透侧出口参数

图30为进气N2浓度对产品气CO2浓度的影响。

图30 进气N2浓度对产品气CO2浓度的影响

图31～32分别为进气N2浓度对产品气总量和流量的影响。

图31 进气N2浓度对产品气总量的影响

图32 进气N2浓度对产品气CO2流量的影响

由图31可知,当原料气中N2浓度提高时,产品气总量逐步升高,从429.10 kmol/h上升到459.19 kmol/h。由图32可知,当原料气N2浓度提高时,产品气CO2流量逐步提高,从401.72 kmol/h上升到409.05 kmol/h。

2.5.2 高压侧出口参数

图33～34分别为进气N2浓度对高压侧烃类浓度和流量的影响。

图33 进气N2浓度对高压侧烃类浓度的影响

图34 进气N2浓度对高压侧烃类流量的影响

图35分别为进气N2浓度对高压侧烃类收率的影响。

图35 进气N2浓度对高压侧烃类收率的影响

3 结论