具有能量回收的二氧化碳与天然气的膜分离制造技术

使用单级膜分离系统使二氧化碳与天然气分离以产生通常满足天然气管线分配的规格的保留气体和包含甲烷的渗透气体，将渗透气体燃烧以产生例如用于提供该工艺本身的公用工程需要或输出到集成工艺的动力和/或热。优势包括在动力消耗方面的总体降低和工艺效率方面的改进。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及使用膜例如半透膜使二氧化碳与天然气分离的方法。
技术介绍
使酸性气体与未处理的天然气分离可称为使天然气“脱硫(sweetening)”。在未处理的天然气中通常见到的酸性气体的实例包括二氧化碳(CO2)和硫化氢(H2S)，且含有这些气体中的一种或多种的未处理的天然气可被称为“酸”气。本专利技术因此可包括使未处理的或“酸”天然气“脱硫”方法的至少一部分。该方法旨在能够制造适合分配的管线品质并由消费者使用的天然气。在经由管线分配之前必须处理含有超过3%二氧化碳且常超过1.5%二氧化碳的天然气矿藏以降低二氧化碳含量。最常见的处理方法是在溶剂内化学吸收，其为通常使用例如单乙醇胺(MEA)的胺水溶液的溶剂洗涤方法。在这一方法中，贫二氧化碳胺溶液从天然气中吸收二氧化碳以生成富二氧化碳溶剂，该富二氧化碳溶剂从天然气分离。溶剂通过施加热再生，该热从胺溶液中汽提出二氧化碳。二氧化碳随后通常排到大气中。然而，胺吸收系统消耗大量能量来使溶剂再生且需要非常危险的化学品。膜处理是可提供较简单的操作和较高效率的供选技术。遗憾的是，通常需要多于一个膜级以实现高天然气回收率。通常，相对于甲醇，该膜优先被二氧化碳渗透，但选择性不是太高，以致于不能防止显著分数的甲烷滑移(slip)到渗透物中。该甲烷滑移可通过增加至少一个另外的膜级以从渗透物中回收甲烷并使其再循环来减轻，代价是额外的膜和再压缩的动力消耗。因此，膜系统通常需要高于约10%的二氧化碳浓度以与包括胺吸收的处理方法在经济上相竞争。Scholes等(Fuel；第96卷；第15-28页；2012)提供了当前膜技术的简便概述。他们描述了三类聚合物膜：即乙酸纤维素、聚酰亚胺和全氟聚合物的物理参数和性能特征。典型的CO2/CH4选择性为4-100，尽管在实践中该选择性可因天然气中的杂质的性质和量及温度而显著改变。在使用膜以从天然气中除去二氧化碳的领域中存在许多实例。例如，Frantz(US7429287A)教导了燃烧具有低热值的渗透物以产生动力的多级二氧化碳去除膜系统。Baker等(US5558698A)教导了包括从天然气中除去二氧化碳和硫化氢的一个或多个级段的膜系统，以使在渗透物中甲烷的浓度最小化。Lokhandwala(US6035641A)教导了相对于氮气对甲烷具有选择性且用以升级具有低热值的气流的单级膜系统。该渗透物富含甲烷且用以产生动力。还已经使用膜来从生物气体中除去二氧化碳。例如，Biehl等(WO2010/006910A)教导了从具有低热值且含有至少18体积%二氧化碳、其余基本上由甲烷、水蒸气和氮气组成的生物气体进料中除去二氧化碳的单级膜系统。该系统产生作为保留物的含有优选小于15体积%二氧化碳的用于分配的天然气流，以及含有优选至少8体积%甲烷以便在热电联产厂中后燃烧器(afterburner)中使用的渗透物流。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供了使二氧化碳与天然气分离的方法，所述方法包括：将包含二氧化碳的天然气进料(例如，“酸”或“未处理的”天然气)引入单级膜分离系统以使二氧化碳与所述天然气进料分离，从而生成富甲烷的保留气体(例如，“脱硫的”或“处理过的”天然气)和包含甲烷的富二氧化碳的渗透气体；燃烧所述渗透气体的至少一部分以产生燃烧排出气体；和从所述燃烧回收能量以便例如在所述方法内和/或在集成方法内使用。本专利技术能够实现通过经由在例如燃气涡轮机、锅炉或往复式发动机中燃烧回收在渗透气体中的能量的至少一部分以产生低成本动力和/或热以产生蒸汽或热油的具有单级和高甲烷滑移的膜系统的设计。本专利技术的一个优势在于消除了进一步处理渗透气体的需要。熟练的技术人员应当了解使用膜处理天然气的典型优化策略是使渗透气体再加压并将其进料到第二级膜分离系统中。本专利技术通过有意地允许显著的甲烷滑移以提供具有充分高热值的渗透物气体以通过燃烧产生随后可用以产生蒸汽或热油的动力和/或热改变了该优化策略。新配置降低或消除了对于级间压缩的需要，由此降低总动力消耗和总资金和操作成本。所述方法产生可内部使用或输出到集成方法中以进一步降低总动力消耗并改进总效率的动力和/或热。本专利技术的另一优势在于，通过降低所需设备的量和尺寸，可处理更宽浓度范围的二氧化碳。在第一方面的一个优选配置中，提供了使二氧化碳与取自地质地层中的地下矿藏的天然气进料分离的方法，所述天然气进料包含至少约80%的甲烷和约3%-约15%的二氧化碳且具有至少约780BTU/scf(31MJ/Nm3)的高热值，所述方法包括：将所述天然气进料引入包括至少一个聚合物膜单元的单级膜分离系统中，其中所述一个或多个膜具有约10-约50的CO2/CH4选择性，所述天然气进料在约275psi(19巴)-约1200psi(85巴)的压力和约40℃-约80℃的温度下引入所述系统，以使二氧化碳与所述天然气进料分离从而生成用于管线分配的富甲烷的保留气体和包含至少约40%甲烷和约10%-约50%二氧化碳且具有约400BTU/scf(15MJ/Nm3)-约800BTU/scf(32MJ/Nm3)的高热值的富二氧化碳的渗透气体；燃烧所述渗透气体的至少一部分以产生燃烧排出气体；和从所述燃烧中回收能量，例如从所述燃烧排出气体的至少一部分中回收作为动力和/或热的能量。根据本专利技术的第一方面的第二配置，提供了使二氧化碳与天然气分离的方法，所述方法包括：将包含二氧化碳的天然气进料引入单级膜分离系统中以便使二氧化碳与所述天然气进料分离，从而生成富甲烷的保留气体和包含甲烷的富二氧化碳的渗透气体；燃烧所述渗透气体的至少一部分以产生燃烧排出气体；和从所述燃烧中，例如从所述燃烧排出气体的至少一部分中且任选从由此生成的涡轮机排出气体中回收作为动力的能量；其中所述动力的至少一部分用于提供压缩负荷。根据本专利技术的第一方面的第三配置，提供了使二氧化碳与天然气分离的方法，所述方法包括：将包含二氧化碳的天然气进料引入包括二氧化碳吸收级段和溶剂再生级段的溶剂吸收系统，以产生二氧化碳和贫二氧化碳的天然气；将包含二氧化碳的天然气进料引入单级膜分离系统中以便使二氧化碳与所述天然气进料分离，从而生成富甲烷的保留气体和包含甲烷的富二氧化碳的渗透气体；燃烧所述渗透气体的至少一部分以产生燃烧排出气体；和从所述燃烧中、例如从所述燃烧排出气体的至少一部分回收作为热的能量，其中从所述燃烧回收的所述热的至少一部分用于提供在所述溶剂吸收系统的所述溶剂再生级段本文档来自技高网...

【技术保护点】
使二氧化碳与天然气分离的方法，所述方法包括：将包含二氧化碳的天然气进料引入单级膜分离系统中以便使二氧化碳与所述天然气进料分离，从而产生富甲烷的保留气体和包含甲烷的富二氧化碳的渗透气体；燃烧所述渗透气体的至少一部分以产生燃烧排出气体；和从所述燃烧回收能量。

【技术特征摘要】
2014.09.25 US 14/4962401.使二氧化碳与天然气分离的方法，所述方法包括：
将包含二氧化碳的天然气进料引入单级膜分离系统中以便使二氧化碳与所述天然气
进料分离，从而产生富甲烷的保留气体和包含甲烷的富二氧化碳的渗透气体；
燃烧所述渗透气体的至少一部分以产生燃烧排出气体；和
从所述燃烧回收能量。
2.根据权利要求1的方法，其中所述天然气进料具有至少约780BTU/scf(31MJ/Nm3)的
高热值。
3.根据权利要求1的方法，其中所述天然气进料包含至少约1.5%二氧化碳。
4.根据权利要求1的方法，其中所述天然气进料包含不超过约97%甲烷。
5.根据权利要求1的方法，其中所述天然气进料在约275psi(19巴)-约1200psi(85
巴)的压力下引入所述单级膜分离系统中。
6.根据权利要求1的方法，其中所述天然气进料在约40℃-约80℃的温度下引入所述单
级膜分离系统中。
7.根据权利要求1的方法，其中所述渗透气体具有至少约400BTU/scf(15MJ/Nm3)的高
热值。
8.根据权利要求1的方法，其中所述渗透气体在燃烧之前压缩。
9.根据权利要求1的方法，其中能量使用产生涡轮机排出气体的至少一个涡轮机从所
述燃烧排出气体的至少一部分作为动力回收。
10.根据权利要求1的方法，其中能量通过与传热流体间接热交换而从所述燃烧排出气
体的至少一部分作为热回收。
11.根据权利要求1的方法，其中所述渗透气体与二次燃料一起燃烧。
12.根据权利要求1的方法，其中能量作为动力回收，其至少一部分用于提供压缩负荷。
13.根据权利要求1的方法，其中能量作为热回收，其至少一部分用于提供公...

【专利技术属性】
技术研发人员：JM普勒格尔，JE帕拉马拉，JT金德特，
申请(专利权)人：气体产品与化学公司，
类型：发明
国别省市：美国;US