膜分离技术在海上平台的应用

2014-06-01李雪梅张西迎2韩化凤

中国设备工程 2014年5期

关键词：膜分离湛江火炬

沈震，李雪梅，张西迎2，韩化凤

(1.湛江南海西部石油勘查设计有限公司；2.中海油有限公司湛江分公司，广东湛江 5 24057）

膜分离技术在海上平台的应用

沈震1，李雪梅1，张西迎2，韩化凤1

(1.湛江南海西部石油勘查设计有限公司；2.中海油有限公司湛江分公司，广东湛江 5 24057）

将分子膜分离技术应用于海上平台气体分离CO2，解决了WC15-1火炬放空气CO2含量高、点火困难的问题。应用的结果表明，分子膜分离技术具有投资费用低，操作控制容易等特点。

分子膜；浓度梯度；CO2；膜污染；

CO2腐蚀是影响油田正常生产的一个主要问题。在传统的气体气脱CO2技术中用的最多的为醇胺法。但醇胺法由于工艺流程复杂、设备多、运行费用高等缺点限制了其在海上平台的应用例。膜分离技术是在20世纪60年代后迅速崛起的一门新技术，由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤流程简单、易于控制等特征。已广泛应用于各行各业，成为当今分离科学中最重要的手段之一。

一、气体膜分离技术原理

气体膜分离技术一般采用的膜为无孔膜，其基本原理是根据混合气体中各组分在压力的推动下透过膜的传递速率不同，从而达到分离目的。气体透过膜的机理可以用溶解-扩散机理来解释，其主要步骤为气体在膜的上游侧表面吸附溶解；吸附溶解在膜上游侧表面的气体在浓度差的推动下扩散透过膜；膜下游侧表面的气体解吸。气体在无孔膜中分离最简单的关系可以用Fick定律来表示：

式中： J——通过膜的通量；

D——扩散系数；

dc/ dx——膜两侧的浓度梯度。

二、气体膜分离技术在海上平台文昌WC15-1的应用

1．背景

WC15-1油田伴生气中CO2含量较高，为了降低CO2对外输海管的腐蚀，在外输之前需要将平台的物流进行气液分离，分离出的气体直接进火炬放空，但是由于该平台的气体中CO2含量高达80%、而平台火炬常明灯的燃料气也来自该气体，因此导致常明灯经常熄灭，给火炬点火造成非常大的困难。本项目首次将分子膜分离技术引入海上平台，以实验性的目的来考察膜分离技术在海上平台的应用效果。从平台放空气体中取部分气体进行分离，将经过分离后的截留侧的贫CO2气体作为长明灯用气，保证长明灯的正常着火状态，从而确保火炬的点火正常。

2．膜的选择

目前可以用于气体分离的膜有有机膜，无机膜（主要是陶瓷膜）和集成膜等，应该根据所要处理的气体性质、工作条件及目标处理量选择合适的膜。渗透系数与分离系数是相互矛盾的2个参数，不能同时获得高渗透率和分离系数。若需要分离的精度比较高，则膜的分离系数需要比较高才能满足要求；若目标处理量较大而精度不是很高，则选择渗透流率较大的膜材料。此外，膜的耐热性、化学相容性和使用寿命也是进行膜材料选择时需要考虑的重要因素。本项目需要将放空气中的部分CO2脱除，分离的精度要求不高，只要处理后的气体能够满足持续燃烧的热值要求即可。本项目虽然对膜的分离精度要求不高，但对膜的分离选择性要求较大，即在脱除CO2的同时尽量避免将其他气体也脱除。无机膜由于其良好的选择性从而成为首选。本项目选择的膜为聚酰亚胺（PI）膜，它是一种具有较好化学稳定性、优良机械性能和热稳定性的聚合物材料，已应用在一些具有很强应用背景的分离体系上，如H2/N2、O2/N2、CO2/N2、CO2/ CH4等，取得了较好的效果。

3．膜组件形式的选择

安装膜面的最小单元称为膜组件。膜组件是膜装置的核心部件，膜组件主要有板框式、管式、螺旋卷式、毛细管式和中空纤维式，这几种膜组件的性能比较如表1所示。由于海上平台空间狭小，空间因素是最主要的制约因素，另外由于本项目属于实验性质，出于空间上和经济上的考虑，采用中空纤维式膜组件。

表1 不同膜组件的定性比较

4．流程设计基础

文昌15-1平台放空气体压力为50kPa，CO2含量大于80%。为了使处理后的气体中热值满足持续燃烧的要求，同时考虑经济性因素，本项目设计分离后的截留侧的气体中CO2的含量不高于50%即可，气量为长明灯的耗气量1 000m3/d。根据膜的分离原理，理论上讲分离压力越大，分离的速度也越快，但是压力太大，会给膜分离设备的设计制造带来很大的麻烦，综合各方面的因素，膜处理设备的操作压力设定为900kPa。由于放空气体压力较低，因此需要增加气体压缩机。考虑到膜组件前处理等设备的压降要求，压缩机出口压力设定为1 000kPa。

5．工艺流程设计

由于本项目选择的是中空纤维膜的组件形式，相对于其他形式膜组件，其更容易受到污染，因此膜的前处理工艺流程要求非常严格。整个膜处理流程主要由增压机、后冷却器、分液罐、聚结过滤器、加热器、活性炭过滤器，精密过滤器膜分离器等部件组成。气体首先经过增压压缩机增压到1．0MPa，然后经过套管换热器与进入膜分离器的原料气换热，将进膜气体的温度升高到60℃，以维持实际温度比烃露点温度在20℃左右。压缩气体然后返回压缩机的空冷冷却器和压缩机后涤气罐，经冷却除液后的气相进入聚结过滤器脱除涤气罐未能除去的液滴和颗粒。从聚结过滤器出来的气相与高温压缩气换热升温后，进入活性炭纤维过滤器除去C8以上的重烃，再经过精密过滤除去气流夹带的固体颗粒，然后进入到膜分离器，膜的渗透侧得到低压的富CO2气流，直接排空。膜的截留侧得到CO2浓度小于50%的贫CO2气体，用于火炬常明灯，工艺流程图如图1所示。该流程能很好地保证了进入膜分离器的气体的质量，最大程度上防止了膜的污染。流程采用了热交换器，充分利用了经压缩后的气体的热能，同时减少了电加热器的设计和降低了压缩机空冷器的负荷，具有很好的节能效果。