聚酰亞胺膜回收不凝氣中CO2模擬研究

屈丹龍

中國石油化工股份有限公司油田勘探開發(fā)事業(yè)部, 北京 100020

0 前言

1 模擬實驗

由于本工程所涉及氣體為非極性的CO2、N2和小分子烴類,仿真研究熱力學計算方法采用PR狀態(tài)方程。本文采用的模擬方法為單級膜處理工藝,原理和建模工藝見圖1。

圖1 單級膜工藝原理

基礎(chǔ)條件:

1)原料氣組成見表1。

表1 低溫精餾塔頂不凝氣組成

組分含量??㊣/()CO264.535N212.140CH422.805C2H60.449C3H80.016?n㊣-C4H100.035?i㊣-C4H100.020 其中,溫度范圍為8～10 ℃;壓力范圍為0.2～0. 3 MPa;流量為245 m3/h。

2)原料氣進氣總量1 000 m3/d,壓力為0.3 MPa，溫度為10 ℃。

4)空冷器流量為2 800 m3/h，進氣和出氣溫度分別為25 ℃、30 ℃。

5)各組分滲透系數(shù)對比見表2。

表2 聚酰亞胺膜對不同氣體組分的滲透系數(shù)

單位:(cm3(STP)·cm·cm-2·s-1·Pa-1)30 ℃

6)本實驗以應(yīng)用較為廣泛的聚酰亞胺膜為研究對象進行仿真計算。

2 結(jié)果與討論

2.1 壓縮機出口壓力對分離效果的影響規(guī)律

膜面積設(shè)置為30 m2，氣體入口溫度為40 ℃，滲透側(cè)出口壓力為0.2 MPa，壓縮機出口壓力為0.8～0.2 MPa，按0.2 MPa等差設(shè)置。

2.1.1 滲透側(cè)出口參數(shù)

圖2為壓縮機出口壓力對產(chǎn)品氣CO2濃度的影響。

圖3～4分別為壓縮機出口壓力對產(chǎn)品氣總量和產(chǎn)品氣CO2流量的影響。

圖3 壓縮機出口壓力對產(chǎn)品氣總量的影響

圖4 壓縮機出口壓力對產(chǎn)品氣CO2流量的影響

由圖3可知,隨著壓縮機出口壓力升高,滲透側(cè)產(chǎn)品氣總量逐漸升高,但趨勢逐漸變緩。由圖4可知,隨著壓縮機出口壓力升高,滲透側(cè)產(chǎn)品氣CO2流量逐漸升高,從252.88 kmol/h升高到423.13 kmol/h,升高趨勢逐漸變緩。

2.1.2 高壓側(cè)出口參數(shù)

圖5～6分別為壓縮機出口壓力對高壓側(cè)烴類濃度和流量的影響。

圖5 壓縮機出口壓力對高壓側(cè)烴類濃度的影響

圖6 壓縮機出口壓力對高壓側(cè)烴類流量的影響

圖7為壓縮機出口壓力對高壓側(cè)烴類收率的影響。

圖7 壓縮機出口壓力對高壓側(cè)烴類收率的影響

圖8為壓縮機出口壓力對高壓側(cè)CO2濃度的影響。

圖8 壓縮機出口壓力對高壓側(cè)CO2濃度的影響

綜上,充分考慮滲透側(cè)和高壓側(cè)分離效果,認為 1.6 MPa 是較佳的壓力點。

2.2 膜材料面積對分離效果的影響規(guī)律

膜材料面積分別考慮為10、20、30、40、50、60、70 m2,壓縮機出口壓力為1.6 MPa,進膜氣體溫度40 ℃,滲透側(cè)出口壓力0.2 MPa,進行工藝計算,研究對滲透側(cè)、高壓側(cè)分離效果的影響。

2.2.1 滲透側(cè)出口參數(shù)

圖9為膜面積對產(chǎn)品氣CO2濃度的影響。

圖9 膜面積對產(chǎn)品氣CO2濃度的影響

圖10～11分別為膜面積對產(chǎn)品氣CO2總量和流量的影響。

圖10 膜面積對產(chǎn)品氣CO2總量的影響

圖11 膜面積對產(chǎn)品氣CO2流量的影響

由圖10可知,隨著膜面積增大,產(chǎn)品氣總量逐漸升高,升高趨勢漸緩。由圖11可知,隨著膜面積增大,產(chǎn)品氣CO2流量逐漸升高,趨勢變緩,在30 m2出現(xiàn)明顯拐點,此時CO2流量為407.89 kmol/h。

2.2.2 高壓側(cè)出口參數(shù)

圖12～13分別為膜面積對高壓側(cè)烴類濃度和流量的影響。

圖12 膜面積對高壓側(cè)烴類濃度的影響

圖13 膜面積對高壓側(cè)烴類流量的影響

圖14為膜面積對高壓側(cè)烴類收率的影響。

圖14 膜面積對高壓側(cè)烴類收率的影響

圖15為膜面積對高壓側(cè)CO2濃度的影響。

圖15 膜面積對高壓側(cè)CO2濃度的影響

2.3 滲透側(cè)壓力對分離效果的影響規(guī)律

滲透側(cè)排氣壓力分別為0.1a、0.15a、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4 MPa,進氣溫度為40 ℃,膜材料面積30 m2,壓縮機出口壓力為1.6 MPa,按照上述參數(shù)進行工藝計算,研究不同壓力對滲透側(cè)、高壓側(cè)分離效果的影響。

2.3.1 滲透側(cè)出口參數(shù)

圖16為滲透側(cè)壓力對產(chǎn)品氣CO2濃度的影響。

圖16 滲透側(cè)壓力對產(chǎn)品氣CO2濃度的影響

圖17～18分別為滲透側(cè)壓力對產(chǎn)品氣總量和CO2流量的影響。

圖17 滲透側(cè)壓力對產(chǎn)品氣總量的影響

圖18 滲透側(cè)壓力對CO2流量的的影響

由圖17可知,隨著滲透側(cè)壓力升高,產(chǎn)品氣總量不斷下降,從471.76 kmol/h下降到402.83 kmol/h。這說明抽真空有助于膜法脫碳系統(tǒng)滲透側(cè)總量增大,同時有助于提高CO2收率,但是產(chǎn)品氣CO2濃度會有所下降。由圖18可知,隨著滲透側(cè)壓力升高,產(chǎn)品氣CO2流量逐漸降低。

2.3.2 高壓側(cè)出口參數(shù)

圖19～20分別為滲透側(cè)壓力對高壓側(cè)烴類濃度和流量的影響。

圖19 滲透側(cè)壓力對高壓側(cè)烴類濃度的影響

圖20 滲透側(cè)壓力對高壓側(cè)烴類流量的影響

圖21為滲透側(cè)壓力對高壓側(cè)烴類收率的影響。

圖21 滲透側(cè)壓力對高壓側(cè)烴類收率的影響

圖22所示為滲透側(cè)壓力對高壓側(cè)CO2濃度的影響。

圖22 滲透側(cè)壓力對高壓側(cè)CO2濃度的影響

根據(jù)上述研究發(fā)現(xiàn)，在無烴類和產(chǎn)品氣流量要求時，滲透側(cè)壓力可設(shè)置為常壓。

2.4 進氣CO2濃度對分離效果的影響規(guī)律

2.4.1 滲透側(cè)出口參數(shù)

圖23～24分別為進氣CO2濃度對產(chǎn)品氣CO2濃度和總量的影響。

圖23 進氣CO2濃度對產(chǎn)品氣CO2濃度的影響

圖24 進氣CO2濃度對產(chǎn)品氣總量的影響

圖25為進氣CO2濃度對產(chǎn)品氣CO2流量的影響。

圖25 進氣CO2濃度對產(chǎn)品氣CO2流量的影響

由圖25可知,當原料氣中CO2濃度提高時,產(chǎn)品氣中CO2流量總量快速升高,從114.14 kmol/h上升到564.18 kmol/h。

2.4.2 高壓側(cè)出口參數(shù)

圖26～27分別為進氣CO2濃度對高壓側(cè)烴類濃度和流量的影響。

圖26 進氣CO2濃度對高壓側(cè)烴類濃度的影響

圖27 進氣CO2濃度對高壓側(cè)烴類流量的影響

圖28分別為進氣CO2濃度對高壓側(cè)烴類濃度收率的影響。

圖28 進氣CO2濃度對高壓側(cè)烴類收率的影響

圖29為進氣CO2濃度對高壓側(cè)CO2濃度的影響。

圖29 進氣CO2濃度對高壓側(cè)CO2濃度的影響

2.5 進氣N2濃度對分離效果的影響規(guī)律

2.5.1 滲透側(cè)出口參數(shù)

圖30為進氣N2濃度對產(chǎn)品氣CO2濃度的影響。

圖30 進氣N2濃度對產(chǎn)品氣CO2濃度的影響

圖31～32分別為進氣N2濃度對產(chǎn)品氣總量和流量的影響。

圖31 進氣N2濃度對產(chǎn)品氣總量的影響

圖32 進氣N2濃度對產(chǎn)品氣CO2流量的影響

由圖31可知,當原料氣中N2濃度提高時,產(chǎn)品氣總量逐步升高,從429.10 kmol/h上升到459.19 kmol/h。由圖32可知,當原料氣N2濃度提高時,產(chǎn)品氣CO2流量逐步提高,從401.72 kmol/h上升到409.05 kmol/h。

2.5.2 高壓側(cè)出口參數(shù)

圖33～34分別為進氣N2濃度對高壓側(cè)烴類濃度和流量的影響。

圖33 進氣N2濃度對高壓側(cè)烴類濃度的影響

圖34 進氣N2濃度對高壓側(cè)烴類流量的影響

圖35分別為進氣N2濃度對高壓側(cè)烴類收率的影響。

圖35 進氣N2濃度對高壓側(cè)烴類收率的影響

3 結(jié)論