沈 震，李雪梅，張西迎2，韓化鳳

(1.湛江南海西部石油勘查設(shè)計(jì)有限公司；2.中海油有限公司湛江分公司，廣東 湛江 5 24057）

膜分離技術(shù)在海上平臺(tái)的應(yīng)用

沈 震1，李雪梅1，張西迎2，韓化鳳1

(1.湛江南海西部石油勘查設(shè)計(jì)有限公司；2.中海油有限公司湛江分公司，廣東 湛江 5 24057）

將分子膜分離技術(shù)應(yīng)用于海上平臺(tái)氣體分離CO2，解決了WC15-1火炬放空氣CO2含量高、點(diǎn)火困難的問題。應(yīng)用的結(jié)果表明，分子膜分離技術(shù)具 有投資費(fèi)用低，操作控制容易等特點(diǎn)。

分子膜；濃度梯度；CO2；膜污染；

CO2腐蝕是影響油田正常生產(chǎn)的一個(gè)主要問題。在傳統(tǒng)的氣體氣脫CO2技術(shù)中用的最多的為醇胺法。但醇胺法由于工藝流程復(fù)雜、設(shè)備多、運(yùn)行費(fèi)用高等缺點(diǎn)限制了其在海上平臺(tái)的應(yīng)用例。膜分離技術(shù)是在20世紀(jì)60年代后迅速崛起的一門新技術(shù)，由于兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，又有高效、節(jié)能、環(huán)保、分子級(jí)過濾及過濾流程簡(jiǎn)單、易于控制等特征。已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，成為當(dāng)今分離科學(xué)中最重要的手段之一。

一、氣體膜分離技術(shù)原理

氣體膜分離技術(shù)一般采用的膜為無孔膜，其基本原理是根據(jù)混合氣體中各組分在壓力的推動(dòng)下透過膜的傳遞速率不同，從而達(dá)到分離目的。氣體透過膜的機(jī)理可以用溶解-擴(kuò)散機(jī)理來解釋，其主要步驟為氣體在膜的上游側(cè)表面吸附溶解；吸附溶解在膜上游側(cè)表面的氣體在濃度差的推動(dòng)下擴(kuò)散透過膜；膜下游側(cè)表面的氣體解吸。氣體在無孔膜中分離最簡(jiǎn)單的關(guān)系可以用Fick定律來表示：

式中： J——通過膜的通量；

D——擴(kuò)散系數(shù)；

dc/ dx——膜兩側(cè)的濃度梯度。

二、氣體膜分離技術(shù)在海上平臺(tái)文昌WC15-1的應(yīng)用

1．背景

WC15-1油田伴生氣中CO2含量較高，為了降低CO2對(duì)外輸海管的腐蝕，在外輸之前需要將平臺(tái)的物流進(jìn)行氣液分離，分離出的氣體直接進(jìn)火炬放空，但是由于該平臺(tái)的氣體中CO2含量高達(dá)80%、而平臺(tái)火炬常明燈的燃料氣也來自該氣體，因此導(dǎo)致常明燈經(jīng)常熄滅，給火炬點(diǎn)火造成非常大的困難。本項(xiàng)目首次將分子膜分離技術(shù)引入海上平臺(tái)，以實(shí)驗(yàn)性的目的來考察膜分離技術(shù)在海上平臺(tái)的應(yīng)用效果。從平臺(tái)放空氣體中取部分氣體進(jìn)行分離，將經(jīng)過分離后的截留側(cè)的貧CO2氣體作為長(zhǎng)明燈用氣，保證長(zhǎng)明燈的正常著火狀態(tài)，從而確保火炬的點(diǎn)火正常。

2．膜的選擇

目前可以用于氣體分離的膜有有機(jī)膜，無機(jī)膜（主要是陶瓷膜）和集成膜等，應(yīng)該根據(jù)所要處理的氣體性質(zhì)、工作條件及目標(biāo)處理量選擇合適的膜。滲透系數(shù)與分離系數(shù)是相互矛盾的2個(gè)參數(shù)，不能同時(shí)獲得高滲透率和分離系數(shù)。若需要分離的精度比較高，則膜的分離系數(shù)需要比較高才能滿足要求；若目標(biāo)處理量較大而精度不是很高，則選擇滲透流率較大的膜材料。此外，膜的耐熱性、化學(xué)相容性和使用壽命也是進(jìn)行膜材料選擇時(shí)需要考慮的重要因素。本項(xiàng)目需要將放空氣中的部分CO2脫除，分離的精度要求不高，只要處理后的氣體能夠滿足持續(xù)燃燒的熱值要求即可。本項(xiàng)目雖然對(duì)膜的分離精度要求不高，但對(duì)膜的分離選擇性要求較大，即在脫除CO2的同時(shí)盡量避免將其他氣體也脫除。無機(jī)膜由于其良好的選擇性從而成為首選。本項(xiàng)目選擇的膜為聚酰亞胺（PI）膜，它是一種具有較好化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)良機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性的聚合物材料，已應(yīng)用在一些具有很強(qiáng)應(yīng)用背景的分離體系上，如H2/N2、O2/N2、CO2/N2、CO2/ CH4等，取得了較好的效果。

3．膜組件形式的選擇

安裝膜面的最小單元稱為膜組件。膜組件是膜裝置的核心部件，膜組件主要有板框式、管式、螺旋卷式、毛細(xì)管式和中空纖維式，這幾種膜組件的性能比較如表1所示。由于海上平臺(tái)空間狹小，空間因素是最主要的制約因素，另外由于本項(xiàng)目屬于實(shí)驗(yàn)性質(zhì)，出于空間上和經(jīng)濟(jì)上的考慮，采用中空纖維式膜組件。

表1 不同膜組件的定性比較

4．流程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

文昌15-1平臺(tái)放空氣體壓力為50kPa，CO2含量大于80%。為了使處理后的氣體中熱值滿足持續(xù)燃燒的要求，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性因素，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)分離后的截留側(cè)的氣體中CO2的含量不高于50%即可，氣量為長(zhǎng)明燈的耗氣量1 000m3/d。根據(jù)膜的分離原理，理論上講分離壓力越大，分離的速度也越快，但是壓力太大，會(huì)給膜分離設(shè)備的設(shè)計(jì)制造帶來很大的麻煩，綜合各方面的因素，膜處理設(shè)備的操作壓力設(shè)定為900kPa。由于放空氣體壓力較低，因此需要增加氣體壓縮機(jī)?？紤]到膜組件前處理等設(shè)備的壓降要求，壓縮機(jī)出口壓力設(shè)定為1 000kPa。

5．工藝流程設(shè)計(jì)

由于本項(xiàng)目選擇的是中空纖維膜的組件形式，相對(duì)于其他形式膜組件，其更容易受到污染，因此膜的前處理工藝流程要求非常嚴(yán)格。整個(gè)膜處理流程主要由增壓機(jī)、后冷卻器、分液罐、聚結(jié)過濾器、加熱器、活性炭過濾器，精密過濾器膜分離器等部件組成。氣體首先經(jīng)過增壓壓縮機(jī)增壓到1．0MPa，然后經(jīng)過套管換熱器與進(jìn)入膜分離器的原料氣換熱，將進(jìn)膜氣體的溫度升高到60℃，以維持實(shí)際溫度比烴露點(diǎn)溫度在20℃左右。壓縮氣體然后返回壓縮機(jī)的空冷冷卻器和壓縮機(jī)后滌氣罐，經(jīng)冷卻除液后的氣相進(jìn)入聚結(jié)過濾器脫除滌氣罐未能除去的液滴和顆粒。從聚結(jié)過濾器出來的氣相與高溫壓縮氣換熱升溫后，進(jìn)入活性炭纖維過濾器除去C8以上的重?zé)N，再經(jīng)過精密過濾除去氣流夾帶的固體顆粒，然后進(jìn)入到膜分離器，膜的滲透?jìng)?cè)得到低壓的富CO2氣流，直接排空。膜的截留側(cè)得到CO2濃度小于50%的貧CO2氣體，用于火炬常明燈，工藝流程圖如圖1所示。該流程能很好地保證了進(jìn)入膜分離器的氣體的質(zhì)量，最大程度上防止了膜的污染。流程采用了熱交換器，充分利用了經(jīng)壓縮后的氣體的熱能，同時(shí)減少了電加熱器的設(shè)計(jì)和降低了壓縮機(jī)空冷器的負(fù)荷，具有很好的節(jié)能效果。

圖1 文昌15-1WHPA膜法脫CO2工藝流程圖

6．處理前后組分對(duì)比（表2）

表2 膜分離設(shè)備處理前后組分

根據(jù)表2可以看到，經(jīng)過膜處理設(shè)備處理后的截留側(cè)CO2含量已經(jīng)下降到了48．12%，達(dá)到了預(yù)期的處理效果。

7．膜處理效果的控制

膜分離處理流程的控制比較簡(jiǎn)單，根據(jù)Fick定律，由于擴(kuò)散系數(shù)D為常數(shù)，因此控制膜兩側(cè)的濃度梯度成為膜分離效果的主要控制點(diǎn)，也即壓力控制成為膜分離效果的主要控制因素。本項(xiàng)目在膜截留側(cè)出口管線上裝有一個(gè)壓力控制閥，通過調(diào)節(jié)該閥的開度大小來控制膜的分離壓力，從而保證了膜分離設(shè)備的處理效果。

三、總結(jié)

膜法分離技術(shù)由于流程簡(jiǎn)單、操作方便、能耗較低，投資運(yùn)行費(fèi)用少等特點(diǎn)已經(jīng)得到了推廣應(yīng)用，此次氣體膜分離技術(shù)運(yùn)用于文昌15-1WHPA平臺(tái)放空氣脫碳的成功應(yīng)用，不但解決了該平臺(tái)火炬氣由于CO2含量高，火炬點(diǎn)火困難的問題，而且對(duì)該技術(shù)今后在其他平臺(tái)的推廣應(yīng)用具有很強(qiáng)的借鑒意義。

[1] Mulder，M，李琳譯． 膜技術(shù)基本原理[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1999．

[2] 王學(xué)松 ．氣體膜技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010．

TQO51.8+93

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1671-0711（2014）05-0029-03

2014-02-28）