基于PRO II平臺(tái)回收EOR采出氣中CO2模擬研究

陸詩(shī)建

(中石化節(jié)能環(huán)保工程科技有限公司，山東東營(yíng) 257026)

隨著二氧化碳驅(qū)三次采油技術(shù)的規(guī)模化推廣，二氧化碳驅(qū)采出液地面工藝面臨著一些難題:二氧化碳被注入地下后，約有50%～60%被永久封存于地下，剩余的40%～50%則隨著油田伴生氣溢出。由于高含CO2，二氧化碳驅(qū)采出氣不經(jīng)過必要的處理不能進(jìn)入集輸管網(wǎng)或被點(diǎn)燃，只能直接排放，這既污染了環(huán)境，又浪費(fèi)了天然氣、CO2資源，降低了二氧化碳驅(qū)油和埋存效果。為研究采出氣CO2分離利用的價(jià)值，開發(fā)采出氣脫碳技術(shù)，同時(shí)依托勝利油田CO2驅(qū)研究需求，以31號(hào)計(jì)量站采出氣為研究對(duì)象，基于PROⅡ工藝軟件SIMSCI計(jì)算模型進(jìn)行了1000 Nm3/d膜法脫碳仿真計(jì)算研究。

1 研究條件

圖1 單級(jí)膜工藝原理

圖2 單級(jí)膜處理工藝建模

31號(hào)計(jì)量站采出氣氣體組成為非極性的CO2、N2和小分子烴類，故仿真研究熱力學(xué)計(jì)算方法采用PR狀態(tài)方程。采用的模擬方法為單級(jí)膜處理工藝，原理和建模工藝如圖1和圖2所示。

基礎(chǔ)條件:

①原料氣組成見表1。

表1 31號(hào)計(jì)量站CO2驅(qū)采出氣組成

②原料氣進(jìn)氣總量1000 Nm3/d(1472．32 ft3/h)，進(jìn)氣溫度10℃，進(jìn)氣壓力 0．3 kPa(43．5psia)。

③空冷器空氣進(jìn)氣量100000 ft3/h，進(jìn)氣溫度25℃，出氣溫度30℃。

④分離器壓降考慮為5 kPa(0．725psi)，換熱器壓降考慮為20 kPa，壓縮過程設(shè)計(jì)為2級(jí)壓縮，壓縮機(jī)絕熱效率考慮為75%。

⑤各組分滲透系數(shù)對(duì)比:

表2 聚砜膜對(duì)不同氣體組分的滲透系數(shù)*(cm3(STP)·cm·cm－2·s－1·Pa－1)30℃

滲透?jìng)?cè)產(chǎn)品氣技術(shù)指標(biāo)要求:CO2回收率≥90%，產(chǎn)品氣CO2純度≥90%，烴類回收率≥80%。

2 結(jié)果與討論

2．1 壓縮機(jī)出口壓力對(duì)分離效果的影響規(guī)律

進(jìn)膜氣體壓力(即壓縮機(jī)2級(jí)壓縮后壓力)分別考慮為0．8、1．0、1．2、1．4、1．6、1．8、2．0 kPa，膜材料面積為 45 m2，進(jìn)膜氣體溫度40℃，滲透?jìng)?cè)出口壓力0．2 kPa，進(jìn)行工藝計(jì)算，研究對(duì)滲透?jìng)?cè)、高壓側(cè)分離效果的影響。

2．1．1 滲透?jìng)?cè)出口參數(shù)

圖1 壓縮機(jī)出口壓力對(duì)產(chǎn)品氣CO2濃度的影響

圖2 壓縮機(jī)出口壓力對(duì)產(chǎn)品氣CO2收率的影響

由圖1可知，隨著壓縮機(jī)壓力升高，滲透?jìng)?cè)產(chǎn)品氣中CO2濃度逐步降低，從93．1%下降到86．9%，其中1．6 kPa為臨界點(diǎn)，產(chǎn)品氣濃度為89．74%。

由圖2可知，隨著壓縮機(jī)壓力升高，滲透?jìng)?cè)CO2收率逐漸升高，當(dāng)大于1．4 kPa時(shí)收率升高變緩。1．4 kPa時(shí)CO2收率為84．86%，1．6 kPa 時(shí) CO2收率為 90．64%。

圖3 壓縮機(jī)出口壓力對(duì)產(chǎn)品氣總量的影響

圖4 壓縮機(jī)出口壓力對(duì)產(chǎn)品氣CO2流量的影響

如圖3所示，隨著壓縮機(jī)壓力升高，滲透?jìng)?cè)產(chǎn)品氣總量逐漸升高。如圖4所示，隨著壓縮機(jī)出口壓力升高，滲透?jìng)?cè)產(chǎn)品氣流量逐漸升高，從472．02 lb－mol/h升高到918．23 lb－mol/h。

2．1．2 高壓側(cè)出口參數(shù)

如圖5所示，隨壓縮機(jī)出口壓力升高，高壓側(cè)烴類濃度快速升高，從33．9%升高到65．9%。如圖6所示，隨壓縮機(jī)出口壓力升高，高壓側(cè)烴類流量快速下降，從326．5 lb－mol/h下降到274．8 lb－mol/h。

由圖7可見，隨壓縮機(jī)出口壓力升高，高壓側(cè)烴類收率逐漸下降，從95．07%下降到80．01%。由圖8可見，隨著壓縮機(jī)出口壓力升高，高壓側(cè)CO2濃度逐漸降低，從49．56%降低到7．66%。

圖5 壓縮機(jī)出口壓力對(duì)高壓側(cè)烴類濃度的影響

圖6 壓縮機(jī)出口壓力對(duì)高壓側(cè)烴類流量的影響

圖7 壓縮機(jī)出口壓力對(duì)高壓側(cè)烴類收率的影響

圖8 壓縮機(jī)出口壓力對(duì)高壓側(cè)CO2濃度的影響

圖9 壓縮機(jī)出口壓力對(duì)高壓側(cè)烴類熱值的影響

由圖9可見，隨壓縮機(jī)出口壓力升高，高壓側(cè)烴類濃度快速升高，對(duì)應(yīng)烴類熱值也逐漸升高，從12．8 MJ/m3升高到24．9 MJ/m3。綜上，充分考慮滲透?jìng)?cè)和高壓側(cè)分離效果，認(rèn)為1．6 kPa是較佳的壓力點(diǎn)。

2．2 膜材料面積對(duì)分離效果的影響規(guī)律

膜材料面積分別考慮為15、25、35、45、55、65、75m2，進(jìn)膜氣體壓力為1．6 kPa，進(jìn)膜氣體溫度40℃，滲透?jìng)?cè)出口壓力0．2 kPa，進(jìn)行工藝計(jì)算，研究對(duì)滲透?jìng)?cè)、高壓側(cè)分離效果的影響。

2．2．1 滲透?jìng)?cè)出口參數(shù)

圖10 膜面積對(duì)產(chǎn)品氣CO2濃度的影響

圖11 膜面積對(duì)產(chǎn)品氣CO2收率的影響

圖12 膜面積對(duì)產(chǎn)品氣CO2總量的影響

圖13 膜面積對(duì)產(chǎn)品氣CO2總量的影響

由圖10所示，隨膜面積的增大，產(chǎn)品氣CO2的濃度逐漸下降，從94．7%下降到83．1%。其中膜面積為45 m2時(shí)為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)CO2濃度為89．74%。如圖11所示，隨著膜面積增大，產(chǎn)品氣CO2收率先快速升高后逐漸趨于平緩。拐點(diǎn)為45 m2，CO2的收率為90．64%。

如圖12所示，隨著膜面積增大，產(chǎn)品氣總量逐漸升高，升高趨勢(shì)漸緩。如圖13所示，隨著膜面積增大，產(chǎn)品氣CO2流量逐漸升高，趨勢(shì)變緩，在45 m2出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，此時(shí)CO2流量為861．11 lb － mol/hr。

2．2．2 高壓側(cè)出口參數(shù)

如圖14所示，隨著膜面積增大，高壓側(cè)烴類濃度逐漸升高，從32．67%升高到70．76%。如圖15所示，隨著膜面積增大，高壓側(cè)烴類流量逐漸降低，從332．07 lb－mol/hr下降到244．62 lb － mol/hr。

圖14 膜面積對(duì)高壓側(cè)烴類濃度的影響

圖15 膜面積對(duì)高壓側(cè)烴類流量的影響

如圖16所示，隨著膜面積增大，高壓側(cè)烴類熱值逐漸升高，從 12．34 MJ/m3升高到 26．74 MJ/m3。

圖16 膜面積對(duì)高壓側(cè)烴類熱值的影響

如圖17所示，隨膜面積升高，高壓側(cè)烴類收率快速下降，從96．7%下降到72．1%。

圖17 膜面積對(duì)高壓側(cè)烴類收率的影響

2．3 滲透?jìng)?cè)壓力對(duì)分離效果的影響規(guī)律

滲透?jìng)?cè)排氣壓力考慮為 0．10、0．15、0．20、0．25、0．30、0．35、0．40 kPa，進(jìn)氣溫度為40℃，膜材料面積45 m2，進(jìn)膜氣體壓力為1．6 kPa，進(jìn)行工藝計(jì)算，研究對(duì)滲透?jìng)?cè)、高壓側(cè)分離效果的影響。

2．3 ．1 滲透?jìng)?cè)出口參數(shù)

由圖18，隨滲透?jìng)?cè)壓力升高，產(chǎn)品氣CO2濃度先升高后下降，但變化很小，穩(wěn)定在89%左右;滲透?jìng)?cè)壓力為0．35 kPa時(shí)達(dá)到最大，為89．93%。如圖19所示，隨著滲透?jìng)?cè)壓力的升高，產(chǎn)品氣CO2收率逐漸下降，95．1%下降到78．5%。其中0．20 kPa為90%收率臨界點(diǎn)。

圖18 滲透?jìng)?cè)壓力對(duì)產(chǎn)品氣CO2濃度的影響

圖19 滲透?jìng)?cè)壓力對(duì)產(chǎn)品氣CO2收率的影響

如圖20所示，隨著滲透?jìng)?cè)壓力升高，產(chǎn)品氣總量不斷下降，從1009．7 lb － mol/hr下降到828．9 lb －mol/hr。這說明抽真空有助于膜法脫碳系統(tǒng)滲透?jìng)?cè)總量增大，同時(shí)有助于提高CO2收率，但是產(chǎn)品氣CO2濃度會(huì)有所下降。如圖21所示，隨著滲透?jìng)?cè)壓力升高，產(chǎn)品氣CO2流量逐漸降低。

圖20 滲透?jìng)?cè)壓力對(duì)產(chǎn)品氣總量的影響

圖21 滲透?jìng)?cè)壓力對(duì)CO2流量的的影響

2．3．2 高壓側(cè)出口參數(shù)

如圖22所示，與滲透?jìng)?cè)CO2濃度變化規(guī)律類似，隨著滲透?jìng)?cè)壓力提高，高壓側(cè)烴類濃度也逐漸下降，從62．9%下降到47．1%。如圖23所示，隨著滲透?jìng)?cè)壓力提高，高壓側(cè)烴類流量逐漸升高，但變化不是很大，從291．3 lb－mol/hr升高到302．4 lb －mol/hr。

如圖24所示，隨著滲透?jìng)?cè)壓力提高，由于烴類濃度逐漸下降，使得烴類熱值也逐漸下降，從23．8 MJ/m3下降到17．8 MJ/m3。如圖25所示，隨著滲透?jìng)?cè)壓力升高，高壓側(cè)烴類收率逐漸升高，從84．8%升高到88%。

圖22 滲透?jìng)?cè)壓力對(duì)高壓側(cè)烴類濃度的影響

圖23 滲透?jìng)?cè)壓力對(duì)高壓側(cè)烴類流量的影響

圖24 滲透?jìng)?cè)壓力對(duì)高壓側(cè)烴類熱值的影響

圖25 滲透?jìng)?cè)壓力對(duì)高壓側(cè)烴類收率的影響

綜上所述，在沒有產(chǎn)品氣流量、烴類流量或烴類熱值(濃度)的要求下，滲透?jìng)?cè)壓力保持常壓即可，不用再上設(shè)備進(jìn)行增壓或抽真空。

2．4 進(jìn)氣CO2濃度對(duì)分離效果的影響規(guī)律

進(jìn)氣 CO2濃度考慮為24．535%、34．535%、44．535%、54．535%、64．535%、74．535%、84．535%，進(jìn)氣溫度為40℃，膜材料面積 45m2，進(jìn)膜氣體壓力為1．6 kPa，滲透?jìng)?cè)出口壓力0．20 kPa，進(jìn)行工藝計(jì)算，研究對(duì)滲透?jìng)?cè)、高壓側(cè)分離效果的影響。

2．4．1 滲透?jìng)?cè)出口參數(shù)

如圖26所示，當(dāng)原料氣中CO2濃度從24．535%升高至84．535%時(shí)，產(chǎn)品氣 CO2濃度先快速升高后趨于平緩。64．535%為臨界點(diǎn)，CO2濃度為89．74%;84．535%時(shí) CO2濃度為92．23%。如圖27所示，當(dāng)原料氣中CO2濃度提高時(shí)，產(chǎn)品氣CO2收率快速升高，從66．4%升高至99．3%。

圖26 進(jìn)氣CO2濃度對(duì)產(chǎn)品氣CO2濃度的影響

圖27 進(jìn)氣CO2濃度對(duì)產(chǎn)品氣CO2收率的影響

圖28 進(jìn)氣CO2濃度對(duì)產(chǎn)品氣總量的影響

圖29 進(jìn)氣CO2濃度對(duì)產(chǎn)品氣CO2流量的影響

如圖28所示，當(dāng)原料氣中CO2濃度提高時(shí)，產(chǎn)品氣總量快速升高，從355．99 lb－mol/hr上升到 1339．61 lb－ mol/hr。如圖29所示，當(dāng)原料氣中CO2濃度提高時(shí)，產(chǎn)品氣中CO2流量總量快速升高，從239．82 lb－mol/hr上升到1235．57 lb－mol/hr。

2．4．2 高壓側(cè)出口參數(shù)

如圖30所示，當(dāng)原料氣中CO2濃度提高時(shí)，高壓側(cè)烴類濃度快速下降，從76．01%下降到26．68%。這是因?yàn)檫M(jìn)氣CO2濃度提高使得進(jìn)氣烴類濃度降低(N2濃度不變)。如圖31示，當(dāng)原料氣中 CO2濃度提高時(shí)，高壓側(cè)烴類流量快速降低，從848．61 lb－mol/hr下降到35．41 lb－mol/hr。

圖30 進(jìn)氣CO2濃度對(duì)高壓側(cè)烴類濃度的影響

圖31 進(jìn)氣CO2濃度對(duì)高壓側(cè)烴類流量的影響

如圖32所示，當(dāng)原料氣中CO2濃度提高時(shí)，高壓側(cè)烴類熱值隨著烴類濃度的快速降低而降低，從28．36 MJ/m3下降到11．32 MJ/m3。如圖33所示，當(dāng)原料氣中CO2濃度提高時(shí)，高壓側(cè)烴類收率也逐步下降，從91．02%降至72．33%。

圖32 進(jìn)氣CO2濃度對(duì)高壓側(cè)烴類熱值的影響

圖33 進(jìn)氣CO2濃度對(duì)高壓側(cè)烴類收率的影響

2．5 進(jìn)氣N2濃度對(duì)分離效果的影響規(guī)律

進(jìn)氣 N2濃度考慮為 2．14%、4．14%、6．14%、8．14%、10．14%、12．14%、14．14%，進(jìn)氣 CO2濃度不變(64．535%)，進(jìn)氣溫度為40℃，膜材料面積45 m2，進(jìn)膜氣體壓力為1．6 kPa，滲透?jìng)?cè)出口壓力0．20 kPa，進(jìn)行工藝計(jì)算，研究對(duì)滲透?jìng)?cè)、高壓側(cè)分離效果的影響。

2．5．1 滲透?jìng)?cè)出口參數(shù)

圖34 進(jìn)氣N2濃度對(duì)產(chǎn)品氣CO2濃度的影響

圖35 進(jìn)氣N2濃度對(duì)產(chǎn)品氣CO2收率的影響

如圖34所示，隨著原料氣中N2濃度提高，滲透?jìng)?cè)產(chǎn)品氣中CO2濃度逐步下降，但下降總量不大，從91．8%降至88．1%。其中進(jìn)氣濃度為12．14%時(shí)產(chǎn)品氣濃度為89．74%，為臨界點(diǎn)。如圖35所示，隨著原料氣中N2濃度提高，滲透?jìng)?cè)產(chǎn)品氣中CO2收率逐步上升，但升高總量不大，從89．74%升至91．35%。主要原因是N2濃度提高使得烴類濃度下降。

如圖36所示，當(dāng)原料氣中N2濃度提高時(shí)，產(chǎn)品氣總量逐步升高，從928．24 lb －mol/hr上升到985．31 lb － mol/hr。如圖37所示，當(dāng)原料氣N2濃度提高時(shí)，產(chǎn)品氣CO2流量逐步提高，從852．55 lb －mol/hr上升到867．87 lb－mol/hr。

圖36 進(jìn)氣N2濃度對(duì)產(chǎn)品氣總量的影響

圖37 進(jìn)氣N2濃度對(duì)產(chǎn)品氣CO2流量的影響

2．5．2 高壓側(cè)出口參數(shù)

如圖38所示，當(dāng)原料氣中N2濃度提高時(shí)，高壓側(cè)烴類濃度快速下降，從77．86%下降到39．69%。

圖38 進(jìn)氣N2濃度對(duì)高壓側(cè)烴類濃度的影響

如圖39所示，當(dāng)原料氣中N2濃度提高時(shí)，高壓側(cè)烴類流量快速降低，從 423．61 lb－mol/hr下降到 193．33 lb－mol/hr。如圖40所示，當(dāng)原料氣中N2濃度提高時(shí)，高壓側(cè)烴類熱值隨著烴類濃度的快速降低而降低，從29．24 MJ/m3下降到15．16 MJ/m3。如圖41所示，當(dāng)原料氣中N2濃度提高時(shí)，高壓側(cè)烴類收率變化很小，維持在85% ～86%。原因是N2與烷烴的滲透系數(shù)處于一個(gè)數(shù)量級(jí)，相差不是很大。

圖39 進(jìn)氣N2濃度對(duì)高壓側(cè)烴類流量的影響

圖40 進(jìn)氣N2濃度對(duì)高壓側(cè)烴類熱值的影響

圖41 進(jìn)氣N2濃度對(duì)高壓側(cè)烴類收率的影響

3 結(jié)論

(1)對(duì)聚砜單級(jí)膜工藝體系，研究結(jié)果表明在二級(jí)壓縮壓力1．6 kPa、進(jìn)膜氣體溫度40℃、滲透?jìng)?cè)排氣壓力0．20 kPa時(shí)達(dá)到最佳工藝參數(shù)，綜合性能好，膜材料應(yīng)用最少(膜面積45 m2)，滲透?jìng)?cè)分離效果、CO2濃度、CO2收率與高壓側(cè)分離效果、烴類濃度、烴類收率、烴類熱值均為最優(yōu)。

(2)綜合分析表明，對(duì)聚砜膜工藝，膜面積增大到一定程度、膜壓力提高到一定程度，可以實(shí)現(xiàn)既定的技術(shù)指標(biāo)(產(chǎn)品氣CO2純度≥90%或95%，產(chǎn)品氣CO2收率≥80%或90%，高壓側(cè)烴類熱值≥31．4 MJ/m3，高壓側(cè)烴類收率≥80%，高壓側(cè)CO2濃度≤2%)，但有一個(gè)限度或最佳值，當(dāng)繼續(xù)增大壓力或膜面積時(shí)不僅投資成本增大，部分分離技術(shù)指標(biāo)反而會(huì)快速下降(比如產(chǎn)品氣CO2濃度)。因此，在選擇膜面積、膜壓力時(shí)，需要按照膜材料分離工藝與滲透系數(shù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，達(dá)到最佳的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益。