一種原料天然氣深度脫碳工藝的製作方法

2023-07-12 06:53:11 1

本發明具體涉及一種原料天然氣深度脫碳工藝，以醇胺溶液濃度、原料天然氣壓力、溶液溫度為優化參數，給出醇胺溶液循環量最低的技術方案，以達到節省投資、降低能耗。

背景技術：

天然氣是一種公認的清潔能源，具有發熱量高、汙染少、使用方便等優點。隨著社會經濟的發展，天然氣的需求量越來越大，對其儲存和運輸效率提出了更高要求。由於液化天然氣的體積僅為液化前標準狀況下氣體體積的1/600，天然氣大規模跨越海洋運輸主要是以液化原料天然氣的方式進行。

天然氣液化之前必須對其進行預處理，其中深度脫碳是預處理的重要環節。通常要求液化前天然氣中CO2含量低於50ppm。目前，天然氣脫碳的主要方法是醇胺溶液吸收法，即採用醇胺水溶液吸收原料天然氣中CO2。通常，醇胺水溶液的組成為：醇胺(一乙醇胺、二乙醇胺、甲基二乙醇胺)、活化劑和水。

醇胺溶液循環量是深度脫碳系統的重要設計參數，其數值大小決定了設備投資和裝置能耗。醇胺溶液循環量越高，相關設備尺寸就會越大，相應地設備投資和裝置能耗就越高。醇胺溶液循環量與溶液濃度、原料天然氣壓力、溶液溫度密切相關，因此有必要研究它們之間的關係，從而尋找到醇胺溶液循環量最低的技術方案。

技術實現要素：

本發明的目的是克服上述技術問題，提高系統設計的經濟性。

為此，本發明提供了一種原料天然氣深度脫碳工藝，包括以下步驟：

步驟1)對脫碳吸收塔進行充壓，使脫碳吸收塔內壓力與原料天然氣壓力一致；

步驟2)採用離心泵往吸收塔頂部連續注入循環量的醇胺溶液；

所述醇胺溶液的循環量確定按以下步驟：

步驟(1)給出優化參數的取值範圍：x∈Dx、z∈Dz、t∈Dt、p∈Dp，

式中：

x：醇胺溶液濃度，wt.％；

z：活化劑濃度，wt.％；

t：醇胺溶液溫度，℃；

p：原料天然氣壓力，kPa；

Dx：醇胺溶液濃度取值範圍，wt.％；

Dz：活化劑濃度取值範圍，wt.％；

Dt：醇胺溶液溫度取值範圍，℃；

Dp：原料天然氣壓力取值範圍，kPa；

步驟(2)在各優化參數取值範圍內，隨機組合產生8組優化參數組合數列為初始複合形的8個頂點：

X1(x1，z1，t1，p1)；

X2(x2，z2，t2，p2)；

·······

Xi(xi，zi，ti，pi)；

X8(x8，z8，t8，p8)；

其中，Xi為第i個優化參數組合數列，1≤i≤8；

xi為在Dx範圍內隨機選取的第i個醇胺溶液濃度，wt.％；

zi為在Dz範圍內隨機選取的第i個活化劑濃度，wt.％；

ti為在Dt範圍內隨機選取的第i個醇胺溶液溫度，℃；

pi為在Dp範圍內隨機選取的第i個原料天然氣壓力，kPa；

步驟(3)計算8個頂點各對應的目標函數醇胺溶液循環量V1，V2，···，V8；

步驟(4)將計算出的目標函數值醇胺溶液循環量V1，V2，···，V8，按由大到小順序排序：

VH＞VG＞···＞VL；

最差點為VH，次差點為VG，最優點為VL，相應地，優化參數組合數列為：XH，XG，···，XL；

XH(xH，zH，tH，pH)；

XG(xG，zG，tG，pG)；

·······

XL(xL，zL，tL，pL)；

步驟(5)計算初始複合形8個頂點的中心點Xs：

然後再計算中心點的目標函數醇胺溶液循環量Vs；

步驟(6)計算終止條件：

<![CDATA[ 1 8 Σ i = 1 8 ( V i - V s ) ≤ ]]>

式中：

ε：計算精度，取值範圍：10-3～10-6；

若上式成立，則醇胺溶液最低循環量為VL，相應地優化參數組合數列為XL(xL，zL，tL，pL)；若上式不成立，則進行步驟7)；

步驟(7)計算除去最差點XH後各頂點中心Xc：

<![CDATA[ X C = 1 7 Σ i = 1 8 X i , i H , ]]>當H≠8時；

當H＝8時；

步驟(8)計算映射點XR：

XR＝XC+α(XC-XH)

式中：α為映射係數；

步驟(9)判斷映射點XR(xR，zR，tR，pR)是否在可行範圍內，即：xR∈Dx，z∈Dz，tR∈Dt，pR∈Dp；

式中：

xR：映射點處醇胺溶液濃度，wt.％；

zR：映射點處活化劑濃度，wt.％；

tR：映射點處醇胺溶液溫度，℃；

pR：映射點處原料天然氣壓力，kPa；

若是在可行範圍內，執行步驟(10)；若不在可行範圍內，映射係數α減半，按照步驟(8)重新計算映射點；

步驟(10)計算XR處的目標函數醇胺溶液循環量VR：

若VR＜VH，則用XR代替最差點XH，返回步驟(3)重新計算；若VR≥VH，映射係數α減半，按照步驟(8)重新計算映射點；若α≤10-10，用次差點VG代替最差點VH，返回步驟(7)；

步驟3)待脫碳吸收塔的溫度、壓力穩定後，往脫碳吸收塔底部連續通入原料天然氣，原料天然氣與醇胺溶液在脫碳吸收塔內逆流接觸，CO2被醇胺溶液吸收脫碳後得到的淨化天然氣從脫碳吸收塔頂流出；

步驟4)吸收了CO2的醇胺溶液由脫碳吸收塔底排出，經再生系統再生後通過離心泵返回脫碳吸收塔頂部循環利用。

所述目標函數醇胺溶液循環量V1，V2，···，V8，Vs，VR計算步驟如下：

(1)根據溶解度方程計算出原料天然氣中CO2在醇胺溶液中的平衡溶解度αc：

溶解度方程：

<![CDATA[ P co 2 H co 2 = ( x + z ) α c 2 K 1 K 2 ( K 1 z + K 2 x ) ( 1 - α c ) K 3 ]]>

式中

原料天然氣中CO2分壓，kPa；

CO2亨利係數；

x：醇胺溶液濃度，wt.％；

z：活化劑濃度，wt.％；

αc：CO2平衡溶解度，定義為mol CO2/mol(醇胺+活化劑)；

K1：醇胺分子在溶液中的電離平衡常數；

K2：活化劑在溶液中的電離平衡常數；

K3：CO2在溶液中的電離平衡常數；

(2)計算CO2實際溶解度：

αCO2＝yαc

式中，αCO2：CO2實際溶解度，定義為mol CO2/mol(醇胺+活化劑)；

y：實際溶解度偏離平衡溶解度的程度；

(3)計算CO2脫除速率，由原料天然氣摩爾流量和原料天然氣中CO2含量計算CO2脫除速率：

nco2＝xco2n

式中：

nco2：CO2脫除速率，mol/h；

xco2：原料天然氣中CO2摩爾分數；

n：原料天然氣摩爾流量，mol/h；

(4)計算目標函數醇胺溶液循環量：

式中：

V：目標函數醇胺溶液循環量，m3/h；

nco2：CO2脫除速率；

xm：醇胺溶液摩爾體積，(醇胺+活化劑)mol/m3；

αCO2：CO2實際溶解度，mol CO2/mol(醇胺+活化劑)。

本發明基於複合形優化算法的基本原理，以溶液濃度、原料天然氣壓力、溶液溫度為優化參數，以溶液循環量為目標函數。通過搜索優化參數，確定溶液循環量最低的技術方案，為原料天然氣深度脫碳系統的設計提供了科學依據，提高了系統設計的經濟性。

下面將結合附圖做進一步詳細說明。

附圖說明

圖1是本發明的工藝流程圖；

圖2是醇胺溶液循環量計算流程圖。

具體實施方式

實施例1：

本實施例提供了一種如圖1所示原料天然氣深度脫碳工藝，包括以下步驟：

步驟1)對脫碳吸收塔進行充壓，使脫碳吸收塔內壓力與原料天然氣壓力一致；

步驟2)採用離心泵往吸收塔頂部連續注入循環量的醇胺溶液；

如圖2所示，醇胺溶液的循環量確定按以下步驟：

步驟(1)給出優化參數的取值範圍：x∈Dx、z∈Dz、t∈Dt、p∈Dp，

式中：

x：醇胺溶液濃度，wt.％；

z：活化劑濃度，wt.％；

t：醇胺溶液溫度，℃；

p：原料天然氣壓力，kPa；

Dx：醇胺溶液濃度取值範圍，wt.％；

Dz：活化劑濃度取值範圍，wt.％；

Dt：醇胺溶液溫度取值範圍，℃；

Dp：原料天然氣壓力取值範圍，kPa；

步驟(2)在各優化參數取值範圍內，隨機組合產生8組優化參數組合數列為初始複合形的8個頂點：

X1(x1，z1，t1，p1)；

X2(x2，z2，t2，p2)；

·······

Xi(xi，zi，ti，pi)；

X8(x8，z8，t8，p8)；

其中，Xi為第i個優化參數組合數列，1≤i≤8；

xi為在Dx範圍內隨機選取的第i個醇胺溶液濃度，wt.％；

zi為在Dz範圍內隨機選取的第i個活化劑濃度，wt.％；

ti為在Dt範圍內隨機選取的第i個醇胺溶液溫度，℃；

pi為在Dp範圍內隨機選取的第i個原料天然氣壓力，kPa；

步驟(3)計算8個頂點各對應的目標函數醇胺溶液循環量V1，V2，···，V8；

步驟(4)將計算出的目標函數值醇胺溶液循環量V1，V2，···，V8，按由大到小順序排序：

VH＞VG＞···＞VL；

最差點為VH，次差點為VG，最優點為VL，相應地，優化參數組合數列為：XH，XG，···，XL；

XH(xH，zH，tH，pH)；

XG(xG，zG，tG，pG)；

·······

XL(xL，zL，tL，pL)；

步驟(5)計算初始複合形8個頂點的中心點Xs：

然後再計算中心點的目標函數醇胺溶液循環量Vs；

步驟(6)計算終止條件：

<![CDATA[ 1 8 Σ i = 1 8 ( V i - V s ) ≤ ]]>

式中：

ε：計算精度，取值範圍：10-3～10-6；

若上式成立，則醇胺溶液最低循環量為VL，相應地優化參數組合數列為XL(xL，zL，tL，pL)；若上式不成立，則進行步驟7)；

步驟(7)計算除去最差點XH後各頂點中心Xc：

<![CDATA[ X C = 1 7 Σ i = 1 8 X i , i H , ]]>當H≠8時；

當H＝8時；

步驟(8)計算映射點XR：

XR＝XC+α(XC-XH)

式中：α為映射係數；

步驟(9)判斷映射點XR(xR，zR，tR，pR)是否在可行範圍內，即：xR∈Dx，z∈Dz，tR∈Dt，pR∈Dp；

式中：

xR：映射點處醇胺溶液濃度，wt.％；

zR：映射點處活化劑濃度，wt.％；

tR：映射點處醇胺溶液溫度，℃；

pR：映射點處原料天然氣壓力，kPa；

若是在可行範圍內，執行步驟(10)；若不在可行範圍內，映射係數α減半，按照步驟(8)重新計算映射點；

步驟(10)計算XR處的目標函數醇胺溶液循環量VR：

若VR＜VH，則用XR代替最差點XH，返回步驟(3)重新計算；若VR≥VH，映射係數α減半，按照步驟(8)重新計算映射點；若α≤10-10，用次差點VG代替最差點VH，返回步驟(7)；

步驟3)待脫碳吸收塔的溫度、壓力穩定後，往脫碳吸收塔底部連續通入原料天然氣，原料天然氣與醇胺溶液在脫碳吸收塔內逆流接觸，CO2被醇胺溶液吸收脫碳後得到的淨化天然氣從脫碳吸收塔頂流出；

步驟4)吸收了CO2的醇胺溶液由脫碳吸收塔底排出，經再生系統再生後通過離心泵返回脫碳吸收塔頂部循環利用。

其中，目標函數醇胺溶液循環量V1，V2，···，V8，Vs，VR計算步驟如下：

(1)根據溶解度方程計算出原料天然氣中CO2在醇胺溶液中的平衡溶解度αc：

溶解度方程：

<![CDATA[ P co 2 H co 2 = ( x + z ) α c 2 K 1 K 2 ( K 1 z + K 2 x ) ( 1 - α c ) K 3 ]]>

式中

原料天然氣中CO2分壓，kPa；

CO2亨利係數；

x：醇胺溶液濃度，wt.％；

z：活化劑濃度，wt.％；

αc：CO2平衡溶解度，定義為mol CO2/mol(醇胺+活化劑)；

K1：醇胺分子在溶液中的電離平衡常數；

K2：活化劑在溶液中的電離平衡常數；

K3：CO2在溶液中的電離平衡常數；

(2)計算CO2實際溶解度：

αCO2＝yαc

式中，αCO2：CO2實際溶解度，定義為mol CO2/mol(醇胺+活化劑)；

y：實際溶解度偏離平衡溶解度的程度；

(3)計算CO2脫除速率，由原料天然氣摩爾流量和原料天然氣中CO2含量計算CO2脫除速率：

nco2＝xco2n

式中：

nco2：CO2脫除速率，mol/h；

xco2：原料天然氣中CO2摩爾分數；

n：原料天然氣摩爾流量，mol/h；

(4)計算目標函數醇胺溶液循環量：

式中：

V：目標函數醇胺溶液循環量，m3/h；

nco2：CO2脫除速率；

xm：醇胺溶液摩爾體積，(醇胺+活化劑)mol/m3；

αCO2：CO2實際溶解度，mol CO2/mol(醇胺+活化劑)。

本發明通過搜索優化參數，確定溶液循環量最低的技術方案，為原料天然氣深度脫碳工藝提供了科學依據，提高了系統設計的經濟性。

本實施例沒有詳細敘述的計算方法屬本行業的公知技術和常用方法，這裡不一一敘述。

以上例舉僅僅是對本發明的舉例說明，並不構成對本發明的保護範圍的限制，凡是與本發明相同或相似的設計均屬於本發明的保護範圍之內。