用于设计和评估天然气脱硫处理中的中空纤维膜接触器即MBC的性能的方法和系统技术方案

在实施例中描述了一种使用中空纤维膜接触器(MBC)模型来设计和评天然气脱硫处理中MBC的性能的计算机实现的方法。MBC模型包括用于计算与天然气脱硫处理相关联的数据的模型参数、模型方程和边界条件。天然气脱硫处理包括使用包含至少一种成分的溶剂从天然气中去除酸性气体。该方法包括：(i)使用经验数据形成回归模型；(ii)使用回归模型确定溶剂中CO2的亨利常数；(iii)在MBC模型中输入所确定的CO2的亨利常数作为模型参数之一；以及(iv)使用MBC模型确定溶剂中的CO2吸收以设计和评估MBC的性能。的性能。的性能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于设计和评估天然气脱硫处理中的中空纤维膜接触器即MBC的性能的方法和系统


[0001]本公开涉及特别地通过使用中空纤维膜接触器(MBC)模型来设计和评估天然气脱硫处理中MBC的性能的方法和系统。

技术介绍

[0002]天然气(NG)目前是化石燃料能量的第三最常用的形式，并且广泛用于发电和运输这两者。NG包括可燃烃气体(通常为甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H
10
)和戊烷(C5H
12
))和杂质(例如二氧化碳(CO2))的混合物。出于如下若干原因，从NG中去除CO2是重要的：(i)满足NG的销售气体标准，其通常将CO2含量强制为低于2
‑
3％，(ii)避免在低温制冷器中发生冷冻，(iii)避免氨装置中的催化剂中毒，(iv)降低处理设备和管道中的腐蚀风险，(v)降低NG的热值，以及(vi)满足液化天然气工厂中<50ppmv以避免低温制冷器中发生冷冻的标准。
[0003]在过去的十年中，与常规吸收塔相比，用于CO2吸收的膜接触器(MBC)由于其大的集约潜力(intensification potential)而被广泛认可。MBC技术使用微孔中空纤维膜(HFM)来实现有效的气体和液体传质，而两相不会彼此分散。与常规填充柱相比，将微孔中空纤维膜封装为HFM模块提供了更高的传质面积，这又赋予MBC高集约潜力。这种模块化还允许更灵活的设计和放大。
[0004]数学模型提供了有效的工具来帮助理解MBC中的CO2去除机制，从而能够更好地评估和优化其性能。然而，迄今为止的大多数模型是有缺陷的，并且没有考虑可能尤其影响MBC的模拟输出(诸如CO2吸收率)的准确性的各种因素或影响。此外，大多数商业过程模拟器不包括与在MBC技术中使用HFM相关联的模型或工具。HFM数学工具的缺乏为最终用户设计和优化HFM系统，特别是用于天然气脱硫处理的HFM系统提出了问题。
[0005]因此，期望提供用于使用MBC模型来评估天然气脱硫处理中的中空纤维膜接触器(MBC)的性能的方法和系统，该MBC模型考虑MBC中的各种因素和影响，以解决上述问题和/或为公众提供有用的替代方案。
[0006]此外，结合附图和本公开的
技术介绍
，根据随后的详细说明书和所附权利要求，其他期望的特征和特性将变得显而易见。

技术实现思路

[0007]本申请的方面涉及用于使用中空纤维膜接触器(MBC)模型来设计和评估在天然气脱硫处理中MBC的性能的方法和系统。
[0008]根据第一方面，提供一种用于使用中空纤维膜接触器模型即MBC模型设计和评估天然气脱硫处理中MBC的性能的计算机实现的方法。所述MBC模型包括用于计算与所述天然气脱硫处理相关联的数据的模型参数、模型方程和边界条件，并且所述天然气脱硫处理包括使用包含至少一种成分的溶剂从天然气中去除酸性气体。所述方法包括：(i)使用经验数
据形成回归模型；(ii)使用所述回归模型来确定在所述溶剂中CO2的亨利常数；(iii)在所述MBC模型中输入所确定的CO2的亨利常数作为所述模型参数之一；以及(iv)使用所述MBC模型来确定所述溶剂中的CO2吸收以设计和评估MBC的性能。
[0009]通过使用经验数据形成回归模型，可以确定在溶剂中CO2的亨利常数，其有利地说明溶剂中CO2载量。这是重要的，因为溶剂中CO2载量影响CO2在溶剂中的吸收速率，这进而影响MBC的性能。此外，使用经验数据形成回归模型，从而例如与仅使用分析方程相比提高了模型预测的准确性。此外，通过不使用在其他情况下模拟CO2的亨利常数所需的大量分析方程，上述方法使用用于设计和评估MBC的性能的MBC模型缩短了确定溶剂中CO2吸收所需的模拟时间。可以使用与CO2在溶剂中的溶解度相关联的经验数据针对CO2的亨利常数形成回归模型。在实施例中，可以如下所述针对一氧化二氮的亨利常数形成回归模型。
[0010]该方法可以包括：使用一氧化二氮(N2O)在溶剂中的溶解度的经验数据形成N2O的亨利常数的回归模型；使用N2O的亨利常数的回归模型来确定N2O的亨利常数；以及使用N2O的亨利常数来确定在溶剂中CO2的亨利常数，以说明溶剂中的CO2载量。选择N2O是因为N2O具有与CO2类似的性质并且对溶剂不反应。因此，为获得N2O在溶剂中的溶解度而进行的实验是简单的，并且它们的数据是可靠的。
[0011]所述方法可以包括：使用烃在所述溶剂中的溶解度的经验数据来形成在所述溶剂中烃的亨利常数的回归模型，以说明从所述天然气到所述溶剂的烃损失；以及使用所述烃的亨利常数的回归模型来确定在所述溶剂中所述烃的亨利常数。
[0012]与上述类似，由于使用经验数据形成烃的亨利常数的回归模型，因此提高了模型预测的准确性。此外，通过不使用在其他情况下模拟烃的亨利常数所需的大量分析方程，上述方法改进了确定烃的亨利常数所需的模拟时间，该亨利常数又用于确定烃的损失速率，如下所述。
[0013]该方法可以包括在烃速率损失方程中使用所述烃的亨利常数来确定所述溶剂中烃的损失速率，其中，所述烃的损失速率是所述烃的浓度的函数，并且其中，所述烃的浓度与在所述溶剂中所述烃的亨利常数成反比。通过考虑溶剂中烃的损失速率，上述方法有利地考虑了烃从NG物理吸收到溶剂(例如胺溶剂)中的问题，当压力增加到60巴(bar)时，这是显著的(当与接近大气压相比时增加10
‑
30倍)。此外，未回收的溶剂吸收的任何烃(HC)将最终进入废酸性气体流中，因此代表产物损失，并且酸性气体流中烃的存在也引起MBC处理的下游的问题，诸如条款(Clause)反应器中的催化剂结垢。通过具有模拟烃的损失速率的有效方法，可以调节天然气脱硫处理的各种参数以使产物损失最小化并减轻诸如如上所述的催化剂结垢等的问题。
[0014]该方法可以包括将烃速率损失方程包括为MBC模型的模型方程之一。
[0015]该方法可以包括：使用拉乌尔定律(Raoult
’
s Law)确定在气体出口中所述溶剂的所述至少一种成分的摩尔分数；以及在溶剂速率损失方程中使用所述摩尔分数来确定溶剂损失速率，其中，所述溶剂损失速率与所确定的摩尔分数成比例。通过确定气体出口中溶剂的至少一种成分的摩尔分数，可以确定溶剂损失速率。这有利地说明了溶剂蒸发对MBC处理性能的影响。在实践中，在MBC中溶剂逐渐损失到经处理气体中可以改变CO2吸收速率。此外，从溶剂蒸发的水量导致溶剂的温度下降。溶剂温度的这种下降可能影响MBC中的传质性能。例如，如CO2捕获能力和腐蚀速率等重要因素直接取决于MBC柱的温度。
[0016]该方法可以包括将溶剂速率损失方程包括为MBC模型的模型方程之一。
[0017]该方法可以包括使用所述溶剂损失速率来确定所述MBC的液体入口处的溶剂蒸发所消耗的能量和所述溶剂的液体温度。
[0018]该方法可以包括通过平衡溶剂蒸发所消耗的能量与在绝热条件下沿着所述MBC长度的放热CO2吸收反本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于使用中空纤维膜接触器模型即MBC模型来设计和评估天然气脱硫处理中MBC的性能的计算机实现的方法，其中，所述MBC模型包括用于计算与所述天然气脱硫处理相关联的数据的模型参数、模型方程和边界条件，并且所述天然气脱硫处理包括使用包含至少一种成分的溶剂从天然气中去除酸性气体，所述方法包括：使用经验数据形成回归模型；使用所述回归模型来确定在所述溶剂中CO2的亨利常数；在所述MBC模型中输入所确定的CO2的亨利常数作为所述模型参数之一；以及使用所述MBC模型来确定所述溶剂中的CO2吸收，以设计和评估所述MBC的性能。2.根据权利要求1所述的方法，还包括：使用一氧化二氮即N2O在所述溶剂中的溶解度的经验数据来形成N2O的亨利常数的回归模型；使用所述N2O的亨利常数的回归模型来确定N2O的亨利常数；以及使用所述N2O的亨利常数来确定在所述溶剂中CO2的亨利常数以说明所述溶剂中的CO2载量。3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：使用烃在所述溶剂中的溶解度的经验数据来形成在所述溶剂中烃的亨利常数的回归模型，以说明从所述天然气到所述溶剂的烃损失；以及使用所述烃的亨利常数的回归模型来确定在所述溶剂中烃的亨利常数。4.根据权利要求3所述的方法，还包括：在烃速率损失方程中使用所述烃的亨利常数来确定所述溶剂中烃的损失速率，其中，所述烃的损失速率是所述烃的浓度的函数，并且其中，所述烃的浓度与在所述溶剂中所述烃的亨利常数成反比。5.根据权利要求4所述的方法，还包括，将所述烃速率损失方程包括为所述MBC模型的所述模型方程之一。6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，所述溶剂在所述MBC的液体出口处为烃饱和的。7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：使用拉乌尔定律确定在气体出口中所述溶剂的所述至少一种成分的摩尔分数；以及在溶剂速率损失方程中使用所述摩尔分数来确定溶剂损失速率，其中，所述溶剂损失速率与所确定的摩尔分数成比例。8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述MBC的气体出口处的经处理气体为所述溶剂饱和的，并且所述天然气和所述溶剂在所述气体出口处处于平衡。9.根据权利要求7或8所述的方法，还包括，将所述溶剂速率损失方程包括为所述MBC模型的所述模型方程之一。10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，还包括：使用所述溶剂损失速率来确定所述MBC的液体入口处的溶剂蒸发所消耗的能量和所述溶剂的液体温度。11.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述溶剂沿着所述MBC的长度与所述天然气中的CO2反应之前，在所述液体入口处发生溶剂蒸发。12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
通过平衡溶剂蒸发所消耗的能量与在绝热条件下沿着所述MBC长度的放热CO2吸收反应来确定所述液体温度的变化。13.根据权利要求12所述的方法，其中，忽略沿着径向轴的热扩散，并且所述液体温度被认为在径向方向上是均匀的。14.根据权利要求2所述的方法，其中，所述溶剂包括按重量计50％的甲基二乙醇胺即MDEA，一氧化二氮即N2O的亨利常数的所述回归模型被建模为：其中，与所述溶剂中的入口CO2载量相关联，并且T
l
是所述溶剂的液体温度。15.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，其中，所述烃的亨利常数的回归模型被建模为：H
i，l
＝α0+α
l
C+α2T
l
+α3P
l
+α4CT
l
+α5CP
l
+α6T
l
P
l
其中，T
l
是所述溶剂的液体温度，P
l
是所述溶剂的液体压力，C是所述溶剂中所述至少一种成分的质量分数，并且系数α1至α6是所述烃的亨利常数的回归模型的参数。16.一种用于评估天然气脱硫处理的性能的计算机实现的方法，所述天然气脱硫处理包括吸收操作和解吸操作，其中，所述吸收操作与使用中空纤维膜接触器即MBC的酸性气体吸收相关联，并且所述解吸操作与使用溶剂再生器的溶剂再生相关联，并且其中，使用根据权利要求1至15中任一项所述的计算机实现的方法基于所述MBC模型对所述吸收操作进行建模。17.根据权利要求16所述的方法，还包括：计算用于实现所述天然气中的预定CO2纯度的优化流率，所述优化流率与贫操作和半贫操作各自相关联，所述贫操作是与使用具有小于0.02mol mol
‑1的CO2载量的贫溶剂相关联的操作，并且所述半贫操作是与使用具有大于0.2mol mol
‑1的CO2载量的半贫溶剂相关联的操作；以及确定在所述贫操作和所述半贫操作下与所述吸收操作和所述解吸操作相关联的所述天然气脱硫处理的总处理负荷。18.根据权利要求17所述的方法，还包括：计算用于操作与所述贫操作和所述半贫操作各自相关联的富溶液闪蒸鼓以实现燃料气体的预定低热值的压力，所述燃料气体是在所述天然气脱硫处理期间从所述溶剂中的烃损失中回收的气体。19.一种用于使用中空纤维膜接触器模型即MBC模型来设计和评估天然气脱硫处理中MBC的性能的计算机实现的方法，其中，所述MBC模型包括用于计算与所述天然气脱硫处理相关联的数据的模型参数、模型方程和边界条件，并且所述天然气脱硫处理包括使用包含至少一种成分的溶剂从天然气中去除酸性气体，所述方法包括：使用烃在所述溶剂中的溶解度的经验数据来形成所述溶剂中烃的亨利常数的回归模型，以说明从所述天然气到所述溶剂的烃损失，其中，所述回归模型是所述溶剂的温度、所述溶剂的压力和所述溶剂中的所述至少一种成分的质量分数的函数；确定在所述溶剂中烃的亨利常数；
在烃速率损失方程中使用所述烃的亨利常数来确定所述溶剂中烃的损失速率，以说明从所述天然气到所述溶剂的烃损失，其中，所述烃的损失速率是所述烃的浓度的函数，并且其中，所述烃的浓度与所述烃的亨利常数成反比；以及使用所述MBC模型来确定所述溶剂中的CO2吸收以设计和评估所述中空纤维膜接触器的性能，其中，所述烃速率损失方程被包括为所述MBC模型的所述模型方程之一。20.一种计算机可读介质，其存储有处理器可执行指令，所述处理器可执行指令当在处理器上执行时使所述处理器执行根据权利要求1至19中任一项所述的方法。21.一种中空纤维膜接触器数据处理系...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭汶涧，B，
申请(专利权)人：马来西亚国家石油公司，
类型：发明
国别省市：