油田伴生气及井口天然气膜分离脱碳系统

针对油田伴生气及井口天然气采用膜分离技术脱碳（CO₂去除），以下是详细的技术方案和关键要点：

1. 膜分离技术原理

选择性渗透：利用CO₂与CH4在膜材料中的渗透速率差异（CO₂渗透性通常比CH4高10~50倍），实现气体分离。

驱动 force：压差（进料侧高压，渗透侧低压），无需化学药剂，能耗主要来自压缩功。

2. 适用场景

条件：

CO₂浓度：5%~30%（过高时需多级处理）。

压力：进料压力≥3MPa（可降低压缩能耗）。

无大量液态烃或固体杂质（需预处理）。

优势：

模块化设计，适合偏远井场、海上平台。

快速启停，适应气量波动。

无化学废弃物，环保性强。

3. 关键设计步骤

（1）预处理系统

脱液：旋风分离器+聚结过滤器，去除油雾和液态水（避免膜污染）。

脱烃：若重烃（C5+）含量高，需加装冷凝分离器（温度降至-20~0℃）。

脱硫：若含H₂S，优先用固体吸附剂（如氧化铁）或胺法预处理（H₂S会损害某些膜材料）。

（2）膜材料选择

常用类型：

聚酰亚胺（PI）膜：高CO₂/CH4选择性（α≈30~50），耐高温（≤100℃）。

醋酸纤维素（CA）膜：抗烃类污染，但选择性较低（α≈20~30）。

新型混合基质膜（MMM）：纳米颗粒掺杂，提升分离效率（研发阶段）。

膜构型：中空纤维（装填密度高）或螺旋卷式（易维护）。

（3）流程设计

单级 vs 多级：

单级：适用于CO₂<15%，要求CH4回收率>90%。

两级串联：一级渗透气（富CO₂）进入第二级进一步提纯，尾气回注或排放。

级间压缩：二级膜需对渗透气再压缩（能耗增加20%~30%）。

CH4回收优化：

部分渗透气循环至进料（提高回收率，但降低纯度）。

尾气（CH4损失5%~15%）可用于发电或燃烧。

（4）操作参数

压比（进料/渗透侧压力）：通常3:1~10:1，高压比提升分离效率。

温度：30~60℃（避免水凝结，过高会降低选择性）。

4. 性能指标与挑战

典型效果：

产品气CO₂含量：可降至<2%（管输标准）。

CH4回收率：80%~95%（取决于CO₂初始浓度和流程设计）。

主要问题：

烃类损失：C2+烃易随CO₂渗透，需评估经济性。

膜污染：油、水、硫化物导致通量下降，需定期清洗（碱性溶液或惰性气体反吹）。

压力损失：长期运行后膜老化，需增加进料压力。

5. 经济性对比

参数 膜分离 胺法

投资成本（CAPEX） 中高（膜组件贵） 较低

运行成本（OPEX） 低（无化学品） 高（蒸汽再生）

适用规模 小~中型（<100万方/天） 大~中型

灵活性 高 低

6. 推荐方案示例

工况：伴生气流量10万方/天，CO₂ 15%，压力4MPa。

流程：

预处理：过滤+冷凝脱烃（至露点<-20℃）。

一级膜分离：进料压力3.5MPa，渗透侧0.5MPa。

产品气：CO₂<2%，CH4回收率85%。

渗透气（富CO₂）：压缩后回注地层或用于驱油（EOR）。

膜分离技术以其快速部署、低运维需求的特点，特别适合分散式油田伴生气处理。结合碳捕集（CCUS）可进一步提升项目经济性，但需针对具体气源数据定制设计。