本發(fā)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(yōu)化參數(shù)，給出醇胺溶液循環(huán)量最低的技術方案，以達到節(jié)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(fā)熱量高、污染少、使用方便等優(yōu)點。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)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。由于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(guī)?？缭胶Ｑ筮\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(huán)節(jié)。通常要求液化前天然氣中CO₂含量低于50ppm。目前，天然氣脫碳的主要方法是醇胺溶液吸收法，即采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(huán)量是深度脫碳系統(tǒng)的重要設計參數(shù)，其數(shù)值大小決定了設備投資和裝置能耗。醇胺溶液循環(huán)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(huán)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系，從而尋找到醇胺溶液循環(huán)量最低的技術方案。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服上述技術問題，提高系統(tǒng)設計的經(jīng)濟性。

為此，本發(fā)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)采用離心泵往吸收塔頂部連續(xù)注入循環(huán)量的醇胺溶液；

所述醇胺溶液的循環(huán)量確定按以下步驟：

步驟(1)給出優(yōu)化參數(shù)的取值范圍：x∈D_x、z∈D_z、t∈D_t、p∈D_p，

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；

D_x：醇胺溶液濃度取值范圍，wt.％；

D_z：活化劑濃度取值范圍，wt.％；

D_t：醇胺溶液溫度取值范圍，℃；

D_p：原料天然氣壓力取值范圍，kPa；

步驟(2)在各優(yōu)化參數(shù)取值范圍內，隨機組合產生8組優(yōu)化參數(shù)組合數(shù)列為初始復合形的8個頂點：

X₁(x₁，z₁，t₁，p₁)；

X₂(x₂，z₂，t₂，p₂)；

·······

X_i(x_i，z_i，t_i，p_i)；

X₈(x₈，z₈，t₈，p₈)；

其中，X_i為第i個優(yōu)化參數(shù)組合數(shù)列，1≤i≤8；

x_i為在D_x范圍內隨機選取的第i個醇胺溶液濃度，wt.％；

z_i為在D_z范圍內隨機選取的第i個活化劑濃度，wt.％；

t_i為在D_t范圍內隨機選取的第i個醇胺溶液溫度，℃；

p_i為在D_p范圍內隨機選取的第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(shù)醇胺溶液循環(huán)量V₁，V₂，···，V₈；

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

V_H＞V_G＞···＞V_L；

最差點為V_H，次差點為V_G，最優(yōu)點為V_L，相應地，優(yōu)化參數(shù)組合數(shù)列為：X_H，X_G，···，X_L；

X_H(x_H，z_H，t_H，p_H)；

X_G(x_G，z_G，t_G，p_G)；

·······

X_L(x_L，z_L，t_L，p_L)；

步驟(5)計算初始復合形8個頂點的中心點Xs：

然后再計算中心點的目標函數(shù)醇胺溶液循環(huán)量Vs；

步驟(6)計算終止條件：

$\frac{1}{8}\underset{i=1}{\overset{8}{\Σ}}(V_i-V_s)\≤\mathrm{\ϵ}$

式中：

ε：計算精度，取值范圍：10^-3～10^-6；

若上式成立，則醇胺溶液最低循環(huán)量為V_L，相應地優(yōu)化參數(shù)組合數(shù)列為X_L(x_L，z_L，t_L，p_L)；若上式不成立，則進行步驟7)；

步驟(7)計算除去最差點X_H后各頂點中心X_c：

$X_C=\frac{1}{7}\underset{i=1}{\overset{8}{\Σ}}{X}_i,i\≠H,$當H≠8時；

$X_C=\frac{1}{7}\underset{i=1}{\overset{7}{\Σ}}{X}_i,$當H＝8時；

步驟(8)計算映射點X_R：

X_R＝X_C+α(X_C-X_H)

式中：α為映射系數(shù)；

步驟(9)判斷映射點X_R(x_R，z_R，t_R，p_R)是否在可行范圍內，即：x_R∈D_x，z∈D_z，t_R∈D_t，p_R∈D_p；

式中：

x_R：映射點處醇胺溶液濃度，wt.％；

z_R：映射點處活化劑濃度，wt.％；

t_R：映射點處醇胺溶液溫度，℃；

p_R：映射點處原料天然氣壓力，kPa；

若是在可行范圍內，執(zhí)行步驟(10)；若不在可行范圍內，映射系數(shù)α減半，按照步驟(8)重新計算映射點；

步驟(10)計算X_R處的目標函數(shù)醇胺溶液循環(huán)量V_R：

若V_R＜V_H，則用X_R代替最差點X_H，返回步驟(3)重新計算；若V_R≥V_H，映射系數(shù)α減半，按照步驟(8)重新計算映射點；若α≤10^-10，用次差點V_G代替最差點V_H，返回步驟(7)；

步驟3)待脫碳吸收塔的溫度、壓力穩(wěn)定后，往脫碳吸收塔底部連續(xù)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后得到的凈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(jīng)再生系統(tǒng)再生后通過離心泵返回脫碳吸收塔頂部循環(huán)利用。

所述目標函數(shù)醇胺溶液循環(huán)量V₁，V₂，···，V₈，Vs，V_R計算步驟如下：

(1)根據(jù)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α_c：

溶解度方程：

$\frac{P_{{\mathrm{co}}_2}}{H_{{\mathrm{co}}_2}}=\frac{{\[(x+z){\mathrm{\α}}_c\]}^2{K}_1{K}_2}{(K_{1}z+K_{2}x)(1-{\mathrm{\α}}_c)K_3}$

式中

原料天然氣中CO₂分壓，kPa；

CO₂亨利系數(shù)；

x：醇胺溶液濃度，wt.％；

z：活化劑濃度，wt.％；

α_c：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(shù)；

K₂：活化劑在溶液中的電離平衡常數(shù)；

K₃：CO₂在溶液中的電離平衡常數(shù)；

(2)計算CO₂實際溶解度：

α_CO2＝y(tǒng)α_c

式中，α_CO2：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：

n_co2＝x_co2n

式中：

n_co2：CO₂脫除速率，mol/h；

x_co2：原料天然氣中CO₂摩爾分數(shù)；

n：原料天然氣摩爾流量，mol/h；

(4)計算目標函數(shù)醇胺溶液循環(huán)量：

$V=\frac{n_{co2}}{{\mathrm{\α}}_{co2}{x}_m}$

式中：

V：目標函數(shù)醇胺溶液循環(huán)量，m³/h；

n_co2：CO₂脫除速率；

x_m：醇胺溶液摩爾體積，(醇胺+活化劑)mol/m³；

α_CO2：CO₂實際溶解度，mol CO₂/mol(醇胺+活化劑)。

本發(fā)明基于復合形優(yōu)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(yōu)化參數(shù)，以溶液循環(huán)量為目標函數(shù)。通過搜索優(yōu)化參數(shù)，確定溶液循環(huán)量最低的技術方案，為原料天然氣深度脫碳系統(tǒng)的設計提供了科學依據(jù)，提高了系統(tǒng)設計的經(jīng)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(fā)明的工藝流程圖；

圖2是醇胺溶液循環(huán)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)采用離心泵往吸收塔頂部連續(xù)注入循環(huán)量的醇胺溶液；

如圖2所示，醇胺溶液的循環(huán)量確定按以下步驟：

步驟(1)給出優(yōu)化參數(shù)的取值范圍：x∈D_x、z∈D_z、t∈D_t、p∈D_p，

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；

D_x：醇胺溶液濃度取值范圍，wt.％；

D_z：活化劑濃度取值范圍，wt.％；

D_t：醇胺溶液溫度取值范圍，℃；

D_p：原料天然氣壓力取值范圍，kPa；

步驟(2)在各優(yōu)化參數(shù)取值范圍內，隨機組合產生8組優(yōu)化參數(shù)組合數(shù)列為初始復合形的8個頂點：

X₁(x₁，z₁，t₁，p₁)；

X₂(x₂，z₂，t₂，p₂)；

·······

X_i(x_i，z_i，t_i，p_i)；

X₈(x₈，z₈，t₈，p₈)；

其中，X_i為第i個優(yōu)化參數(shù)組合數(shù)列，1≤i≤8；

x_i為在D_x范圍內隨機選取的第i個醇胺溶液濃度，wt.％；

z_i為在D_z范圍內隨機選取的第i個活化劑濃度，wt.％；

t_i為在D_t范圍內隨機選取的第i個醇胺溶液溫度，℃；

p_i為在D_p范圍內隨機選取的第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(shù)醇胺溶液循環(huán)量V₁，V₂，···，V₈；

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

V_H＞V_G＞···＞V_L；

最差點為V_H，次差點為V_G，最優(yōu)點為V_L，相應地，優(yōu)化參數(shù)組合數(shù)列為：X_H，X_G，···，X_L；

X_H(x_H，z_H，t_H，p_H)；

X_G(x_G，z_G，t_G，p_G)；

·······

X_L(x_L，z_L，t_L，p_L)；

步驟(5)計算初始復合形8個頂點的中心點Xs：

然后再計算中心點的目標函數(shù)醇胺溶液循環(huán)量Vs；

步驟(6)計算終止條件：

$\frac{1}{8}\underset{i=1}{\overset{8}{\Σ}}(V_i-V_s)\≤\mathrm{\ϵ}$

式中：

ε：計算精度，取值范圍：10^-3～10^-6；

若上式成立，則醇胺溶液最低循環(huán)量為V_L，相應地優(yōu)化參數(shù)組合數(shù)列為X_L(x_L，z_L，t_L，p_L)；若上式不成立，則進行步驟7)；

步驟(7)計算除去最差點X_H后各頂點中心X_c：

$X_C=\frac{1}{7}\underset{i=1}{\overset{8}{\Σ}}{X}_i,i\≠H,$當H≠8時；

$X_C=\frac{1}{7}\underset{i=1}{\overset{7}{\Σ}}{X}_i,$當H＝8時；

步驟(8)計算映射點X_R：

X_R＝X_C+α(X_C-X_H)

式中：α為映射系數(shù)；

步驟(9)判斷映射點X_R(x_R，z_R，t_R，p_R)是否在可行范圍內，即：x_R∈D_x，z∈D_z，t_R∈D_t，p_R∈D_p；

式中：

x_R：映射點處醇胺溶液濃度，wt.％；

z_R：映射點處活化劑濃度，wt.％；

t_R：映射點處醇胺溶液溫度，℃；

p_R：映射點處原料天然氣壓力，kPa；

若是在可行范圍內，執(zhí)行步驟(10)；若不在可行范圍內，映射系數(shù)α減半，按照步驟(8)重新計算映射點；

步驟(10)計算X_R處的目標函數(shù)醇胺溶液循環(huán)量V_R：

若V_R＜V_H，則用X_R代替最差點X_H，返回步驟(3)重新計算；若V_R≥V_H，映射系數(shù)α減半，按照步驟(8)重新計算映射點；若α≤10^-10，用次差點V_G代替最差點V_H，返回步驟(7)；

步驟3)待脫碳吸收塔的溫度、壓力穩(wěn)定后，往脫碳吸收塔底部連續(xù)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后得到的凈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(jīng)再生系統(tǒng)再生后通過離心泵返回脫碳吸收塔頂部循環(huán)利用。

其中，目標函數(shù)醇胺溶液循環(huán)量V₁，V₂，···，V₈，Vs，V_R計算步驟如下：

(1)根據(jù)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α_c：

溶解度方程：

$\frac{P_{{\mathrm{co}}_2}}{H_{{\mathrm{co}}_2}}=\frac{{\[(x+z){\mathrm{\α}}_c\]}^2{K}_1{K}_2}{(K_{1}z+K_{2}x)(1-{\mathrm{\α}}_c)K_3}$

式中

原料天然氣中CO₂分壓，kPa；

CO₂亨利系數(shù)；

x：醇胺溶液濃度，wt.％；

z：活化劑濃度，wt.％；

α_c：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(shù)；

K₂：活化劑在溶液中的電離平衡常數(shù)；

K₃：CO₂在溶液中的電離平衡常數(shù)；

(2)計算CO₂實際溶解度：

α_CO2＝y(tǒng)α_c

式中，α_CO2：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：

n_co2＝x_co2n

式中：

n_co2：CO₂脫除速率，mol/h；

x_co2：原料天然氣中CO₂摩爾分數(shù)；

n：原料天然氣摩爾流量，mol/h；

(4)計算目標函數(shù)醇胺溶液循環(huán)量：

$V=\frac{n_{co2}}{{\mathrm{\α}}_{co2}{x}_m}$

式中：

V：目標函數(shù)醇胺溶液循環(huán)量，m³/h；

n_co2：CO₂脫除速率；

x_m：醇胺溶液摩爾體積，(醇胺+活化劑)mol/m³；

α_CO2：CO₂實際溶解度，mol CO₂/mol(醇胺+活化劑)。

本發(fā)明通過搜索優(yōu)化參數(shù)，確定溶液循環(huán)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(jù)，提高了系統(tǒng)設計的經(jīng)濟性。

本實施例沒有詳細敘述的計算方法屬本行業(yè)的公知技術和常用方法，這里不一一敘述。

以上例舉僅僅是對本發(fā)明的舉例說明，并不構成對本發(fā)明的保護范圍的限制，凡是與本發(fā)明相同或相似的設計均屬于本發(fā)明的保護范圍之內。