探究天然氣凈化中的物理分離技術(shù)

1、    探究天然氣凈化中的物理分離技術(shù)    龐濤摘 要：天然氣凈化工藝是天然氣生產(chǎn)與利用的核心工藝，在提升天然氣生產(chǎn)質(zhì)量，保障天然氣使用安全，控制天然氣環(huán)境污染等方面存在重要影響。本文以天然氣凈化中的物理分離技術(shù)為研究對(duì)象，分別對(duì)膜分離技術(shù)、變壓吸附技術(shù)、低溫分餾技術(shù)進(jìn)行了簡要分析，以加深對(duì)物理分離技術(shù)的理解與掌握，為技術(shù)科學(xué)運(yùn)用提供有益指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：天然氣;天然氣凈化;物理分離技術(shù)天然氣是促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)發(fā)展的重要能源。隨著天然氣使用量、需求量的不斷增加，天然氣開發(fā)與利用的質(zhì)量安全問題，日漸顯著。這在一定程度上對(duì)天然氣凈化工藝提出了更高要求。而

2、物理分離技術(shù)作為天然氣凈化中應(yīng)用較為廣泛的分離技術(shù)，其科學(xué)運(yùn)用，有利于推動(dòng)天然氣向更經(jīng)濟(jì)、更安全、更優(yōu)質(zhì)、更高效的方向發(fā)展。對(duì)此，有必要加強(qiáng)物理分離技術(shù)的研究，為天然氣凈化中物理分離技術(shù)的應(yīng)用與創(chuàng)新，提供理論依據(jù)。1 天然氣凈化物理分離技術(shù)中的膜分離技術(shù)分析膜分離技術(shù)是物理分離技術(shù)體系中的重要組成部分，形成于上世紀(jì)初期，并在上世紀(jì)六十年代得到迅速發(fā)展，成為化工領(lǐng)域、醫(yī)藥領(lǐng)域、水資源處理領(lǐng)域、能源開發(fā)領(lǐng)域、環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域等，進(jìn)行物質(zhì)分離、凈化、提純、精制的重要工藝。在天然氣凈化中，膜分離技術(shù)主要是指：依據(jù)“不同氣體的滲透系數(shù)不同”特征，有針對(duì)性設(shè)計(jì)與制備的高分子氣體分離膜，進(jìn)行天然氣凈化。膜分離原

3、理在于：膜的表皮層存在諸多毛細(xì)管孔，當(dāng)氣體通過毛細(xì)管孔時(shí)，在自由分子流、篩分機(jī)理、表面流等作用下，產(chǎn)生膜通過速率差，其中速率較高的氣體先通過膜，而速率較低的氣體則后通過膜，根據(jù)氣體通過膜的先后，進(jìn)行氣體有效分離，達(dá)成天然氣凈化目的1。通常情況下，由自由分子流機(jī)理可知：氣體滲透率與氣體分子量存在密切關(guān)聯(lián)性，即氣體分子量越大，氣體滲透速率越低。在天然氣凈化中，由于甲烷（ch4）的分子量，相對(duì)于硫化氫（h2s）、水（h2o）與二氧化碳（co2）而言，更小。因此，甲烷的滲透系數(shù)相對(duì)較高，當(dāng)自由分子流為主導(dǎo)時(shí)，甲烷將先通過膜。由表面流機(jī)理可知：氣體通過膜孔的速率受膜表面吸附作用影響較大，氣體滲透率與操作

4、壓力存在密切關(guān)聯(lián)性，壓力越大氣體滲透系數(shù)越高。因此，在天然氣凈化中，表面流為主導(dǎo)時(shí)，硫化氫、水與硫化氫的滲透率要高于甲烷。由篩選機(jī)理可知：氣體通過膜孔的速率受膜孔尺寸影響較大，當(dāng)氣體分子動(dòng)力學(xué)半徑大于膜孔尺寸時(shí)，將很難通過膜表面層。通常情況下天然氣的原料氣中，甲烷分子動(dòng)力學(xué)半徑相對(duì)較大，因此當(dāng)所選用膜表面層的膜孔尺寸過小時(shí)，甲烷不易通過膜。由于膜分離技術(shù)中自由分子流、篩分機(jī)理、表面流等并存，因此膜分離技術(shù)更適用于氣流量相對(duì)較低且酸氣濃度相對(duì)較高的天然氣凈化中，進(jìn)行h2s、co2的分離。在天然氣凈化中，膜分離技術(shù)具有污染程度小、工藝簡單、占地面積小、技術(shù)使用靈活性高、操作簡便、設(shè)備安裝簡便等優(yōu)勢(shì)

5、。但受薄膜技術(shù)、薄膜系統(tǒng)性能等因素影響，薄膜無法承受過高的壓力，需有效控制氣體壓差，在氣體進(jìn)入膜系統(tǒng)之前，對(duì)其做降壓處理。與此同時(shí)，天然氣水蒸氣屬于可凝性組分，容易在膜滲透側(cè)富集，導(dǎo)致膜堵塞問題的產(chǎn)生。因此，在氣體進(jìn)入膜系統(tǒng)之前，需對(duì)其進(jìn)行干燥處理。2 天然氣凈化物理分離技術(shù)中的變壓吸附技術(shù)分析變壓吸附技術(shù)（pressure swing adsorption，簡稱“psa”）是由skarstrom于1960年提出的一種新型氣體分離技術(shù)，廣泛應(yīng)用于空氣干燥、空氣凈化、天然氣凈化、氧氮分離等領(lǐng)域。應(yīng)用變壓吸附技術(shù)進(jìn)行氣體分離的原理是：以吸附劑平衡吸附量與氣體組分分壓關(guān)系為基礎(chǔ)，通過加壓吸附或減壓脫

6、附形式，進(jìn)行氣體分離。在天然氣凈化中，變壓吸附技術(shù)側(cè)重于硫化氫的分離及回收利用。例如，美國聯(lián)合碳化物公司根據(jù)天然氣組分特征，生產(chǎn)出5a分子篩吸附劑，當(dāng)原料氣處于理想狀態(tài)下時(shí)，硫化氫回收率可達(dá)到95%以上，即混合氣體中硫化氫含量由1000mg/l降至1mg/l。與此同時(shí)，脫附氣與吸附氣中，硫化氫含量也有所改變。通常情況下，應(yīng)用變壓吸附技術(shù)進(jìn)行天然氣凈化需經(jīng)歷五個(gè)階段，即“原料氣升壓階段”、“高壓吸附階段”、“并流減壓階段”、“并流排放階段”以及“逆流吹掃階段”2。變壓吸附技術(shù)具備設(shè)備簡單、循環(huán)作業(yè)、操作簡便、自動(dòng)化管理、能源節(jié)約、分離效率高等優(yōu)勢(shì)。3 天然氣凈化物理分離技術(shù)中的低溫分餾技術(shù)分析低

7、溫分餾技術(shù)是國外應(yīng)用較為廣泛的一種氣體分離技術(shù)，側(cè)重于將硫化氫從高co2含量的酸性天然氣中分離出來，達(dá)到混合氣體脫co2目的。在應(yīng)用低溫分餾技術(shù)進(jìn)行天然氣凈化時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：一是，混合氣體以二元組分氣體為主;二是，分離硫化氫過程中，不可生產(chǎn)新的硫化氫;三是，可將c4+混合物做添加劑，避免硫化氫與c2混合形成沸混合物;四是，當(dāng)原料氣中含有二氧化硫時(shí)，通過適當(dāng)添加添加劑或c4+混合物進(jìn)行二氧化碳與硫化氫分離，以保證凈化后的天然氣達(dá)到商業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)要求。4 結(jié)論總而言之，物理分離技術(shù)是一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)、高效、安全的凈化技術(shù)，其在天然氣凈化中的科學(xué)應(yīng)用，對(duì)提升天然其凈化質(zhì)量與效率，克服化學(xué)反應(yīng)工藝缺陷存在重要影響。對(duì)此，我們?cè)诿鞔_認(rèn)知物理分離技術(shù)應(yīng)用重要性的基礎(chǔ)上，有必要加強(qiáng)物理分離技術(shù)及其在天然氣凈化中應(yīng)用的研究，以提高天然氣凈化水平，為天然氣生產(chǎn)效益的提升，奠定良好凈化工藝基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：1呂佳，孫