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)為研究對象，分別對膜分離技術(shù)、變壓吸附技術(shù)、低溫分餾技術(shù)進行了簡要分析，以加深對物理分離技術(shù)的理解與掌握，為技術(shù)科學(xué)運用提供有益指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：天然氣;天然氣凈化;物理分離技術(shù)

天然氣是促進我國經(jīng)濟建設(shè)與社會發(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。這在一定程度上對天然氣凈化工藝提出了更高要求。而物理分離技術(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)運用，有利于推動天然氣向更經(jīng)濟、更安全、更優(yōu)質(zhì)、更高效的方向發(fā)展。對此，有必要加強物理分離技術(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)境保護領(lǐng)域等，進行物質(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，有針對性設(shè)計與制備的高分子氣體分離膜，進行天然氣凈化。膜分離原理在于：膜的表皮層存在諸多毛細管孔，當(dāng)氣體通過毛細管孔時，在自由分子流、篩分機理、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，進行氣體有效分離，達成天然氣凈化目的[1]。

通常情況下，由自由分子流機理可知：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)相對較高，當(dāng)自由分子流為主導(dǎo)時，甲烷將先通過膜。由表面流機理可知：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，硫化氫、水與硫化氫的滲透率要高于甲烷。由篩選機理可知：氣體通過膜孔的速率受膜孔尺寸影響較大，當(dāng)氣體分子動力學(xué)半徑大于膜孔尺寸時，將很難通過膜表面層。通常情況下天然氣的原料氣中，甲烷分子動力學(xué)半徑相對較大，因此當(dāng)所選用膜表面層的膜孔尺寸過小時，甲烷不易通過膜。由于膜分離技術(shù)中自由分子流、篩分機理、表面流等并存，因此膜分離技術(shù)更適用于氣流量相對較低且酸氣濃度相對較高的天然氣凈化中，進行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。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，在氣體進入膜系統(tǒng)之前，對其做降壓處理。與此同時，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，在氣體進入膜系統(tǒng)之前，需對其進行干燥處理。

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附形式，進行氣體分離。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，硫化氫回收率可達到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，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)進行天然氣凈化需經(jīng)歷五個階段，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、自動化管理、能源節(jié)約、分離效率高等優(yōu)勢。

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，達到混合氣體脫CO2目的。

在應(yīng)用低溫分餾技術(shù)進行天然氣凈化時，應(yīng)注意以下幾點：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，通過適當(dāng)添加添加劑或C4+混合物進行二氧化碳與硫化氫分離，以保證凈化后的天然氣達到商業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)要求。

4 結(jié)論

總而言之，物理分離技術(shù)是一種相對經(jīng)濟、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。對此，我們在明確認(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：

[1]呂佳，孫美露，韓智伊，等.天然氣處理廠中優(yōu)化天然氣凈化工藝技術(shù)探究[J].石化技術(shù)，2019，26（08）：193+197.

[2]李岳峰，郭戈，曹國軍.天然氣凈化中的物理分離技術(shù)應(yīng)用[J].化工管理，2018（21）：163.