探究天然氣凈化中的物理分離技術

龐濤

摘 要：天然氣凈化工藝是天然氣生產與利用的核心工藝，在提升天然氣生產質量，保障天然氣使用安全，控制天然氣環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為研究對象，分別對膜分離技術、變壓吸附技術、低溫分餾技術進行了簡要分析，以加深對物理分離技術的理解與掌握，為技術科學運用提供有益指導。

關鍵詞：天然氣;天然氣凈化;物理分離技術

天然氣是促進我國經濟建設與社會發展的重要能源。隨著天然氣使用量、需求量的不斷增加，天然氣開發與利用的質量安全問題，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。而物理分離技術作為天然氣凈化中應用較為廣泛的分離技術，其科學運用，有利于推動天然氣向更經濟、更安全、更優質、更高效的方向發展。對此，有必要加強物理分離技術的研究，為天然氣凈化中物理分離技術的應用與創新，提供理論依據。

1 天然氣凈化物理分離技術中的膜分離技術分析

膜分離技術是物理分離技術體系中的重要組成部分，形成于上世紀初期，并在上世紀六十年代得到迅速發展，成為化工領域、醫藥領域、水資源處理領域、能源開發領域、環境保護領域等，進行物質分離、凈化、提純、精制的重要工藝。

在天然氣凈化中，膜分離技術主要是指：依據“不同氣體的滲透系數不同”特征，有針對性設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聯性，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，甲烷的滲透系數相對較高，當自由分子流為主導時，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聯性，壓力越大氣體滲透系數越高。因此，在天然氣凈化中，表面流為主導時，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，當氣體分子動力學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，甲烷分子動力學半徑相對較大，因此當所選用膜表面層的膜孔尺寸過小時，甲烷不易通過膜。由于膜分離技術中自由分子流、篩分機理、表面流等并存，因此膜分離技術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，膜分離技術具有污染程度小、工藝簡單、占地面積小、技術使用靈活性高、操作簡便、設備安裝簡便等優勢。但受薄膜技術、薄膜系統性能等因素影響，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，容易在膜滲透側富集，導致膜堵塞問題的產生。因此，在氣體進入膜系統之前，需對其進行干燥處理。

2 天然氣凈化物理分離技術中的變壓吸附技術分析

變壓吸附技術（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，廣泛應用于空氣干燥、空氣凈化、天然氣凈化、氧氮分離等領域。

應用變壓吸附技術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系為基礎，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，變壓吸附技術側重于硫化氫的分離及回收利用。例如，美國聯合碳化物公司根據天然氣組分特征，生產出5A分子篩吸附劑，當原料氣處于理想狀態下時，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，應用變壓吸附技術進行天然氣凈化需經歷五個階段，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]。變壓吸附技術具備設備簡單、循環作業、操作簡便、自動化管理、能源節約、分離效率高等優勢。

3 天然氣凈化物理分離技術中的低溫分餾技術分析

低溫分餾技術是國外應用較為廣泛的一種氣體分離技術，側重于將硫化氫從高CO2含量的酸性天然氣中分離出來，達到混合氣體脫CO2目的。

在應用低溫分餾技術進行天然氣凈化時，應注意以下幾點：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，當原料氣中含有二氧化硫時，通過適當添加添加劑或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產品生產要求。

4 結論

總而言之，物理分離技術是一種相對經濟、高效、安全的凈化技術，其在天然氣凈化中的科學應用，對提升天然其凈化質量與效率，克服化學反應工藝缺陷存在重要影響。對此，我們在明確認知物理分離技術應用重要性的基礎上，有必要加強物理分離技術及其在天然氣凈化中應用的研究，以提高天然氣凈化水平，為天然氣生產效益的提升，奠定良好凈化工藝基礎。

參考文獻：

[1]呂佳，孫美露，韓智伊，等.天然氣處理廠中優化天然氣凈化工藝技術探究[J].石化技術，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應用[J].化工管理，2018（21）：163.