物理分离过程在天然气净化中的应用

物理分离过程在天然气净化中的应用

张彦科张俊锋张明刘伟

长庆油田分公司第一采气厂陕西西安710000

摘要：现如今，在净化天然气的过程中，大多采用的是根据不同的反应类型选择不同的化学方法。这种方法尽管在一定程度上解决了天然气净化的问题，但是从当前的环保角度考虑，有必要对以前的化学方法加以改进，开发一些符合当今发展主题的物理分离方法。其实，上个世纪八十年代，物理分离方法就已经出现并受到了相关企业的关注，一直处于不断研究和改进的过程中。经过三十多年的努力，已经形成了膜分离法、低温分馏法和变压吸附法三种重要的物理分离技术。膜分离法和低温分馏法已经在工业化过程中具有关键地位，而变压吸附法研究也在最近有了突破性进展，这使得天然气净化过程迎来了新的发展阶段。为此，本文就以上三种不同的物理分离方法进行简要介绍。

关键词：天然气，膜分离，低温分馏，变压吸附，环境保护

对于天然气的净化问题，很长一段时间里面都是采用化学方法。这种方法尽管获得了一定效果，但它是以牺牲生态环境为前提。所以，这种天然气的净化方法与当前的发展主题相矛盾。为此，人们急需一些对生态环境不会构成威胁的物理方法。经过几十年的艰辛探索，终于形成了比较成熟的膜分离法、低温分馏法和变压吸附法三种物理分离技术。下面就对这些方法逐一进行简介。

一、膜分离法在天然气净化中的应用现状

在上个世纪八十年代初期，膜分离法就已经在天然气的净化过程中得到了较好的应用。如果酸气占原料气的比率非常高，处理原料气的总量不能稳定在某个范围内，且酸气在原料气中的占比不仅不够稳定，而且总体偏高，那么这些情况可以选择采用膜分离法。

尽管国内外在分离膜的生产上有着高超的科学技术水平，且膜材料的工业发展程度非常迅速。但是，目前能用在天然气净化中的分离膜原材料不超过以下三种：

首先，是醋酸纤维分离膜。这种分离膜是由醋酸纤维组成的，能够对H2S或CO2进行分离。经过实践表明，这种分离膜对这两种气体的分离效果非常好，加上它还可以将天然气中的水分进行分离，所以这种分离膜原材料最受欢迎，以这种材料制成的分离膜也备受青睐。不过，这种分离膜也有自身的缺点，比如在热畸变温度方面它一般很低，温度一定要控制在40℃以下。

其次，是聚碳酸脂分离膜。聚碳酸脂可以承受的极限温度非常高，具有一定的抗冲击能力、高折射率，加工成本不高，而且阻燃特性非常好。不过，聚碳酸脂也有缺点，如耐磨性非常差。采用这种材料制成分离膜后，当天然气外界的温度非常高时，该分离膜也能正常工作。由于耐磨性不好，所以在天然气净化过程中这种分离膜不够耐用。但是，这种分离膜的折射率非常高，且加工的成本不高，更换又简便，尤其是具有较好的阻燃行，避免了天然气引发火灾的可能。所以，总体上看，这种分离膜的应用比较理想。

最后，是聚砜分离膜。这种分离膜是一种高分子化合物，且主链共分两种，一种是砜基，另一种是亚芳基。在对天然气当中的杂质进行分离时，能有效对其复杂成分进行筛选，并且将不利于天然气应用的成分采取分离的方法，继而保证了天然气的净化程度。另外，聚砜分离膜的耐受温度比醋酸纤维分离膜的要高很多。所以，在高温环境中对天然气进行净化时，也多采用这种分离膜。

二、低温分馏法在天然气净化中的应用现状

为了提高采收原油总量，国外常用的方法是注入CO2。油田气在刚刚开采出来时，CO2的总含量会从最初没有开采时的10%顿时蹿升至70%~80%这个范围内，并逐步在这个范围内稳定下来。这种原料气中CO2的总含量会很高，并且其中的酸气含量也很大，且总体呈现波动状态。对于这种原料气，采用常见的化学方法进行吸收，难以获得较好的效果。所以，低温分馏技术给这种原料气的净化带来了希望。

低温分馏法的本质就是在低温、恒压的环境中，将一个二元组成的气体混合物进行分馏，使之成为两个新的纯组分，然后再对每个纯组分进行筛选和分离，最终实现净化天然气的目的。当酸性的天然气在使用这种物理分离技术时，还要注意以下三个方面：

首先，对CH4和CO2的混合气体进行分离时，要注意CO2变成固体状态。一旦CO2成为固态，那么会增加净化天然气的难度。美国ARCO公司为了解决这个问题，采用了向混合气体中添加一些添加剂，使得相区位置发生改变的方法，有效阻止了CO2变成固体状态。

其次，对C2和CO2混合物而言，在利用低温分馏法时，要时刻关注这两种物质，时刻提防着它们形成共沸混合物。如果这两种不同的物质形成了共沸混合物，那么无形中让天然气的净化条件变得更加苛刻。为了解决这个问题，需要向原料气当中投入一定含量的C4+这种混合物充当添加剂。

最后，如果原料气当中一开始就存在H2S，那么采用何种方法将H2S和CO2有效分离，是当前急需解决的问题。在这一问题解决过程中，常用的方法是在分馏塔当中加入C4+或其它种类的添加剂从而让这两种气体成分的相对挥发度发生改变。这样一来，无论是商品气，还是产品气，其中的H2S总含量就会符合相关指标要求，

三、变压吸附法在天然气净化中的应用现状

变压吸附法也叫PSA技术。系统的总压降低或气体得到有效吹扫之后，气体的分压会形成迅速下降的趋势，然后让吸附剂再生，从而实现了变压吸附法净化天然气的目的。这种技术早在上个世纪五十年代末就已经得到了有效开发，并且它所需的能耗要求不高，所以现在在工业上得到了普遍的认可。

PSA技术最早成熟运用在天然气的净化方面，是在上个世纪的八十年代后期。那时候总体上对这种方法不抱有过多的积极态度，而现在则得到了越来越普遍的关注。这些年，对这种分离方法的文献和报道非常多，也有很多研究学者对此进行了各种试验，并获得了一定的结果。其中，1991年的将沼气中CO2的试验得到了非常高的赞誉，被视为PSA技术利用于天然气净化的“里程碑”。和化学方法相比，该法更经济、更有效、更环保，越来越多的企业已对这种技术投以了更加关注的目光。

四、结语

天然气作为当前社会发展非常重要的能源，对其进行分离非常关键。以往的分离技术多采用化学方法，该法对生态环境产生了无法挽回的破坏。为此，处于生态环境的保护和分离效率的提高，当前已经在部分企业中使用了物理分离方法，即膜分离法、低温分馏法和变压吸附法。这三种物理分离方法都有各自的优点和缺点，在当前天然气净化过程中发挥着不同的作用。尽管如此，它们的出发点都是为了更好的净化天然气，继而保护生态环境。

参考文献

[1]陈赓良.物理分离过程在天然气净化中的应用[J].天然气工业，1996，16（3）：79-85.

[2]陈韬，杨海涛，胡建伟.膜分离在天然气脱水中的应用研究[J].管道技术与设备，2008（6）：1-3.

[3]姚静.天然气净化装置用能分析与节能改造探讨[D].大连理工大学，2010.