从液化天然气中制取高纯度甲烷的工艺

周涛（杭州凯德空分设备有限公司，浙江　杭州311100）



从液化天然气中制取高纯度甲烷的工艺

周涛
（杭州凯德空分设备有限公司，浙江杭州311100）

摘要：高纯甲烷在工业、科研等部门有着广泛的用途，介绍了一种从液化天然气中分离高纯甲烷的方法，详细地介绍了整个装置的工艺流程，该分离装置能耗低，产品纯度高，运行稳定。其生产的高纯甲烷纯度为99.999%，已经达到了国内外同类产品的水平。

关键词：液化天然气；高纯甲烷；纯度

0　引言

甲烷，分子式CH4，是最简单的烃。甲烷在自然界的分布很广，甲烷是最简单的有机物，它是天然气、沼气、坑气等的主要成分，俗称瓦斯。也是含碳量最小（含氢量最大）的烃，也是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分。

高纯甲烷在化工、电子、冶金、石油等工业部门和科研、原子能、航空等领域广泛用于校正气、标准气、催化剂的评价气、在线仪表标准气、配置某些特种混合气，以及用于某些机构的研究。高纯甲烷气体正被逐步用于非晶硅太阳电池制造，大规模集成电路干法刻蚀或等离子刻蚀气的辅助添加气。

高纯甲烷是用天然气、合成氨尾气等原料气经进一步提纯和精馏加工提取的。CH4在各种原料气的含量占比各不相同，其他还有N2、H2O、CO、CO2和其他烃类等多种杂质。为了得到纯度为99.999%的甲烷，需经过许多复杂的纯化处理过程[1]。

1　从天然气中制取高纯甲烷的方法

因天然气中所含杂质组分不同，所以选用不同的方法进行制取。目前，从天然气中制取高纯甲烷的方法有二级精馏法、吸附-膨胀脱附法、吸附-间歇精馏法等。各种精馏方法都有自身的特点，二级精馏法的装置是使用两个低温精馏塔制取高纯甲烷，此方法可获得甲烷纯度为99.999%。吸附-膨胀脱附法的装置是使用四个吸附器制取高纯甲烷，此方法可获得甲烷纯度为99.99%，其最大优点是开、停车方便，适合于用量小、纯度要求高的生产场合。吸附-间歇精馏法的装置是使用一个吸附器与一个精馏塔串联制取高纯甲烷，此方法可获得甲烷纯度为99.995%，甚至可提高到99.999%以上，可间歇操作，适用于高纯气体的生产。

2　二级精馏法制取高纯甲烷

气体的纯化技术是制备高纯度气体的重要环节。液化天然气中的甲烷纯度大于93%，但要得到99.999%的高纯甲烷还要进一步的纯化，以液化天然气为原料制取高纯甲烷会产生大量的副产品，现将液化天然气的组成及沸点汇集在表1[2]。

由表1可见，因甲烷和氮气的沸点比较接近，所以原料气中的杂质可使用精馏法去除。

表1　LNG原料气组成沸点表

根据二级精馏法原理，设计了高纯甲烷的制取装置，其具体工艺流程见图1。具体运行原理为：含量大于93%的富甲烷液体（LNG）经V1阀液相进入除氮塔（C1）顶部，在填料塔内液体下流与上升的蒸气充分接触，首先把原料液中的氮组分随塔顶废气排出，少量废气经V5阀及流量计后送废气管网。（C1）塔底部塔釜（K1）中获得富甲烷液体，液体通过（V4）阀节流进入提纯塔（C2）中部，通过（C2）塔内精馏提纯，在（C2）塔顶获取高纯甲烷气体，通过塔顶冷凝蒸发器（K3）液化为高纯液甲烷。含高沸点杂质组分（乙烷、丙烷等）的液体在（C2）塔底部的塔釜（K2）中聚集并排出冷箱进入废液储槽中。

高纯液体甲烷经过过冷器（E2）过冷后通过（V7）节流阀排入冷箱外的高纯液体甲烷贮槽（LPV）中。为完成精馏提纯过程，采用纯甲烷气体作为精馏塔热源。甲烷气体通过压缩机（PC1001）压缩到0.6～0.8 MPa（G）左右进入冷箱。在换热器（E1）中冷却到-125℃左右，一股经V2阀进入除氮塔（C1）塔釜（K1）盘管换热器中，为（C1）塔提供热源并被冷凝为液体。另一股经V3阀进入提纯塔（C2）塔釜（K2）冷凝蒸发器中，为（C2）塔提供热源同时被冷凝为液体从换热器流入塔釜（K2）冷凝液罐中。两股液体汇集后进入过冷器（E2）冷却到－146℃左右，大部分液体节流后进入提纯塔（C2）塔顶的冷凝蒸发器（K3）中，为（K3）提供冷量，多余液体经V9阀从冷凝器中排出与蒸发后的气体混合后进入过冷器（E2）、换热器（E1）复热后出冷箱，进循环压缩机入口。视运行工况，少量过冷后的富余液体，可排出冷箱外的缓冲贮液槽中。

取高纯液体甲烷贮槽（LPV）中的甲烷，转化为气态后经过色谱分析仪检测，纯度可以达到99.999%。

该套装置工艺流程具有结构简单、成本低、操作调试方便、单位能耗低、产品纯度高、经济效益高等优点，是制取高纯甲烷最理想的方法之一。

图1　二级精馏法制取高纯甲烷流程示意图

3　结束语

采用二级精馏法，生产工艺简单，通过合理的操作和控制设备便可生产出99.999%的高纯度甲烷。产品用于各种实验项目中，获得了巨大的经济效益。

参考文献：

[1]冯玉祥，汪玉云，王淑娟.高纯甲烷、乙烷、丙烷的制备及其纯度分析[J].低温与特气，1984，（4）：15-22.

[2]卡尔L·约斯. Matheson气体数据手册（原书第七版）[M].北京：化学工业出版社，2003.

Process for Preparing Highly Purified Methane from Liquefied Natural Gas

ZHOU Tao
（Hang Zhou Kaide Air Separation Plant Co. Ltd., Hangzhou, Zhejiang 311100, China)

Abstract:Highly purified methane has wide application in industrial and scientific researches. This paper introduced a process to prepare highly purified methane from liquefied natural gas. It also introduced in great details the whole preparation equipment, which is of low energy consumption, highly purified products, and stable operation. The purity of methane produced by this equipment was 99.999%, which has already reached the same level of the other products at home and abroad.

Keywords:liquefied natural gas; highly purified methane; purity

作者简介：周涛（1987-），男，浙江杭州人，助理工程师，主要从事压力容器设计工作。E-mail:zt9961@vip.qq.com。

文章编号：1006-4184（2016）3-0027-03

修回日期：2016-01-20