探究天然气净化中的物理分离技术

庞涛

摘 要：天然气净化工艺是天然气生产与利用的核心工艺，在提升天然气生产质量，保障天然气使用安全，控制天然气环境污染等方面存在重要影响。本文以天然气净化中的物理分离技术为研究对象，分别对膜分离技术、变压吸附技术、低温分馏技术进行了简要分析，以加深对物理分离技术的理解与掌握，为技术科学运用提供有益指导。

关键词：天然气;天然气净化;物理分离技术

天然气是促进我国经济建设与社会发展的重要能源。随着天然气使用量、需求量的不断增加，天然气开发与利用的质量安全问题，日渐显著。这在一定程度上对天然气净化工艺提出了更高要求。而物理分离技术作为天然气净化中应用较为广泛的分离技术，其科学运用，有利于推动天然气向更经济、更安全、更优质、更高效的方向发展。对此，有必要加强物理分离技术的研究，为天然气净化中物理分离技术的应用与创新，提供理论依据。

1 天然气净化物理分离技术中的膜分离技术分析

膜分离技术是物理分离技术体系中的重要组成部分，形成于上世纪初期，并在上世纪六十年代得到迅速发展，成为化工领域、医药领域、水资源处理领域、能源开发领域、环境保护领域等，进行物质分离、净化、提纯、精制的重要工艺。

在天然气净化中，膜分离技术主要是指：依据“不同气体的渗透系数不同”特征，有针对性设计与制备的高分子气体分离膜，进行天然气净化。膜分离原理在于：膜的表皮层存在诸多毛细管孔，当气体通过毛细管孔时，在自由分子流、筛分机理、表面流等作用下，产生膜通过速率差，其中速率較高的气体先通过膜，而速率较低的气体则后通过膜，根据气体通过膜的先后，进行气体有效分离，达成天然气净化目的[1]。

通常情况下，由自由分子流机理可知：气体渗透率与气体分子量存在密切关联性，即气体分子量越大，气体渗透速率越低。在天然气净化中，由于甲烷（CH4）的分子量，相对于硫化氢（H2S）、水（H2O）与二氧化碳（CO2）而言，更小。因此，甲烷的渗透系数相对较高，当自由分子流为主导时，甲烷将先通过膜。由表面流机理可知：气体通过膜孔的速率受膜表面吸附作用影响较大，气体渗透率与操作压力存在密切关联性，压力越大气体渗透系数越高。因此，在天然气净化中，表面流为主导时，硫化氢、水与硫化氢的渗透率要高于甲烷。由筛选机理可知：气体通过膜孔的速率受膜孔尺寸影响较大，当气体分子动力学半径大于膜孔尺寸时，将很难通过膜表面层。通常情况下天然气的原料气中，甲烷分子动力学半径相对较大，因此当所选用膜表面层的膜孔尺寸过小时，甲烷不易通过膜。由于膜分离技术中自由分子流、筛分机理、表面流等并存，因此膜分离技术更适用于气流量相对较低且酸气浓度相对较高的天然气净化中，进行H2S、CO2的分离。

在天然气净化中，膜分离技术具有污染程度小、工艺简单、占地面积小、技术使用灵活性高、操作简便、设备安装简便等优势。但受薄膜技术、薄膜系统性能等因素影响，薄膜无法承受过高的压力，需有效控制气体压差，在气体进入膜系统之前，对其做降压处理。与此同时，天然气水蒸气属于可凝性组分，容易在膜渗透侧富集，导致膜堵塞问题的产生。因此，在气体进入膜系统之前，需对其进行干燥处理。

2 天然气净化物理分离技术中的变压吸附技术分析

变压吸附技术（Pressure Swing Adsorption，简称“PSA”）是由Skarstrom于1960年提出的一种新型气体分离技术，广泛应用于空气干燥、空气净化、天然气净化、氧氮分离等领域。

应用变压吸附技术进行气体分离的原理是：以吸附剂平衡吸附量与气体组分分压关系为基础，通过加压吸附或减压脱附形式，进行气体分离。在天然气净化中，变压吸附技术侧重于硫化氢的分离及回收利用。例如，美国联合碳化物公司根据天然气组分特征，生产出5A分子筛吸附剂，当原料气处于理想状态下时，硫化氢回收率可达到95%以上，即混合气体中硫化氢含量由1000mg/L降至1mg/L。与此同时，脱附气与吸附气中，硫化氢含量也有所改变。通常情况下，应用变压吸附技术进行天然气净化需经历五个阶段，即“原料气升压阶段”、“高压吸附阶段”、“并流减压阶段”、“并流排放阶段”以及“逆流吹扫阶段”[2]。变压吸附技术具备设备简单、循环作业、操作简便、自动化管理、能源节约、分离效率高等优势。

3 天然气净化物理分离技术中的低温分馏技术分析

低温分馏技术是国外应用较为广泛的一种气体分离技术，侧重于将硫化氢从高CO2含量的酸性天然气中分离出来，达到混合气体脱CO2目的。

在应用低温分馏技术进行天然气净化时，应注意以下几点：一是，混合气体以二元组分气体为主;二是，分离硫化氢过程中，不可生产新的硫化氢;三是，可将C4+混合物做添加剂，避免硫化氢与C2混合形成沸混合物;四是，当原料气中含有二氧化硫时，通过适当添加添加剂或C4+混合物进行二氧化碳与硫化氢分离，以保证净化后的天然气达到商业产品生产要求。

4 结论

总而言之，物理分离技术是一种相对经济、高效、安全的净化技术，其在天然气净化中的科学应用，对提升天然其净化质量与效率，克服化学反应工艺缺陷存在重要影响。对此，我们在明确认知物理分离技术应用重要性的基础上，有必要加强物理分离技术及其在天然气净化中应用的研究，以提高天然气净化水平，为天然气生产效益的提升，奠定良好净化工艺基础。

参考文献：

[1]吕佳，孙美露，韩智伊，等.天然气处理厂中优化天然气净化工艺技术探究[J].石化技术，2019，26（08）：193+197.

[2]李岳峰，郭戈，曹国军.天然气净化中的物理分离技术应用[J].化工管理，2018（21）：163.