适用于FLNG的吸附分离技术与膜分离技术对比研究

胡苏阳，花亦怀，苏清博，李秋英

(中海石油气电集团有限责任公司，北京 100028)

0 引言

吸附分离技术是基于不同吸附质分子在固体吸附剂表面上的热力学和动力学差异，选择性地吸附一种分子而达到与另一种分子分离的目的。而膜分离技术是基于不同分在在膜材料上的渗透率的不同，在膜两侧分压梯度的作用下，一种分子优先通过分离膜而达到选择性分离的目的。二者都可以弥补胺吸收法操作复杂、能耗高、空间占有量大的不足，但各自适用的场合需要进行对比研究。

1 吸附分离技术与膜分离技术实例对比

为了更好地了解吸附分离技术、膜分离技术的应用[1]条件，根据调研的Mallet处理厂、Grissik处理厂及Mewbourn处理厂，三个膜分离技术实例进行分析。分子筛选择市场中广泛使用的沸石分子筛13X-HP为吸附剂，在假设天然气处理量、操作条件不变的情况下，计算所需吸附剂用量和在选定吸附塔直径及装填密度条件下的吸附塔高度。吸附分离技术与基于三种膜分离技术实例的对比如表1所示。

表1 吸附分离技术与基于三种膜分离技术实例的对比

从表1可以看出，当三个处理厂在压力、天然气处理量及原料气与成品气纯度不变的情况下，采用吸附分离技术，一个周期(8 h)情况下需要脱除的 CO2量分别约为 1 550 t、1 440 t、3.86 t。Mallet处理厂及Grissik处理厂所需的13X-HP 分子筛的用量分别为 1.1万t、1.01万t，在吸附塔直径为1.8 m、堆积密度为620 kg/m3的情况下，它们得吸附塔塔高分别约为 7.0 km、6.5 km。而对于Mewbourn处理厂来说，所需的13X-HP分子筛的用量为27.2 t，在吸附塔直径和堆积密度相同情况下的塔高为17 m。可见，当 CO2的脱除量过大时，吸附分离工艺所需分子筛的质量特别大，吸附塔及其配套设备的尺寸非常大，占地面积大，造成投资成本高、运行维护难等问题，因此吸附分离技术不适于处理 CO2脱除量过大的情况。

2 吸附分离技术与膜分离技术实验对比

为了更好地了解吸附分离技术的适用工况，对某天然气净化处理厂的三种膜分离实验[2]进行对比分析。分子筛依然选择沸石分子筛13X-HP为吸附剂，在假设天然气处理量、操作条件不变的情况下，计算所需吸附剂用量和在选定吸附塔直径及装填密度条件下的吸附塔高度。吸附分离技术与基于三种膜分离实验的对比如表2所示。

表2 吸附分离技术与基于三种膜分离实验的对比

从表2可以看出，膜分离实验中分别利用一级膜工艺、二级渗余气工艺及二级渗透气工艺，由于天然气处理量不大、原料气与成品气纯度的差异不大，一个周期(8 h)情况下需要脱除的 CO2量分别约为 10 kg、109 kg、69 kg。当一级膜工艺、二级渗余气工艺及二级渗透气工艺改为吸附分离工艺时，所需的13X-HP 分子筛的用量分别为 70 kg、770 kg、488 kg；在吸附塔直径为 0.3 m、装填密度为 620 kg/m3的情况下，塔高分别1.6 m、17.6 m、11.1 m。当天然气的处理量、原料气与成品气纯度的差异不大，CO2的脱除量较小时，吸附分离工艺所需分子筛的质量较少，吸附塔及其配套设备的尺寸较小，占地面积小，投资成本低。尤其是在空间占有量有限，如海上作业平台等，吸附分离技术能满足结构紧凑的要求。

而对于膜分离技术来说，只有当原料气与渗透气之间存在分压梯度时，膜单元才能开始工作。分压梯度也往往决定着渗余气(产品气)的纯度，因为一旦渗余气与渗透气达到平衡，通过膜的净通量为零。若在低温气体处理中采用膜分离技术，将原料气中CO2含量降低到 50.0×10-6，那么膜分离系统处理工艺至少需要10级，此时膜单元的操作压力将高达9 830 MPa。可见，膜分离技术更适用于CO2的大量分离以满足管道气的要求，而不适合用于低温气体处理的提纯。

3 结论

(1)吸附分离系统规模取决于CO2脱除量，与天然气的处理量、原料气与成品气纯度的差异紧密相关，CO2脱除量过大会导致设备尺寸增加，投资成本变高。在空间占有量有限的情况下，吸附分离技术适用于天然气处理量小、CO2脱除量小的天然气精炼处理。

(2)膜分离系统适用于低质量天然气的提纯处理，当原料气中 CO2含量较低且成品气纯度很高(达到50.0×10-6)时，需要性能更高的加压设备及膜分离级数，会造成较大经济损失。在低浓度 CO2条件下，一级膜工艺的 CH4损失率较高，不适合常规天然气处理，但当气田试采或气井较为分散和偏远时，比较适用。相比于一级膜工艺，二级渗透气膜分离工艺更适合天然气中 CO2脱除，但不适于成品气对 CO2含量要求较高的工况。

(3)在有限的空间占有量及 CO2脱除量较大的情况下，如海上FLNG作业平台，建议采用膜-吸附混合系统，膜分离技术用于低质量天然气的提纯，吸附系统用于天然气的精炼，可有效降低成本提高效率。