[工学]天然气膜法处理技术

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1、天然气膜法处理技术概述气体膜分离的机理膜分离系统天然气膜处理膜技术国内外展望1一、概述气体膜分离技术是20世纪80年代开发成功的一种高新技术，其中1979年Monsanto公司Prism中空纤维氮氢分离系统的建立，被誉为现代气体膜分离技术的支柱。由于分离效率高、能耗低、操作简单、使用方便、不产生二次污染等优点，气体膜分离技术获得了快速发展。目前，膜技术已泛应用于富氧、浓氮；天然气的分离与净化；合成氨驰放气中氢的回收以及工业废气中酸性气体的脱除等领域。2一、概述各种膜分离装置氢气回收(左)；废气回

2、收(中)；氮气提取(右)3一、概述目前，世界上已有21个国家采用了膜分离天然气技术，已建成122套天然气处理装置，其中格雷斯公司建成的“格雷斯西”膜分离器，采用醋酸纤维素膜的螺旋卷型装置,日处理天然气量24×104m3，可除去天然气中的二氧化碳、硫化氢及水分，能将天然气净化到商品气的标准。国内膜分离技术研究大多集中在中科院和一些高等院校，研究内容主要包括膜材料和膜，对组件、装置、过程优化及集成工艺技术等方面。4二、气体膜分离的机理膜法气体分离的基本原理是根据混合气体中各组分在压力的推动下透过膜的

3、传递速率不同，从而达到分离的目的。膜分离是一种动力学分离过程，分离效率受膜材料、气体组成、压差、分离系数等因素的影响。5二、气体膜分离的机理目前常见的气体通过膜的分离机理有两种：气体通过多孔膜的微孔扩散机理；气体通过非多孔膜的溶解-扩散机理。用于天然气分离的膜主要由聚砜、醋酸纤维素、聚酰亚胺等材料制成，其分离原理主要以溶解-扩散作用为主。6二、气体膜分离的机理气体膜分离原理图7二、气体膜分离的机理1．微孔扩散机理该理论认为，由于多孔介质孔径及内孔表面性质的差异，使得气体分子与多孔介质之间的相互作

4、用程度有所不同，从而表现出不同的传递特性，于是气体组分在压差的作用下，通过微细孔至渗透侧。对混合气体通过多孔膜的分离过程，为了获得良好的分离效果，要求混合气体通过多孔膜的传递过程应以努森扩散(分子流)为主。因此分离过程应8二、气体膜分离的机理尽可能地满足下列条件：多孔膜的微孔直径必须小于混合气体中各组分的平均自由程，一般要求多孔膜的直径在(50～300)×10-10m；混合气体的温度应较高，压力应较低，因为高温、低压可提高气体分子的平均自由程，同时还可避免表面流动和吸附现象发生。9二、气体膜分离

5、的机理2．溶解扩散机理该理论假设气体透过膜的过程由下列三步组成：气体在膜的上游侧表面吸附溶解；溶解气体分子的膜内扩散；透过分子的膜表面低压解吸。10二、气体膜分离的机理溶解扩散机理主要由Fick第一扩散定律和Henry定律作为理论依据。Fick第一扩散定律：式中：m——气体透过膜的渗透速率；D——气体在膜内的扩散系数；11二、气体膜分离的机理A——膜面积；△C——气体在膜内的浓度差；d——膜的厚度。Henry定律：式中：S——溶解度系数；△p——气体分压。12二、气体膜分离的机理3．膜的特征参数

6、天然气膜法处理技术的核心在于选择适合待处理天然气情况的膜。通过大量分析研究，特别提出两个在选膜时供参考的关键特征参数。特征参数分离系数渗透系数13三、膜分离系统1．膜材料膜材料是发展膜分离技术的关键问题之一，理想的气体分离膜材料应该同时具有：良好的透气性；良好的透气选择性；高的机械强度；优良的热和化学稳定性；良好的成膜加工性能。14三、膜分离系统目前气体分离用膜材料主要有：高分子聚合物膜材料无机膜材料聚烯烃纤维素类聚砜聚酰亚胺有机硅材料聚硅酸酯类15三、膜分离系统2．膜组件不同材料的膜在出厂时，

7、被做成了以下三种形式（下图）：平板膜片圆管式膜中空纤维膜然后，根据不同的生产实际情况，将膜组装成了各种各样的膜组件。16三、膜分离系统几种常见的膜平板膜片(上)；圆管式膜(下)；中空纤维膜(右)17三、膜分离系统膜组件可以分为以下几种形式：膜组件板框式螺旋卷式中空纤维式圆管式18三、膜分离系统上述几种膜组件的特性比较：项目板框式螺旋卷式圆管式中空纤维式填充密度（m2/m3）30-500200-80030-200500-9000抗污染性能好中等很好差膜清洗易可简单难相对造价高低高低19三、膜分离系

8、统3．膜分离装置天然气膜法脱水的分离装置一般由三部分组成：预处理单元、膜分离单元和后处理单元。20三、膜分离系统预处理单元的作用是在膜分离前将原料天然气中的杂质、液态水、凝析油等影响膜稳定性的有害物质去除。例如：大连化物所和长庆石油勘探局开发的天然气膜法脱水工业性实验装置，其前处理单元就由并流旋风分离、高效过滤和微换热三个过程组成。天然气通过并流旋风分离器，在静止氧化破乳/重力沉降的作用下，将气相与21三、膜分离系统液固相分离；然后进入高效过滤器，利用超滤和毛细管凝聚技术回收凝析油；最后在微换热