四、膜分离法
用膜分离技术净化天然气，可脱出其中的CO2、H2S和水分。膜 分离装置都是撬装的，实践证明：膜分离装置对气体处理量和 CO2的含量不存在上限的问题，操作费用较低，投资和费用与胺 法或甘醇法相当；灵活性大，适应性强；设备结构简单紧凑，占 用空间小，质量小；平均停工频率较低（0.2%，胺法为2%）； 对环境产生的影响较小。
原因 （2） （2） （1） （3） （1） （3） （2） （2） （3）
液化天然气第二章液化厂的气体预处 理工艺
n 通常，原料气中的二氧化碳、硫化氢和COS采用醇胺法或其 他方法脱除；水采用分子筛吸附法（主要用4A分子筛）脱 除；汞采用可再生的HgSIV吸附剂脱除（该吸附剂几乎可以 脱除所有的汞，同时还可以脱水）；氮气采用闪蒸分离法 脱除。
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用无孔聚合物薄膜分离气体内的某些组分，这种分离方法称膜 分离。 1.分离原理
膜分离的原理是：高压原料气在膜的一侧吸附，通过薄膜扩散 至低压侧（低压侧压力约为高压侧的10％～20％）。
由高压侧经薄膜进入低压侧的气体称渗透气，而仍留在高压侧 的气体为渗余气。由于气体内各组分的渗透速度不同，使气体组分 得到一定程度的分离。
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n 甘醇具备上述要求，由于三甘醇作为吸附剂时具备上所述优点， 目前常采用三甘醇（TEG）脱水，其露点降可达33～47℃。
n 脱水流程:由吸收和再生两部分组成。
n 含水天然气先进分离器，从气体中分出液体和气体杂质，然 后进入吸收塔。在吸收塔内原料气由下而上流经各层塔板， 与塔顶向下流的贫甘醇溶液逆流接触，吸收天然气中的水分。 脱水后的天然气自塔顶流出，吸收水分的富甘醇溶液自塔底 流出，经与贫甘醇液换热后提高温度，在闪蒸罐中释放出烃 蒸汽，过滤、加热和进入再生塔。依靠水和甘醇的沸点不同， 在再生塔中分出水气，脱去水气的贫甘醇经换热器冷却后进 入甘醇储罐，重复利用。
n 操作工艺参数： n 吸附操作温度：一般<50℃，否则降低吸附剂的去湿能 力。 n 吸附操作压力：压力对吸附剂去湿能力影响很小，但应 避免压力波动而影响床层的稳定性。
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n 吸附剂寿命：决定于吸附剂种类和操作情况， 一般1～3年。
n 再生温度：分子筛再生温度200～300℃，其它 为175～250℃。
2.膜组成 膜由两层组成：
①孔性底层，厚约0.2mm； ②致密无孔活性层，由聚合物
制成的覆盖薄膜，厚约1000Å
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五、天然气超音速脱水
天然气超音速脱水将膨胀机、分离器和压缩机的功能集中 到一个管道中，大大简化了脱水系统，提高了系统的可靠性， 降低了脱水系统的投资、运行费用和环境污染。
n 分子筛表面具有大量较强的局部电荷。因而对极性分子和不 饱分子有很高的亲和力。水和硫化氢是强极性分子，所以分 子筛是干燥气体、脱硫化氢的优良吸附剂。
n 用分子筛脱水时，干气能达到的最小露点远低于其它两种吸 附剂。若用深冷法从天然气内回收C2H6和C3+等组分或使天然 气液化时，只能使用分子筛，别无他选。
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天然气超音速脱水系统简图
1–进口冷却器；2–气-气换热器； 3–进口分离器； 4–超音速分离器；5–气液分离器
n 重烃，特别是芳香族是在深冷段通过分馏萃取。
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第一节 分离和除尘
n 重力式和旋风式（离心式）分离器是脱除气体中所带固体尘粒和凝析液滴 的最常用设备。 n 重力式分离器有立式和卧式两类，各种重力式分离器原理基本相同， 由分离、沉降、除雾和储存四个部分组成。 n 分离段：气体从切线方向进入分离器，在离心力作用下，气体中的固 （液）体微粒初步得到分离。在另一类型的分离器中，气体从中心进 入分离器，经弯头喷向伞形板，气体中的微粒被粘附而达到初步分离。 n 沉降段：气体得到初步分离后，由于分离器的流动截面大，气体流速 降低，当气体的上升速度低于微粒的沉降速度时，气体中的微粒就会 向下沉降而分离，沉降段是重力式分离器清除较大尘粒的主要阶段。
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①天然气超音速脱水系统比较简单，需要的设备少，易形成橇装 系统。由于天然气高速通过脱水系统，因此在相同处理能力下， 其体积较小；
②天然气超音速脱水系统没有大的转动部件和化学处理系统，其 可靠性很高，日常维护很少，允许在最苛刻环境中运转，易实现 无人职守；
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n 对管道输送而言，要求气体露点小于最低管输气体温度5℃，对 脱水要求较低。目前，天然气脱水常和从天然气中回收的乙、丙、 丁烷相结合（称为轻烃回收）。轻烃回收常用： n 浅冷法：通过以氨为制冷剂的压缩式制冷机，使气体温度降 至-20℃左右，从气流中分离出来。 n 深冷法：通过膨胀机或热分离机，使气体温度降至-80～-90℃ 左右，可使70％C2，90％以上的C3冷凝下来。 n 这样，对天然气露点的要求很高，使分子筛脱水在现场获得 广泛使用。
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n 固体杂质 n 水或水蒸气 n 硫化物 n 二氧化碳 n 重烃 n 氮气氦气等惰性 n汞
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因此净化处理的主要原因有： ⑴ 为了满足液化天然气 的应用规范： ⑵ 防止在低温下设备受 堵； ⑶ 避免设备的腐蚀和磨 蚀。液化来自然气第二章液化厂的气体预处 理工艺
膜分离法就是根据组分气体在薄膜内渗透速度的不同来实现 组分气体的分离的，渗透速度快的组分在渗透气一侧浓集，渗透速 度慢的组分在渗余气一侧浓集。
渗透速度的大小和渗透面积、薄膜两侧压差成正比，比例系 数称渗透系数。组分气体的渗透系数差别愈大，愈易分离。
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n COS虽本身无腐蚀性，但它与极少量的水反应后，可形成硫化氢 和二氧化碳，从而产生腐蚀，如果在运输和储存中出现潮湿，即 使是0.5ppm（V）的COS被水化，也会产生腐蚀事故；而且COS 的正常沸点（-48℃）靠近丙烷的沸点（-42℃），当分离回收丙 烷时，约90%的COS出现在丙烷尾气或液化石油气中。
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n 另外，天然气中微量汞对铝制品换热器有腐蚀作用，也应 加以脱除。1973年，LNG工业才开始意识到即使天然气中 含有极少量的汞成分（包括单质汞、汞离子及有机汞化合 物），就会造成铝合金材料设备的腐蚀。它还会引起催化 剂中毒，造成环境污染以及检修过程中对人体的危害等不 良后果。由于水的存在会大大增强这种伤害，而最好的干 燥法也不可能将所有的水分全部去除掉，因此必须把汞减 少到尽可能低的水平。
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n 影响甘醇脱水效果的因素：
n 贫液浓度：再生后贫液中甘醇浓度愈高，吸湿性能 愈好；
n 甘醇循环量：太少不能有效地脱水，太多，脱水效 果无明显改善，但操作费用上升，一般为25～60L 甘醇贫液/kg水。
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LNG原料气质量要求
水（ H2O ） 二氧化碳（CO2） 硫化氢（ H2S ） COS
总硫（*） 汞 芳香族化合物 重烃 固体物质
最大允许含量 <0.1ppm (v) 50-100ppm (v) 4ppmv(5mgS/Nm3)
<0.1 ppm 10~50毫克/Nm3 <0.01 μg/Nm3
1~10ppm (v) <70 ppm
n 对调峰型LNG工厂，其原料气多是已先期净化的管输天然气。但 管输天然气的气质标准比液化前对原料气的气质要求低，因此必 须对管输气再次净化。
n 基本负荷型LNG工厂靠近气源建立，井口气或先期简单处理，或 直接进入LNG工厂，其原料气的杂质含量较高。
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n 如果直接作为LNG装置的原料仍是不够纯净，还必须深度脱除水、 水蒸气、硫化物、二氧化碳，并逐级冷凝分离出丙烷以上的烃类， 以防在低温下形成固体堵塞管线和设备。为了减少NG液化过程的 动力消耗，还应控制原料气中氮气、氦气等惰性气体含量。
③天然气超音速脱水技术利用天然气本身的压力工作，能够在瞬 间启动和停止工作，并且不需要大量的外部能源供应；
④工艺工程中不添加化学药剂，避免了化学品对环境的危害； ⑤天然气超音速脱水系统投资少，操作方便，可靠性高，不需外
加动力，故其运行费用低。
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天然气超音速分离器原理简图 1–拉瓦尔喷管；2–分离叶片； 3–气–液分离器；4–扩压器
n 待1＃塔的去湿能力下降时，进行切换，使2＃——吸附，1 ＃——再生、冷却，这样就保证了脱水作业连续进行。
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n 对每一个塔，吸附、再生、冷却构成了一个循环，切换周 期有8h、16h或24h等。
n 当采用两塔流程时，一塔吸附，另一塔进行再生和冷却， 再生和冷却所占的时间分别为65％～75％，25％～35％。
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第二节 天然气脱水
n 天然气工业中常用的脱水方法有五种：
n 一、冷却脱水法
n 直接冷却法 n 加压冷却法 n 膨胀制冷冷却法 n 用机械制冷(冷剂制冷)的油吸收法或冷凝分离法 n 当气体压力较低，使用直接冷却法脱水后的气体露点达不到要求，
而采用加压冷却或机械制冷冷却又不经济时，则需采用其它脱水 方法。
n 再生气流量：约为气体流量的5～15％，太小 不足以在规定的时间内把吸附剂提高到规定温 度，太大容易使床层松动，降低吸附剂寿命。
n 冷却终了温度：～50℃
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n 三、甘醇脱水（吸收法） n 液体吸收剂：天然气液体吸附剂应具有下述条件：