国内外膜分离法天然气脱水研究现状
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大庆天然气公司设计研究所［９］在 １９９０ 年代初用膜 法进行了净化大庆天然气的实验研究， 他们用三醋酸 纤维素（ ＣＴＡ） 膜脱除天然气中的水汽及硫化氢 ， 经 膜 处理后的天然气， 硫化氢含量下降 ４７％， 水露点下降 １７℃。 其 实 验 用 膜 组 件 为 不 锈 钢 外 壳 的 醋 酸 纤 维 中 空 纤维组件。膜分离器采用三个相同膜组件串联方式， 以 提高膜的分离效果。待净化天然气在压力 ０．４ ＭＰａ， 温
出的 ４％。选择性膜系统对海上平台等有限尺寸装备， 很有性能和成本优势。
对 于 一 级 膜 系 统［１２］， 将 膜 法 与 胺 法（３５ｗｔ％ ＤＥＡ ） 进 行 比 较 ， 在 处 理 量 是 １．５×１０５ ￣ ２．２５×１０６ ｍ３／ｄ， 天 然 气水分饱和， ＣＯ２ 浓度 ４％￣ ２７％ （ ｍｏｌ ）的条件下， 得到 的 渗 余 气 中 ＣＯ２ 含 量 少 于 ２％（ ｍｏｌ） ， 水 分 含 量 低 于 １０６ ｍｇ／ｍ３， 膜法优于胺法。
２００７ Ｖｏｌ．１７ Ｎｏ．４
过滤与分离 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ＆ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ
· ３７ ·
国内外膜分离法天然气脱水研究现状
魏 星， 黄维菊， 陈文梅
（四川大学， 四川 成都 ６１００６５）
摘 要： 分析阐述了国内外膜分离法天然气脱水的现状。与传统的天然气脱水方法相比， 膜分离法 天然气脱水在工作性能、经济效益等方面具有优势和竞争力。同时对发展中的膜分离天然气脱水法所面 临的挑战和策略对策与措施等也进行了讨论。
以上例子说明， 膜分离法用于天然气脱水， 在处理 气 量 较 小 （ 小 于 ３ ２５０ ０００ Ｓｍ３／ｄ） ， 膜 压 力 差 在 ５￣７ ＭＰａ 时， 与传统的天然气脱水方法相比， 无论是在工作 性能， 还是经济效益方面都具有优势和竞争力。
４ 发展中的膜分离法天然气脱水
４．１ 发展中面临的挑战 膜分离法在天然气脱水应用中有其内在的优点，
度 ２０℃条 件 下 ， 进 入 第 一 个 膜 组 件 ， 其 中 易 渗 透 组 份 （水、硫化氢等）渗透过膜， 排出装置外。难渗透组份从壳 程流出， 进入第二个膜组件， 进行二级分离， 以此类推。 天然气经二三个膜组件分离后， 作为合格的天然气进 入管网。
３ 膜法天然气脱水挑战传统脱水方法
膜分离法脱除天然气中水分有诸多优点， 可保持 其原来的压力， 且无二次污染， 具有低能耗、低成本， 易 操作， 花费低， 高负荷和高功效等特点。膜分离器用于 去除天然气中的水汽时， 它能处理含 Ｈｅ， Ｈ２， ＣＯ２， ＣＯ， Ｈ２Ｓ， ＮＯ２， Ｎ２， Ｏ２ 等多种杂质的天然气， 少量芳香烃、氯 代 烷 、烯 烃 、重 烃 及 液 态 烃 都 不 会 影 响 膜 的 分 离 性 能 。 膜分离作为一种处理工艺， 有较宽的流量适用范围。原 料气流量发生变化， 可通过增加或减少膜分离器数量 或者分离器内的单元数来获得同样的分离效果， 具有 良好的市场前景， 已经或者正在成为传统天然气脱水 方法强有力的竞争对手。
（ ２） 膜的塑化和溶胀性［１８， １９］。碳氢化合物、水分子与 聚合物膜间有较强相互作用， 水分子对聚合物膜会产 生塑化与溶胀作用， 使水分子在聚合物膜中成簇迁移。
所谓成簇迁移是指水汽通过渗透膜时， 由于水分 子间氢键的强相互作用以及水分子与聚合物间的排斥 作用， 使得水分子不再以单分子形式而是以两分子、三 分子或其他多分子团簇形式渗透通过膜。所谓膜的塑 化 是 指 当 玻 璃 态 聚 合 物 膜 暴 露 在 含 有 Ｈ２Ｏ 的 天 然 气 中时， Ｈ２Ｏ 与膜发生相互作用， 膜材料在吸附了 Ｈ２Ｏ 等 物质后发生溶胀， 在微观上聚合物链被渗透分子分开， 聚合物点阵松弛， 自由体积增大， 聚合物链节的运动性
美 国 气 体 产 品 公 司 的 柏 美 亚 部 （Ｐｅｒｍｅａ）是 气 体 分 离膜的开拓者［５］， 利用专业技术力量从八十年代中开始 天然气脱水膜的研究， 至 １９９９ 年已经实现天然气脱水
膜的商业化， 所使用的膜为新型普里 森（Ｐｒｉｓｍ）气 体 分 离膜， 分 离 系 统 在 ４￣８ ＭＰａ 的 压 力 下 ， 并 辅 以 原 料 气 流量的 ２％￣５％ 干燥气作为返吹气的条件下， 可脱除 天然气中 ９５％的水分， 从而得到含水量达到管线输送 标准的干燥天然气。和其它膜分离一样， 膜天然气脱水 具有结构简单、可靠性高、操作维修方便、无环境污染、 操作费用及投资低的特点， 它将成为对传统脱水法极 具竞争性的新工艺。
１ 国外膜法天然气脱水已实现工业化
自 ２０ 世纪 ８０ 年代以来， 一些国家对天然气膜脱 水技术进行了研究开发， 目前已实现工业化。美国 Ｓｅｐａｒｅｘ 公司开发了醋酸纤维素螺旋卷式膜组件， 用于 海 上 开 发 平 台 天 然 气 脱 水 ， 其 Ｈ２Ｏ／ＣＨ４ 分 离 因 子 为 ５００， 在 ７．８ ＭＰａ、３８℃下脱水后的天然气的水露点温度 可达－ ４８℃， 水蒸 气 含 量 在 Ф＜ １０－４ 时 ， 可 以 除 去 ９７％ 的水分， 这对天然气的输送， 避免管道腐蚀十分有利。 由于膜分离法天然气脱水装置体积小、结构紧凑、重量 轻， 减少了海上采油平台建设的投资费用 ［１， ２］。美国 Ｇｒａｃｅ 公司利用卷式膜组件开发了天然气水分和酸性 气体脱除的工业试验装置， 并在加拿大等地现场进行了 试验， 取得了良好效果［３］。近几年来， 挪威 Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ 公司已经开发出适用于海洋开发平台的天然气脱水装 置［４］。
２ 国内膜分离法天然气脱水情况
我国于 ２０ 世纪 ９０ 年代初开始膜分离法天然气脱 水研究及其应用， 中科院大连化学物理所、中科院长春 应用化学所等单位在该方面进行了积极有益的探索， 并取得了长足进展。中国科学研究院大连化学物理研 究所［６￣８］ 于 １９９４ 年在我国长庆气田研制出中空纤维膜 天然气脱水装置， 并在长庆气田进行了天然气膜法脱 水先导性试验， 在此基础上开发出天然气膜法脱水工 业试验装置， 继而进行了工业规模的现场试验。该方法 采用了复合膜结构， 其致密层是聚砜材料， 支撑层是硅 橡胶； 膜组件的构造是中空纤维式。试验结果表明： 输 气压力 ４．６ ＭＰａ 下， 净化气水露点达到－ ８℃￣ － １３℃， 甲 烷回收率不低于 ９８％。
美 国 路 易 斯 安 那 州［１３］一 个 较 大 的 天 然 气 处 理 工 厂 中安装了一套气体膜分离装置代替原有的 ＤＥＡ 化学 吸 收 法 脱 ＣＯ２ 及 乙 二 醇 脱 水 装 置 ， 处 理 量 为 ５１×１０４ ｍ３／ｄ 。结果 ＣＯ２ 从 ６．１％ （Ｖ） 减少至 ２．６％ （Ｖ） ， 水汽含 量从 ０．１％ （Ｖ） 降至 ３２ ｍｇ／ｍ３。通过经济对比得出， 用 膜分离方法代替原来的胺法脱 ＣＯ２ 及乙二醇脱水装置 后， 处理费用减少了 ８５％， 占地面积只有胺法装置的 １５％ ， 轻烃回收率 比 胺 法 要 低 一 些 ， 但 由 于 膜 系 统 的 透过气可作为燃料使用， 从而使烃的有效回收率有所 提高。该系统自 １９８７ 年投产运转以来操作是成功的。
潜力非常大， 但是从目前应用角度来看， 至今尚未在工 业上被广泛采用， 膜法天然气脱水的应用范围还较窄， 而且规模不大［１４， １５］ 。面对强大的传统脱水工艺， 膜法天 然气脱水主要面临着下述几方面的挑战。
（ １） 烃损失。由于在渗透过程中必然有部分烃类 （主要是 ＣＨ４）随 Ｈ２Ｏ 进入渗透气中， 现场试验中测得的 烃损失率一般为 ５％～６％， 损失率随原料气压力升高而 增大， 而与乙二醇法脱水相比较， 能够被接受的水平是 ２％￣３ ％［１６，１７］ 。
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增加， 这样渗透物在膜中的扩散性能和渗透性能增加。 水汽对聚合物产生塑化与溶胀作用， 除使得水汽渗透 系 数 增 加 外 ， 有 时 还 会 使 ＣＨ４ 等 的 渗 透 系 数 增 加 。 Ｓｔｅｒｎ 和 Ｆａｎｇ［２０］实验验证了水汽的这一性能。
关键词： 天然气； 膜分离； 脱水 中图分类号： ＴＱ０２８．８ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００５－ ８２６５（２００７）０４－ ００３７－ ０５
天然气中一般含有一定量的水、硫化氢及二氧化 碳， 这给其后续工艺带来了较大影响。为此， 国内外采 用多种方法对天然气进行处理。随着膜分离法天然气 脱 水 越 来 越 被 人 们 重 视 ， 成 为 常 规 胺 （ 如 ＤＥＡ 和 ＭＤＥＡ）， 物理吸收（如 Ｓｅｌｅｘｏｌ ）和甘醇脱水等传统工艺 强有力的竞争对手。世界上许多厂家、商家， 如美国的 Ｓｅｐａｒｅｘ、Ｇｒａｃｅ、Ｍｏｎｓａｎｔｏ 和挪威的 Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔ 等 大 化 工企业以及日本的日东电工、东丽、松下等， 都相继投 入大量资金和精力到天然气膜脱水工艺及装置的研究 开发中。
美 国 Ｂｅｎ Ｂｉｋｓｏｎ［１０］等 ２００３ 年 在 给 美 国 能 源 部 关 于天然气浓缩用新颖合成膜和膜过程开发的年度报告 中， 对膜过程和传统的三甘醇（ＴＥＧ）过程天然气脱水进 行了性能和经济性两方面的评价对比。他们成功地研 制了工业化的天然气脱水用聚酰亚胺合成中空纤维 膜， 膜器在大于 １ ０００ｐｓ（ｉ １ ０００ ｐｓｉ， 等于 ７ ＭＰａ 左右） 操作压力下， 性能可靠。在净化比（ 流入速率与渗透流 之比） 为 ２％￣３％时 ， 当 进 气 温 度 大 于 ９０°Ｆ（ 折 合 为 摄 氏温度 ３２℃多） 时， 可使水露点下降到 ３０°Ｆ（ 折合为摄 氏温度－ １℃） 。用两种膜器进行了经济分析， 一种是新 研制的大规模工业应用膜器（ 膜压差 ７ ＭＰａ 左右） ， 一 种是膜压力等于 ５ ＭＰａ 左右的膜器。小规模试验时， 当膜过程在处理气量小于 １０ ＭＭＳＣＦＤ （ １ ＭＭＳＣＦＤ， 每天 １ 百万标准立方英尺， 等于 ２８ ３１６．８ ｍ３／ｄ） 时比 ＴＥＧ 方法性能和经济性好， 而在大规模试验条件下， 当 处理气量小于等于 １ ＭＭＳＣＦＤ 时， 比 ＴＥＧ 性能和经 济性好。全面验证了膜过程天然气脱水的优势和适用 条件。
收稿日期： ２００７－ ０９－ ２６ 作者简介： 魏星（ １９５７－ ） ， 男， 硕士， 副教授， 主要从事膜分离技术研究及设备的开发与研制， 电话 ０２８－ ８１３３７１９１．
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意 大 利 的 Ｆ． Ｂｉｎｃｉ［１１］等 对 海 上 平 台 用 创 新 膜 脱 水 系 统 与 传 统 三 甘 醇（ ＴＥＧ） 天 然 气 脱 水 系 统 进 行 了 比 较 。 经 济 评 估 认 为 ， 当 处 理 量 到 １ ６００ ０００ Ｓｍ３／ｄ （１ Ｓｍ３／ｄ ＝每 天 标 准 立 方 米 。标 准 条 件 ： Ｔ＝１５℃， Ｐ ＝ １０１ ３２５ Ｐａ）， 膜 脱 水系统都有性能和成本优势。膜脱 水 系 统 特 别 在 人 力 、化 学 品 需 用 量 、日 常 维 护 、特 别 维 护和能源消耗等方面具有很大优势。传统三甘醇 （ ＴＥＧ） 天然气脱水系统这几项支出的合计为脱水系统 总支出的 １０％， 而膜分离脱水系统仅为脱水系统总支
（ ３） 浓差极化［２１］。所谓浓差极化是由于膜的选择透 过性造成膜面水汽浓度高于被处理天然气水汽浓度的 现象。虽然对很多膜来说， 水的渗透通量都较高， 使得 水／气（甲 烷）的 选 择 性 在 两 个 数 量 级 以 上 。 但 是 由 于 水 汽是微量气体， 使得膜分离过程常被操作条件所限制， 即被进气侧压力和渗透侧压力比所控制（简称压力比）。 假 设待分离天然气的进气侧压力为 ｐｆ， 渗透侧压力为 Ｐｐ， 水汽进口浓度（物质的量分数）为 ｘｆ ， 渗透侧水汽出口 浓度（物质的量分数）为 ｘｐ。只有在 ｘｐ×Ｐｐ＜ ｘｆ×Ｐｆ 时， 才能 使水汽由进气侧渗透到渗透侧。因此不管膜的选择性有 多大， 渗透侧水汽的提浓倍数都将受压力比 Ｐｆ ／ Ｐｐ 的 限制。另外， 即使原料天然气压力很高， 使得压力比较 大， 但是膜法天然气脱水的水汽是微量气体， 渗透速度 快， 容易在渗透侧富集， 浓差极化有可能导致传质分离 过程的恶化。
出的 ４％。选择性膜系统对海上平台等有限尺寸装备， 很有性能和成本优势。
对 于 一 级 膜 系 统［１２］， 将 膜 法 与 胺 法（３５ｗｔ％ ＤＥＡ ） 进 行 比 较 ， 在 处 理 量 是 １．５×１０５ ￣ ２．２５×１０６ ｍ３／ｄ， 天 然 气水分饱和， ＣＯ２ 浓度 ４％￣ ２７％ （ ｍｏｌ ）的条件下， 得到 的 渗 余 气 中 ＣＯ２ 含 量 少 于 ２％（ ｍｏｌ） ， 水 分 含 量 低 于 １０６ ｍｇ／ｍ３， 膜法优于胺法。
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国内外膜分离法天然气脱水研究现状
魏 星， 黄维菊， 陈文梅
（四川大学， 四川 成都 ６１００６５）
摘 要： 分析阐述了国内外膜分离法天然气脱水的现状。与传统的天然气脱水方法相比， 膜分离法 天然气脱水在工作性能、经济效益等方面具有优势和竞争力。同时对发展中的膜分离天然气脱水法所面 临的挑战和策略对策与措施等也进行了讨论。
以上例子说明， 膜分离法用于天然气脱水， 在处理 气 量 较 小 （ 小 于 ３ ２５０ ０００ Ｓｍ３／ｄ） ， 膜 压 力 差 在 ５￣７ ＭＰａ 时， 与传统的天然气脱水方法相比， 无论是在工作 性能， 还是经济效益方面都具有优势和竞争力。
４ 发展中的膜分离法天然气脱水
４．１ 发展中面临的挑战 膜分离法在天然气脱水应用中有其内在的优点，
度 ２０℃条 件 下 ， 进 入 第 一 个 膜 组 件 ， 其 中 易 渗 透 组 份 （水、硫化氢等）渗透过膜， 排出装置外。难渗透组份从壳 程流出， 进入第二个膜组件， 进行二级分离， 以此类推。 天然气经二三个膜组件分离后， 作为合格的天然气进 入管网。
３ 膜法天然气脱水挑战传统脱水方法
膜分离法脱除天然气中水分有诸多优点， 可保持 其原来的压力， 且无二次污染， 具有低能耗、低成本， 易 操作， 花费低， 高负荷和高功效等特点。膜分离器用于 去除天然气中的水汽时， 它能处理含 Ｈｅ， Ｈ２， ＣＯ２， ＣＯ， Ｈ２Ｓ， ＮＯ２， Ｎ２， Ｏ２ 等多种杂质的天然气， 少量芳香烃、氯 代 烷 、烯 烃 、重 烃 及 液 态 烃 都 不 会 影 响 膜 的 分 离 性 能 。 膜分离作为一种处理工艺， 有较宽的流量适用范围。原 料气流量发生变化， 可通过增加或减少膜分离器数量 或者分离器内的单元数来获得同样的分离效果， 具有 良好的市场前景， 已经或者正在成为传统天然气脱水 方法强有力的竞争对手。
（ ２） 膜的塑化和溶胀性［１８， １９］。碳氢化合物、水分子与 聚合物膜间有较强相互作用， 水分子对聚合物膜会产 生塑化与溶胀作用， 使水分子在聚合物膜中成簇迁移。
所谓成簇迁移是指水汽通过渗透膜时， 由于水分 子间氢键的强相互作用以及水分子与聚合物间的排斥 作用， 使得水分子不再以单分子形式而是以两分子、三 分子或其他多分子团簇形式渗透通过膜。所谓膜的塑 化 是 指 当 玻 璃 态 聚 合 物 膜 暴 露 在 含 有 Ｈ２Ｏ 的 天 然 气 中时， Ｈ２Ｏ 与膜发生相互作用， 膜材料在吸附了 Ｈ２Ｏ 等 物质后发生溶胀， 在微观上聚合物链被渗透分子分开， 聚合物点阵松弛， 自由体积增大， 聚合物链节的运动性
美 国 气 体 产 品 公 司 的 柏 美 亚 部 （Ｐｅｒｍｅａ）是 气 体 分 离膜的开拓者［５］， 利用专业技术力量从八十年代中开始 天然气脱水膜的研究， 至 １９９９ 年已经实现天然气脱水
膜的商业化， 所使用的膜为新型普里 森（Ｐｒｉｓｍ）气 体 分 离膜， 分 离 系 统 在 ４￣８ ＭＰａ 的 压 力 下 ， 并 辅 以 原 料 气 流量的 ２％￣５％ 干燥气作为返吹气的条件下， 可脱除 天然气中 ９５％的水分， 从而得到含水量达到管线输送 标准的干燥天然气。和其它膜分离一样， 膜天然气脱水 具有结构简单、可靠性高、操作维修方便、无环境污染、 操作费用及投资低的特点， 它将成为对传统脱水法极 具竞争性的新工艺。
１ 国外膜法天然气脱水已实现工业化
自 ２０ 世纪 ８０ 年代以来， 一些国家对天然气膜脱 水技术进行了研究开发， 目前已实现工业化。美国 Ｓｅｐａｒｅｘ 公司开发了醋酸纤维素螺旋卷式膜组件， 用于 海 上 开 发 平 台 天 然 气 脱 水 ， 其 Ｈ２Ｏ／ＣＨ４ 分 离 因 子 为 ５００， 在 ７．８ ＭＰａ、３８℃下脱水后的天然气的水露点温度 可达－ ４８℃， 水蒸 气 含 量 在 Ф＜ １０－４ 时 ， 可 以 除 去 ９７％ 的水分， 这对天然气的输送， 避免管道腐蚀十分有利。 由于膜分离法天然气脱水装置体积小、结构紧凑、重量 轻， 减少了海上采油平台建设的投资费用 ［１， ２］。美国 Ｇｒａｃｅ 公司利用卷式膜组件开发了天然气水分和酸性 气体脱除的工业试验装置， 并在加拿大等地现场进行了 试验， 取得了良好效果［３］。近几年来， 挪威 Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ 公司已经开发出适用于海洋开发平台的天然气脱水装 置［４］。
２ 国内膜分离法天然气脱水情况
我国于 ２０ 世纪 ９０ 年代初开始膜分离法天然气脱 水研究及其应用， 中科院大连化学物理所、中科院长春 应用化学所等单位在该方面进行了积极有益的探索， 并取得了长足进展。中国科学研究院大连化学物理研 究所［６￣８］ 于 １９９４ 年在我国长庆气田研制出中空纤维膜 天然气脱水装置， 并在长庆气田进行了天然气膜法脱 水先导性试验， 在此基础上开发出天然气膜法脱水工 业试验装置， 继而进行了工业规模的现场试验。该方法 采用了复合膜结构， 其致密层是聚砜材料， 支撑层是硅 橡胶； 膜组件的构造是中空纤维式。试验结果表明： 输 气压力 ４．６ ＭＰａ 下， 净化气水露点达到－ ８℃￣ － １３℃， 甲 烷回收率不低于 ９８％。
美 国 路 易 斯 安 那 州［１３］一 个 较 大 的 天 然 气 处 理 工 厂 中安装了一套气体膜分离装置代替原有的 ＤＥＡ 化学 吸 收 法 脱 ＣＯ２ 及 乙 二 醇 脱 水 装 置 ， 处 理 量 为 ５１×１０４ ｍ３／ｄ 。结果 ＣＯ２ 从 ６．１％ （Ｖ） 减少至 ２．６％ （Ｖ） ， 水汽含 量从 ０．１％ （Ｖ） 降至 ３２ ｍｇ／ｍ３。通过经济对比得出， 用 膜分离方法代替原来的胺法脱 ＣＯ２ 及乙二醇脱水装置 后， 处理费用减少了 ８５％， 占地面积只有胺法装置的 １５％ ， 轻烃回收率 比 胺 法 要 低 一 些 ， 但 由 于 膜 系 统 的 透过气可作为燃料使用， 从而使烃的有效回收率有所 提高。该系统自 １９８７ 年投产运转以来操作是成功的。
潜力非常大， 但是从目前应用角度来看， 至今尚未在工 业上被广泛采用， 膜法天然气脱水的应用范围还较窄， 而且规模不大［１４， １５］ 。面对强大的传统脱水工艺， 膜法天 然气脱水主要面临着下述几方面的挑战。
（ １） 烃损失。由于在渗透过程中必然有部分烃类 （主要是 ＣＨ４）随 Ｈ２Ｏ 进入渗透气中， 现场试验中测得的 烃损失率一般为 ５％～６％， 损失率随原料气压力升高而 增大， 而与乙二醇法脱水相比较， 能够被接受的水平是 ２％￣３ ％［１６，１７］ 。
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关键词： 天然气； 膜分离； 脱水 中图分类号： ＴＱ０２８．８ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００５－ ８２６５（２００７）０４－ ００３７－ ０５
天然气中一般含有一定量的水、硫化氢及二氧化 碳， 这给其后续工艺带来了较大影响。为此， 国内外采 用多种方法对天然气进行处理。随着膜分离法天然气 脱 水 越 来 越 被 人 们 重 视 ， 成 为 常 规 胺 （ 如 ＤＥＡ 和 ＭＤＥＡ）， 物理吸收（如 Ｓｅｌｅｘｏｌ ）和甘醇脱水等传统工艺 强有力的竞争对手。世界上许多厂家、商家， 如美国的 Ｓｅｐａｒｅｘ、Ｇｒａｃｅ、Ｍｏｎｓａｎｔｏ 和挪威的 Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔ 等 大 化 工企业以及日本的日东电工、东丽、松下等， 都相继投 入大量资金和精力到天然气膜脱水工艺及装置的研究 开发中。
美 国 Ｂｅｎ Ｂｉｋｓｏｎ［１０］等 ２００３ 年 在 给 美 国 能 源 部 关 于天然气浓缩用新颖合成膜和膜过程开发的年度报告 中， 对膜过程和传统的三甘醇（ＴＥＧ）过程天然气脱水进 行了性能和经济性两方面的评价对比。他们成功地研 制了工业化的天然气脱水用聚酰亚胺合成中空纤维 膜， 膜器在大于 １ ０００ｐｓ（ｉ １ ０００ ｐｓｉ， 等于 ７ ＭＰａ 左右） 操作压力下， 性能可靠。在净化比（ 流入速率与渗透流 之比） 为 ２％￣３％时 ， 当 进 气 温 度 大 于 ９０°Ｆ（ 折 合 为 摄 氏温度 ３２℃多） 时， 可使水露点下降到 ３０°Ｆ（ 折合为摄 氏温度－ １℃） 。用两种膜器进行了经济分析， 一种是新 研制的大规模工业应用膜器（ 膜压差 ７ ＭＰａ 左右） ， 一 种是膜压力等于 ５ ＭＰａ 左右的膜器。小规模试验时， 当膜过程在处理气量小于 １０ ＭＭＳＣＦＤ （ １ ＭＭＳＣＦＤ， 每天 １ 百万标准立方英尺， 等于 ２８ ３１６．８ ｍ３／ｄ） 时比 ＴＥＧ 方法性能和经济性好， 而在大规模试验条件下， 当 处理气量小于等于 １ ＭＭＳＣＦＤ 时， 比 ＴＥＧ 性能和经 济性好。全面验证了膜过程天然气脱水的优势和适用 条件。
收稿日期： ２００７－ ０９－ ２６ 作者简介： 魏星（ １９５７－ ） ， 男， 硕士， 副教授， 主要从事膜分离技术研究及设备的开发与研制， 电话 ０２８－ ８１３３７１９１．
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意 大 利 的 Ｆ． Ｂｉｎｃｉ［１１］等 对 海 上 平 台 用 创 新 膜 脱 水 系 统 与 传 统 三 甘 醇（ ＴＥＧ） 天 然 气 脱 水 系 统 进 行 了 比 较 。 经 济 评 估 认 为 ， 当 处 理 量 到 １ ６００ ０００ Ｓｍ３／ｄ （１ Ｓｍ３／ｄ ＝每 天 标 准 立 方 米 。标 准 条 件 ： Ｔ＝１５℃， Ｐ ＝ １０１ ３２５ Ｐａ）， 膜 脱 水系统都有性能和成本优势。膜脱 水 系 统 特 别 在 人 力 、化 学 品 需 用 量 、日 常 维 护 、特 别 维 护和能源消耗等方面具有很大优势。传统三甘醇 （ ＴＥＧ） 天然气脱水系统这几项支出的合计为脱水系统 总支出的 １０％， 而膜分离脱水系统仅为脱水系统总支
（ ３） 浓差极化［２１］。所谓浓差极化是由于膜的选择透 过性造成膜面水汽浓度高于被处理天然气水汽浓度的 现象。虽然对很多膜来说， 水的渗透通量都较高， 使得 水／气（甲 烷）的 选 择 性 在 两 个 数 量 级 以 上 。 但 是 由 于 水 汽是微量气体， 使得膜分离过程常被操作条件所限制， 即被进气侧压力和渗透侧压力比所控制（简称压力比）。 假 设待分离天然气的进气侧压力为 ｐｆ， 渗透侧压力为 Ｐｐ， 水汽进口浓度（物质的量分数）为 ｘｆ ， 渗透侧水汽出口 浓度（物质的量分数）为 ｘｐ。只有在 ｘｐ×Ｐｐ＜ ｘｆ×Ｐｆ 时， 才能 使水汽由进气侧渗透到渗透侧。因此不管膜的选择性有 多大， 渗透侧水汽的提浓倍数都将受压力比 Ｐｆ ／ Ｐｐ 的 限制。另外， 即使原料天然气压力很高， 使得压力比较 大， 但是膜法天然气脱水的水汽是微量气体， 渗透速度 快， 容易在渗透侧富集， 浓差极化有可能导致传质分离 过程的恶化。