周濤（杭州凱德空分設(shè)備有限公司，浙江　杭州311100）

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從液化天然氣中制取高純度甲烷的工藝

周濤
（杭州凱德空分設(shè)備有限公司，浙江杭州311100）

摘要：高純甲烷在工業(yè)、科研等部門有著廣泛的用途，介紹了一種從液化天然氣中分離高純甲烷的方法，詳細(xì)地介紹了整個(gè)裝置的工藝流程，該分離裝置能耗低，產(chǎn)品純度高，運(yùn)行穩(wěn)定。其生產(chǎn)的高純甲烷純度為99.999%，已經(jīng)達(dá)到了國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的水平。

關(guān)鍵詞：液化天然氣；高純甲烷；純度

0　引言

甲烷，分子式CH4，是最簡(jiǎn)單的烴。甲烷在自然界的分布很廣，甲烷是最簡(jiǎn)單的有機(jī)物，它是天然氣、沼氣、坑氣等的主要成分，俗稱瓦斯。也是含碳量最?。ê瑲淞孔畲螅┑臒N，也是天然氣、沼氣、油田氣及煤礦坑道氣的主要成分。

高純甲烷在化工、電子、冶金、石油等工業(yè)部門和科研、原子能、航空等領(lǐng)域廣泛用于校正氣、標(biāo)準(zhǔn)氣、催化劑的評(píng)價(jià)氣、在線儀表標(biāo)準(zhǔn)氣、配置某些特種混合氣，以及用于某些機(jī)構(gòu)的研究。高純甲烷氣體正被逐步用于非晶硅太陽電池制造，大規(guī)模集成電路干法刻蝕或等離子刻蝕氣的輔助添加氣。

高純甲烷是用天然氣、合成氨尾氣等原料氣經(jīng)進(jìn)一步提純和精餾加工提取的。CH4在各種原料氣的含量占比各不相同，其他還有N2、H2O、CO、CO2和其他烴類等多種雜質(zhì)。為了得到純度為99.999%的甲烷，需經(jīng)過許多復(fù)雜的純化處理過程[1]。

1　從天然氣中制取高純甲烷的方法

因天然氣中所含雜質(zhì)組分不同，所以選用不同的方法進(jìn)行制取。目前，從天然氣中制取高純甲烷的方法有二級(jí)精餾法、吸附-膨脹脫附法、吸附-間歇精餾法等。各種精餾方法都有自身的特點(diǎn)，二級(jí)精餾法的裝置是使用兩個(gè)低溫精餾塔制取高純甲烷，此方法可獲得甲烷純度為99.999%。吸附-膨脹脫附法的裝置是使用四個(gè)吸附器制取高純甲烷，此方法可獲得甲烷純度為99.99%，其最大優(yōu)點(diǎn)是開、停車方便，適合于用量小、純度要求高的生產(chǎn)場(chǎng)合。吸附-間歇精餾法的裝置是使用一個(gè)吸附器與一個(gè)精餾塔串聯(lián)制取高純甲烷，此方法可獲得甲烷純度為99.995%，甚至可提高到99.999%以上，可間歇操作，適用于高純氣體的生產(chǎn)。

2　二級(jí)精餾法制取高純甲烷

氣體的純化技術(shù)是制備高純度氣體的重要環(huán)節(jié)。液化天然氣中的甲烷純度大于93%，但要得到99.999%的高純甲烷還要進(jìn)一步的純化，以液化天然氣為原料制取高純甲烷會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)品，現(xiàn)將液化天然氣的組成及沸點(diǎn)匯集在表1[2]。

由表1可見，因甲烷和氮?dú)獾姆悬c(diǎn)比較接近，所以原料氣中的雜質(zhì)可使用精餾法去除。

表1　LNG原料氣組成沸點(diǎn)表

根據(jù)二級(jí)精餾法原理，設(shè)計(jì)了高純甲烷的制取裝置，其具體工藝流程見圖1。具體運(yùn)行原理為：含量大于93%的富甲烷液體（LNG）經(jīng)V1閥液相進(jìn)入除氮塔（C1）頂部，在填料塔內(nèi)液體下流與上升的蒸氣充分接觸，首先把原料液中的氮組分隨塔頂廢氣排出，少量廢氣經(jīng)V5閥及流量計(jì)后送廢氣管網(wǎng)。（C1）塔底部塔釜（K1）中獲得富甲烷液體，液體通過（V4）閥節(jié)流進(jìn)入提純塔（C2）中部，通過（C2）塔內(nèi)精餾提純，在（C2）塔頂獲取高純甲烷氣體，通過塔頂冷凝蒸發(fā)器（K3）液化為高純液甲烷。含高沸點(diǎn)雜質(zhì)組分（乙烷、丙烷等）的液體在（C2）塔底部的塔釜（K2）中聚集并排出冷箱進(jìn)入廢液儲(chǔ)槽中。

高純液體甲烷經(jīng)過過冷器（E2）過冷后通過（V7）節(jié)流閥排入冷箱外的高純液體甲烷貯槽（LPV）中。為完成精餾提純過程，采用純甲烷氣體作為精餾塔熱源。甲烷氣體通過壓縮機(jī)（PC1001）壓縮到0.6～0.8 MPa（G）左右進(jìn)入冷箱。在換熱器（E1）中冷卻到-125℃左右，一股經(jīng)V2閥進(jìn)入除氮塔（C1）塔釜（K1）盤管換熱器中，為（C1）塔提供熱源并被冷凝為液體。另一股經(jīng)V3閥進(jìn)入提純塔（C2）塔釜（K2）冷凝蒸發(fā)器中，為（C2）塔提供熱源同時(shí)被冷凝為液體從換熱器流入塔釜（K2）冷凝液罐中。兩股液體匯集后進(jìn)入過冷器（E2）冷卻到－146℃左右，大部分液體節(jié)流后進(jìn)入提純塔（C2）塔頂?shù)睦淠舭l(fā)器（K3）中，為（K3）提供冷量，多余液體經(jīng)V9閥從冷凝器中排出與蒸發(fā)后的氣體混合后進(jìn)入過冷器（E2）、換熱器（E1）復(fù)熱后出冷箱，進(jìn)循環(huán)壓縮機(jī)入口。視運(yùn)行工況，少量過冷后的富余液體，可排出冷箱外的緩沖貯液槽中。

取高純液體甲烷貯槽（LPV）中的甲烷，轉(zhuǎn)化為氣態(tài)后經(jīng)過色譜分析儀檢測(cè)，純度可以達(dá)到99.999%。

該套裝置工藝流程具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、操作調(diào)試方便、單位能耗低、產(chǎn)品純度高、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，是制取高純甲烷最理想的方法之一。

圖1　二級(jí)精餾法制取高純甲烷流程示意圖

3　結(jié)束語

采用二級(jí)精餾法，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，通過合理的操作和控制設(shè)備便可生產(chǎn)出99.999%的高純度甲烷。產(chǎn)品用于各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮玉祥，汪玉云，王淑娟.高純甲烷、乙烷、丙烷的制備及其純度分析[J].低溫與特氣，1984，（4）：15-22.

[2]卡爾L·約斯. Matheson氣體數(shù)據(jù)手冊(cè)（原書第七版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

Process for Preparing Highly Purified Methane from Liquefied Natural Gas

ZHOU Tao
（Hang Zhou Kaide Air Separation Plant Co. Ltd., Hangzhou, Zhejiang 311100, China)

Abstract:Highly purified methane has wide application in industrial and scientific researches. This paper introduced a process to prepare highly purified methane from liquefied natural gas. It also introduced in great details the whole preparation equipment, which is of low energy consumption, highly purified products, and stable operation. The purity of methane produced by this equipment was 99.999%, which has already reached the same level of the other products at home and abroad.

Keywords:liquefied natural gas; highly purified methane; purity

作者簡(jiǎn)介：周濤（1987-），男，浙江杭州人，助理工程師，主要從事壓力容器設(shè)計(jì)工作。E-mail:zt9961@vip.qq.com。

文章編號(hào)：1006-4184（2016）3-0027-03

修回日期：2016-01-20