论文标题：Superglassy Polymers to Treat Natural Gas by Hybrid Membrane/Amine Processes: Can Fillers Help?（超玻璃聚合物通过杂化膜/胺工艺处理天然气：填料有帮助吗?）

期刊：Membranes

作者：Ahmed W. Ameen，Peter M. Budd and Patricia Gorgojo.

发表时间：10 December 2020

DOI：10.3390/membranes10120413

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期刊链接：https://www.mdpi.com/journal/membranes

英国曼彻斯特大学的Peter M. Budd教授和Patricia Gorgojo博士于Membranes期刊发表题目为“Superglassy Polymers to Treat Natural Gas by Hybrid Membrane/Amine Processes: Can Fillers Help?”的文章，研究了在天然气脱硫的混合膜/胺工艺中应用超玻璃膜的经济可行性，同时将该混合工艺与更传统的独立胺吸收技术进行了比较，以进一步了解其一系列的膜气体分离特性 (CO2渗透率和CO2/CH4选择性)，最后分析并提出了延长膜寿命的建议。

研究背景

与其他化石燃料相比，天然气具有更低的资本支出和碳排放量，以及更高的热效率等诸多优点。而在使用天然气时通常需要将杂质CO₂和H₂S等酸性气体从天然气中分离出来，以防止管道腐蚀。当前，从天然气中去除CO₂的普遍方法是在吸收单元中使用链烷醇胺溶剂，这种技术占天然气去除CO₂技术的70％。胺基吸收过程如图1所示。

图1. 胺独立工艺的简化工艺流程图

胺的独立工艺又受高昂的运营和维护成本所影响，其高运行成本主要与从再生器中的胺中去除酸性气体的热负荷要求有关。为了确保最佳性能，需要仔细监控胺基溶剂的加热和冷却步骤以及胺的降解，以避免设备故障。在各种从天然气中去除酸性气体的潜在替代技术中，膜技术因其简单性和较低的运行成本而脱颖而出。

最近，有研究者提出将高流速和高酸性气体含量的两种方法结合起来，其中在将酸性气体引入胺法之前安装膜单元 (图2)。在该系统中，膜单元可从进料原料气中除去一部分酸性气体。因此，以较低的酸性气体含量向胺单元进料，可以减少胺的投资和运营成本。

图2. 混合膜/胺工艺的简化工艺流程图

研究过程

在脱硫过程中，对研究混合工艺的可行性起重要影响的因素有酸性气体渗透率、CO₂/CH₄和H₂S/CH₄的选择性、进料侧与渗透侧之间的压力比、进料气流量、进料中的酸性气体含量、膜工艺中酸性气体的去除率、原料气中的碳氢化合物含量、膜工艺设计、膜组件设计。

本文主要从气体条件、膜性能、胺类溶剂种类及选择、总资本投资 (胺工艺建设成本、膜单元建设成本、固定资本投资和流动资本投资)、实际操作费用 (膜操作成本、胺操作成本和其他一般营运费用)、现金流和收入这几个方面对该混合工艺进行经济上的可行性研究分析。最终得出在20和30的压力比下，混合工艺对于合理的膜性能值在经济上是可行的。在实验条件下，所需的最低CO₂渗透率为200 GPU，CO₂/CH₄选择性应大于15。图3中带图案的矩形表示压力比大于20时膜性能的可接受范围。

图3. 不同膜性能条件下混合工艺的可行性

研究结果

本文提供了有关在天然气脱硫的混合膜/胺工艺中应用超玻璃膜的综合经济研究。将该混合工艺与更传统的独立胺吸收技术进行了比较，以了解其一系列的膜气体分离特性，并提出了延长膜使用周期的建议。这些建议可以推动未来对生产具有抗老化性能 (即，随着时间的推移保持目标渗透率和选择性) 的超玻璃态聚合物的混合基质膜作为薄膜纳米复合膜的研究。对于酸性气体含量为28％ (8％的CO₂和20％的H₂S) 的选定天然气组成，发现CO₂渗透率为200 GPU，CO₂/CH₄选择性为16是最佳目标。在现场条件下测试，CO₂渗透率为200 GPU，CO_2/CH₄选择性为16的情况下，可以使用超玻璃膜来进行天然气脱硫。通常，当酸性气体含量高于20％时，在600 psi的进料压力下，混合工艺比单独使用胺的混合工艺更加可行，将CO₂/CH₄选择性提高一倍比将CO₂渗透率提高一倍效果更佳。此外，还发现膜打滑成本和膜更换率对混合工艺有较大影响，这突出了延长膜寿命的重要性。

期刊介绍

Membranes (ISSN 2077-0375; IF 3.094) 是MDPI组织出版的国际型开放获取期刊，出版与膜科学相关基础理论和应用方面的科技论文。期刊研究范围涵盖非生物膜和生物膜科学和技术，包括膜动力学、膜的制备和表征及其在化工、环境、能源、医学和食品工业中的应用等方向，包括膜化学、物理、工程和生物学等研究领域。目前期刊已被SCIE、Scopus、Ei Compendex、SciFinder和Polymer Library等数据库收录。Membranes采取单盲同行评审，一审审稿周期约为11.5天，文章从接收到发表上线仅需2.7天。