Мембранное разделение газов

Газовые смеси можно эффективно разделять с помощью синтетических мембран, изготовленных из полимеров, таких как полиамид или ацетат целлюлозы , или из керамических материалов.

Мембранный картридж

Хотя полимерные мембраны экономичны и технологически полезны, они ограничены своими характеристиками, известными как предел Робсона (проницаемостью необходимо пожертвовать ради селективности и наоборот). Этот предел влияет на использование полимерных мембран для отделения CO ₂ от потоков дымовых газов, поскольку массоперенос становится ограниченным, а отделение CO ₂ становится очень дорогим из-за низкой проницаемости. Мембранные материалы распространились на диоксид кремния , цеолиты , металлоорганические каркасы и перовскиты из-за их сильной термической и химической стойкости, а также высокой настраиваемости (способности модифицироваться и функционализироваться), что приводит к повышенной проницаемости и селективности. Мембраны можно использовать для разделения газовых смесей, где они действуют как проницаемый барьер, через который разные соединения движутся с разной скоростью или не движутся вообще. Мембраны могут быть нанопористыми, полимерными и т. д., и молекулы газа проникают в них в зависимости от их размера, коэффициента диффузии или растворимости.

Основной процесс

Разделение газов через мембрану — это процесс, управляемый давлением, движущей силой которого является разница давлений между входом сырья и выходом продукта. Мембрана, используемая в этом процессе, обычно представляет собой непористый слой, поэтому не будет серьезной утечки газа через мембрану. Производительность мембраны зависит от проницаемости и селективности. На проницаемость влияет размер пенетранта. Более крупные молекулы газа имеют более низкий коэффициент диффузии. Гибкость полимерной цепи и свободный объем полимера материала мембраны влияют на коэффициент диффузии, поскольку пространство внутри проницаемой мембраны должно быть достаточно большим, чтобы молекулы газа могли диффундировать через нее. Растворимость выражается как отношение концентрации газа в полимере к давлению газа, контактирующего с ним. Проницаемость - это способность мембраны позволять проникающему газу диффундировать через материал мембраны вследствие разницы давлений на мембране, и ее можно измерить с точки зрения скорости потока пермеата, толщины и площади мембраны, а также давления. разница через мембрану. Селективность мембраны является мерой соотношения проницаемости соответствующих газов для мембраны. Его можно рассчитать как соотношение проницаемостей двух газов при бинарном разделении.

Мембранное оборудование для разделения газов обычно закачивает газ в мембранный модуль, и целевые газы разделяются на основе разницы в диффузии и растворимости. Например, кислород будет отделяться от окружающего воздуха и собираться на стороне входа, а азот — на стороне выхода. По состоянию на 2016 год сообщалось, что мембранная технология способна производить от 10 до 25 тонн кислорода с содержанием от 25 до 40% в день.

мембраной

(а) Объемный поток через поры; (б) диффузия Кнудсена через поры; (в) молекулярное просеивание; г – диффузия раствора через плотные мембраны.

Существует три основных механизма диффузии . Первый (б) — диффузия Кнудсена — имеет место при очень низких давлениях, когда более легкие молекулы могут перемещаться через мембрану быстрее, чем тяжелые, в материале с достаточно большими порами. Второй (c), молекулярное просеивание , представляет собой случай, когда поры мембраны слишком малы, чтобы пропустить один компонент, - процесс, который обычно непрактичен при работе с газами, поскольку молекулы слишком малы для образования соответствующих пор. В этих случаях движение молекул лучше всего описывается конвективным потоком под давлением через капилляры, который количественно определяется законом Дарси . Однако более общей моделью в газовых приложениях является диффузия раствора (d), где частицы сначала растворяются на мембране, а затем диффундируют через нее с разной скоростью. Эта модель используется, когда поры в полимерной мембране появляются и исчезают быстрее по сравнению с движением частиц.

В типичной мембранной системе входящий поток сырья разделяется на два компонента: пермеант и ретентат. Пермеант – это газ, который проходит через мембрану, а ретентат – это то, что осталось от сырья. По обе стороны мембраны градиент химического потенциала поддерживается разницей давлений, которая является движущей силой прохождения молекул газа. Легкость транспортировки каждого вида количественно проницаемостью Pi _{определяется} . С предположениями об идеальном смешивании по обе стороны мембраны, законе идеального газа , постоянном коэффициенте диффузии и законе Генри , поток частиц может быть связан с разницей давлений по закону Фика :

$J_{i}={\frac {D_{i}K_{i}(p_{i}'-p_{i}'')}{l}}={\frac {P_{i}(p_{i}'-p_{i}'')}{l}}$

где (J _i ) - молярный поток частиц i через мембрану, (l) - толщина мембраны, (P _i ) - проницаемость частиц i, (D _i ) - коэффициент диффузии, (K _i ) - коэффициент Генри, и (p _я ^' ) и (p _i ^" ) представляют парциальные давления частиц i на стороне подачи и проницаемости соответственно. Произведение D _i K _i часто выражается как проницаемость вида i на конкретной используемой мембране.

$P_{i}=D_{i}K_{i}$

Поток второго вида j можно определить как:

$J_{j}={\frac {P_{j}(p_{j}'-p_{j}'')}{l}}$

Упрощенная схема процесса мембранного разделения.

С помощью приведенного выше выражения можно достаточно определить мембранную систему для бинарной смеси. можно видеть, что общий поток через мембрану сильно зависит от соотношения между давлениями сырья и пермеата. Коэффициент давления подачи (p ^' ) избыточное давление пермеата (p ^" ) определяется как степень мембранного давления (θ).

$\theta ={\frac {P'}{P''}}$

Из вышеизложенного ясно, что поток частиц i или j через мембрану может происходить только тогда, когда:

$p_{i}'-p_{i}''=p'n_{i}'-p''n_{i}''\neq 0$

Другими словами, мембрана будет испытывать поток через нее, когда существует градиент концентрации между сырьем и пермеатом. Если градиент положительный, поток пойдет от сырья к пермеату, и частица i будет отделена от сырья.

$p'n_{i}'-p''n_{i}''>0\rightarrow {\frac {n_{i}''}{n_{i}'}}\leq {\frac {p'}{p''}}$

Следовательно, максимальное разделение видов i происходит за счет:

$n_{i}'',max''={\frac {p'}{p''}}n_{i}'=\theta n_{i}'$

Другим важным коэффициентом при выборе оптимальной мембраны для процесса разделения является селективность мембраны α _ij, определяемая как отношение проницаемости частиц i по отношению к частицам j.

$\alpha _{ij}={\frac {P_{i}}{P_{j}}}$

Этот коэффициент используется для обозначения уровня, до которого мембрана способна отделять виды i от j. Из приведенного выше выражения очевидно, что селективность мембраны, равная 1, указывает на то, что мембрана не имеет возможности разделить два газа, причина в том, что оба газа будут одинаково диффундировать через мембрану.

При разработке процесса разделения обычно соотношение давлений и селективность мембраны определяются давлением системы и проницаемостью мембраны. Уровень разделения, достигаемый мембраной (концентрация разделяемых веществ), необходимо оценивать на основе вышеупомянутых параметров конструкции, чтобы оценить экономическую эффективность системы.

мембраны

Концентрацию видов i и j через мембрану можно оценить на основе их соответствующих диффузионных потоков через нее.

$n_{i}''={\frac {J_{i}}{\sum {J_{k}}}},\quad n_{j}''={\frac {J_{j}}{\sum {J_{k}}}}$

В случае бинарной смеси концентрация частиц i через мембрану:

$n_{i}''={\frac {J_{i}}{J_{i}+J_{j}}}$

Это можно расширить, чтобы получить выражение вида:

$n_{i}''=n_{i}''(\phi ,\alpha _{ij},n_{i}^{'})$

$n_{i}''={\frac {J_{i}}{J_{i}+J_{j}}}={\frac {P_{i}(p_{i}'-p_{i}'')}{P_{i}(p_{i}'-p_{i}'')+P_{j}(n_{j}'-{\frac {1}{\phi }}n_{j}'')}}$

Используя отношения:

$p_{i}'=p'n_{i}',\quad p_{j}'=p'n_{j}'={\frac {p'}{\phi }}n_{i}'$

$p_{i}''=p''n_{i}',\quad p_{j}''=p''n_{j}''={\frac {p'}{\phi }}n_{i}''$

Выражение можно переписать как:

$n_{i}''={\frac {P_{i}p'(n_{i}'-{\frac {1}{\phi }}n_{i}'')}{P_{i}p'(n_{i}'-{\frac {1}{\phi }}n_{i}'')+P_{j}p'(n_{j}'-{\frac {1}{\phi }}n_{j}'')}}$

Затем используя $n_{j}'=1-n_{i}'\quad and\quad n_{j}''=1-n_{i}''$

$n_{i}''={\frac {P_{i}p'(n_{i}'-{\frac {1}{\phi }}n_{i}'')}{P_{i}p'(n_{i}'-{\frac {1}{\phi }}n_{i}'')+P_{j}p'((1-n_{i}')-{\frac {1}{\phi }}(1-n_{i}''))}}$

$(1-\alpha )(n_{i}'')^{2}+(\phi +\phi (\alpha -1)n_{i}'+\alpha -1)n_{i}''-\alpha \phi n_{i}'=0$

Решение приведенного выше квадратичного выражения можно выразить как:

$n_{i}={\frac {-(\phi +\phi (\alpha -1)n_{i}'+\alpha -1)\pm {\sqrt {\phi +\phi (\alpha -1)n_{i}'+\alpha -1)^{2}+4(1-\alpha )\alpha \phi n_{i}'}}}{2(1-\alpha )}}$

Наконец, выражение для концентрации проникающего вещества получается следующим образом:

$n_{i}''(\phi \alpha n_{i}')={\frac {\phi }{2}}\left(n_{i}'+{\frac {1}{\phi }}+{\frac {1}{\alpha -1}}-{\sqrt {\left(n_{i}'+{\frac {1}{\phi }}+{\frac {1}{\alpha -1}}\right)^{2}-{\frac {4\alpha n_{i}'}{(\alpha -1)\phi }}}}\right)$

Вдоль блока разделения концентрация сырья снижается по мере диффузии через мембрану, что приводит к соответствующему снижению концентрации на мембране. В результате общий поток проникающего вещества (q" _out ) получается в результате суммирования диффузионного потока через мембрану от входа подачи (q' _in ) до выхода подачи (q' _out ). Массовый баланс на разной длине следовательно, единица разделения:

$q'(x)=q'(x+dx)+\int _{x}^{x+dx}q''(x)dx$

где:

$q''(x)=J_{i}(x)+J_{j}(x)$

Из-за бинарной природы смеси необходимо оценить только один вид. Задав функцию n' _i =n' _i (x), видовой баланс можно переписать в виде:

$q'(x)n'_{i}(x)=q'(x+\Delta x)n'_{i}(x+\Delta x)+\int _{x}^{x+dx}q''(x)dx{\bar {n_{i}''}}$

Где:

$\int _{x}^{x+dx}q''(x)dx=\delta q'',\quad {\bar {n_{i}''}}={\frac {n_{i}''(x)+n_{i}''(x+\Delta x)}{2}}$

$\delta q''={\frac {n'_{i}(x)-n'_{i}(x+\Delta x)}{{\bar {n_{i}''}}-n'_{i}(x+\Delta x)}}q'(x)$

Наконец, площадь, необходимая на единицу длины мембраны, может быть получена с помощью следующего выражения:

$A={\frac {\delta q''}{J_{i}+J_{j}}}$

для улавливания углерода в потоках дымовых

Материал мембраны играет важную роль в ее способности обеспечивать желаемые эксплуатационные характеристики. Оптимально иметь мембрану с высокой проницаемостью и достаточной селективностью, а также важно, чтобы свойства мембраны соответствовали условиям эксплуатации системы (например, давлению и составу газа).

Синтетические мембраны изготавливаются из различных полимеров, включая полиэтилен , полиамиды , полиимиды , ацетат целлюлозы , полисульфон и полидиметилсилоксан .

Полимерные мембраны

Полимерные мембраны являются распространенным вариантом использования при улавливании CO ₂ из дымовых газов из-за зрелости технологии в различных отраслях промышленности, а именно нефтехимии. Идеальная полимерная мембрана обладает высокой селективностью и проницаемостью . Полимерные мембраны являются примером систем, в которых преобладает механизм диффузии растворов. Считается, что мембрана имеет отверстия, которые газ может растворять (растворимость), а молекулы могут перемещаться из одной полости в другую (диффузия).

В начале 1990-х годов Робсон обнаружил, что полимеры с высокой селективностью имеют низкую проницаемость, и все наоборот; материалы с низкой селективностью обладают высокой проницаемостью. Лучше всего это иллюстрируется графиком Робсона, где селективность представлена ​​как функция проникновения CO ₂ . На этом графике верхняя граница селективности является приблизительно линейной функцией проницаемости. Было обнаружено, что растворимость в полимерах в основном постоянна, но коэффициенты диффузии значительно различаются, и именно здесь происходит конструирование материала. Интуитивно понятно, что материалы с самыми высокими коэффициентами диффузии имеют более открытую пористую структуру, что приводит к потере селективности. Есть два метода, которые исследователи используют, чтобы преодолеть предел Робсона. Один из них — использование стеклообразных полимеров, фазовый переход которых и изменения механических свойств создают впечатление, что материал поглощает молекулы и, таким образом, превышает верхний предел. Второй метод расширения границ Робсона — метод облегченной транспортировки. Как указывалось ранее, растворимость полимеров обычно довольно постоянна, но метод облегченного транспорта использует химическую реакцию для повышения проницаемости одного компонента без изменения селективности.

Нанопористые мембраны

Микроскопическая модель нанопористой мембраны. Белая открытая область представляет собой область, через которую может пройти молекула, а темно-синие области представляют собой стенки мембраны. Мембранные каналы состоят из полостей и окон. Энергия молекул в полости равна U _c , а энергия частицы в окне — U _w .

Нанопористые мембраны фундаментально отличаются от мембран на полимерной основе тем, что у них другой химический состав и что они не соответствуют пределу Робсона по ряду причин. На упрощенном рисунке нанопористой мембраны показана небольшая часть примерной мембранной структуры с полостями и окнами. Белая часть представляет собой область, где молекула может двигаться, а области, заштрихованные синим, представляют собой стенки структуры. При разработке этих мембран размер полости (L _cy x L _cz ) и области окна (L _wy x L _wz ) можно изменить так, чтобы была достигнута желаемая проницаемость. Показано, что проницаемость мембраны является результатом адсорбции и диффузии. В условиях низкой нагрузки адсорбцию можно рассчитать по коэффициенту Генри.

Если предположить, что энергия частицы не меняется при движении через эту структуру, то в зависимости от размера отверстий меняется только энтропия молекул. Если мы сначала рассмотрим изменения геометрии полости, то чем больше полость, тем больше энтропия поглощенных молекул, что, таким образом, увеличивает коэффициент Генри. При диффузии увеличение энтропии приведет к уменьшению свободной энергии, что, в свою очередь, приведет к уменьшению коэффициента диффузии. И наоборот, изменение геометрии окна в первую очередь повлияет на диффузию молекул, а не на коэффициент Генри.

Таким образом, используя приведенный выше упрощенный анализ, можно понять, почему верхний предел линии Робсона не справедлив для наноструктур. При анализе коэффициенты диффузии и Генри можно изменять, не влияя на проницаемость материала, которая, таким образом, может превышать верхний предел для полимерных мембран.

Кремнеземные мембраны

Кремнеземные мембраны являются мезопористыми и могут быть изготовлены с высокой однородностью (одинаковая структура по всей мембране). Высокая пористость этих мембран обеспечивает им очень высокую проницаемость. Синтезированные мембраны имеют гладкую поверхность и могут быть модифицированы на поверхности для значительного улучшения селективности. Функционализация поверхностей кремнеземных мембран молекулами, содержащими амины (на поверхности силанольных групп), позволяет мембранам более эффективно отделять CO ₂ от потоков дымовых газов. Функционализацию поверхности (и, следовательно, химию) можно настроить так, чтобы она была более эффективной для влажных потоков дымовых газов по сравнению с сухими потоками дымовых газов. Хотя раньше кремнеземные мембраны были непрактичны из-за их технической масштабируемости и стоимости (их очень трудно производить экономичным способом в больших масштабах), были продемонстрированы простые методы производства кремнеземных мембран на полых полимерных подложках. Эти демонстрации показывают, что экономичные материалы и методы могут эффективно отделять CO ₂ и N ₂ . Мембраны из упорядоченного мезопористого диоксида кремния продемонстрировали значительный потенциал для модификации поверхности, что позволяет облегчить отделение CO ₂ . Функционализация поверхности аминами приводит к обратимому образованию карбаматов (в процессе потока CO ₂ ), что _{по CO 2 .} значительно повышает селективность

Цеолитовые мембраны

Типичный цеолит. Тонкие слои этой кристаллической структуры цеолита могут действовать как мембрана, поскольку CO ₂ может адсорбироваться внутри пор.

Цеолиты представляют собой кристаллические алюмосиликаты с регулярно повторяющейся структурой пор молекулярного размера. Цеолитовые мембраны избирательно разделяют молекулы в зависимости от размера пор и полярности и, таким образом, легко адаптируются к конкретным процессам разделения газов. Как правило, молекулы меньшего размера и молекулы с более сильными адсорбционными свойствами цеолита адсорбируются на цеолитовых мембранах с большей селективностью. Способность различать как по размеру молекул, так и по адсорбционному сродству делает цеолитовые мембраны привлекательным кандидатом для отделения CO ₂ от N ₂ , CH ₄ и H ₂ .

Ученые установили, что газофазная энтальпия (теплота) адсорбции на цеолитах увеличивается по следующей формуле: H ₂ < CH ₄ < N ₂ < CO ₂ . Принято считать, что CO ₂ обладает наибольшей энергией адсорбции, поскольку он обладает наибольшим квадрупольным моментом , тем самым увеличивая его сродство к заряженным или полярным порам цеолита. При низких температурах адсорбционная способность цеолита велика, а высокая концентрация адсорбированных молекул CO ₂ блокирует поток других газов. Поэтому при более низких температурах CO ₂ избирательно проникает через поры цеолита. Несколько недавних исследовательских усилий были сосредоточены на разработке новых цеолитовых мембран, которые максимизируют селективность CO ₂ за счет использования преимуществ явления низкотемпературного блокирования.

Исследователи синтезировали цеолитовые мембраны Y-типа (Si:Al>3), которые обеспечивают коэффициенты разделения при комнатной температуре 100 и 21 для смесей CO ₂ /N ₂ и CO ₂ /CH ₄ соответственно. Мембраны типа DDR и SAPO-34 также показали себя многообещающими в разделении CO ₂ и CH ₄ при различных давлениях и составах сырья. Мембраны SAPO-34, селективные по азоту, также являются сильными претендентами на процессы десульфурации природного газа.

Исследователи также предприняли попытку использовать цеолитовые мембраны для отделения H ₂ от углеводородов. Водород можно отделить от более крупных углеводородов, таких как C ₄ H _10, с высокой селективностью. Это происходит из-за эффекта молекулярного просеивания, поскольку поры цеолитов намного больше, чем у H ₂ , но меньше, чем у этих крупных углеводородов. Углеводороды меньшего размера, такие как CH ₄ , C ₂ H ₆ и C ₃ H ₈ , достаточно малы, чтобы их нельзя было отделить молекулярным ситом. Исследователи добились более высокой селективности по водороду при проведении разделения при высоких температурах, вероятно, в результате снижения эффекта конкурентной адсорбции.

металлоорганическим каркасом (

Были достигнуты успехи в области цеолито-имидазолатных каркасов (ZIF), подкласса металлоорганических каркасов (MOF), которые позволили им быть полезными для отделения диоксида углерода из потоков дымовых газов. Было проведено обширное моделирование, чтобы продемонстрировать ценность использования MOF в качестве мембран. Материалы MOF основаны на адсорбции и, следовательно, могут быть настроены для достижения селективности. Недостатком систем MOF является стабильность в воде и других соединениях, присутствующих в потоках дымовых газов. Отдельные материалы, такие как ЗИФ-8, продемонстрировали стабильность в воде и бензоле, которые часто присутствуют в смесях дымовых газов. ZIF-8 может быть синтезирован в виде мембраны на пористом носителе из оксида алюминия и доказал свою эффективность при отделении CO ₂ от потоков дымовых газов. CO ₂ /CH ₄ При такой же селективности по _{, что и цеолитовые мембраны Y-типа, мембраны ZIF-8 достигают беспрецедентной проницаемости для CO 2} , что на два порядка превышает предыдущий стандарт.

Структура перовскита. Мембрана будет состоять из тонкого слоя структуры перовскита.

Перовскитные мембраны

Перовскит представляет собой смешанный оксид металлов с четко определенной кубической структурой и общей формулой ABO ₃ , где A — щелочноземельный или лантанид элемент , а B — переходный металл . Эти материалы привлекательны для отделения CO ₂ из-за возможности настройки металлических центров, а также их стабильности при повышенных температурах.

Отделение CO ₂ от N ₂ исследовали с помощью мембраны из α-оксида алюминия, пропитанной BaTiO ₃ . Было обнаружено, что адсорбция CO ₂ благоприятна при высоких температурах из-за эндотермического взаимодействия между CO ₂ и материалом, способствующего подвижному CO _2, что увеличивает _{CO 2} скорость адсорбции-десорбции и поверхностную диффузию. Экспериментальный коэффициент разделения CO ₂ на N ₂ оказался равным 1,1-1,2 при температуре от 100°C до 500°C, что превышает предел коэффициента разделения 0,8, предсказанный диффузией Кнудсена . Хотя коэффициент разделения был низким из-за наблюдаемых в мембране микроотверстий, это демонстрирует потенциал перовскитных материалов с точки зрения избирательного химического состава поверхности для отделения CO ₂ .

Другие мембранные технологии

В особых случаях можно использовать другие материалы; например, палладиевые мембраны позволяют транспортировать только водород. В дополнение к палладиевым мембранам (которые обычно представляют собой сплавы палладия с серебром, предотвращающие охрупчивание сплава при более низких температурах) также предпринимаются значительные исследовательские усилия по поиску альтернатив недрагоценным металлам. Хотя медленная кинетика обмена на поверхности мембраны и склонность мембран к растрескиванию или разрушению после ряда рабочих циклов или во время охлаждения являются проблемами, которые еще предстоит полностью решить.

Строительство

Мембраны обычно содержатся в одном из трех модулей:

• Пучки полых волокон в металлическом модуле
• Спирально навитые пучки в металлическом модуле
• Пластинчато-рамочный модуль, построенный по принципу пластинчато-рамочного теплообменника.

Использует

Мембраны применяются:

• Отделение азота или кислорода из воздуха (обычно только до 99,5%)
• Отделение водорода от таких газов, как азот и метан.
• Восстановление водорода из продуктовых потоков аммиачных установок
• Восстановление водорода в нефтепереработки процессах
• Отделение метана от других компонентов биогаза
• Обогащение воздуха кислородом для медицинских или металлургических целей. Один из методов промышленного производства дыхательного газа найтрокс для подводного плавания .
• Обогащение незаполненного объема азотом в системах инертизации, предназначенных для предотвращения взрывов топливных баков
• Удаление водяного пара из природного газа и других газов
  Дополнительная информация: Мембранные сушилки.
• Удаление SO ₂ , CO ₂ и H ₂ S из природного газа (полиамидные мембраны)
• Удаление летучих органических жидкостей (ОЛ) из воздуха выхлопных потоков

Разделение воздуха

Обогащенный кислородом воздух пользуется большим спросом в ряде медицинских и промышленных применений, включая химические процессы и процессы горения. Криогенная дистилляция — это зрелая технология коммерческого разделения воздуха для производства больших количеств кислорода и азота высокой чистоты. Однако это сложный процесс, энергозатратный и, как правило, непригодный для мелкосерийного производства. Адсорбция с переменным давлением также широко используется для разделения воздуха и может также производить кислород высокой чистоты при средней производительности, но она по-прежнему требует значительного пространства, больших инвестиций и высокого энергопотребления. Мембранный метод разделения газов представляет собой относительно низкое воздействие на окружающую среду и экологически безопасный процесс, обеспечивающий непрерывное производство, простоту эксплуатации, более низкие требования к давлению/температуре и компактные размеры.

статус ₂ мембранами

Было проведено большое количество исследований по использованию мембран вместо абсорбции или адсорбции для улавливания углерода из потоков дымовых газов, однако в настоящее время эти данные отсутствуют. существуют проекты, в которых используются мембраны. Технологическое проектирование наряду с новыми разработками в области материалов показало, что мембраны обладают наибольшим потенциалом снижения затрат энергии и затрат по сравнению с конкурирующими технологиями.

Предыстория

Сегодня мембраны используются для коммерческого разделения, включающего: N ₂ из воздуха, H ₂ из аммиака в процессе Хабера-Боша , очистку природного газа и подачу нефти на третичный уровень повышения нефтеотдачи .

Одноступенчатые мембранные операции включают одну мембрану с одним значением селективности. Одноступенчатые мембраны впервые были использованы при очистке природного газа, отделяя CO ₂ от метана. Недостатком одноступенчатых мембран является потеря продукта в пермеате из-за ограничений, налагаемых единственным значением селективности. Увеличение селективности снижает количество продукта, теряемого в пермеате, но достигается за счет необходимости увеличения разницы давлений для обработки эквивалентного количества потока дымовых газов. На практике максимально экономически возможное соотношение давлений составляет около 5:1.

Чтобы бороться с потерей продукта в пермеате мембраны, инженеры используют «каскадные процессы», при которых пермеат повторно сжимается и взаимодействует с дополнительными мембранами с более высокой селективностью. Потоки ретентата могут быть переработаны, что обеспечивает лучший выход продукта.

Необходимость многоэтапного процесса

Одноступенчатые мембранные устройства не позволяют получить высокую концентрацию отделенного материала в потоке пермеата . Это связано с пределом степени перепада давления, превысить который экономически нереально. Поэтому для концентрации потока пермеата необходимо использование многоступенчатых мембран. Использование второй ступени позволяет использовать меньшую площадь мембраны и меньше мощности. Это связано с более высокой концентрацией, проходящей через вторую ступень, а также меньшим объемом газа, который перерабатывает насос. Другие факторы, такие как добавление еще одной ступени, в которой для концентрации потока используется воздух, еще больше снижают затраты за счет увеличения концентрации в потоке сырья. Дополнительные методы, такие как комбинирование нескольких типов методов разделения, позволяют варьировать разработку экономичных технологических процессов.

мембран в

Гибридные процессы разделения газов имеют давнюю историю. Обычно мембраны интегрируются в уже существующие процессы, поэтому их можно модернизировать в уже существующие системы улавливания углерода.

MTR, Membrane Technology and Research Inc. и UT Austin работали над созданием гибридных процессов, использующих как абсорбцию, так и мембраны для улавливания CO ₂ . Сначала абсорбционная колонна, использующая пиперазин в качестве растворителя, поглощает около половины углекислого газа в дымовых газах, затем использование мембраны приводит к улавливанию 90%. Также существует параллельная установка, при которой мембранные и абсорбционные процессы происходят одновременно. Как правило, эти процессы наиболее эффективны, когда в колонну абсорбции аминов поступает наибольшее количество углекислого газа. Включение процессов гибридного проектирования позволяет модернизировать работающие на ископаемом топливе . электростанции,

В гибридных процессах также могут использоваться криогенная дистилляция и мембраны. Например, водород и диоксид углерода можно разделить, сначала используя криогенное разделение газов, при котором большая часть диоксида углерода выходит первым, затем используя мембранный процесс для отделения оставшегося диоксида углерода, после чего его повторно используют для дальнейших попыток криогенного разделения.

Анализ затрат

Стоимость ограничивает соотношение давлений на стадии мембранного отделения CO ₂ до значения 5; более высокие коэффициенты давления исключают экономическую целесообразность улавливания CO ₂ с использованием мембранных процессов. Недавние исследования показали, что многоступенчатые процессы улавливания/разделения CO ₂ на основе аминов с использованием мембран могут быть экономически конкурентоспособными по сравнению со старыми и более распространенными технологиями, такими как абсорбция . В настоящее время как мембранные, так и аминные процессы абсорбции могут быть разработаны так, чтобы обеспечить степень улавливания CO ₂ 90% . Для улавливания углерода на угольной электростанции средней мощностью 600 МВт стоимость улавливания CO ₂ с использованием абсорбции на основе аминов находится в диапазоне 40–100 долларов США на тонну CO ₂ , в то время как стоимость улавливания CO ₂ с использованием современной мембранной технологии ( включая действующие схемы технологического проектирования) составляет около 23 долларов США за тонну CO ₂ . Кроме того, запуск процесса абсорбции на основе аминов на угольной электростанции мощностью в среднем 600 МВт потребляет около 30% энергии, вырабатываемой электростанцией, тогда как для запуска мембранного процесса требуется около 16% вырабатываемой энергии. Транспортировка CO ₂ (например, к местам геологической секвестрации или для использования в МУН ) обходится примерно в 2–5 долларов США за тонну CO ₂ . Эта стоимость одинакова для всех типов процессов улавливания/разделения CO ₂ , таких как мембранное разделение и абсорбция. С точки зрения долларов на тонну уловленного CO ₂ , наименее дорогостоящими мембранными процессами, изучаемыми в настоящее время, являются многостадийные . процессы противотока/очистки

См. также

• Баррер - единица газопроницаемости вне системы СИ.
• Промышленный газ - газообразные материалы, производимые для использования в промышленности.
• Первичная система жизнеобеспечения - Устройство жизнеобеспечения скафандра.
• Мембранная технология получения азота

Ссылки

• Вит, WR (1991). Диффузия внутри и сквозь полимеры . Мюнхен: Хансер Верлаг. ISBN  9783446155749 .