Очистка газов с помощью мембранных технологий

Подобная очистка реализуется благодаря различнои проницаемости компонентов газовой смеси через разделительные мембраны (перегородки). Дви­жущей силой процесса является разность парциаль­ных давлении компонентов газа по обе стороны мембраны.

Эффективность мембраны определяется её удельной производительностью, т.е. количеством газа, прошедшего через единицу плошади за единицу времени. Её величина определяется как конструктивными характеристиками мембран и свойствами разде­ляемых компонентов, так и термобарическими показателями процесса. Но в любом случае, чем выше эффективность, тем ниже качество разделения исходной смеси.

Различают пористые и непористые мембраны. Первые (в случае разделения газов)имеют размер пор от 5 до 30^.10^-3 мкм. Разделение газов в них про­исходит за счет так называемой кнудсеновской диффузии. Для её осуществления необходимо, чтобы длина свободного пробега молекул была больше среднего диаметра пор мембраны, т.е. частота столкновений газовых молекул о стенки пор должна быть выше частоты взаимных столкновений молекул. Но, поскольку, средняя скорость молекул обратно пропорциональна их массе в степени 0,5; то более лёгкие молекулы будут более предпочтительнее проходить через перегородку. Производительность по­добных мембран достаточно высока, а качество разделения желает лучшего.

В непористых мембранах разделение происхо­дит за счет разной скорости диффузии компонентов через материал перегородки. Производительность подобных мембран в 2 - 3 раза ниже чем у пористых, а селективность (качество) разделения, наобо­рот, существенно выше.

Мембраны изготавливают из стекла, металлов, полимерных материалов, которым придают форму пластин, трубок, полых волокон и капилляров. При этом, важной характеристикой мембранных аппаратов является так называемая плотность установки мембраны, т.е. поверхность мембраны, приходящаяся на единицу объёма аппарата. Так, плотность ус­тановки мембран из полых волокон с наружным ди­аметром 80 - 100 мкм и толщиной стенки 15 - 30 мкм составляет 20000 м²/м³; а плоских мембран ли­шь 60 - 300 м²/м³.

Итак, для разделения газов с помощью мембран используется лишь диффузионные механизмы. Все другие виды мембранных процессов (баромембранное разделение, электромембранное разделение и т.п.) в данной области не используются.

При этом, основным недостатком данного спо­соба очистки газа является загрязнение мембран, а их очистка механическим, гидромеханическим, фи­зическим и химическим способами сложна, дорога и трудоёмка.

Для очистки нефтяного газа мембранные уста­новки впервые были применены в 1983 г. в США фирмами Sun Oil и Chevron Oil Co для выделения СО₂. Установки состоят из модулей (до 8), каж­дый из которых включает тысячи полых мембран­ных волокон толщиной в человеческий волос. На обоих концах каждого модуля имеются эпоксидные трубные решетки. Трубный пучёк окружен кожухом под которым и скапливается отделённый СО₂. Габариты установки не превышают 35 х 23 м.

Очистка газа с помощью дистилляционных методов

Среди дистилляционных процессов наиболее перспективен процесс Райана – Холмса, внедрённый в 1983 г.американской фирмой Koch Process Systems Ins и предназначенный в основном для отделения от газа СО₂ (рис.64.).

Рис.64. Технологическая схема процесса Райана – Холмса

Исходный осушенный и охлаждённый газ (по­ток I) под давлением 34,5 атм. подают в метановую колонну 1 в которой происходит отделение метана от исходной смеси. Необходимое тепло в кубовую часть поступает с помощью теплоносителя - поток III. Отделившийся метан после добавочного охлаж­дения в холодильнике 2 хладоагентом IV поступает в газовый сепаратор 3, где освобождается от увлеченного СО₂, конденсирующегося в подобных услови­ях и использующегося для орошения колонны 1. Отделённый метан с остаточным содержанием СО₂ не более 2 % потоком II выводится с установки в качестве топочного газа. Кубовая жидкость из метановой колонны поступает в углекислотную колонну 4, ра­ботающую при 24 - 30 атм. Товарный СО₂, содержащий Н₂S не более 0,005 %, потоком V выводится с установки. А кубовая жидкость направляется в ко­лонну 7, где отгоняются лёгкие углеводороды с остатками С0₂ и Н₂S. Кубовый остаток (С_4+высш) направляется на установку аминовой очистки и потоком VIII выводится с установки. Часть этих углеводоро­дов добавляется в шлемовую линию колонны 1 и на верхние тарелки колонны 4 для предотвращения за­мерзания СО₂, разрушения азеотропной смеси СО₂-этан и повышения температуры разгонки.

Сероводород с остатками углекислого газа и увлеченными углеводородами из колонны 7 после ох­лаждения водой в теплообменнике 8 разделяется в сепараторе 9. Кислые газы, освобождаются от угле­водородов на установке 10 и выводятся в качестве товарного продукта, а углеводородов, скопившихся в сепараторе 9 хватает для орошения колонны 7.

№ 4