Закономерности переноса газообразных углеводородов через полимерные мембраны при обогащении метановоздушной смеси

СЕМИНАР 3

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99" МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99

Е.А. Ельчанинов, проф., д.т.н.,

Московский государственный горный университет

Закономерности переноса газообразных углеводородов через полимерные мембраны при обогащении метановоздушной смеси.

Традиционно разделение, очистка и обогащение смесей газов до недавнего времени осуществлялись криогенным, абсорбционным, адсорбционным и каталитическим методами. Однако за последние годы в промышленности все больше применение находят мембранные способы разделения газовых смесей, отличающиеся простотой и надежностью, экономичностью, легкостью варьирования масштаба производства. Удельные капиталовложения при создании мембранных газоразделительных установок сравнительно не велика, а срок окупаемости их незначителен.

Внедрению в промышленность мембранных методов разделения газов предшествовала большая научно-исследовательская и конструкторская работа в различных областях химии и химической технологии, в области создания полимерных мембранных материалов с заданными газоразделительными свойствами.

Активными поставщиками мембранных установок для очистки газовых смесей являются фирмы «Монсанто», «Дау Кемикл» и «Эйр Продактс» (США). Так, фирма «Монсанто» ввела в строй самую большую по производительности установку по разделению нефтяного газа, способную пропустить 83700 м3/ч. По сравнению с традиционной технологией снижается потребление энергии на 30% и в 2 раза капитальные затраты.

Несколько позднее фирмой «PЫШps Ре^о1еит Со» (США) был заявлен процесс подготовки природного газа в качестве топлива для газомотокомпрессоров.

Степень извлечения углеводородов составляет от 40 до 95%. В результате этого снижается коррозия и детонация газового двигателя, возрастает срок его службы. В газовом сепараторе использованы мембраны на основе блок-сополимеров ПДМС, в частности, мембрана МЕМ-213 фирмы «General Electric» из силоксанпо-ликарбоната.

К новым мембранным процессам газоразделения относится разделение смесей предельных углеводородов на легкую и тяжелую фракции.

В связи с этим возникает задача создания мембранного метода разделения и обогащения метановоздушных смесей из шахтных дегазационных сетей. При этом основное внимание было уделено исследованию газоразделительных характеристик мембранообразующих полимерных материалов, выбору конструкции мембранного элемента, схеме его соединения, организации газовых потоков.

Все газоразделительные мембраны условно разделены на микропористые и непористые, неорганические и органические. В микропористых мембранах имеет место кнудсеновская диффузия, характеризующаяся тем, что газ с меньшей молевой массой обладает большей скоростью и его содержание в пермеате выше. Производительность таких мембран на 23 порядка больше, чем непористых, а селективность их низка, причем при повышении температуры и снижении давления селективность этих мембран увеличивается. Повышение давления в большей степени увеличивает проницаемость газов. Следует иметь в

виду, что пределы изменения температур и давлений определяются, кроме того химической стойкостью и механической прочностью мембран. Для высокоселективных мембран лимитирующей из-за концентрационной поляризации может стать стадия внешней диффузии. Увеличение скорости газа позволяет увеличивать скорость переноса целевого компонента через мембрану.

Для непористых мембран селективность выше, чем микропористых, и определяется химической природой материала мембраны и разделяемых газов.

На основании имеющихся данных по газопроницаемости полимерных мембран было проведено численное моделирование процессов мембранного обогащения метановоздушных смесей с исходным содержанием метана 15 и 20 объемных процентов. Для этой цели была использована программа, основанная на методе расчета одноступенчатых процессов разделения. Полученные результаты представлены на рис. 1-4 и свидетельствуют о том, что мембрана типа ПВТМС не эффективна для обогащения метановоздушных смесей метаном. Максимально возможное обогащение при использовании мембраны ПВТМС колеблется возле 16 и 21 об.% при содержании метана в исходной смеси 15 и 20 об.%.

При расчете процесса для мембран типа МДК (Кусковского химического завода, НПО «Пластмассы») получено на выходе соответственно 27 и 35 об.%.

Для промышленного осуществления технологических процессов разделения необходима определенная укладка мембраны в

корпусе аппарата, обеспечивающая подачу исходного газа и отвод продуктов сепарации, что реализуется в мембранных элементах и модулях. Эффективность разделения во многом определяется их конструкцией. При этом особое внимание следует уделять учету сопротивления каналов, равномерному распределению газовых потоков вдоль поверхности мембраны, правильной структуры потоков. Конструкция газоразделительного элемента должна быть разработана исходя из свойств системы мем-брана-разделяемая смесь.

Следует учесть также, что для снижения энергозатрат потери давления исходной разделяемой смеси в мембранной газоразделительной установке должны быть сведены к минимуму. В связи с этим мембранный элемент для разделения газов должен иметь низкое сопротивление дренажного и напорного каналов.

Элементы плоского типа, имеют, как правило, более короткие дренажные каналы, отвечают этим требованиям. Сравнительный анализ существующих типов плоских элементов и модулей позволил сделать вывод о том, что более простым, надежным и технологичным являются плоскопараллельные элементы и модули. На основе этих выводов, совме-

стно с ПКБ «Пластмаш» (г. Краснодар) НПО «Полимерсинтез» (г. Владимир) разработана конструкция мембранного элемента и модуля типа МПГ (модуль плоскопараллельный газоразделительный) на его основе. Модуль представляет собой пакет размером 210-210-510 мм, состоящий из плоскопараллельных элементов.

Как уже отмечалось, экономическая эффективность мембранных процессов разделения газовых смесей определяется, главным образом, энергетическими затратами. Поэтому, важной является проблема уменьшения потерь давления исходного газового потока в мембранной установке. В связи с этим была определена зависимость сопротивления мембранного аппарата, включающего два последовательно расположенных плоскопараллельных модуля, от высоты канала для разделяемой смеси. В основу определения положена математическая модель мембранного газоразде-ления.

Как показали результаты, канал высотой более 0,3 мм оказывает незначительное сопротивление исходному потоку газовой смеси. При уменьшении высоты канала наблюдается резкое увеличение его гидродинамического сопротивления. Поэтому высота канала

принята равной 0,3 мм. При общей толщине делителя 1 мм это соответствует плотности упаковки мембраны в модуле 690 м2/м3 и плотности упаковки мембраны в аппарате 340 м2/м3.Такая плотность упаковки мембраны в газоразделительном аппарате характерна для аппаратов плоского типа.

Мембранные аппараты по конструктивным признакам разделены на четыре группы:

♦ с мембранами в виде полых волокон или капилляров;

♦ с плоскопараллельным расположением мембранных элементов;

♦ с рулонными элементами;

♦ с трубчатыми мембранными элементами.

Наибольшая плотность упаковки мембран - до 60000 м2/м3 аппарата достигается в установках с мембранами в виде полых волокон или стеклянных капилляров. Модули половолоконного типа, имеющие высокую плотность упаковки, все же имеют существенные недостатки, главными из которых являются большое гидравлическое сопротивление и нераз-борность конструкции.

© Е.А. Ельчанинов