УСТАНОВКА МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВОЙ СМЕСИ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к мембранным установкам разделения газовых смесей высокого давления и может использоваться в химической, нефтяной, газовой, а также других отраслях промышленности. В частности, полезная модель предназначена для разделения гелийсодержащего газа высокого давления, который прошел комплексную подготовку и является кондиционным, а именно выполнены общие требования по удалению механических примесей и по температуре точки росы относительно воды и углеводородов.
Исходные газовые смеси, подлежащие газоразделению также могут быть низконапорными, в этом случае потребуется предварительное компримирование и подготовка газа перед мембранным разделением.
По содержанию гелия в природном газе, месторождения подразделяются на богатые (объемная доля более 0,5%), рядовые (объемная доля от 0,1% до 0,5%) и бедные (объемная доля менее 0,1%). Гелий является потенциальным стратегическим сырьевым компонентом, именно поэтому актуальным остается вопрос о применении таких технических решений, которые позволят значительно снизить его потери с реализуемым, в том числе на экспорт, природным газом и обеспечить его хранение или переработку в самостоятельный товарный продукт.
Для решения подобной задачи могут успешно применяться мембранные газоразделительные устройства, в частности полимерные мембраны с достаточно хорошей селективностью по паре “гелий-метан”.
Технические решения компоновки мембранных установок достаточно широко известны и имеют несколько вариантов исполнения - многокаскадные, многоступенчатые, гибридные и другие.
Примером каскадного выполнения установки с разделением на несколько секций может служить классическая рециркуляционная схема двух-каскадного мембранного устройства последовательного типа [1, 2] в которой исходный низконапорный поток газовой смеси после головного компрессора подается на вход первого мембранного устройства (первую секцию). Остаточный, не проникший через мембрану поток (ретентат) первой секции, подается на вход второго мембранного устройства (второй секции), а проникший через мембрану поток (пермеат) первой секции выводится в качестве отбора извлеченных газовых компонент. Низконапорный пермеат второй секции возвращается (рецикл) на всас головного компрессора и вместе с исходным газом поступает на первую секцию, а остаточный поток также является отбором очищенной газовой смеси.
Здесь и далее под единичным мембранным устройством понимается от одного до нескольких мембранных модулей, соединенных параллельным и/или последовательным способом, но имеющих один общий выход очищенной газовой смеси (ретентат) и один общий выход газовой смеси с извлеченными компонентами (пермеат).
2
Подобное решение в одну ступень с последовательным расположением двух мембранных устройств с рециклом пермеата второй секции, применяется в основном для извлечения среднепроникающих через мембрану целевых компонент, например, CO из природного газа.
Для более эффективного извлечения целевых газовых компонент из природного газа (особенно легкопроникающих, например гелия), предпочтительным вариантом использования являются, как минимум двухступенчатые мембранные установки.
Известна установка для осушки природного газа (патент RU №109989 от 10.11.2011) в которой разделение газовых смесей происходит с помощью полупроницаемых мембран. Установка содержит два мембранных устройства (соответственно первой и второй ступени) с полостями высокого и низкого давления, каналы продувки полостей низкого давления, компрессор, холодильник, сепаратор и трубопровод сброса. Установка снабжена двумя запорно-регулирующими устройствами. Каналы продувки выполнены с возможностью обеспечения непрерывной подачи части непроникшего в мембранных модулях газового потока в полость его низкого давления. Трубопровод отвода непроникшего во втором мембранном модуле газового потока подключен к выходному трубопроводу. Из полости низкого давления второго мембранного модуля газовый поток подается по второму трубопроводу через открытое первое запорно-регулирующее устройство на всас компрессора, при этом второе запорно-регулирующее устройство, установленное в трубопроводе сброса, закрыто. Осуществляется рецикл пермеатного потока второй ступени мембранного разделения.
Такая установка предназначена для осушки природного газа от воды и тяжелых углеводородов. Недостатками является то, что ухудшается концентрация извлекаемого целевого продукта посредством его разбавления продувочным газом. Кроме того, наличие каналов продувки полости низкого давления способствует увеличению массового расхода газового потока на компрессор, что приводит к повышению потребляемой мощности и металлоемкости оборудования.
Известна установка очистки природного газа от гелия (патент RU №103744 от 27.04.2011) которая содержит мембранные устройства с полостями высокого и низкого давления, разделенными полупроницаемой мембраной. Стабильную работу устройства обеспечивает, в том числе, и нагреватель, установленный непосредственно перед мембранным модулем. Однако в данной установке требуется внешний источник подогрева, что является существенным недостатком.
Известна установка очистки природного газа высокого давления от гелия (патент RU №114423 от 27.03.2012), которая выбрана в качестве прототипа. В установке реализована двухступенчатая схема мембранного газоразделения без рециклов, с одним межступенчатым компрессором и компрессорным агрегатом для повышения давления низконапорного пермеата второй ступени. Установка содержит две ступени мембранного газоразделения, каждая ступень состоит из единичных мембранных устройств (в описании к патенту в авторском изложении - «двух мембранных модулей»). Каждое мембранное устройство содержит мембранные модули с полостями высокого и низкого давления, разделенными полупроницаемой мембраной, один подводящий трубопровод высокого давления, два отводящих трубопровода - для низконапорной газовой смеси с повышенным содержанием гелия и для очищенного от гелия природного газа высокого давления. Таким образом, полость высокого давления первого мембранного модуля с одной стороны сообщена с подводящим трубопроводом, а с другой стороны с выходным трубопроводом, отводящим очищенный природный газ. Полость низкого давления первого мембранного модуля соединена трубопроводом отвода проникшего газа, в котором установлен первый компрессор, с полостью высокого давления второго мембранного модуля, подключенную с другой стороны к трубопроводу отвода непроникшей газовой смеси, при этом полость низкого давления второго мембранного модуля соединена вторым трубопроводом отвода проникшего газа с входом второго компрессора. Трубопровод отвода непроникшей газовой смеси в полости высокого давления второго мембранного модуля подключен к выходному трубопроводу, а к выходу второго компрессора подключен трубопровод отвода газовой смеси с повышенным содержанием гелия.
Недостатками такой установки является то, что на первой ступени концентрация гелия снижается примерно в 10-20 раз с умеренной долей потока пермеата и этого, как правило, достаточно для гелийсодержащих месторождений природного газа с концентрацией гелия 0,10-0,80% мольн. Однако, на второй ступени, чтобы объединить два потока подготовленного газа, необходимо снизить концентрацию гелия уже примерно в 100-200 раз, так как на вход второй ступени поток газа будет иметь существенно повышенную концентрацию гелия. Такой вариант труднодостижим на второй ступени, требует дополнительных решений, например, существенное увеличение площади мембранного разделения на второй ступени и увеличение отбора в пермеат, что приведет к увеличению нагрузки на компрессор, снизит концентрацию гелия на выходе и значительно увеличит потерю природного газа.
В заявляемой полезной модели реализована двухступенчатая схема установки мембранного разделения газовой смеси высокого давления, в которой вторая ступень выполнена двухсекционной и осуществляется рецикл пермеата второй секции. Секции расположены последовательно и имеют различное целевое использование их пермеатных потоков.
Полученный технический результат заключается в повышении степени извлечения целевого компонента из газовой смеси, например, гелия из природного газа, и ресурсосбережении, а именно минимизации совокупного показателя: потери метана в сочетании с эксплуатационными затратами на энергоемкость компрессорного оборудования.
Технический результат достигается за счет того, что в установке мембранного разделения газовой смеси высокого давления, содержащей мембранные устройства первой и второй ступени включающие мембранные модули с полостями высокого и низкого давления, разделенные полупроницаемой мембраной, межступенчатый компрессор, холодильник, сепаратор, нагреватель, при этом полость высокого давления мембранных модулей первой ступени с одной стороны сообщена с подводящим трубопроводом, с другой стороны с трубопроводом выходного потока подготовленного газа первой ступени, полость низкого давления мембранных модулей первой ступени сообщена с трубопроводом отвода пермеатного потока первой ступени, соединенным с всасывающим трубопроводом межступенчатого компрессора, выход которого сообщен напорным трубопроводом, в котором последовательно установлены холодильник, сепаратор, нагреватель, с полостью высокого давления мембранного устройства второй ступени, подключенной с другой стороны к трубопроводу отвода потока подготовленного газа второй ступени, мембранное устройство второй ступени содержит, по меньшей мере, две последовательно расположенные секции, при этом полость низкого давления мембранных модулей первой секции подключена к трубопроводу отвода пермеатного потока, полость низкого давления мембранных модулей второй секции сообщена трубопроводом отвода пермеатного потока с трубопроводом отвода пермеатного потока мембранного устройства первой ступени, кроме этого нагреватель выполнен в виде рекуперативного теплообменника который подключен к трубопроводу подачи нагревающей среды и трубопроводу отвода нагревающей среды которые соединены с напорным трубопроводом межступенчатого компрессора, а по нагреваемой среде подключен к выходному трубопроводу сепаратора, причем на участке нагнетательного трубопровода межступенчатого компрессора между трубопроводом подачи нагревающей среды и трубопроводом отвода нагревающей среды расположено первое запорно-регулирующее устройство, а второе запорно-регулирующее устройство расположено на трубопроводе подачи нагревающей среды в рекуперативный теплообменник.
Более подробно заявленное техническое решение поясняется чертежом, на котором изображена схема двухступенчатой установки мембранного разделения газовой смеси высокого давления с рециклом пермеата второй секции второй ступени.
Указанные на чертеже позиции обозначают следующие элементы компоновки технологического оборудования:
1 - подводящий трубопровод кондиционного природного газа высокого давления; 2 - фильтр тонкой очистки по механическим примесям; 3 - трубопровод природного газа для подачи на вход первой ступени мембранного газоразделения; 4 - мембранное устройство первой ступени; 5 - выходной трубопровод потока подготовленного газа первой ступени с допустимой остаточной концентрацией извлекаемых газовых компонент, 6 - трубопровод отвода низконапорного пермеатного потока первой ступени, 7 - всасывающий трубопровод межступенчатого компрессора, 8 - межступенчатый компрессор, 9 - напорный трубопровод межступенчатого компрессора, 10 - первое запорно-регулирующее устройство, 11 - второе запорно-регулирующее устройство, 12 - трубопровод подачи нагревающей газовой среды, 13 - трубопровод отвода нагревающей среды, 14 - подводящий трубопровод к холодильному оборудованию, 15 - холодильник, например аппарат воздушного охлаждения, 16 - трубопровод охлажденного потока газа, поступающего на сепаратор, 17 - сепаратор типа «газ-жидкость», 18 - трубопровод отвода жидкой фракции из сепаратора, 19 - выходной трубопровод сепаратора, 20 -нагреватель, например, рекуперативный теплообменник, 21 - трубопровод подачи подогретого газового потока на мембранное устройство первой секции второй ступени, 22 - фильтр тонкой очистки, 23 - трубопровод природного газа с требуемой степенью очистки по механическим примесям на вход второй ступени мембранного газоразделения, 24 - мембранное устройство первой секции второй ступени, 25 - трубопровод отвода низконапорного пермеатного потока первой мембранной секции второй ступени, 26 - трубопровод отвода потока из полости высокого давления предварительно подготовленного газа первой секции второй ступени, 27 - мембранное устройство второй секции второй ступени, 28 - трубопровод отвода потока подготовленного газа второй ступени с допустимой остаточной концентрацией извлекаемых газовых компонент, 29 - трубопровод отвода низконапорного пермеатного потока второй секции второй ступени, 30 - трубопровод объединенного выходного потока подготовленного товарного газа с допустимой остаточной концентрацией извлекаемых газовых компонент, 31 - дожимной компрессор, 32 - подводящий трубопровод к холодильному оборудованию, 33 - холодильник, например аппарат воздушного охлаждения, 34 - трубопровод охлажденного потока газа, поступающего на сепаратор, 35 - сепаратор типа “газ-жидкость”, 36 - трубопровод отвода жидкой фракции из сепаратора, 37 - выходной трубопровод сепаратора с газовым потоком, в составе которого находятся при требуемом давлении и в предварительно сконцентрированном состоянии извлеченные газовые компоненты.
Мембранное устройство первой ступени содержит одну или несколько конструктивных стоек с параллельно-подключенными мембранными модулями, которые разделены полупроницаемой мембраной на полость высокого и низкого давления. Мембранное устройство второй ступени имеет каскадное исполнение в виде, как минимум двух, последовательно расположенных секций.
Входной поток на установку также может распределяться на несколько параллельно подключенных мембранных устройств первой ступени с идентичными газоразделительными свойствами используемых мембран. В этом случае распределение потоков будет осуществляться через регуляторы расходов (на чертеже не показаны) с целью равномерной подачи питания на каждое мембранное устройство первой ступени.
Установка мембранного разделения газовой смеси высокого давления работает следующим образом.
Для данной полезной модели в качестве примера приведем вариант работы установки со следующими исходными данными. Концентрация по гелию входного газового потока примерно 0,50% молн. Остаточная концентрация по гелию выходного газового потока - не более 0,05% молн. Абсолютное рабочее давление газа на входе в установку 10,0 МПа, номинальное давление пермеата в мембранных модулях 0,15 МПа и температура мембранного газоразделения 50°C. Для пояснений рассмотрим идеализированную бинарную газовую смесь, состоящую только из метана и гелия. Идеальную селективность мембран по паре «гелий-метан» возьмем на уровне 80.
Кондиционный входной гелийсодержащий газовый поток по трубопроводу 1, пройдя фильтр тонкой очистки 2, поступает на мембранное устройство 4 первой ступени. Непосредственное извлечение гелия из природного газа происходит на мембранных картриджах расположенных внутри мембранных модулей.
После извлечения в пермеат целевых газовых компонент, в выходной поток первой ступени по трубопроводу 5 проходит порядка 93,5% от входного потока газа с лимитированной остаточной концентрацией гелия не более 0,05% мольн. По трубопроводу 6 выходит низконапорный пермеатный поток первой ступени с извлеченным гелием. В трубопроводе 6 расход газа порядка 6,5% от входного потока, в составе которого еще достаточно много метана (примерный компонентный состав: метана 93,0% мольн. и гелия 7,0% мольн.).
Поскольку поток пермеата после первой ступени низконапорный, а доля метана в нем еще существенна, то для дальнейшего извлечения гелия и высвобождения товарного метана он направляется на компримирование в межступенчатый компрессор 8 для дальнейшего мембранного разделения на второй ступени.
Дополнительно, к пермеатному потоку первой ступени добавляется часть низконапорного газа поступающего по трубопроводу 29 от пермеата второй секции второй ступени (частичный рецикл), при этом, в объединенном потоке концентрация гелия не снижается, а несколько увеличивается, происходит дополнительное концентрирование. Объединенный низконапорный поток направляется по всасывающему трубопроводу 7 в межступенчатый компрессор 8 с целью дальнейшего мембранного разделения на второй ступени с концентрацией гелия уже несколько выше 7,0% мольн. за счет добавления рециркулирующего потока с более высокой концентрацией гелия.
Горячий газ, с температурой примерно от 100 до 150°C после компримирования на межступенчатом компрессоре 8, направляется по напорному трубопроводу 9 на регулируемое деление потоков с помощью запорно-регулирующих устройств 10 и 11.
В случае когда первое запорно-регулирующее устройство 10 находится в положении «закрыто», а второе запорно-регулирующее устройство 11 находится в положении «открыто», газ по трубопроводу нагревающей среды 12 направляется в рекуперативный теплообменник 20, по трубопроводу отвода нагревающей среды 13 и далее по трубопроводу 14 поступает в холодильник 15, например аппарат воздушного охлаждения, где охлаждается до требуемой температуры с целью подачи по трубопроводу 16 в сепаратор 17 типа «газ-жидкость». Извлечение гелия из природного газа сопровождается дополнительной осушкой природного газа по воде, то есть в сепараторе 17 выпадает после охлаждения сконденсированная вода в виде жидкой фракции при повышении влажности потока газа, поступающего на установку. Удаление воды в жидкой фазе осуществляется с помощью дренажного отвода 18. Охлажденный поток газа из сепаратора 17 с температурой меньше рабочей, например 20°C, проходящий по выходному трубопроводу 19, имеет порядка 100% влажности и является нагреваемой средой для рекуперативного теплообменника 20.
Нагреватель, выполненный в виде рекуперативного теплообменника 20, установлен на выходном трубопроводе 19 для предотвращения крайне нежелательного для мембранного процесса газоразделения случайного попадания на мембрану второй ступени аэрозольной мелкодисперсной капельной жидкости (тумана). Температура потока газа на выходе из рекуперативного теплообменника повышается до рабочей температуры 50°C.
Изменение проходного сечения запорно-регулирующих устройств 10 и 11 позволяет регулировать степень подогрева потока газа в рекуперативном теплообменнике, что расширяет функциональные возможности установки и позволяет поддерживать рабочую температуру газа в трубопроводе 21 с обеспечением отсутствия мелкодисперсной капельной жидкости в виде тумана на входе во вторую ступень установки.
Далее по трубопроводу 21 подачи подогретого газового потока, пройдя через фильтр тонкой очистки 22, скомпримированный пермеат первой ступени вместе с рециркулирующей частью пермеатного потока второй ступени поступает на вход мембранного устройства второй ступени. Входная концентрация гелия на вторую ступень в трубопроводе 23 составляет порядка 7% мольн. и более, однако требование по остаточной концентрации гелия в трубопроводе 28 не более 0,05% молн.
Таким образом, на второй ступени необходимо снизить концентрацию гелия уже более чем в 140 раз. Реализовать с помощью мембранного газоразделения такое снижение концентрации гелия на второй ступени, включающей только одну секцию весьма проблематично для большинства коммерчески доступных мембран. Усугубляет ситуацию и повышенная входная концентрация гелия на второй ступени, что может привести к уменьшению удельной производительности мембран второй ступени по сравнению с мембранами первой ступени. Этими факторами объясняется применение в заявляемой установке на второй ступени каскадного варианта мембранного газоразделения в виде, как минимум, двух последовательных секций.
Исполнение мембранного устройства второй ступени в виде каскада из двух последовательных секций позволяет получить два пермеатных потока, неравнозначных по концентрации гелия. Для увеличения совокупного эффекта по энергозатратам на компримирование и ресурсосбережение (потери метана в составе потока пермеата первой секции в трубопроводе 25) необходимо рациональное распределение нагрузок между двумя последовательными секциями второй ступени по снижению концентрации гелия. Требования по снижению концентрации гелия к первой секции второй ступени меньше, чем аналогичные требования ко второй секции, что приводит к наибольшему заявленному техническому эффекту.
На первой мембранной секции второй ступени 24 концентрация гелия снижается с 7,32% мольн., например, до 1,0% мольн. Доля пермеата первой секции второй ступени в трубопроводе 25 составляет около 10,0% от потока в трубопроводе 23. Пермеат первой секции второй ступени с высокой концентрацией гелия, порядка 64,3% мольн., выводится по трубопроводу 25 с последующим компримированием до требуемого давления на дожимном компрессоре 31 из установки как отдельный продукт.
Технологический прием по разбиению второй ступени на две последовательные секции (каскадный вариант) не снижает общей производительности установки в целом, так как отсутствуют рециркуляционные потоки на вход всей установки. Это позволяет отобрать основную массу гелия на первой секции второй ступени с примерным снижением концентрации гелия в 7,32 раза, и дополнительно довести его концентрацию до требуемой величины не более 0,05% мольн. на второй секции с дополнительным снижением концентрации гелия еще в 20 раз.
Функциональное назначение второй секции второй ступени заключается в следующем: довести извлечение гелия до требуемой остаточной концентрации не более 0,05% мольн.; рециркулирующим потоком пермеата по трубопроводу 29 несколько повысить концентрацию гелия на входе во вторую ступень мембранной установки (дополнительное обогащение); снизить концентрацию гелия на первой секции второй ступени и тем самым сократить потери метана, увеличивая выход товарного газа.
Выход товарного газа из установки в трубопроводе 30 с допустимой остаточной концентрацией гелия не более 0,05% молн. составляет примерно 99,3% от входного потока. Второй выход из установки по трубопроводу 37 соответствует 0,7% входного потока и содержит извлеченный гелий с концентрацией порядка 64,3% мольн., то есть концентрация метана в нем на уровне 35,7% мольн., что эквивалентно потери метана вместе с извлеченным гелием на уровне 0,25% его входного потока.
Более того, количество последовательных секций на второй ступени можно увеличить до трех, при этом пермеатные потоки второй и третьей секций объединяются и направляются по рециклу по тому же принципу на всас межступенчатого компрессора. Технологическая схема установки с тремя последовательными секциями на второй ступени будет полностью соответствовать поясняющему заявленное техническое решение чертежу, так как на второй ступени по-прежнему будет оставаться два пермеатных потока. Такое компоновочное выполнение установки несколько увеличит нагрузку на межступенчатый компрессор, но даст еще больший эффект по снижению потерь метана в составе отводимого по трубопроводу 25 пермеатного потока первой секции второй ступени, а концентрация гелия в нем может превысить 80% мольн.
Использование трех и более последовательных секций на второй ступени целесообразно с учетом концентрации гелия поступающего на вторую ступень, режимов давлений, температур, а также свойств применяемых мембран по производительности и селективности.
Последующее использование газового потока с извлеченными компонентами, включая гелий, может применяться, например, для:
- хранения и накопления путем закачки пермеата в продуктивный пласт гелийсодержащего месторождения или в специализированное подземное хранилище газа;
- очистки от посторонних газовых примесей с целью получения гелиевого концентрата как исходного сырья для получения товарного гелия с применением адсорбционно-криогенных технологий;
- дальнейшего концентрирования с целью высвобождения метановой составляющей, а также для иных технологических целей.
2
2
Также данная полезная модель может использоваться для извлечения водорода из природного газа и для уменьшения в природном газе содержания CO, CO, HS с применением мембран, обладающих хорошей химической стойкостью к этим газовым компонентам. Сопутствующий эффект будет иметь место и в дополнительной глубокой осушке природного газа, поступающего на установку, так как для большинства мембран селективность по паре «вода-метан» достаточно высокая.
Следует добавить что, в предложенной установке за счет рецикла немного повышается нагрузка на межступенчатый компрессор 8, но при этом снижается нагрузка на дожимной компрессор 31. Математическое моделирование показало, что суммарное увеличение энергозатрат из-за рецикла является весьма незначительным (единицы процентов по сравнению с прототипом), а количество сохраненного метана, если его рассматривать как топливный газ, может в несколько десятков раз превышать эти дополнительные энергозатраты.
Предложенная установка относительно проста в исполнении. Техническое решение, реализуемое заявленной полезной моделью, позволяет в достаточной мере извлекать целевые компоненты в нужном объеме, например, гелий из природного газа, при этом уменьшать потерю метана сохранив его для подачи в магистральный газопровод в качестве товарного газа, а с точки зрения ресурсо- и энергосбережения, является наиболее оптимальным и эффективным.
Источники информации:
1. В.К. Ежов, В.Ю. Кожевников, Н.И. Лагунцов, Г.А. Сулаберидзе, А.Н. Тюнин «Разделение газовых смесей в мембранном элементе с рециркуляцией», Теоретические основы химической технологии, 1989, том 23, №4, стр. 539, рис. 1 - Принципиальная схема элемента.
2. Н.И. Лагунцов, Е.В. Таланцева, В.В. Тепляков «Оптимизация мембранного процесса получения азота из воздуха», Теоретические основы химической технологии, 1997, том 31, №5, стр. 510, рис. 1 - Двухступенчатый газоразделитель последовательного типа.