Применение полимерных мембран

Утилизация попутного нефтяного газа является важной энергетической и экологической задачей. Однако его состав на основных нефтяных месторождениях России, включающий сотни грамм в кубометре пропан-бутановой фракции и более тяжелых углеводородов (С3+В), не позволяет его использование напрямую без дополнительной переработки.

Для транспортировки такого газа к пунктам глубокой переработки или его потребления непосредственно на месте часто необходимо понизить содержание тяжелых компонентов (так называемый процесс отбензинивания) в соответствии с требованиями нормативных документов. Так, точка росы транспортируемого газа по углеводородам должна быть не выше 263К. А для использования непосредственно на месте разработки нефтегазовых месторождений, например, в качестве топлива для газомотокомпрессоров, он должен иметь примерный состав, об.%: СН4 — не менее 80, С2Н6 — не более 10, С3Н8 — не более 2,5, С4Н10 — не более 0,5, С5Н12 и высших углеводородов — не более 0,25, N2 — не более 5.

Принципиально для решения этих задач вместо традиционных методов, например, низкотемпературной конденсации, может быть использован мембранный метод. Мембранное оборудование на основе полимерных мембран отличается компактностью, простотой и экономичностью, высокой адаптируемостью к используемым традиционным методам переработки и изменяющимся характеристикам перерабатываемого сырья.

Высокое давление исходного нефтяного газа исключает необходимость использования компрессорного оборудования. Также с применением мембранного метода может быть организовано удаление СО2 и Н2S, присутствующих в нефтяном газе, с утилизацией потока, обогащенного извлекаемыми «кислыми» компонентами, непосредственно на месторождении, например, для увеличения нефтеотдачи пластов и отработанных скважин. Наконец, применение мембранной технологии позволяет получать очищенный и осушенный до необходимых стандартов газ без дополнительной обработки его другими методами.

Транспортные и разделительные свойства полимеров и мембран

Эффективность применения мембранной технологии в процессах газоразделения определяется прежде всего транспортными характеристиками полимерных материалов и изготавливаемых из них мембран. По различным оценкам, для эффективного использования полимерных мембран для разделения нефтяного газа на легкие (СН4, С2Н6) и тяжелые (СЗ+В) фракции разница в скорости проникновения различных углеводородов должна составлять примерно 1–3 порядка.

Для стеклообразных полимеров коэффициент проницаемости монотонно уменьшается с ростом углеродного числа (за исключением, например, ПМП), а для эластичных полимеров — имеет экстремальный характер. Например, для ПДМС максимум приходится на n=5 (С5Н12).

Одни из первых исследований по оценке возможности применения таких полимеров для разделения нефтяного газа на легкую С1+2 и тяжелую С3+В фракции были проведены ВНИИГазпереработки (г.Краснодар).

В качестве объектов исследований были выбраны плоские мембраны Сигма, Силар и полые волокна из ПМП (мембрана Гравитон). Испытания показали, что в разделяемой среде проницаемость СН4, С2Н6 увеличивается при снижении проницаемости более тяжелых удаляемых компонентов (С3+В) с ухудшением разделительных характеристик процесса, более значительным для ПМП. Таким образом, необходимым условием эффективности использования полимерных мембран является, наряду с исходной селектив ностью по целевым компонентам, их химическая и механическая стабильность в разделяемой среде. Пары углеводородов могут оказывать пластифицирующее воздействие на селективные слои мембран, что приводит к обратимому или необратимому изменению свойств мембран.

Как правило, для каждого типа полимеров существуют свои, определяемые экспериментальным путем, предельно допустимые концентрации в смеси тяжелых углеводородов. Так, в случае широко используемых в промышленности мембран в форме полых волокон из полисульфона содержание углеводородов С2-6 и Н2S не должно превышать 0,1pS (давление насыщенных паров при данной температуре), а содержание воды должно быть менее 0,01%. Мембраны из ПВТМС стабильны, если содержание С2-4 ниже, чем 0,4–0,5 pS.

К настоящему времени в ЗАО НТЦ «Владипор» (г. Владимир) разработаны мембраны на основе силоксансодержащих блоксополимеров, обладающих высокой стабильностью и селективностью при разделении и фракционировании углеводородов в различных процессах переработки нефтяного и попутного газов. На их базе выпускаются мембранные элементы рулонного типа, позволяющие достигать плотности упаковки в аппарате до 800–1500 кв.м/куб.м.

Исследование сорбции и проницаемости индивидуальных н-алканов С1-С6 в таких полимерах показало, что проницаемость индивидуальных углеводородов определяется свойствами и концентрацией эластичной фазы блоксополимера, а при их совместном переносе селективность зависит от состава блоксополимера и имеет максимум в области 70% масс. эластичной фазы. Перенос модельной смеси состава (%об.): СН4 — 60–70; С2Н6 — 20–25; С3Н8 — 7–13; н-С4Н10 — 2,5–4,0; н-С5Н12 — 0,6–1,4 — в гомогенной пленке блоксополимера Карбосил (55% масс. ПДМС) при перепаде давления на мембране 1,9 МПа увеличивается в 4–6 раз по сравнению с проницаемостью индивидуальных углеводородов (при том же парциальном давлении), а значения селективности по отношению к СН4 изменяются в значительно меньшей степени. Однако заметна тенденция к увеличению селективности С2/С1 и снижению селективности С4/С1 при переносе смеси С1-5 по сравнению с переносом индивидуальных алканов.

Испытания газоразделительного аппарата с рулонным элементом на основе блоксополимера Лестосил площадью 0,45 кв.м для смеси состава (%об.) — СН4 — 83,3; С3Н8 — 12,2; С4Н10 — 4,5 — при давлениях до 1,7 МПа показали, что при общей производительности аппарата до 4 куб.м/час увеличение соотношения непроникшего к питающему потоков приводит к уменьшению проникшего потока, при этом коэффициенты селективности мембраны остаются практически постоянными.

Наблюдается симбатная зависимость проницаемости каждого из компонентов смеси от его активности в смеси и общей активности смеси. При переходе от гомогенной пленки блоксополимера к композитной мембране на его основе наблюдается снижение фактора разделения смесей предельных углеводородов, по-видимому, в основном из-за сопротивления, оказываемого подложкой мембраны, и эффекта пластификации.

Получено снижение кратности обогащения высших алканов, что, однако, не исключает возможность мембранного разделения фракций нефтяных и природных газов на преимущественно обогащенные легкими С1-2 и тяжелыми С3+В углеводородами. Установлено, что удельный поток н-алканов через пленку блоксополимера с увеличением давления пермеата снижается, причем тем больше, чем выше молекулярная масса молекул пенетранта. При этом доля углеводородов С2-5 в потоке пермеата с увеличением его давления уменьшается, а доля С1 растет.

В целом полученные результаты позволяют рекомендовать мембранные рулонные аппараты на основе мембраны Лестосил для проведения полномасштабных промышленных испытаний и уточнения ресурса его работы в зависимости от состава используемого попутного газа.

Таким образом, достигнутые к настоящему времени в России успехи в области разработки полимерных мембран и аппаратов на их основе позволяют рассматривать возможность включения в схему переработки нефтяных и попутных газов на отдельных этапах стадии мембранного (газо-) пароразделения для снижения энергозатрат по выделению легкокипящих компонентов. Место включения и целевое назначение стадии мембранного разделения определяются технико-экономической целесообразностью.

Проблема протечек и выпадения конденсата в квартирах жилых домов.

Мансарда — уют и тепло в ваших руках.

Использование новых технологических возможностей профилирования в строительном производстве.

Современные требования к расчетным параметрам внутреннего и наружного воздуха для проектирования зданий.

Кабель-каналы Thorsman: преимущества очевидны.

Защитная автоматика SIEMENS.

Каяни-2001. Международная выставка малоэтажного строительства.

Главная Публикации