Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и изготовление половолоконной газоразделительной мембраны и мембранного модуля на ее основе для очистки природного газа

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
осушка газа, очистка газа от диоксида углерода, полимерная асимметричная половолоконная мембрана, мембранный модуль, мембранная установка, сжиженный природный газ, проницаемость мембраны, селективность разделения.

Цель проекта:
В настоящее время природный газ, по запасам которого Российская Федерация занимает ведущее место в мире, транспортируется и идет на экспорт практически полностью по газопроводам. Огромные расстояния, достигающие нескольких тысяч километров от места добычи до потребителя, как следствие, приводит к большим капитальным и эксплуатационным затратам, а, следовательно, к повышению себестоимости природного газа. Поэтому, задача разработки технологии ожижения газа,например, в местах его добычи, и его доставка потребителям в жидком виде с использованием современных транспортных средств – морских судов – газовозов весьма актуальна. К сожалению, подобные технологии в России не разрабатывались, и та небольшая доля природного газа, получаемая в жидком виде в нашей стране, производится с использованием импортных технологий, причем зачастую, морально устаревших. Разработка современных российских технологий ожижения природного газа позволит решить целую цепь проблем экономического и технического характера, стоящих перед страной, главной из которых является недоверие к нашим специалистам науки и техники, а, проще говоря, извечный российский комплекс неполноценности. На решение этой проблемы и направлен реализуемый проект.

Основные планируемые результаты проекта:
На основании анализа физико-химических и селективных характеристик полимеров, а также технико-экономического расчета и стоимостного анализа будет произведен выбор потенциально пригодных для решения задач осушки и очистки природного газа полимеров. Из потенциально пригодных полимеров, обладающих оптимальными газотранспортными характеристиками, будут изготовлены лабораторные образцы изотропных мембран и исследованы их проницаемости, селективности по чистым газам, смесям, а также прочностные и другие физико-химические характеристики.
Из перспективных полимеров будут изготовлены лабораторные и экспериментальные образцы половолоконных газоразделительных мембран, а также модули на их основе.
Будут разработаны требования, необходимые для организации производства отечественных полимеров, необходимых для изготовления половолоконных мембран и мембранных модулей на их основе для осушки и очистки природного газа.
Основным результатом будет экспериментальный образец блока осушки и очистки природного газа (являющийся составной частью экспериментальной СПГ-установки, разрабатываемой в рамках комплексного проекта ПНИЭР).
Кроме того, будет разработана вся научно-техническая и техническая документация.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Разработанные газоразделительные половолоконные мембраны будут отвечать следующим требованиям:
1 Мембрана не должна "пластифицироваться" в среде природного газа.
2 Должна иметь анизотропную и/или асимметричную структуру.
Рабочий диапазон температур: 10 – 50 °С.
3 Должна обеспечивать фактор разделения (отношение коэффициентов проницаемости газов): для пары диоксид углерода/метан – не менее 20, для пары вода/метан – не менее 100.
4 Толщина селективного непористого слоя мембраны – не более 70 нм.
5 Мембрана должна быть химически стойкой к компонентам разделяемой смеси.
6 Мембрана не должна загрязнять целевой поток.
7 Геометрические характеристики половолоконной мембраны:
- наружный диаметр волокна dн – менее 500 мкм;
- внутренний диаметр волокна dвн – менее 350 мкм.
Геометрические размеры мембран могут уточняться по результатам исследовательских испытаний для достижения требований технического задания по энергетике и качеству очистки.
8 Мембрана должна выдерживать перепад давления 4,0 МПа.

Разработанный экспериментальный образец половолоконного мембранного модуля будет отвечать следующим требованиям
1 Температурный режим работы 10-50 °С.
2 Плотность упаковки модуля, не менее 1500 м2/м3 рабочего объёма аппарата.
3 Производительность единичного мембранного модуля по природному газу при коэффициенте деления потока θ=0,4, не менее 10 кг/ч.
4 Диапазон рабочих давлений до 5,0 МПа.
5 Корпус модуля и фланцев должен быть изготовлен из нержавеющей стали.
6 Входные характеристики природного газа согласно п. 5.1.2.13.
7 Падение давления на модуле, не более 0,05 МПа при входном давлении 4,0 МПа и коэффициенте деления потока 0,4.
8 Скорость изменения давления исходного газа, не более 0,05 МПа/с.

Разработанный экспериментальный образец блока мембранной осушки и очистки природного газа (составной части экспериментальной СПГ-установки).будет отвечать следующим требованиям

1. Степень извлечения природного газа (включая высококипящие компоненты) должна составлять не менее 95%.
2. Производительность блока осушки и очистки газа по потоку продукта должна составлять не менее 100 кг/ч.
3. Содержание паров воды в продуктовом газе – не более 1 ppm.
4. Содержание диоксида углерода в продуктовом газе – не более 100 ppm.
5. Энергопотребление блока осушки и очистки – не более 0,1 кВтч/кг.
6. Состав примесей в продуктовом потоке блока согласно п. 5.1.2.13.
7. Время выхода на рабочий режим, не более 10 мин.

Применение мембранной технологии осушки и тонкой очистки природного газа до жестких норм, необходимых для успешного функционирования конечной стадии – непосредственно ожижения – имеет существенные преимущества перед другими методами, такие как:
- возможность гибкого регулирования производительности установки (модульность системы);
- возможность достижения высоких степеней очистки при обычных температурах и давлениях;
- минимальные потери давления очищенного газа;
- низкие удельные капитальные и эксплуатационные затраты;
- и очистка, и осушка газа (в отличие от других процессов разделения) происходят одновременно в одном и том же аппарате.
Новизной научных и технологических решений является то, что в качестве мембраны выбор осуществляется из тех (двух групп) полимеров, газоразделительные свойства которых позволяют:
а) минимизировать потери углеводородных газов – метана, этана, пропан-бутановой фракции – при выводе из газового потока «кислых» газов и влаги;
б) получать практически чистый метан (с минимальными его потерями) при выводе из очищаемого газового потока «кислых» газов, влаги и, одновременно, высших углеводородов.
Окончательный выбор материала мембраны будет сделан на основании анализа их количественных и качественных характеристик и технико-экономического расчета.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Планируемые результаты работы и планируемая на их основе инновационная продукция могут использоваться:
а) области науки и техники – синтез новых перспективных полимеров с заданными газотранспортными характеристиками, высокой газопроницаемостью по селективно-проникающим компонентам и, соответственно, барьерными свойствами для нецелевых составляющих газовых смесей. При этом, физико-механические свойства этих полимеров должны позволять получать из них асимметричные или композитные мембраны, желательно в форме полых волокон с возможно более тонким (от 40 до 100 нм) и прочным селективным слоем, позволяющим применять для разделения большие перепады давлений до 5,0 МПа. Кроме того, физико-механические свойства полимеров должны допускать возможность получать из них половолоконные мембраны с заданными геометрическими размерами – внешним диаметром от 300 до 600 мкм и толщиной стенки волокна от 50 до 150 мкм, которые диктуются и связаны с характеристиками (технологическими параметрами) конкретного процесса разделения;
б) отрасли промышленности и социальной сферы – газодобывающие и газоперерабатывающие отрасли, а именно: очистка и осушка природного и попутного газа непосредственно на месторождениях перед их транспортировкой, а также замена физически и морально устаревших абсорбционных технологий и установок.
Практическое внедрение планируемых результатов - в составе комплексной установки на стадии мембранной осушки и доочистки природного газа перед конечной стадией процесса – ожижения с получением СПГ.
Перспективы использования планируемых результатов:
- использование мембран, аппаратов и мембранной установки для осушки и очистки природного и попутного (нефтяного) газов от кислых (CO2, H2S, CS2) компонентов непосредственно на месторождениях перед транспортировкой этих газов;
- регулирование газовой среды в хранилищах сельскохозяйственной продукции;
- выделение влаги и диоксида углерода из атмосферы замкнутых пространств (в качестве элементов систем жизнеобеспечения);
- разделение систем углеводородных газов в нефте- и газохимии.
Создание газоразделительных мембран, аппаратов и установок с требуемыми характеристиками – чрезвычайно сложная научная, техническая и технологическая задача. При этом, поиск полимеров осложняется в нашей стране практически полным отсутствием производства отечественных, так называемых «специальных» полимеров с определенными функциональными свойствами – с регулируемыми определенными (высокими или низкими) значениями газопроницаемости и, соответственно, газоразделительными свойствами. Следовательно, неизбежно развитие соответствующих технологий и производств таких полимеров (а не продажа сырья – нефти и газа) с высокими степенями передела и высокими значениями добавленной стоимости.
Цена подобных полимеров на мировом рынке – от сотен до нескольких тысяч евро за килограмм. Цена изделия, например, мембранного модуля (аппарата) с площадью мембран 150 м2 с массой полимера в нем около 5 кг составляет 20-50 тысяч евро за изделие. Производство подобных полимеров сосредоточено только в нескольких странах – США, Германии, Японии. Развитие производства спецполимеров, даст мощный импульс для наукоемких и высокоразвитых отраслей промышленности и народного хозяйства – авиакосмической и оборонной, химической и нефте-газохимической, фармацевтической, медицинской и др. Неизбежно в этом случае и производство мономеров, из которых эти спецполимеры синтезируются. Как следствие, должен сократиться импорт подобных материалов и, наоборот, возрасти экспорт, а, как следствие – зависимость экономики России от экспорта природного сырья.
Еще более перспективным является экспорт на мировой рынок не только самих спецполимеров, но и отечественных мембранных аппаратов, установок и технологий разделения и очистки газов. Кроме того, как следствие, должно развиться и производство в стране вспомогательного, но высокотехнологического оборудования – компрессоров, запорной и регулирующей арматуры, систем контрольно-измерительной автоматики и программного обеспечения.
Развитием научных исследований в области разработки газоразделительных мембран занимаются в ведущих университетах, особенно технических, развитых стран мира. Наибольшее количество публикаций приходится на такие страны, как США, Япония, Италия, Голландия; быстрыми темпами растет число научных исследований в Китае, несколько медленнее – в Индии.
В России научные школы в этом направлении сохранились и развиваются в РХТУ им. Д.И. Менделеева, НИЯУ МИФИ, и институтах РАН, в частности, в Институте нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева. Выпускается научный журнал «Мембраны и мембранные технологии», раз в 2 года организуются научные конференции по данной тематике, на которые приглашаются ведущие российские и зарубежные ученые. Труды российских ученых регулярно публикуются в ведущих иностранных научных журналах. Осуществление данного проекта развития мембранной науки и технологии приведет к развитию международного сотрудничества с учеными разных стран, системы демонстрации и популяризации нгауки и техники в среде аспирантов, студентов и школьников обеспечит развитие материально-технической и информационной инфраструктуры в университетах.

Текущие результаты проекта:
Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему очистки природного газа с помощью мембранных методов – на стадии написания.
Выбран круг полимеров, потенциально подходящих для решения задачи, проводится анализ их физико-химических, селективных характеристик, проводится их стоимостной и технико-экономический анализ.
Начат синтез плоских изотропных мембран и их экспериментальные исследования (определение коэффициентов проницаемости по чистым газам CH4, C2H6, C3H8, CO2, N2, пары H2O и смесям, моделирующим природный газ).
Проводятся патентные исследования по теме разработки