Устройство для непрерывного разделения смеси углеводородных газов - RU170496U1

Чертежи

Описание

Полезная модель относится к области химии, а именно разделению газовых смесей, и может применяться в различных отраслях промышленности, энергетики и сельского хозяйства.

Одним из процессов разделения газовых смесей является мембранное газоразделение. Устройство, реализующее этот процесс, позволяет достаточно эффективно разделять различные газовые смеси. Например, мембранное разделение воздуха привело к созданию промышленных установок получения технического азота [Membrane technology and application / Richard W. Baker. - 2^nd ed., 538, p.cm., John Wiley & Sons, Ltd, California, USA, 2004], когда продуктом мембранного процесса является ретентат (непроникший через мембрану поток с концентрацией азота >98 об.%). Здесь основным компонентом исходной смеси является азот воздуха (78% об.), а кислород - минорный компонент (21% об.). Концентрирование азота в ретентате происходит за счет более высокой проницаемости кислорода через мембраны по сравнению с азотом. Разделение смесей низших углеводородов, когда С₃₊ углеводороды являются низкоконцентрированными компонентами смеси, требует применения углеводород-селективных мембран, преимущественно проницаемых по углеводородам С3-С4 по сравнению с метаном. В этом случае также задача решается с получением кондиционированной смеси (понижение концентрации С3+ углеводородов) с содержанием метана >99 об. % в виде ретентата, который и является продуктом (метаном технического качества). Перспективность мембранных технологий связана как с актуальностью решаемых задач, так и с высокой эффективностью процесса по сравнению с другими процессами разделения, с возможностью разделения различных газовых смесей, малой энергоемкостью (нет энергозатрат на фазовые переходы), безреагентностью и компактностью оборудования. При этом в устройстве разделяемая смесь (питающий поток) при повышенном давлении приводится в контакт с одной стороны селективно проницаемой непористой мембраны, проникшие через мембрану компоненты (пермеат с повышенным содержанием более проникающих C3+ углеводородов) удаляются при пониженном давлении с обратной стороны мембраны, а ретентат (непроникший через мембрану поток, обогащенный малопроникающим компонентом C₁) подается как целевой продукт. На практике движущей силой процесса является градиент концентраций (парциальных давлений компонентов), который достигается повышенным давлением смеси на входе в мембранный модуль и искусственным понижением давления смеси с обратной стороны мембраны (например, проточным вакуумированием). Известны устройства, реализующие способ разделении метан/бутановых смесей с использованием углеводород-селективных мембран, описанных в [US 5707423 (1998) invs. I. Pinnau, A. Morisato; Morisato A., Pinnau I. // J. Membr. Sci. 1996. V. 121. P. 243-250; J. Schultz, K.-V. Peinemann, J. Membr. Sci. 1996, 110, Matson S.M., Ratzke K, Shaikh M.Q., Litvinova E.G., Shishatskiy S.M., Peinemann K.-V., Khotimskiy V.S. // Polym. Sci. Ser. A. 2012. V. 54. P. 671-677, 37. Yu. Yampol’skii и др., Membrane separation of gaseous C₁-C₄ alkanes, Petroleum Chemistry, December 2011, Volume 51, Issue 8. pp 585-594; Sergey Shishatskiy, Valeriy Khotimskiy, Klaus-Viktor Peinemann и др., A Novel Poly(4-methyl-2-pentyne) / TiO₂ Hybrid Nanocomposite Membrane for Natural Gas Conditioning: Butane/Methane Separation, Macromol. Chem. Phys. 2007, 208, 2412-2418] для метан/бутановых смесей с низким содержанием бутана (2-5 об. %). К наиболее эффективным мембранам относятся высокопроницаемые полимерные стекла, демонстрирующие синергетический эффект для смесей: селективность разделения бутан/метановых смесей всегда выше идеальной селективности, публикуемой в литературе как отношение проницаемостей индивидуальных бутана и метана. Селективность разделения понижается с повышением температуры процесса. Отметим, что к наиболее высокопроницаемым и углеводород-селективным мембранам относятся мембраны на основе политриметилсилилпропина (ПТМСП) (селективность α разделения смеси бутан/метан достигает 30) и поли-4-метил-1-пентина (ПМП) (селективность α разделения смеси бутан/метан достигает 23 для гомополимера и 34 для мембраны, содержащей наночастицы оксида титана). К сожалению, мембраны ПТМСП не являются устойчивыми к алифатическим углеводородам С₅₊, которые как правило содержатся в основных промышленных источниках метана, таких как природный и попутный газы, в то время как ПМП проявляет устойчивость к алифатическим и ароматическим углеводородам различного строения. Известное устройство направлено на кондиционирование метана в виде ретентата (содержание метана >98 об. %) для дальнейшей транспортировки. Пермеат, содержащий повышенную концентрацию бутана, направляется на дальнейшую переработку.

В указанных устройствах целевым продуктом является ретентат. По нашим оценкам для разделения смесей метан/бутан устройство в одну стадию (один мембранный модуль) с известными мембранами, испытанными для метан/бутановых смесей с концентрацией бутана 2-5 об. %, обеспечивает получение пермеата с концентрацией бутана в диапазоне 10-25% об., что отвечает опубликованной селективности разделения смесей бутан/метан полимерными мембранами на основе полидиметилсилоксана (ПДМС) или поли-4-метил-1-пентин (ПМП) в диапазоне 7-23.

Наиболее близким к заявленному (прототипом) является устройство непрерывного выделения паров органических веществ, включая бутан, из воздуха с целью его очистки, с применением мембран на основе полиэтеримида или полидиметилсилоксана [United States Patent, 4994094, кл. МПК B01D 53/02, опубл. 19.02.1991]. При этом наиболее эффективное устройство представляет собой три мембранных модуля, включенных в рецикл.

Однако данное устройство не применяется для разделения смеси метана и бутана, а используемая в нем мембрана, как указано выше, не позволяет обеспечивать устойчивое эффективное разделение метан-бутановых смесей.

Задача полезной модели состоит в том, чтобы обеспечить устойчивое получение концентратов бутана и метана требуемого качества.

Для решения поставленной задачи предложено устройство для непрерывного разделения смеси углеводородных газов, включающее источник подачи смеси углеводородных газов под повышенным давлением, соединенный последовательно с надмембранным пространством 1-го мембранного модуля, далее вакуум-компрессором с возможностью откачки пермеата после мембраны из 1-го мембранного модуля и подачи его в надмембранное пространство 2-го мембранного модуля, вакуумным насосом с возможностью откачки пермеата из 2-го мембранного модуля, при этом выход ретентата 2-го мембранного модуля соединен через вакуум-компрессор с надмембранным пространством 3-го мембранного модуля с возможностью возврата ретентата после 3-го мембранного модуля в рецикл, а выход пермеата 2-го мембранного модуля соединен с выходом пермеата 3-го мембранного модуля. Отличие устройства от известного из прототипа состоит в том, что смесь углеводородных газов является метан-бутановой смесью, выход ретентата 1-го мембранного модуля является выходом концентрата метана, выходы пермеата 2-го и 3-го мембранного модулей являются выходами концентрата бутана, а указанные модули снабжены мембранами из поли-4-метил-1-пентина с переменной селективностью по смеси бутан/метан, увеличивающейся с возрастанием парциального давления бутана.

На Фиг. 1 изображена схема устройства для непрерывного разделения метан/бутановых смесей с получением концентратов метана и бутана, где:

1 - источник подачи исходной бутан-метановой смеси; 2 - 1-й мембранный модуль ММ1; 3 - мембрана в модуле ММ1; 4 - выход концентрата метана; 5 - проточный вакуумный насос; 6 - мембрана в модуле ММ2; 7 - 2-й мембранный модуль ММ2; 8 - вакуум-компрессор; 9 - мембрана в модуле ММ3; 10 - 3-й мембранный модуль ММ3; 11 - проточный вакуумный насос; 12 - общий выход концентрата бутана; 13 - выход концентрата бутана из модуля ММ2; 14 - выход концентрата бутана из модуля ММ3; 15 - линия рецикла из модуля ММ3.

На Фиг. 2 приведена зависимость селективности разделения бутан/метановых смесей α от парциального давления бутана Р(С₄Н₁₀) в смеси с метаном при использовании мембран из ПМП. Селективность разделения бутан-метановой смеси существенно увеличивается с увеличением концентрации бутана в смеси (в отличие от известных в литературе показателей для других мембран).

Для разделения метан-бутановой смеси с устойчивым получением концентратов метана и бутана предлагается мембранные модули ММ1, ММ2 и ММ3 снабдить мембранами из поли-4-метил-1-пентина, обладающего переменной селективностью разделения бутан/метан, увеличивающейся с возрастанием парциального давления бутана в смеси с метаном согласно графику на Фиг. 2, охватывающем температурный диапазон 0-40°C. В данном устройстве обеспечивается непрерывность процесса с одновременным получением концентрата метана с чистотой >99% и концентрата бутана с повышенным его содержанием.

Устройство включает источник подачи смеси углеводородных газов (бутан-метановой смеси) 1 под повышенным давлением, соединенный последовательно с надмембранным пространством 1-го мембранного модуля ММ1 2, снабженного мембраной 3, вакуум-насосом 5 для откачки пермеата после мембраны и подачи его в надмембранное пространство второго мембранного модуля ММ2 7, снабженного мембраной 6, вакуумного насоса 11 для откачки пермеата, при этом выход ретентата второго модуля 7 соединен через вакуум-компрессор 8 с надмембранным пространством третьего мембранного модуля ММ3 10, снабженного мембраной 9, через компрессор 8 для возврата ретентата после третьего мембранного модуля в рецикл 15. Модуль ММ1 имеет выход для ретентата - концентрата метана 4. Выходы для пермеата - концентрата бутана - модуля ММ2 и модуля ММ3 - 13 и 14 соответственно соединены друг с другом и с общим выходом концентрата бутана 12 через проточный вакуумный насос 11. Таким образом, устройство имеет один вход для исходной бинарной смеси и два выхода для кондиционированного метана (концентрата метана) и концентрата бутана. Мембраны 3, 6 и 9 изготовлены из поли-4-метил-1-пентина с переменной селективностью. Указанное устройство обеспечивает получение концентрата бутана и устойчивое получение концентрата метана (содержание метана в продукте не менее 99% об.).

Устройство работает следующим образом. Исходную метан-бутановую смесь из источника 1 подают под давлением в мембранный модуль ММ1 2, снабженный мембраной с переменной селективностью 3, и подбирают условия (перепад давлений на мембране, степень отбора) с учетом селективности бутан/метан по функциям Фиг. 2, и в виде ретентата получают требуемый концентрат метана 4 (содержание метана не менее 99% об.). Пермеат с модуля ММ1 через вакуум-компрессор 5 направляют в мембранный модуль ММ2 7. Для мембраны 6 ММ2 подбирают условия (перепад давлений на мембране, степень отбора) с учетом селективности бутан/метан по функциям Фиг. 2. Ретентат с модуля ММ2 через компрессор 8 подают на мембранный модуль ММ3 10. Для мембраны 9 ММ3 также подбирают условия (перепад давлений на мембране, степень отбора) с учетом селективности бутан/метан по функциям Фиг. 2. Ретентат с модуля ММ3 подают в рецикл 15 на вход в мембранный модуль ММ1, а пермеат из выхода 14 после смешения с пермеатом из выхода 13 модуля ММ2 через вакуумный насос 11 извлекают как концентрат бутана 12, обеспечивая тем самым непрерывное получение концентратов метана и бутана.

Ниже приведены примеры, демонстрирующие полезные свойства предлагаемого устройства для непрерывного получения концентратов метана и бутана. Отметим, что для сравнительной оптимизации процесса варьируются степени отбора θ (отношение потока пермеата к входному потоку в мембранный модуль) и площади мембран в мембранных модулях ММ1, ММ2 и ММ3. Все остальные показатели (давление смеси до мембраны, давление смеси после мембраны) зафиксированы для сравнения (см. Таблицу 1). В примерах использованы мембраны с различной селективностью разделения бутан/метан, в том числе с переменной селективностью. Мембраны с переменной селективностью изготовлены из ПМП, мембраны с постоянной селективностью - из полидиметилсилоксана. Температура процесса во всех примерах равна 40°C для того, чтобы гарантировать отсутствие конденсации бутана в системе.

Пример №1 (сравнительный).

Состав исходной бутан/метановой смеси 5/95 об. %. Входной поток исходной смеси 39 м³ (н.у.)/ч. В мембранных модулях площадь мембраны ММ1 составляет 1.07 м², площадь мембраны ММ 2 составляет 2.33 м² и площадь мембраны ММ 3 равна 0.08 м². Параметры давлений бутан-метановой смеси в мембранных модулях и степени отбора представлены в Таблице 1 (№1 п/п). Для разделения смеси используют мембраны с постоянной селективностью α(C₄H₁₀/CH₄)=10. В результате получают целевой концентрат метана (99% об. метана, 1% об. бутана). Концентрат бутана состоит при этом из 49% об. метана и 51% об. бутана.

Пример №2.

Состав исходной бутан/метановой смеси 5/95 об. %. Входной поток исходной смеси 39 м³ (н.у.)/ч. В мембранных модулях площадь мембраны ММ 1 составляет 1.0 м², площадь мембраны ММ 2 составляет 0.65 м² и площадь мембраны ММ3 равна 0.02 м². Параметры давлений бутан-метановой смеси в мембранных модулях и степени отбора представлены в Таблице 1 (№2 п/п). Для разделения смеси используют мембраны с переменной селективностью из ПМП. Функции зависимости селективности разделения от парциального давления бутана в смеси представлены на Фиг. 2. В результате получают целевой концентрат метана (99% об. метана, 1% об. бутана). Концентрат бутана состоит из 16% об. метана и 84% об. бутана.

Таким образом, предлагаемое устройство является наиболее эффективным для непрерывного получения концентратов метана и бутана из метан-бутановых смесей.

В примерах приведены параметры селективности мембран при 40°C, которые являются минимальными для сферы притязаний полезной модели. Понижение температуры, например до 0°C, улучшает эти показатели (см. Фиг. 2) и, таким образом, мембранное разделение бинарной смеси будет только улучшаться.

Как видно из приведенных примеров, получение концентрата бутана с повышенным его содержанием достигаются только с использованием заявляемого устройства.

Реферат

Полезная модель относится к области химии, а именно разделению газовых смесей, и может применяться в различных отраслях промышленности, энергетики и сельского хозяйства. Устройство для непрерывного разделения метан-бутановой смеси углеводородных газов включает источник ее подачи под повышенным давлением, соединенный последовательно с надмембранным пространством 1-го мембранного модуля, далее вакуум-компрессором с возможностью откачки пермеата после мембраны из 1-го мембранного модуля и подачи его в надмембранное пространство 2-го мембранного модуля, вакуумным насосом с возможностью откачки пермеата из 2-го мембранного модуля. Выход ретентата 2-го мембранного модуля соединен через вакуум-компрессор с надмембранным пространством 3-го мембранного модуля с возможностью возврата ретентата после 3-го мембранного модуля в рецикл, выход пермеата 2-го мембранного модуля соединен с выходом пермеата 3-го мембранного модуля. Ретентат 1-го мембранного модуля - концентрат метана, пермеат 2-го и 3-го мембранного модулей - концентрат бутана. Указанные модули снабжены мембранами из поли-4-метил-1-пентина с переменной селективностью по смеси бутан/метан, увеличивающейся с возрастанием парциального давления бутана. Технический результат - обеспечить устойчивое получение концентратов бутана и метана требуемого качества. 1 табл., 2 ил., 2 пр.

Формула