Мембранное разделение газовых смесей. Использование мембранных технологий для подготовки (получения) топливного газа газовых двигателей и турбин

В течение последних 15 лет, разделение газов полимерными мембранами стала наиболее важной технологией. В газовой промышленности, основным применением мембран ранее был процесс отделения диоксида углерода из природного газа. Мембраны, используемые для удаления CO2, сделаны из твердых, стеклообразных полимеров.

Для разделения углеводородных газов для промышленного применения изобретен новый мембранный процесс. Это эластичная мембрана, имеющая уникальные свойства и возможности разделения. Мембрана пропускает конденсирующиеся (сжимаемые) пары, такие как C₃+ углеводороды и тяжелее, ароматические углеводороды и воду, и не пропускает неконденсируемые газы, такие как метан, этан, азот и водород.

Системы на основе этих мембран были внедрены в промышленное производство в 1990 году. С тех пор, было поставлено более 50 подобных систем по всему миру. Большинство этих устройств можно найти в полимерной промышленности, в частности в производстве поливинилхлорида (PVC), полиэтилена (PE), и полипропилена (PP).

Эти уникальные эластичные мембраны так же недавно были применены для разделения C3+ углеводородов от метана и этана в переработке природного газа. Одно из приложений для этой технологии является получение топливного газа, используемого как топливо в газовых двигателях и турбинах в нефтегазовой промышленности. Подробное описание применения и преимущества мембранной системы рассмотрены ниже.

Рисунок 1. Поперечный разрез мембраны

Рисунок 2. Спиральный модуль мембраны

Полимерные мембраны отделяют компоненты газовой смеси, так как компоненты могут проникать через мембрану с различной скоростью. Во всех мембранных разделениях, движущей силой является разность давлений между питающей и проницаемой стороной мембраны. В жестких, стекловидных полимерах, доминирующим фактором, определяющим селективность мембраны, представляет собой отношение коэффициентов диффузии газа, который сильно зависит от размера молекулы. Таким образом, в стекловидные полимерные мембраны обычно проникают более мелкие молекулы, метан и этан, и задерживаются крупные молекулы, пропана, бутана и высших углеводородов. В эластичные полимерные мембраны, доминирующим фактором, определяющим селективность мембраны, является конденсируемость газа, которая отражает отношение сжимаемости компонентов. Таким образом, через эластичные полимерные мембраны предпочтительно проникают в основном более сжимаемые молекулы, такие как пропан, бутан и высшие углеводороды и они не пропускают метан и этан под давлением. Такое поведение является нелогичным, так как любой нормальный фильтр пропустит более мелкие молекулы и остановит физически более крупные молекулы. Эта обратное селективное поведение было использовано для проектирования коммерчески успешных систем различного разделения газов.

Мембрана, как показано на Рисунке 1, состоит из трех слоев; нетканый материал, который служит в качестве мембранной подложки; жесткий, прочный и устойчивый к растворителям микропористый слой поддержки, который обеспечивает механическую поддержку, без массового сопротивления проникновению и плотный, без дефектов, эластичный полимерный слой, который непосредственно выполняет разделение.

После изготовления в виде плоских листов, мембрана упаковывается в спиральный модуль, как показано на Рисунке 2. Питательный газ поступает в модуль и течет между листов мембраны. Для создания проточных каналов добавляются распорки с обеих сторон мембраны. После того, как углеводороды избирательно проникают через мембрану, газ по спирали идет внутрь к центральной трубе. Метан и другие легкие газы задерживаются и выходят в виде остаточного потока. Мембранные модули помещают в сосуды высокого давления и устанавливают в последовательной и параллельной комбинации потоков для удовлетворения требованиям конкретного применения заказчика.

Мембраны могут быть включены в системы несколькими различными способами.

Система базовой конструкции показана на рисунке 3. Подаваемый газ сначала сжимают и направляют в конденсатор, где он охлаждается. Часть тяжелой углеводородной фракции конденсируется и извлекается в виде жидкости. Неконденсированная часть газа, которая все еще содержит значительную долю тяжелых углеводородных компонентов, подается по поверхности мембраны. Мембрана разделяет газ на два потока: поток обогащенный тяжелыми углеводородами и остаточный поток. Поток тяжелых углеводородов возвращается на входе компрессора, в то время как остаточный поток (который поддерживают под давлением) является искомым продуктом природного газа.

Природный газ обычно используют в качестве топлива газовых двигателей и турбин в нефтегазовой промышленности. Часто, попутный природный газ является единственным видом топлива доступный для работы компрессорных станций в отдаленных районах и на морских платформах. Этот газ имеет высокую теплотворную способность, высокую точку росы по углеводородам, и низкое октановое число, что может привести к проблемам в работе двигателя. В газовых двигателях, богатое топливо может детонировать, что серьезно повредит камеры сгорания. Кроме того, конденсация углеводородов (в связи с температурными колебания) может привести к повреждению камеры сгорания в газовых двигателях и газовых турбинах, что приведет к увеличению затрат на обслуживание и простой. Поскольку газовые двигатели и турбины приводят в действие технологические машины, любой сбой в их работе приведет к сокращению производства и к значительной потере доходов. Подготовка топливного газа особенно важна для газовых турбин на морских платформах, где данное оборудование является единственным источником энергопитания. Для повышения надежности и снижения незапланированных простоев такого ключевого оборудования, требуется простая технология подготовки топливного газа.

Блок-схема мембранной обработки попутного природного газа показана на рисунке 4. Газ, при давлении 100 Psig (6,9 бар изб), сжимают до 1000 psig (69 бар изб) и охлаждают воздушным охладителем. Тяжелые углеводороды, конденсируют и извлекают в виде жидкости. Под высоким давлением газ, насыщенный тяжелыми углеводородами, содержит 6,2% C4+ углеводородов и более 5000 ppm сероводорода. Такой газ не является подходящим топливом для газового двигателя. Для улучшения качества газа, поток сжатого топлива направляется в мембранную систему, что снижает общее C4+ содержание углеводородов до 2,1% и удаляет примерно 80% сероводорода. Обработанный газ затем направляется в газовый двигатель в качестве топлива. Богатый тяжелыми углеводородами поток пермеата отправляется на вход компрессора или факел. Система подготовки топливного газа является полностью пассивной. Мощность для привода существующего компрессора обеспечивает разделение газа, так что никакого нового динамического оборудования не требуется. Кроме того, подготовка газа происходит при температуре окружающей среды, что позволяет избежать проблемы образования гидратов. Состав и условия для подачи и разделения газа приведены в таблице 1.

Подготовленный топливный газ значительно очищен от тяжелых углеводородов. Точка росы углеводородов газа снижается с +35 до +4 °C. Мембранная система избирательно удаляет углеводороды, которые вызывают детонацию при сохранении тех, которые влияют на теплотворную способность газа. В то же время, система полностью обезвоживает топливный газ. Система смонтированный на раме и составляет для примера 1,5 метра в длину и 1,5 метра в ширину и 2,5 метра высотой. Так же предлагается контейнерное исполнение для низкотемпературного наземного применения. Нет необходимости в работе оператора, так как система не имеет движущихся частей. Расходы на техническое обслуживание минимальны. Ожидаемый срок службы мембраны составляет от 4 до 6 лет.

Газовые турбины все чаще используются в нефтегазоперерабатывающей промышленности особенно как приводы компрессоров и для выработки электроэнергии на морских платформах и удаленных местах. Турбины часто работают на попутном газе, который добывается с нефтью. Этот неочищенный газ, как правило, богат конденсируемыми углеводородами при низком давлении. На Рисунке 5 показана технологическая схема системы подготовки топливного газа для газовой турбины. Топливо сжимается винтовым компрессором от 2,4 до 19,7 бар изб. Затем газ охлаждается, частично конденсируются тяжелые углеводороды, которые далее удаляются сепаратором. Поскольку газ из сепаратора полностью насыщен, конденсация может произойти в топливной магистрали турбины. Кроме того, этот газ очень богат углеводородами, что может не соответствовать спецификации топлива турбины. Богатое топливо сгорает менее эффективно в камерах сгорания, что приводит к отложениям углерода, который загрязняет и повреждает лопатки турбины. Впрыск жидких углеводородов и неполное сгорание богатого топлива, может привести к незапланированным простоям и производственные потери при эксплуатации оборудования.

Как показано, мембрана установлена на топливной магистрали сжатого газа. В мембрану предпочтительно проникают тяжелые углеводороды и далее поток пермеата возвращают на вход компрессора (или на факел). Удаление тяжелых углеводородов понижает точку росы по углеводородам обработанного потока, что исключает возможность конденсации углеводородов в топливной магистрали. Степень подготовки топливного газа регулируют количеством газа, проникающего через мембрану. Другим преимуществом мембранной системы является производство значительных количеств углеводородных жидкостей. Количество этих жидкостей может быстро оправдать расходы на мембранную систему.

Обычно достигается удаление от 60 до 90% C3+ углеводородов и депрессия точки росы от -6,7 до +27 °C. Кроме того, на основываясь на стоимости US$ 0.20 за галлон (3,79л) NGL (сжиженого газа), сбыт извлеченных углеводородов обеспечивает незначительный срок окупаемости.

Заключение

Разработан уникальный мембранный процесс подготовки топливного газа для газовых двигателей и турбин. Мембранная система может работать при температуре окружающей среды и не требует надзора. Система компактна, и в большинстве случаев она может быть легко встроена в существующие производственные схемы. Мембранная система является простым и экономически привлекательным решением для подготовки топливного газа для двигателя и турбины с целью увеличения надежности ее работы и срока службы.

Схема подготовки природного газа

Рисунок 3. Схема подготовки природного газа

Рисунок 4. Подготовка газа для газового двигателя

Рисунок 5. Подготовка газа для турбины

Рисунок 6. Модуль подготовки газа для турбины. Перерабатывает 1770 нм³/ч попутного газа

Таблица 1. Питающий и подготовленый газ для газовых двигателей