NO833716L - Fremgangsmaate ved membranseparering av gasser og apparat for utfoerelse av fremgangsmaaten - Google Patents

Description

Opp f i rin eI s en s bakg runn

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte ved separering

av gasser ved hjelp av membraner som er selektive for gjennomtrengning av én eller flere gasser i en gassblanding. Oppfinnelsen angår mer spesielt en fremgangsmåte ved selektiv membranseparering av sure gasser, som carbondioxyd og/ eller hydrogensulfid, fra hydrocarbongasser, som methan,

ved diffundering i gassformig tilstand eller gjennomtrengning, hvor separeringsutbyttet for et gassformig separeringsmembrantrinn forbedres uten at de anvendte membraners egenskaper forandres.

Gassepareringsmembraner er i de senere år blitt ut-viklet for separering av en rekke gasser fra blandinger av disse med en rekke andre gasser og damper. Separeringen av gasser ved hjelp av membraner, uaktet om dette skjer ved diffundering eller gjennomtrengning gjennom membran-materialet, er i sterk grad avhengig av trykkforskjellen som opprettholdes på en hvilken som helst side av membranen. Trykkforholdene adskiller seg sterkt fra dem som er nød-vendige når flytende materialer skal separeres ved hjelp av halvgjennomtrengelige membraner.

Strømmen av én eller flere gasser gjennom en halvgjennam-trengelig membran blir generelt forbedret med økende trykk-forskjell på de to sider av membranen. Praktiske grenser for slike økede trykk foreligger imidlertid alltid og i alminnelighet på grunn av de anvendte membraners styrke uaktet om disse anvendes i form av en flat film eller hule fibre. Dessuten blir omkostningene for komprimering av gasser og gassformige blandinger for gjentatte separeringstrinn, som kaskadesepareringstrinn, hurtig en økomisk be-grensende faktor. Slike kaskadesepareringstrinn er beskrevet f.eks. i US patentskrifter 2540152, 2617493, 3713271, 4104037 og 4312755 og dessuten i den publiserte europeiske patentsøknad 002 9600 Al.

Nærmere bestemt er i US patentskrift 4119417 et par membranseparatorer beskrevet som er serieforbundet med hverandre og forsynt med en rekke rørkonstruksjoner for påmatning av både gjennomtrengte og ikke gjennomtrengte gasser fra de to separatorer til andre steder i systemene. Membranene som anvendes for dette gasseparatorsystem, har hver tilsynelatende en separeringsfaktor på ca. 4 eller 5, og det tas ifølge patentskriftet sikte på å oppnå en høyere separeringsfaktor ved anvendelse av disse separatorer i trinn med fornyet komprimering av gass mellom trinnene.

En hurtigjennomtrengende gass, som hydrogen, kan fjernes effektivt fra en gassblanding som inneholder langsommere gjennomtrengende gasser, i et enkelt trinn ved hjelp av membrangasseparering hvor membranen oppviser høy selektivitet for gjennomtrengning av hydrogen sammenlignet med gjennomtrengningen for de langsommere gasser. I denne forbindelse kan det vises til f.eks. US patentskrifter 4180553 og 4172885, og dessuten til US patentskrift 4180552 hvor separeringen oppnås ved anvendelse av to gjennom-trengningstrinn som er serieforbundet med hverandre. Selv om hydrogen kan utvinnes med forholdsvis høy renhet og med høy utvinningshastighet, vil den ikke gjennomtrengende gass ofte ikke ha høy renhet for de enkelte komponenter. I US patentskrift 4130403 er anvendelse av et par seriekoblede separatorer beskrevet, hvor lavtrykkspermeatgassen fra den annen separator på ny komprimeres for tilførsel til en tredje separator, mens den ikke gjennomtrengte gass resirkuleres til den strøm som forløper mellom de to seriekoblede separatorer. Det store antall separerings- og komprimeringstrinn er generelt økonomisk utiltalende.

En enkel effektiv og økonomisk metode for å separere gasser med forholdsvis høy utvinning og renhet for såvel en gjennomtrengende som en ikke gjennomtrengende gassart uten å øke trykkforskjellen over membranen vil være fordelaktig og ønskelig.

For beskrivelsen av den foreliggende oppfinnelse innbefatter en spesielt bekvem analytisk egenskap ved polymere gassgjennomtrengelige membraner membranens gjennomtrengelighet for en spesifikk gass gjennom membranen. Denne gjennomtrengelighet eller permeabilitet (P /l) som en membran oppviser overfor en gass "a" i en gassblanding gjennom en membran med tykkelsen "1", er det gassvolum, målt ved standard temperatur og trykk (STP), som strømmer gjennom membranen pr. overflatearealenhet av membranen pr. tidsen-

het pr. partialtrykkforskjellsenhet for den gjennom-

trengende gassart gjennom membranens tykkelse. En metode for å uttrykke permeabiliteter er ved cm 3 (STP) pr. cm<2>membranareal pr. sekund pr. partialtrykkforskjell av 1 cm Hg gjennom membrantykkelsen (cm 3 (STP)/cm 2-sek-cmHg). Dersom intet annet er angitt, er alle permeabiliteter som er gjen-gitt i denne beskrivelse*permeabiliteter ved en temperatur og et trykk av hhv. 15°C og 1 atmosfære. Permeabilitetene er uttrykt ved gassgjennomtrengningsenheter (GGU) som er cm3 (STP)/cm2-sek-cmHg 1 x IO6. 1 GGU er således 1 x IO<6>cm<3>(STP)/cm 2-sek-cmHg. En annen bekvem relasjon for å uttrykke gassgjennomtrengningsegenskaper for membraner er separeringsfaktoren. En separeringsfaktor, a a/b, for en membran for et gitt gasspar "a" og "b" er definert som forholdet mellom permeabiliteten (P2/l) for en membran med tykkelsen "1" for en gass "a" i en gassblanding og permeabiliteten (P^/l)

for den samme membran for gassen "b".

I praksis kan separeringsfaktoren for et gitt gasspar

og ved anvendelse av en gitt membran bestemmes ved å anvende en rekke metoder som gir tilstrekkelig informasjon for be-regning av permeabilitetene for hver av gassene. Flere av de mange metoder som er tilgjengelige for å bestemme permeabiliteter og separeringsfaktorer, er beskrevet av Hwang et al., Techniques of Chemistry, Volume VII, Membranes

in Separations, Jon Wiley&Sons, 1974 i Chapter 13, s. 296-322.

Målinger kan gjøres for ren gassgjennomtrengning eller

for blandingsgassgjennomtrengning. Erfaring har imidlertid vist at den målte permeabilitet for en mebran med hensyn til en gassart er høyere for ren gassgjennomtrengning enn for blandingsgassgjennomtrengning. Det er i alminnelighet mer ønskelig å bestemme gassgjennomtrengningsegenskapene for blandingsgasser da permeabilitetene og separeringsfaktorene mer korrekt vil forutsi de virkelige membrangasseparerings-egenskaper i praksis.

Det er ifølge oppfinnelsen blitt funnet en metode for

å separere gass under økning av utvinningen av den ikke gjennomtrengte produktgass eller de ikke gjenntrengte produktgasser, idet metoden ikke krever gjentatt fornyet gass-komprimering mellom separeringstrinn, som tilfellet er ved kaskadesepareringsmetoder. Den foreliggende metode beror heller ikke på behovet for å anvende et annet separeringstrinn for ytterligere å separere komponentene i resirkuler-ingsstrømmen. Den foreliggende metode kan anvendes for enhver separering av gassformige blandinger som kan separeres ved gjennomtrengning eller diffundering gjennom membraner,

men som ved tidligere kjente anvendelser av et enkelt permeatortrinn ikke vil gi den ønskede utvinning av ikke gjennomtrengt produktgass eller produktgasser. Den foreliggende metode er spesielt fordelaktig dersom den anvendte membran oppviser en moderat separeringsfaktor for minst to gasser og det er ønskelig at én av gassene skal konsentreres i en gjennomtrengt produktgass, mens den annen gass skal konsentreres i en ikke gjennomtrengt produktgass. Membranens separeringsf aktor, betegnet som a-i, er forholdet mellom membranens gjennomtrengelighet for en hurtigere gjennomtrengende gassart (gassarten i) og membranens gjennomtrengelighet for en langsommere gjennomtrengende gassart (gassarten j). Slike moderate separeringsfaktorer varierer fra 8 til 30.

Den foreliggende metode er spesielt fordelaktig for separering av sure gasser, f.eks, carbondioxyd og/eller hydrogensulfid, fra en gassformig blanding som inneholder sure gasser og hydrocarbongass, f.eks. methan. Membranen skal fortrinnsvis oppvise en separeringsfaktor for carbon-

dioxyd i forhold til methan,

av minst 8.

Opp s umme r ing av oppf inn e1s en

Det tilveiebringes ved oppfinnelsen en membrangass-separeringsprosess for utvinning av en ikke gjennomtrengt gass som er anriket med minst én gass, fra en blanding som omfatter i det minste den ene gass og i det minste en andre gass, og fremgangsmåten er særpreget ved at blandingen ved et gjennomtrengningstrykk tilføres minst to første separatorer med membraner som oppviser selektivitet for gjennomtrengning av den nevnte i det minste ene andre gass sammenlignet med gjennomtrengningen for den nevnte i det minste ene gass, idet det som de nevnte første separatorer anvendes separatorer med et bestemt første separatorarembran-overflateareal, (b) en ikke gjennomtrengt gass fra den første separator ledes til i det minste to påfølgende separatorer med membraner som oppviser selektivitet for gjennomtrengningen av den nevnte i det minste ene andre gass sammenlignet med gjennomtrengningen for den nevnte i det minste ene gass, idet det som de påfølgende separatorer anvendes separatorer med et bestemt påfølgende separatormembranoverflateareal, idet forholdet mellom det bestemte første separatormembran-overf latearel og det bestemte påfølgende.separatormembran-overf lateareal er minst 0,3, (c) en permeatgass som er anriket med den nevnte i det minste ene andre gass, fjernes fra de første separatorer, (d) en ikke gjennomtrengt gass som er anriket med den nevnte i det minste ene gass, fjernes fra de påfølgende separatorer, og (e) en resirkuleringspermeatgass fjernes fra de påfølgende separatorer, og i det minste en del av resirkuleringspermeatgassen tilbakeføres til blandingen for derved å øke volumet av den nevnte i det minste ene gass som utvinnes i den nevnte ikke gjennomtrengte gass. Den foreliggende fremgangsmåte er spesielt fordelaktig for anvendelse i forbindelse med separatorer med membraner som oppviser selektivitet for gjennomtrengningen av den sure gasskomponent, f,eks. carbondioxyd og/eller hydrogensulfid, og hvor membranen oppviser en separeringsfaktor for carbondioxyd i forhold til methan,

av minst 8, for-

trinnsvis innen området fra 8 til 30.

Den foreliggende fremgangsmåte er nyttig dersom hydrocarbongassen i blandingen er en lavere hydrocarbongass, som methan, ethan, propan, butan, isobutan, pentan eller iso-pen tan eller blandinger derav. Den foreliggende fremgangsmåte er også spesielt nyttig dersom hydrocarbongassen består av methan. En foretrukken anvendelse av den foreliggende fremgangsmåte er for separering av blandinger av en resirkulert permeatgass og en påmatningsgass, hvor påmatningsgassen inneholder 30-70 mol% methan og 30-70 mol% carbondioxyd. Fremgangsmåten er spesielt fordelaktig dersom den methananrikede, ikke gjennomtrengte gass utgjøres av minst 90 mol% methan og minst 90% av den samlede methanmengde i påmatningsgassen.

Denne fremgangsmåte er spesielt gunstig dersom membranene oppviser selektivitet for gjennomtrengning av den nevnte i det minste ene andre gass sammenlignet med gjennomtrengningen for den nevnte i det minste ene gass,

ved en faktor på 8-30. Dette innebærer at membranene vil oppvise en separeringsfaktor, a, for gassene innen området 8-80.

Ved en slik framgangsmåte er det ofte ønskelig at

den nevnte i det minste ene første separator omfatter en rekke separatorer med et bestemt første separatormembran-overf lateareal og at den nevnte i det minste ene påfølgende separator omfatter en rekke separatorer med et bestemt på-følgende separatormembranoverflateareal, og at forholdet mellom det bestemte første separatormembranoverflateareal og det bestemte påfølgende separatoroverflateareal er minst 0,3.

Oppfinnelsen angår også et membrangasseparerings-apparat som omfatter minst to første separatorer med membraner som oppviser selektivitet for gjennomtrengning av én gass sammenlignet med gjennomtrengningen for minst én annen gass, minst to påfølgende separatorer med membraner som oppviser selektivitet for gjennomtrengning av den nevnte ene gass sammenlignet med gjennomtrengningen for den nevnte i det minste ene annen gass, en anordning for til de første separatorer å tilveiebringe en blanding som omfatter . den nevnte i det minste ene gass og den nevnte i det minste ene annen gass, ved et gjennomtrengningstrykk, en anordning for å til-late en ikke gjennomtrengt gass å strømme fra de første separatorer til de påfølgende separatorer, en anordning for å fjerne en permeatgass som er anriket med den nevnte i det minste ene gass/fra de første separatorer, en anordning for å fjerne en ikke gjennomtrengt gass som er anriket med den nevnte i det minste ene annen gass fra de påfølgende separatorer, en anordning for å fjerne en resirkuleringspermeatgass fra de påfølgende separatorer, og en anordning for å tilbakeføre i det minste en del av den nevnte resirkuleringspermeatgass til anordningen for tilveiebringelsen av en blanding.

Ifølge en utførelsesform av apparatet ifølge oppfinnelsen har de første separatorer et bestemt første separator-membranoverf latearel , og de påfølgende separatorer har et bestemt påfølgende separatormembranoverflateareal, idet forholdet mellom det første separatormembranoverflateareal og det påfølgende separatormembranoverflateareal er minst 0,3.

Den foreliggende fremgangsmåte er spesielt gunstig for separering av sur gass, som carbondioxyd og/eller hydrogensulfid, fra methan, hvor en gassformig blanding som omfatter carbondioxyd og/eller hydrogensulfid og methan, bringes i kontakt med én side av en membran som er mer gjennomtrengelig for carbondioxyd enn for methan, for at den sure gass skal kunne trenge gjennom membranen til den annen side. Gjennomtrengte gasser fra den annen side av membranen fjernes og deles i en utvinningsstrøm og en resirkuleringsstrøm, idet den sistnevnte tilbakeføres i kontakt med den ene side av membranen. Det anvendes en membran med en separeringsfaktor av minst 8 for carbondioxyd i forhold til methan.

Kortfattet beskrivelse aV tegningene

På tegningene viser Fig. 1, 2, 3 og 4 skjematisk et apparat som anvendes ved utførelse av den foreliggende fremgangsmåte .

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

På Fig. 1 er skjematisk vist et apparat som kan anvendes ved utførelsen av den foreliggende fremgangsmåte. Påmatningsgassen som omfatter en hydrocarbongass, som methan, og en sur gass, som carbondioxyd, innmates gjennom en ledning 1 hvori den blander seg med en resirkulert permeatgass i en ledning 12 under dannelse av en blanding som via en ledning 5 innmates i en første separator 7 med en membran 8 som er selektiv . for gjennomtrengning av carbondioxyd i forhold til gjennomtrengning av methan.

Blandingen befinner seg ved et slikt gjennomtrengningstrykk som gjør det mulig for carbondioxydanriket gass selektivt å trenge gjennom membranen 8. Efterhvert som en med carbondioxyd anriket permeatgass fjernes ved redusert trykk fra den første separator 7 via en ledning 2, får en ikke gjennomtrengt gass strømme gjennom ledningen 7 fra den første separator 7 til en påfølgende separator 9 med en membran 10 som er selektiv . overfor gjennomtrengning av carbondioxyd i forhold til gjennomtrengning av methan. Carbondioxyd trenger også selektivt gjennom en membran 10 under dannelse av en med methan anriket ikke gjennomtrengt gass som fjernes ved redusert trykk fra den påfølgende separator 9 via en ledning 3. Permeatgassen fra den på-følgende separator 9 får strømme tilbake gjennom ledningen 4 til en kompressor 11 for derfra ved et gjennomtrengningstrykk å tilbakeføres via en ledning 12 som en resirkuleringspermeatgass.

Membranene 8 og 10 er selektive for gjennomtrengning av en sur gasskomponent, f.eks. carbondioxyd, i forhold til gjennomtrengning for hydrocarbongassen, f.eks. methan, og disse membraner er derfor særpregede ved at de har en separeringsfaktor for carbondioxyd i forhold til methan av

CO

minst 8. Separeringsfaktoren kan representeres som a 2 .

CH„

4 Membranene 8 eller 10 kan foreligge i form av et flatt ark, men de foreligger fortrinnsvis i form av hule polymerfibre. En membran vil i alminnelighet bestå av et knippe av en rekke hulfibermembraner. Blant de foretrukne hulfibermembraner kan nevnes flerkomponentmembraner som beskrevet i US patentskrift 4230463. En rekke anvendbare separator-konstruksjoner omfatter dem som er beskrevet i US patent-

skrifter 3616928, 3339341, 3422008, 3528553, 3702658 og 4315819.

En alternativ anordning er vist på Fig. 3, hvor påmatningsgassen tilføres ved lavt trykk og må komprimeres til et gjennomtren<g>ningstrykk. Permeatgassen fra en på-følgende sparator 9A får strømme gjennom en ledning 4A i form av en resirkuleringspermeatgass som blander seg med lavtrykkpåmatningsgassen som strømmer i en ledning IA.

De danner sammen en lavtrykkgassblanding som strømmer gjennom en ledning 12A til en kompressor 11A hvori blandingen bringes opp til et gjennomtrengningstrykk.

Den prosess som fremgår av Fig. 3, er fordelaktig da såvel resirkuleringspermeatgassen som påmatningsgassen komprimeres til et gjennomtrengningstrykk ved hjelp av kompressoren. Derved kan betraktelige besparelser oppnås hva gjelder investeringsomkostninger, installeringsom-kostninger og driftsomkostninger„

Det vil selvfølgelig forstås at separatorene 7 og 9

på Fig. 1 og 7A og 9A på Fig. 3 representerer en enkelt-separator eller en rekke separatorer avhengig av det membranoverflateareal som er nødvendig for denønskede separering og av den mest økonomiske måte å tilveiebringe membranoverflateareal i en separator på.

På Fig. 2 er skjematisk vist et alternativt apparat for å utføre en annen utførelsesform av den foreliggende fremgangsmåte. En gassblanding som f.eks. omfatter methan og carbondioxyd, blir tilført via en ledning 42 og omfatter en påmatningsgass som er blitt tilført via en ledning 41,

og en resirkuleringspermeatgass som er blitt tilført via en ledning 66. Gassblandingen blir med et gjennomtrengningstrykk tilført en rekke seriekoblede separatorer 43, 47 og 58o Hver av de første separatorer har en membran 44, 48

og 52 som oppviser selektivitet for gjennomtrengning av carbondioxyd, slik at en med carbondioxyd anriket permeatgass kan fjernes fra separatorene via ledninger 45, 49 og 53. Den ikke gjennomtrengte gass får strømme til hver av de første seriekoblede separatorer med minimalt fall i gjennom-

trengningstrykket, f,eks, via ledninger 46, 50 og 54. Antallet av de første seriekoblede separatorer er avhengig av slike variable som den samlede gasstrømmengde pr. tidsenhet, den ønskede separering og den økonomiske mengde av membranoverflateareal som kan tilveiebringes i en separator. Den ikke gjennomtrengte gass fra de mange første separatorer blir overført til en rekke påfølgende separatorer via en ledning 56 som deler den ikke gjennomtrengte gass~ i adskilte gasstrømmer som f.eks. via ledninger 57 og 58 innmates i påfølgende parallellkoblede separatorer 59 og 61. Slike påfølgende separatorer 59 og 61 har membraner hhv. 60 og 62 som oppviser selektivitet for gjennomtrengning av carbondioxyd, hvorved en permeatgass som er mer anriket med carbondioxyd sammenlignet med den gass som tilføres de påfølgende separatorer, kan fjernes via hhv. ledninger 64 og 65. Permeatgasstrømmene kan kombineres til en resirkulerings-permeatgasstrøm og overføres via en ledning 66 for å blandes med påmatningsgassen i ledningen 41. Den ikke gjennomtrengte gass fra de påfølgende separatorer vil være sterkt anriket med methan og kan fjernes fra de påfølgende separatorer via ledninger 68 og 67. Antallet av påfølgende separatorer er også avhengig av slike variable som den gass-mengde som skal behandles, den ønskede separering og den membranoverflatearealmengde som kan tilveiebringes i en separator.

Avhengig av den separering som skal utføres, kan de første separatorer, f.eks. 43, 4 7 og 51, være seriekoblede, som vist på Fig. 2, eller parallellkoblede eller serie/ parallellkoblede. Likeledes kan anordningen av de på-følgende separatorer, f.eks. 5 9 og 61, være parallell, som vist på Fig. 2, eller i serie eller en kombinasjon av serie/parallellkoblede.

På Fig. 4 er skjematisk vist et apparat som kan anvendes ved utførelse av en utførelsesform av den foreliggende fremgangsmåte under anvendelse åv en enkelt membranseparator. En gassformig blanding, f,eks. av carbondioxyd og methan, blir fra en kompressor 111 via en ledning 112 innmatet i en separator 113 med en membran 114 som er mer gjennomtrengelig for carbondioxyd enn for methan.

Carbondioxyd trenger selektivt gjennom membranen 114

fra den ene side av denne til den annen og fjernes fra separatoren 113 via en ledning 116 i form av en permeatgass-strøm som er anriket med carbondioxyd. En ikke gjennomtrengt gass fjernes fra separatoren 113 via en ledning 104,

og denne gasstrøm utgjøres av en med methan anriket ut-vinningsstrøm. En del av den med carbondioxyd anrikede permeatgasstrøm som strømmer gjennom ledningen 116, fjernes fra denne ledning og resirkuleres eller tilbakeføres via en ledning 103 til kompressorens 111 sugeside for derfra å tilbakeføres til kontakt med den ene side av membranen 114. Resten av permeatgasstrømmen fjernes i form av en med carbondioxyd anriket utvinningsstrøm 105. Mengden av den med carbondioxyd anrikede permeatgasstrøm som skal tilbake-

føres til separatorens 113 innløpsside, er 10-50%.

Som et resultat av de omfattende membrangasseparerings-operasjoner er en betraktelig mengde membrangjennomtrengningsdataer blitt samlet som sikrer at datamaskinassisterte simuleringer av membrangassepareringer kan benyttes for å forutsi membrangasseparatoregenskaper med rimelig nøyaktighet. Slike membrangjennomtrengningsdataer innbefatter f.eks. at

da en påmatningsgass som omfattet 21,8 mol% carbondioxyd og 76,9 mol% methan ble bragt i kontakt med en gasseparerings-membran som var mer gjennomtrengelig .for carbondioxyd, kunne en permeatgass omfattende 78,6 mol% carbondioxyd fjernes.

Den ikke gjennomtrengte gass var anriket inntil 79,0 mol% methan. Da den samme membran kom i kontakt med en påmatningsgass som omfattet vesentlig mer carbondioxyd i en mengde av 79,8 mol% carbondioxyd og bare 16,9 mol% methan og membranen ble anvendt under lignende betingelser hva gjaldt temperatur, trykk og strømningsmengde pr. tidsenhet, ble permeatgassen anriket til inntil 94,4 mol% carbondioxyd. Den ikke gjennomtrengte gass ble imidlertid anriket bare til 19,2 mol% methan.

De nedenstående eksempler er basert på datamaskin-simuleringer av en membrangasseparering for en gassblanding

som omfattet carbondioxyd og methan.

Eksempel 1

En datamaskinsimulering av en kjent membrangass-separering er beskrevet i dette eksempel som viser den uheldige virkning av trinnvis økende membranoverflateareal på utvinningen av methan ved hjelp av en membrangass-separeringsprosess. Denne virkning er at når membranoverflatearealet øker, kan renhet for methan i en ikke gjennomtrengt gass økes, men på bekostning av en vesentlig minskning av methanutvinningen. En påmatningsgass som omfatter 44,0 mol% carbondioxyd, 55,0 mol% methan og 1,0 mol% nitrogen, tilveiebringes i en strømningsmengde pr. tidsenhet av 1115 Nm 3/h. Gassen tilveiebringes ved et gjennomtrengningstrykk av 3620 kPa og tilføres til en separator med et membranoverflateareal av 1106 m 2. Membranens permeatside holdes på et trykk av 172 kPa.

Membranene for begge separatorer er særpregede ved at de har en permeabilitet for carbondioxyd av 35,0 GGU (som definert ovenfor), en permeabilitet for methan av 2,5 GGU og en permeabilitet for nitrogen av 1,9 GGU. Basert på de ovenstående permeabiliteter for carbondioxyd og methan oppviser membranen en selektivitet for gjennomtrengning av carbondioxyd sammenlignet med gjennomtrengningen for methan av 14, hvilket innebærer at membranen har en separerings-

f aktor.

av 14.

En med carbondioxyd anriket gass vil selektivt trenge gjennom membranen. Det kan forutsies at den utvundne permeatgass vil ha en strømningsmengde pr. tidsenhet av 70 4 Nm 3/h for en sammensetning av 69,1 mol% carbondioxyd og 30,4 mol% methan. I denne permeatgasstrøm kan 9 9,1% av det samlede carbondioxyd som er inneholdt i påmatningsgassen, bli utvunnet.

Det kan også forutsies at den ikke gjennomtrengte gass fra separatoren vil ha en strømningsmengde pr, tidsenhet av 413 Nm 3/h for en sammensetning av 1,1 mol% carbondioxyd og 96,9 mol% methan. I denne ikke gjennomtrengte gasstrøm vil 65,1% av det samlede methan som var inneholdt i påmatningsgassen bli utvunnet.

Simuleringen gjentas under identiske betingelser, bortsett fra at membranoverflatearealet økes til 12 36 m 2. Efterhvert som membranoverflatearealet øker, blir den ikke gjennomtrengte gass mer anriket med methan inntil 97,6 mol% methan. Utvinningen av methan i den ikke gjennomtrengte gass blir imidlertid sterkt redusert, slik at den ikke gjennomtrengte gasstrøm vil omfatte 6 0,1% av det samlede methaninnhold i påmatningsgassen.

Simuleringen gjentas ytterligere under identiske betingelser, bortsett fra at membranoverflatearealet økes til 1384 m 2. Det kan forutsies at med denne ytterligere økning av membranoverflatearealet vil den ikke gjennomtrengte gass bli mer anriket med methan inntil 97,8 mol%. Utvinningen av methan i den ikke gjennomtrengte gass blir imidlertid ytterligere sterkt redusert slik at den ikke gjennomtrengte gasstrøm vil omfatte bare 54,9% av det samlede methaninnhold i påmatningsgassen.

De viktigste date for denne simulering er oppsummert

i tabell I.

De nedenstående eksempler 2-5 beskriver den foreliggende fremgangsmåte, hvor utvinningen av methan i den ikke gjennomtrengte gass er betydelig forbedret selv om det fore-kommer en økning av membranens samlede overflateareal.

E ksempel 2

En datamaskinsimulering av en membrangasseparering er beskrevet i dette eksempel, hvor en påmatningsgass omfattende 44,0 mol% carbondioxyd, 55,0 mol% methan og 1,0 mol%

nitrogen ble innmatet i en mengde av 1115 Nm 3/ho Gassen ble innmatet med et gjennomtrengningstrykk av 3620 kPa. Påmatningsgassen kombineres med en permeatresirkuleringsgass som også er komprimert til 3620 kPa, og innføres i en første separator med et membranoverflateareal av 743 m 2- En ikke gjennomtrengt gass fra den første separator overføres til en på• følgende separator med et membranoverflateareal av 362 m 2.

Membranene i begge separatorer er særpregede ved at

de har en permeabilitet overfor carbondioxyd av 35,0 GGu (som definert ovenfor), en permeabilitet for methan av 2,5 GGU og en permeabilitet for nitrogen av 1,9 GGU. Basert på de oven-nevnte permeabiliteter for carbondioxyd og methan oppviser en membranen en selektivitet for gjennomtrengning av carbondioxyd sammenlignet med gjennomtrengningen av methan av 14, hvilket innebærer at membranen har en separeringsfaktor

av 14,

Det kan forutsies at en permeatresirkuleringsgass med en sammensetning av 30,9% carbondioxyd og 68,1% methan kan fjernes fra den påfølgende reaktor i en mengde av 115 Nm 3/h og tilbakeføres som permeatresirkuleringsgass for blanding med påmatningsgassen.

Permeatgassen fra den første separator kan forutsies

å foreligge i en mengde av 617 Nm /h for en sammensetning av 78,1 mol% carbondioxyd og 21,6 mol% methan. Denne permeat-gasstrøm vil inneholde 97,9% av carbondioxydinnholdet i påmatningsgassen o

Det kan også forutsies at den ikke gjennomtrengte gass fra den påfølgende separator vil foreligge i en mengde av 499 Nm 3/h for en sammensetning av 2,0 mol% carbondioxyd og 96,1 mol% methan. Denne strøm av ikke gjennomtrengt gass vil føre til utvinning av 78,2% av det samlede methaninnhold som tilføres med påmatningsgassen.

Permeatgasstrømmene vil strømme fra hver separator med et trykk på 172 kPa. For å komprimere permeatresirkuleringsgassen til gjennomtrengningsgasstrykket av 3620 kPa vil det være nødvendig med en kraft på 2 3 kW for komprimeringen.

De relevante data for datamaskinsirkuleringen ifølge eksempel 2 er oppsummert i tabell II.

Eksempel 3

Dette eksempel beskriver nærmere en datamskin-simulering av en membrangasseparering av en gassblanding omfattende carbondioxyd og methan. Den samme påmatningsgass som ble anvendt for simuleringen ifølge eksempel 2,

kan separeres ved den foreliggende fremgangsmåte med en første separator med et membranoverflateareal av 5 39 m<2>og med en påfølgende separator med et membranoverflateareal av 697 m<2>.

De andre arbeidsparametre er de samme som i eksempel 1, bortsett fra at permeatresirkuleringsgassen vil strømme i en mengde av 300 Nm 3/h med en sammensetning av 50,1 mol% carbondioxyd og 49,2 mol% methan. Dette høyere volum av resirkulert gass krever en kraft på 60 kW for komprimering av gassen fra 172 kPa til 3620 kPa,

Den utvundne permeatgass fra den første separator

kan forutsies å strømme i en mengde av 566 Nm 3/h for en sammensetning av 84,6 mol% carbondioxyd og 15,2 mol% methan. Denne permeatgasstrøm kan forutsies å inneholde 97,3% av

det samlede carbondioxydinnhold i påmatningsgassen.

Den ikke gjennomtrengte gass fra den påfølgende separator kan forutsies å strømme i en mengde av 550 Nm 3/h for en sammensetning av 2,0 mol% carbondioxyd og 96,2 mol% methan. Utvinningen av methan i denne ikke gjennomtrengte gass kan forutsies å være vesentlig høyere med 85,7% av det samlede methaninnhold i påmatningsgassen.

De relevante data for datamaskinsimuleringen ifølge

dette eksempel er oppsummert i tabell II.

Eksempel 4

Dette eksempel beskriver nærmere en datamaskinsimulering av en membrangasseparering av en gassblanding omfattende carbondioxyd og methan. I dette eksempel er mengden av membranoverflateareal i den første separator ytterligere redusert, og mengden av membranoverflateareal i den påfølgende separator er ytterligere øket. Dette gjør det mulig for apparatet å motta et høyere volum av permeatresirkuleringsgass, hvorved utvinningen av methan i den ikke gjennomtrengte gasstrøm fra den påfølgende separator forbedres.

Den samme påmatningsgass anvendes som ble anvendt for simuleringen ifølge eksempel 2, og den blir separert ved den foreliggende fremgangsmåte med en første separator som omfatter et membranoverflateareal av 427 m 2 , og med en påo-følgende separator som omfatter et membranoverflateareal av 957 m 2. De andre arbeidsparametre er de samme som i eksempel 2, bortsett fra at 520 Nm 3/h resirkuleringspermeatgass til-bakeføres til blandingen sammen med påmatningsgassen. Dette høyere volum av resirkuleringspermeatgass krever en kraft på 102 kW for komprimering fra 172 kPa til 362 0 kPa.

Utvinningen av methan i den ikke gjennomtrengte gass fra den påfølgende separator kan forutsies å være øket til 90,5% av det samlede methaninnhold i påmatningsgassen.

De relevante data for datamskinsimuleringen ifølge dette eksempel er oppsummert i tabell II.

Eksempel 5

Dette eksempel beskriver ytterligere en datamaskinsimulering av en membrangasseparering av en gassblanding omfattende carbondioxyd og methan. Dette eksempel beskriver en ytterligere forbedring av utvinningen av methan i den ikke gjennomtrengte gass fra den påfølgende separator.

Dette oppnås ved ytterligere å regulere membranoverflatearealet for separatorene og ved ytterligere å øke strømmen pr. tidsenhet av resirkuleringspermeatgassen. Den første separator omfatter et membranoverflateareal av 279 m<2>og den på• følgende separator et membranoverflateareal av 1551 m 2.

De andre arbeidsparametre er de samme som i eksempel

2, bortsett fra at 1400 Nm 3/h resirkuleringspermeatgass til-bakeføres for blanding med påmatningsgass. Dette volum av resirkulert gass krever en kraft på 2 75 kW for komprimering fra 172 kPa til 3620 kPa.

Utvinningen av methan i den ikke gjennomtrengte gass fra den påfølgende separator kan forutsies å være øket til 96,4% av det samlede methaninnhold i påmatningsgassen.

De relevante data for datamaskinsimuleringen ifølge dette eksempel er oppsummert i tabell II.

De ovenstående eksempler 2-5 angår utførelsesformer

av den foreliggende fremgangsmåte for utvinning av en hydro-carbonanriket, ikke gjennomtrengt gass fra en blanding som omfatter en hydrocarbongass og en sur gass. Disse eksempler viser det vide område av variable som kan påvirkes for å oppnå en mest mulig effektiv utførelse av den foreliggende fremgangsmåte i avhengighet av påmatningsgassbetingelsene, det tilgjengelige membranoverflateareal, driftsomkostningene og de ønskede separeringer.

Ved den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes således en membrangassepareringsprosess for å øke utvinningen av hydrocarbongass fra en blanding av hydrocarbongass og en sur gass, hvor med økende membranoverflateareal en resirkuler-ingsgasstrøm utnyttes slik at hydrocarbonutvinningen ikke vil synke/men øke betydelig til høyere nivåer.

Eksempel 6

Dette eksempel beskriver en datamaskinsimulering av en membrangasseparering ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen under anvendelse av en enkelt membranseparator. Simuleringen som er oppsummert i tabell III, forutsier at en påmatningsgass med 55,5 mol% methan og 45,0 mol% carbondioxyd kan separeres i en ikk gjennomtrengt gasstrøm av 95,0 mol% methan og en permeatgasstrøm av 78,0 mol% carbondioxyd.

Den ikke gjennomtrengte gasstrøm vil stå for utvinning av 78,0% av det samlede methaninnhold i den påmatede gass.

Ingen av permeatstrømmene resirkuleres. Trykket på membranens påmatningsside er 2520 kPa og trykket på membranens permeatside 172 kPa.

E ksempel 7

Dette eksempel beskriver en datamaskinsimulering av en membrangasseparering lignende den ifølge eksempel 6, bortsett fra at 25,7% av permeatgasstrømmen blir resirkulert til den gassformige blanding. Simuleringen som er oppsummert, i tabell II, forutsier at påmatningsgassen kan separeres i en ikke gjennomtrengt gasstrøm med 95,0 mol% methan i en permeatgass-strøm med 80,8 mol% carbondioxyd. Den ikke gjennomtrengte gasstrøm vil stå for utvinning av 81,5% av det samlede methaninnhold i påmatningsgassen.

Eksempel 8

Dette eksempel beskriver en datamaskinsimulering av

en mebrangasseparering lignende den som er beskrevet i eksempel 7, bortsett fra at de 50% av permeatgasstrømmen resirkuleres til den gassformige blanding. Simuleringen som er oppsummert i tabell V, forutsier at påmatningsgassen kan separeres i en ikke gjennomtrengt gasstrøm med 95,0 mol% methan og en permeatgasstrøm med 84,5 mol% carbondioxyd. Den ikke gjennomtrengte gasstrøm vil stå for utvinning av 85,3% av det samlede methaninnhold i påmatningsgassen.

Membraner som er egnede for anvendelse ved utførelsen av den foreliggende fremgangsmåte, vil ofte oppvise en separeringsfaktor for hydrogensulfid i forhold til methan som er i det vesentlige like stor som for carbondioxyd i forhold til methan, dvs. minst 9. Hydrogensulfid og blandinger av hydrogensulfid og carbondioxyd kan således separeres fra methan med i det vesentlige det samme utbytte som det som fås separering av carbondioxyd fra methan.

Claims (1)

1. -1. Fremgangsmåte ved membranseparering av gasser for å utvinne en ikke gjennomtrengt gass som er anriket med minst én gassø fra en blanding som omfatter den nevnte i det minste ene gass og minst en annen gass,

   karakterisert ved at

   (a) gassblandingen tilføres med et gjennomtrengningstrykk til minst to første separatorer med membraner som oppviser selektivitet for gjennomtrengning av. den nevnte i det minste ene annen gass sammenlignet med gjennomtrengning av den nevnte i det minste ene gass, idet de første separatorer har et bestemt første separatormembran-overf lateareal ,

   (b) en ikke gjennomtrengt gass fra den første separator over-føres til minst to påfølgende separatorer med membraner som oppviser selektivitet for gjennomtrengning av den nevnte i det minste ene annen gass sammenlignet med gjennomtrengning av den nevnte i det minste ene gass,

   idet de påfølgende separatorer har et bestemt påfølgende separatormembranoverflateareal og forholdet mellom det bestemte første separatormembranoverflateareal og det bestemte påfølgende separatormembranoverflateareal er minst 0,3,

   (c) en permeatgass som er anriket med den i det minste ene annen gass, fjernes fra de første separatorer,

   (d) en ikke gjennomtrengt gass som er anriket med den nevnte i det minste ene gass, fjernes fra de påfølgende separatorer, og

   (e) en resirkuleringspermeatgass gjernes fra de påfølgende separatorer, og i det minste en del av resirkuleringspermeatgassen tilbakeføres til blandingen for derved å øke volumet av den nevnte i det minste ene gass som utvinnes i den ikke gjennomtrengte gass»

   20 Fremgangsmåte ifølge krav 1,

   karakterisert ved at den nevnte i det minste ene gass omfatter hydrocarbongass og at den nevnte i det minste annen gass omfatter en sur gass.

   3„ Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det som membraner som oppviser selektivitet for gjennomtrengning av den nevnte i det minste ene annen gass sammenlignet med gjennomtrengning for den nevnte i det minste ene gass, anvendes separatorer med en separeringsfaktor, a, innen området 8-30,

   4. Fremgangsmåte ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at hydrocarbongassen omfatter me than o

   5. Fremgangsmåte ifølge krav 2-4,

   karakterisert ved at den sure gass omfatter carbondioxyd.

   6. Fremgangsmåte ifølge krav 1-5,

   karakterisert ved at blandingen består av resirkuleringspermeatgassen og en påmatningsgass som omfatter 30-70 mol% methan og 30-70 mol% carbondioxyd.

   7. Fremgangsmåte ifølge krav 6,

   karakterisert ved at den ikke gjennomtrengte gass som er anriket med den nevnte i det minste ene gass, omfatter minst 90 mol% methan og minst 90% av det samlede methaninnhold i påmatningsgassen.

   8. Fremgangsmåte ved separering av en sur gass fra en gassblanding som omfatter en hydrocarbongass, karakterisert ved ' at

   (a) gassblandingen innmates i kontakt med én side av en membran som er mer gjennomtrengelig for sur gass enn for hydrocarbongass, slik at sur gass selektivt trenger gjennom til den annen side av membranen, idet det som membran anvendes en membran med en separeringsfaktor av minst 8 for carbondioxyd i forhold til methan,

   (b) en ikke gjennomtrengt gasstrøm fjernes fra den nevnte ene side av membranen,

   (c) en permeatgasstrøm fjernes fra den nevnte annen side av membranen, og

   (d) en del av perraeatgasstrømmen tilbakeføres til den gass

   formige blanding i form av en resirkuleringsstrøm.

   9o Fremgangsmåte ifølge krav 8,

   karakterisert ved at 10-50% av permeat-gasstrø mmen tilbakeføres til den gassformige blanding.

   10o Fremgangsmåte ifølge krav 8 eller 9, karakterisert ved at det anvendes en gassformig blanding som består av en påmatningsgass som omfatter 20-80 volum% methan og resirkuleringsstrømmen,

   11. Fremgangsmåte ifølge krav 8-10,

   karakterisert ved at den ikke gjennomtrengte gasstrøm omfatter minst 90 volum% methan.

   12. Fremgangsmåte ifølge krav 8-11,

   karakterisert ved at en tilstrekkelig mengde av permeatgasstrømmen tilbakeføres i form av en resirkuleringsstrøm slik at den ikke gjennomtrengte gass-strøm vil inneholde minst 80% av methanet i påmatningsgassen.

   13. Apparat for utfø relse av membranseparering av gasser, karakterisert ved at det omfatter minst to første separatorer med membraner som oppviser selektivitet for gjennomtrengning av én gass i forhold til gjennomtrengning av minst en annen gass, minst to påfølgende separatorer med membraner som oppviser selektivitet for gjennomtrengning av den nevnte ene gass i forhold til gjennomtrengning av den nevnte i det minste ene annen gass, en anordning for til de første separatorer å tilføre en blanding som omfatter den nevnte i det minste ene gass og dan nevnte i det minste ene annen gass, med et gjennomtrengningstrykk,

   en anordning for å gjøre det mulig for en ikke gjennomtrengt gass å strømme fra de første separatorer til påfølgende separatorer, en anordning for fra de første separatorer å fjerne en permeatgass som er anriket med den nevnte i det

   minste ene gass, en anordning for fra de påfølgende separatorer å fjerne en ikke gjennomtrengt gass som er anriket med den nevnte i det minste ene annen gass, en anordning for å fjerne en resirkuleringspermeatgass fra de påfølgende separatorer, og en anordning for å tilbake-føre i det minste en del av resirkuleringspermeatgassen til anordningen for tilførselen av en blanding.

   14o Apparat ifølge krav 13,

   karakterisert ved at de første separatorer har et bestemt første separatormembranoverflateareal og at de påfølgende separatorer har et bestemt påfølgende separatormembranoverflateareal, idet forholdet mellom det første separatormembranoverflateareal og det påfølgende separatormembranoverflateareal er minst 0,3.