RU2161527C1

RU2161527C1 - Gas mixture separation process

Info

Publication number: RU2161527C1
Application number: RU2000101531A
Authority: RU
Inventors: С.В. Долгушев; В.М. Фомин; В.П. Фомичев
Original assignee: Институт теоретической и прикладной механики СО РАН
Priority date: 2000-01-17
Filing date: 2000-01-17
Publication date: 2001-01-10

Abstract

FIELD: gas treatment. SUBSTANCE: membrane elements are continuously introduced into pipeline stream and transported together with gas mixture. When membrane elements are filled with desired gas component, they are removed from the stream and desired gas component collected. EFFECT: simplified process and reduced power consumption.

Description

Изобретение относится к области разделения многокомпонентных газовых смесей и может быть использовано в газоперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности. The invention relates to the field of separation of multicomponent gas mixtures and can be used in gas processing, chemical and other industries.

В газовой и химической промышленности для извлечения или повышения концентрации целевых компонентов применяется метод, основанный на селективном проникновении одного или нескольких компонентов смеси через полупроницаемую мембрану за счет различия в коэффициентах проницаемости компонентов. Движущей силой этих процессов является разность парциальных давлений или концентраций компонентов по обе стороны мембраны [1]. In the gas and chemical industries, a method based on the selective penetration of one or more components of a mixture through a semipermeable membrane due to the difference in the permeability coefficients of the components is used to extract or increase the concentration of the target components. The driving force of these processes is the difference in partial pressures or component concentrations on both sides of the membrane [1].

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ разделения газовой смеси, включающий стадии: сжатия исходной газовой смеси, пропускания сжатой смеси через пространство между мембранными элементами, диффузию проникающего компонента газовой смеси через полупроницаемые мембрану мембранных элементов и отвод проникшего компонента. Мембранные элементы выполняют в виде полых замкнутых тел. Отвод проникшего компонента осуществляют после прекращения пропускания сжатой смеси путем вакуумирования пространства между мембранными элементами и обратной диффузии проникшего компонента через полупроницаемую мембрану [2]. The closest technical solution, selected as a prototype, is a method for separating a gas mixture, which includes the steps of: compressing the original gas mixture, passing the compressed mixture through the space between the membrane elements, diffusing the penetrating component of the gas mixture through the semipermeable membrane of the membrane elements and removing the penetrated component. Membrane elements are made in the form of hollow closed bodies. The removal of the penetrated component is carried out after the termination of transmission of the compressed mixture by evacuation of the space between the membrane elements and the back diffusion of the penetrated component through the semipermeable membrane [2].

Недостатками известного способа являются его цикличность, необходимость периодически изменять давление в пространстве между полыми замкнутыми мембранными элементами от весьма высоких (порядка нескольких десятков и сотен атмосфер) значений до очень низких (несколько миллиметров ртутного столба и ниже), что в свою очередь приводит к высоким требованиям к прочности конструкционных материалов, которые должны выдерживать большие изменения давления, и к управляющей процессом аппаратуре, задающей периодический режим сжатия смеси с последующим вакуумированием. Периодичность процесса приводит к относительно малой производительности процесса, а фиксированное расположение мембранных элементов - к неполному использованию преимуществ разделения и очистки газов с помощью полых замкнутых мембранных элементов. После достижения высоких значений коэффициента разделения проникающего компонента на стадии его проникновения в полость мембранных элементов, на стадии вакуумирования пространства между мембранными элементами выделяемый компонент, выходя обратно, смешивается с остатками исходной смеси, в результате коэффициент разделения существенно снижается. The disadvantages of this method are its cyclical nature, the need to periodically change the pressure in the space between hollow closed membrane elements from very high (of the order of several tens and hundreds of atmospheres) values to very low (several millimeters of mercury and below), which in turn leads to high requirements to the strength of structural materials that must withstand large changes in pressure, and to process control equipment that sets a periodic mode of compression of the mixture, followed by vacuum evacuation. The frequency of the process leads to a relatively low productivity of the process, and a fixed arrangement of membrane elements leads to the incomplete use of the advantages of separation and purification of gases using hollow closed membrane elements. After reaching high values of the separation coefficient of the penetrating component at the stage of its penetration into the cavity of the membrane elements, at the stage of evacuating the space between the membrane elements, the released component coming out back is mixed with the remnants of the initial mixture, as a result, the separation coefficient is significantly reduced.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение качества разделения, снижение энергетических затрат и технологической сложности процесса разделения. The objective of the invention is to improve the quality of separation, reducing energy costs and technological complexity of the separation process.

Поставленная задача решается таким образом, что один или несколько целевых компонентов извлекаются из многокомпонентной смеси путем диффузии через селективно-проницаемые оболочки полых замкнутых мембранных элементов, которые непрерывно вводят в поток смеси в трубопроводе и транспортируют вместе со смесью, после заполнения мембранных элементов целевым компонентом их удаляют из потока с последующим извлечением из них целевого компонента. The problem is solved in such a way that one or more target components are extracted from the multicomponent mixture by diffusion through selectively permeable shells of hollow closed membrane elements, which are continuously introduced into the mixture flow in the pipeline and transported with the mixture, after filling the membrane elements with the target component they are removed from the stream, followed by extraction of the target component from them.

Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень. These signs are not identified in other technical solutions when studying the level of this technical field and, therefore, the solution is new and has an inventive step.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

В газовый поток магистрального трубопровода непрерывно вводят полые замкнутые мембранные элементы, которые перемещаются вместе со смесью. В процессе движения мембранных элементов в потоке происходит заполнение мембранных элементов целевым компонентом путем его селективного проникания через их стенки. После заполнения мембранных элементов целевым компонентом происходит их удаление из потока и извлечение из мембранных элементов целевого компонента, например путем обратной диффузии или другим способом. Hollow closed membrane elements that move together with the mixture are continuously introduced into the gas stream of the main pipeline. In the process of movement of the membrane elements in the stream, the membrane elements are filled with the target component by selective penetration through their walls. After filling the membrane elements with the target component, they are removed from the stream and the target component is removed from the membrane elements, for example by back diffusion or in another way.

Пример. Example.

Разделению подвергают транспортируемый по газопроводу богатый гелием природный газ - газовую смесь, содержащую в основном метан и 1 об.% гелия. В качестве мембранных элементов используют полые микросферы из кварцевого стекла диаметром до 100 мкм при толщине оболочки 1 мкм. Кварцевая оболочка является селективно-проницаемой мембраной с коэффициентом разделения гелий-метан 10⁷-10⁸ при температуре 10 - 20^oC.The gas rich in helium, transported through a gas pipeline, is separated, a gas mixture containing mainly methane and 1 vol.% Helium. As the membrane elements, hollow microspheres of quartz glass with a diameter of up to 100 μm with a shell thickness of 1 μm are used. The quartz shell is a selectively permeable membrane with a helium-methane separation coefficient of 10 ⁷ -10 ⁸ at a temperature of 10 - 20 ^o C.

Природный газ транспортируют при среднем значении давления в трубопроводе 50 атм, при этом парциальное давление гелия составляет 380 мм рт.ст. В этот поток смеси газов непрерывно вводятся полые замкнутые мембранные элементы, например, с такой скоростью подачи, что в результате образуется течение двухфазной системы газ - твердые частицы с объемной долей частиц 10%. Время заполнения мембранных элементов гелием до 98% максимального значения его парциального давления равно 4,5 мин. Средняя скорость течения в газопроводе составляет приблизительно 10 м/с. В течение 4,5 мин элемент системы газовая смесь - мембранные элементы перемещается на расстояние 2700 м. На таком (или несколько большем) расстоянии от места ввода мембранных элементов они извлекаются из трубопровода, после чего производится отвод из них проникшего гелия. Если до ввода мембранных элементов в трубопровод внутри них не было газов, то после их удаления из газопровода они будут содержать практически чистый гелий. Состав готового продукта определяется способом извлечения проникшего компонента из мембранных элементов. Например, при удалении из них гелия в высоковакуумируемой емкости путем обратной диффузии чистота гелия будет практически сохранена. Natural gas is transported at an average pressure in the pipeline of 50 atm, while the partial pressure of helium is 380 mm Hg. Hollow closed membrane elements are continuously introduced into this gas mixture stream, for example, with such a feed rate that a flow of a two-phase gas-solid system with a volume fraction of particles of 10% is formed as a result. The time for filling the membrane elements with helium up to 98% of the maximum value of its partial pressure is 4.5 minutes. The average flow velocity in the gas pipeline is approximately 10 m / s. Within 4.5 minutes, the element of the system is the gas mixture — the membrane elements are moved to a distance of 2700 m. At this (or slightly greater) distance from the entry point of the membrane elements they are removed from the pipeline, after which the penetrated helium is removed from them. If before entering the membrane elements into the pipeline there were no gases inside them, then after their removal from the gas pipeline they will contain almost pure helium. The composition of the finished product is determined by the method of extracting the penetrated component from the membrane elements. For example, when helium is removed from them in a highly evacuated vessel by reverse diffusion, the purity of helium will be practically preserved.

Доля извлекаемого из смеси гелия определяется объемной концентрацией мембранных элементов в системе газовая смесь - мембранные элементы. В приводимом примере из смеси извлекается 10% гелия. Суммарную степень извлечения целевого компонента можно увеличить, повышая объемную концентрацию мембранных элементов и повторяя несколько раз технологическую цепочку: ввод в поток мембранных элементов - их транспорт на участке газопровода - извлечение из потока. Это можно осуществить путем сооружения нескольких участков трубопровода, на которых последовательно осуществляется разделение смеси подвижными полыми замкнутыми мембранными элементами. The fraction of helium extracted from the mixture is determined by the volume concentration of the membrane elements in the gas mixture - membrane elements system. In the example given, 10% helium is recovered from the mixture. The total degree of extraction of the target component can be increased by increasing the volume concentration of the membrane elements and repeating the process chain several times: introducing the membrane elements into the stream - their transport in the pipeline section - extraction from the stream. This can be done by constructing several sections of the pipeline on which the mixture is sequentially separated by moving hollow closed membrane elements.

Таким образом, разделительная способность полых замкнутых мембранных элементов используется более эффективно, поскольку извлечение целевого компонента можно производить в такой емкости, в которую разделяемая смесь не подается. Способ разделения позволяет одновременно осуществлять транспорт смесей в больших объемах, характерных для перекачки их по магистральным трубопроводам, и повысить качество разделения. Thus, the separation ability of the hollow closed membrane elements is used more efficiently, since the extraction of the target component can be carried out in a container in which the mixture to be separated is not supplied. The separation method allows simultaneous transport of mixtures in large volumes, characteristic for pumping them through trunk pipelines, and to improve the quality of separation.

Источники информации
1. Роев Г.А., Хайдин П.И. Мембранное разделение в нефтетранспортных технологических процессах. - М.: Недра, 1991, с. 125.Sources of information
1. Royev G.A., Khaidin P.I. Membrane separation in oil transportation technological processes. - M .: Nedra, 1991, p. 125.

2. А.с. N 1159605, МПК В 01 D 53/22, 07.06.1985 - прототип. 2. A.S. N 1159605, IPC B 01 D 53/22, 07/07/1985 - prototype.

Claims

A method of separating a gas mixture, which consists in extracting one or more target components from a multicomponent mixture by diffusion through selectively permeable shells of hollow closed membrane elements, characterized in that the hollow closed membrane elements are continuously introduced into the pipeline flow and transported together with the mixture after filling membrane elements with the target component are removed from the stream, followed by extraction of the target component from them.