Membranes for gas separation

[Niima]

•مقدمه:

آثار حذف نیتروژن همراه با گاز طبیعی در خطوط لوله​

فرآيندهاي جداسازي غشايي از دهه 1960 كاربردهاي صنعتي يافتند و برخي از آنها مانند جداسازي گازها توسط غشاء، عمري كمتر و در حدود 25 سال دارند.
فرآيندهاي غشايي در خلال دو دهه گذشته كاربردهاي متنوعي در صنايع نفت، گاز و پتروشيمي يافته اند. امروزه علاوه بر استفاده از اين فناوري جهت تصفيه آب و پساب در اين صنايع، در فرآيند توليد و پالايش مواد نيز جذابيت زيادي پيدا كرده و قابل رقابت با روشهاي كلاسيك جداسازي مي باشد. مهمترين زمينه هاي رقابت فناوري غشايي با فرآيندهاي كلاسيك در صنعت نفت، عبارتند از:
1) شيرين سازي گاز ترش (حذف CO2 و H2S از گاز طبيعي)
2) بازيافت و خالص سازي هيدروژن از جريانهاي گازي نظير بازيافت هيدروژن از گازهاي خروجي واحدهاي پالايشگاهي نظير هيدرو كراكر، هيدرو تريتر، FCC و ...
3) بازيافت هيدروژن از گازهاي خروجي واحدهاي توليد آمونياك
4) تنظيم نسبت H2/CO در گاز سنتز به منظور استفاده در انواع فرآيندهاي تبديلات گازي
5) حذف بخار آب از گاز طبيعي و ساير جريانهاي گازي
6) بازيافت و جداسازي هيدروكربن هاي سنگين از جريان گاز طبيعي و ساير جريانهاي گازي
7)توليد نيتروژن از هوا
8) توليد هواي غني از اكسيژن
امروزه فرآيند جداسازي گازها، کاربردهاي فراواني در صنايع مختلف از جمله نفت، گاز و پتروشيمي يافته است. در اين فرآيند از غشاهايي استفاده مي شود که با عبور دادن برخي از مولکول هاي گاز و نگاه داشتن ساير مولکول ها، جداسازي را انجام مي دهند.براي استفاده از اين غشاها در مقياس صنعتي آنها را در بسته هايي خاص که در اصطلاح "مدول" ناميده مي شوند، مي گذارند. هر مدول مقدار معيني غشا دارد که با آرايشي خاص قرار گرفته است و کانال هاي مشخصي براي عبور خوراک و خروج اجزاي باقي مانده و عبور کرده از غشا دارد.
از ميان انواع مدول هاي مورد استفاده در فناوري غشايي، مدول هاي موسوم به الياف ميان تهي، در جداسازي گازها اهميت و کاربرد بيشتري دارند. در اين مدول ها، غشا به فرم اليافي ميان تهي است و در هر مدول، تعداد بسيار زيادي از اين الياف جاي داده شده است.
تكنولوژي غشاء از اجزاء و مكانيزم­هاي موجود در بدن انسان الهام گرفته است. قسمت­هاي مختلفي در بدن انسان، از ديواره سلول گرفته تا اجزا‌‌ء بزرگتر به صورت يك غشاء عمل مي­كنند. به عنوان مثال شُش و ديوارة شُش در فرآيند جذب و دفع هوا مثل يك غشاء عمل مي­كند و يا اجزاء دستگاه گوارش كه غذا را وارد خون مي­كنند، از جمله غشا­ء­هاي موجود در بدن هستند. مهمتر از همه، كليه­ها كه دفع مواد زايد را از بدن انجام مي­دهند يك غشاء مهم در بدن محسوب مي­شوند. از اين­رو استفادة فراوان از غشاء در بدن انسان نشان مي­دهد كه غشاء و فرآيند­هاي مرتبط با آن قابل اطمينان هستند و مي­توانند در صنعت نيز راهگشاي حل مشكلات زيادي باشند.
يكي ديگر از زمينه هايي كه در خلال سالهاي اخير به شدت مورد توجه قرار گرفته است، راكتورهاي غشايي هستند كه با انجام همزمان واكنش شيميايي و جداسازي، بسياري از محدوديتهاي فرآيندهاي كلاسيك را مرتفع مي كنند. بخش قابل توجهي از تحقيقات در زمينه راكتورهاي غشايي، مرتبط با واكنش هاي تبديلات گازي و نيز ساير تبديلات شيميايي در صنايع پتروشيمي و پالايش نفت مي باشد. چنانچه اين تحقيقات به نتايج مطمئني جهت استفاده در مقياس صنعتي دست يابد، آينده بسياري از فرآيندها را در صنعت نفت، گاز و پتروشيمي تحت تاثير خود قرار خواهد داد. به اين دلايل، لزوم همگامي بخش تحقيقات كشور ما با تحقيقات جاري در دنيا در اين زمينه كاملاً محسوس است.

ميزان نيتروژن موجود در گاز طبيعي ايران بين پنج دهم تا يازده درصد متغير است. با توجه به آثار جنبي وجود نيتروژن همراه گاز بر ارزش حرارتي سوخت، اندازه ي خطوط انتقال و ظرفيت ايستگاه هاي تقويت فشار گاز،معمولا زدودن نيتروژن از گاز طبيعي با غلظت بيش از چهار درصد در شدت جريان هاي بالا انجام مي شود.براي نيل به اين هدف در حال حاضر از سيستم هاي سرد سازي، جذب سطحي، غشايي و جذب در حلال هاي مايع استفاده مي شود. هر يك از روش هاي جداسازي مذكور در محدوده ي خاصي از نظر شدت جريان و ميزان نيتروژن موجود در گاز داراي مزيت اقتصادي است و كاربرد دارد. با توجه به بالا بودن هزينه هاي فرآيند جذب سطحي و كاربرد نداشتن روش جذب در مقياس صنعتي،بیشتر از سیستمهای غشائی استفاده می شود. هرچند جداسازي نيتروژن باعث صرفه جويي قابل توجهي در افزايش ظرفيت انتقال گاز و توان كمپرسور واحد هاي تقويت فشار خط لوله مي گردد، اما به دليل كم بودن نسبي ميزان نيتروژن موجود در گاز طبيعي ايران و همچنين حجم بالاي سرمايه گذاري مورد نياز، هيچ يك از روش هاي جداسازي گفته شده در شرايط فعلي داراي توجيه اقتصادي نيست.

• اجزاي اصلي :
گاز طبيعي مخلوطي از هيدروكربن هاي سبك است كه عمده ترين جزء آلي موجود در آن متان است. اين گاز بي رنگ، بي بو ، بدون طعم و مزه و غير سمي است و معمولا با شعله اي آبي رنگ در حد اشتعال بين 5 تا 15 درصد

 

[Niima]

ادامه ---->

ادامه ---->

مي سوزد. ارزش حرارتي گاز طبيعي بين 800ـ 1200 «بي.تي.يو» به ازاي هر فوت مكعب از گاز در شرايط استاندارد است.
گاز طبيعي به دو دسته ي ترش و شيرين تقسيم مي شود. گاز ترش حاوي مقاديري از ناخالصي هاي سولفيد هيدروژن و دي اكسيد كربن است كه تمامي ناخالصي هاي مذكور به دليل آثار مخرب ناشي از خوردگي شديد در لوله هاي انتقال و تجهيزات فرآيندي بايد در محل توليد پالايش گردد. گاز طبيعي بدون ناخالصي هاي فوق را گاز شيرين مي نامند.

علاوه بر ناخالصي هاي مذكور مقداري نيتروژن نيز در گاز طبيعي موجود است كه اگرچه آثار مخرب خوردگي بر تاسيسات انتقال و فرآورش گاز را ندارد اما به دلايل صرفه جويي در هزينه هاي حمل و نقل و نگهداري، كاهش ارزش حرارتي و مسائل زيست محيطي لازم است در محل توليد از آن جدا شود. با توجه به مقدار نسبتا زياد نيتروژن در بيشتر مخازن گاز طبيعي كشورهاي اروپايي و آمريكا سال هاست كه بسياري از اين كشورها به جداسازي نيتروژن اقدام مي كنند. با توجه به بالا بودن هزينه هاي جداسازي نيتروژن از گاز طبيعي در روش هاي متداول، اين گونه جداسازي ها فقط به شدت جريان ها و غلظت هاي نسبتا زياد محدود مي شود. در كشورهاي پيشرفته صنعتي به ويژه آمريكا مطالعات فراواني براي حذف يا كاهش ميزان نيتروژن موجود در اين گاز براي دبي ها و غلظت هاي كمتر نيز به عمل آمده است كه بيشتر آن فعاليت ها در مراحل آزمايشگاهي و نيمه صنعتي است.

معمولا گازهاي حاوي بيش از چهار درصد نيتروژن را بايد قبل از ورود به خطوط لوله تصفيه شود. هر چند به دليل هزينه هاي بسيار زياد جداسازي نيتروژن و پالايش گاز طبيعي از ازت، فقط ارسال مقادير زياد آن داراي توجيه اقتصادي است اما مطالعاتي نيز در مورد تخمين مخارج واحدهاي كوچك جداسازي نيتروژن از گاز طبيعي انجام گرفته است.

وجود نيتروژن در گاز طبيعي معايب فراواني دارد كه عمده ترين آنها عبارتند از: •كاهش ارزش حرارتي سوخت. •كاهش دماي شعله احتراق و افزايش اتلاف انرژي توسط گازهاي احتراق. •افزايش هزينه ساخت خطوط لوله انتقال و تاسيسات تقويت فشار مربوطه. •افزايش ميزان اكسيدهاي نيتروژن در محصولات احتراق با اكسيژن خالص.


متوسط انرژي حرارتي گاز طبيعي در سطح جهاني در شرايط استاندارد حدود 38هزار كيلو ژول بر متر مكعب است. گاز ايران با داشتن 37هزار و930 كيلو ژول بر متر مكعب ارزش حرارتي، داراي كيفيت نازل تري نسبت به حد متوسط جهاني است. حذف يا كاهش تركيبات بي اثر موجود در سوخت ها يكي از راه هاي ساده اما مطمئن افزايش ارزش حرارتي آن است. با انجام اين روش و جداسازي حدود 5 درصد نيتروژن از گاز طبيعي تصفيه شده ايران مي توان ارزش حرارتي آن را تا حدود 40هزار كيلو ژول بر متر مكعب افزايش داد.

•بررسي روش هاي جداسازي نيتروژن از گاز طبيعي

مهمترين فرآيندهاي جداسازي نيتروژن از گاز طبيعي همانطور که قبلا اشاره شد عبارت از روش هاي سردسازي ، غشايي، استفاده از جاذب هاي محلول و غير محلول و جذب سطحي است. اگرچه فرآيندهاي مذكور در محدوده گسترده اي از نظر شدت جريان گاز و غلظت نيتروژن مي تواند مورد استفاده قرار گيرد اما معمولا فقط در يك شرايط خاص اقتصادي است.

ميزان گاز توليدي پالايشگاه هاي ايران عمدتا بسيار زياد بوده و غلظت نيتروژن در آن ها نسبتا پايين است، لذا فرآيندهاي جذب سطحي و جذب توسط حلال براي جداسازي نيتروژن از گاز طبيعي ايران مناسب نبوده و بايد از فرآيندهاي غشايي يا سردسازي استفاده كرد.


هر جا كه بحث جداسازي مطرح باشد، تكنولوژي غشاء يا membrane technology مطرح مي­شود. عمده­ترين كاربرد غشاء در فرايند­هاي جداسازي و خالص­سازي فرآورد­ه­هاي مختلف است.
غشا يك يا چند فاز است كه بين دو فاز متفاوت قرار دارد و از نظر فيزيكي و يا شيميايي متفاوت از هر دو فاز بوده و براساس خواص ذاتي غشا و نيروي محركه اعمالي، توانمندي كنترل انتقال جرم بين اين دو فاز را داراست.
غشاها بر سه گونه اند كه عبارتند از غشاهاي متخلخل با تخلخل در ابعاد ميكرو و نانومتر، غشاهاي نامتخلخل با لايه چگال و زير لايه متخلخل و غشاهاي حمل كننده "Carrier".
غشاهاي نانو ساختار آلي (پليمري)، غيرآلي و هيبريدي (آلي و غيرآلي) براي حذف گازهاي اسيدي به كاربرده شده اند كه غشاهاي نانومتري غيرآلي- كامپوزيتي با لايه رويي از جنس سيليكا در حذف گازهاي اسيدي كارايي بالاتري نسبت به غشاهاي ديگر نشان داده اند.
غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری با عبور دهی بالا و انتخاب پذیری معکوس در پژوهشکدهعلوم و تکنولوژی پلیمر پژوهشگاه صنعت نفت در حال انجام است. کاربرد اصلی این غشاها در جداسازی هیدروکربن ها از گاز طبیعی به منظور کنترلبی.تی.یو، همچنین بازیافت ان.جی.ال از گازهای همراه در سرچاه است.
استفاده از محلولهاي جاذب در مدلهاي غشايي نيز مي تواند كارايي اين فناوري در حذف گازهاي اسيدي را به طرز چشمگيري افزايش دهد.

انتخاب پذيري بالا و پايداري شيميايي، مكانيكي و حرارتي مناسب، محققين را به سمت توسعه غشاهاي هيبريدي نانوكامپوزيتي (شامل مواد معدني پخش شده در ماتريس پليمري) سوق داده است.
در دهه1990 با افزودن زئوليتهايي با انتخاب پذيري بالا سعي در بهبود كارايي غشاها شده است. ​

پژوهش هاي اخير نشان مي دهد كه افزودن ذرات غير متخلخل سيليكا در مقياس نانو متري به يك پليمر شيشه اي با حجم آزاد بالا بنام پلي(4- متيل-2- پنتين) (PMP) موجب افزايش همزمان عبوردهي و انتخاب پذيري مخلوط بخار هيدروكربني با گاز دايمي مي شود.​

تکنولوژی غشایی، کم هزینه، کم مصرف (انرژی) و دوست دار محیط زیست است.
گازهاي پس ماند خروجي از واحدهاي جداسازي غشايي و سردسازي اگرچه غني از نيتروژن است اما سرشار از متان بوده و به همين دليل مناسب ترين مورد مصرف براي آن ها استفاده در توربين هاي احتراقي براي تامين توان مورد نياز كمپرسورهاي فرآيند است.نتايج محاسبات انجام شده در مورد فرآيند غشايي حاكي از آن است كه ارزش كل حرارتي گاز اتلافي
برابر با 1010 ´ 7.76kJ/d يا معادل 898 MW است.
چنانچه از گاز پس ماند واحد نيتروژن زدايي براي بهره برداري ثانويه در تزريق به چاه هاي نفت استفاده شود، نياز به هيچ گونه جداسازي متان از نيتروژن نيست و به همين صورت قابل استفاده است. زيرا متان همراه نيتروژن علاوه بر تامين فشار مورد نياز مخزن در نفت سنگين حل شده و راندمان بهره برداري را افزايش مي هد. در صورتي كه از گاز پس ماند براي استفاده در صنايع غذايي مانند منجمد نمودن محصولات غذايي استفاده شود لازم است ميزان خلوص نيتروژن آن بيش از 99.9درصد باشد.

مزیتهای استفاده از سیستم غشائی برای تصفیه گاز:

1)مصرف انرژي كمتر براي انجام جداسازي
2) امكان انجام عمليات جداسازي در دماي محيط

 

[Niima]

ادامه ---->

ادامه ---->

3) سهولت دستيابي به كليه فازهاي جداسازي شده
4) انجام عمليات جداسازي توسط تجهيزاتي با وزن و حجم كم
5) نصب و عمليات ساده
6) حداقل نياز به كنترل، بازرسي، تعمير و نگهداري
7) عدم نياز به استفاده از مواد شيميايي براي جداسازي و بنابراين عدم وجود مسائل زيست محيطي ناشي از مصرف مواد شيميايي
8) ايده ال براي مناطق دوردست و موقعيتهايي كه امكان فراهم آوردن تسهيلات جانبي فرآيندها موجود نباشد

تحقيقات در زمينه فناوري جداسازي غشايي گازها در داخل كشور​

آنچه از آن به عنوان فناوري غشايي ياد مي شود، شامل مجموعه اي از فرايندها است كه مهمترين آنها عبارتند از: ميكرو ف ی ل ت ر اسيون، اولترا ف ی ل ت ر اسيون، نانو ف ی ل ت ر اسيون، اسمز معكوس، تراوش تبخيري، دياليز، الكترو دياليز، نفوذ گاز، تراوش گاز، غشاهاي مايع ، تماس دهنده هاي غشايي و راكتورهاي غشايي. در هر يك از اين فرايندها مي توان محورهاي كلي ذيل را براي تحقيقات ملاحظه نمود:
1)توسعه غشاهاي جديد (بكار بردن مواد جديد براي ساخت غشاء، بهبود غشاهاي موجود)
2)توسعه كاربرد غشاهاي موجود (طراحي فرآيند، پيش تصفيه، مطالعات امكان سنجي و بررسي هاي اقتصادي و ...)
3) بررسيهاي تئوري مكانيسم جداسازي توسط غشا
4)مدلسازي وشبيه سازي فرآيند غشايي
5)حل مسائل فرآيندي مرتبط (گرفتگي غشاها، روشهاي شستشو و ...)
در ارتباط با ساخت غشاهاي جديد، تحقيقات در هر يك از گروههاي مواد پليمري، فلزات و مواد سراميكي صورت مي گيرد. امروزه استفاده از فناوري نانو نيز براي ساخت غشاها توجه بسياري را به خود معطوف نموده است.
در اين حوزه وسيع از پژوهشهاي غشايي، مهمترين چيزي كه به تحقيقات جهت مي دهد، بودجه پژوهش است كه توسط متقاضيان پژوهش تأمين مي شود. در حال حاضر در كشور ما فناوري غشايي براي جداسازي مايعات بكار گرفته شده است. شيرين سازي آب توسط فرآيند اسمز معكوس ، دياليز خون توسط فرآيند دياليز و تغليظ شير و توليد پنير به كمك فرآيند اولترا *****اسيون، از جمله مهمترين مصارف اين فناوري در كشور ما هستند.
در صنعت پالايش گاز، فناوري غشايي براي شيرين سازي گازهاي ترش، نم زدايي، بازيافت هيدروكربنها و تنظيم نقطه شبنم گاز و همچنين جداسازي هليوم استفاده شده است. توليد نيتروژن از هوا از جمله كاربردهاي عمومي اين فناوري در صنعت نفت، گاز و پتروشيمي بوده و در تمامي موارديكه به ايجاد محيط بي اثر توسط گاز نيتروژن نياز است، اين فناوري كاربرد خواهد داشت.

 

[setila]

سلام
لطفا در مورد کاربرد های غشا در صنایع گاز اگه مطلبی دارید برام بگذارید.
مرسی.

 

[hormozdi]

در حال حاضر تکنولوژی غشا در پالایشگاههای گاز کشور کاربرد ندارد که دلیل اصلی آن نبود تکنولوژی لازم است. در ضمن تنها کاربرد غشا در جداسازی نیتروژن نیست بلکه در نمزدایی و شیرین سازی نیز کاربرددارد.
درحال حاضر تنها در مورد صادرات آنالیز نیتروژن مورد توجه است که خوشبختانه مقدار آن در حد مطلوبی است و به جداسازی بیشتری نیاز ندارد.