25100 (Рекомендации по утилизации шахтного метана для угольных шахт Кузбасса), страница 5

Основой мембранной технологии разделения газов является мембрана, с помощью которой происходит разделение газов. Современная газоразделительная мембрана представляет собой отнюдь не плоскую пластину или плёнку, а полое волокно. Для технологий мембранного разделения газов применяется современная половолоконная мембрана, состоящая из пористого полимерного волокна с нанесенным на его внешнюю поверхность газоразделительным слоем. Пористое волокно имеет сложную асимметричную структуру, плотность полимера возрастает по мере приближения к внешней поверхности волокна. Применение пористых подложек с асимметричной структурой позволяет разделять газы при высоких давлениях(до 6,5 MПа). Толщина газоразделительного слоя волокна не превышает 0,1 мкм, что обеспечивает высокую удельную проницаемость газов через полимерную мембрану. Существующий уровень развития технологии позволяет производить полимеры, которые обладают высокой селективностью при разделении различных газов, что, соответственно, обеспечивает высокую чистоту газообразных продуктов. Современный мембранный модуль, используемый для технологии мембранного разделения газов, состоит из сменного мембранного картриджа и корпуса. Плотность упаковки волокон в картридже достигает значений 500–700 квадратных метров волокна на один кубический метр картриджа, что позволяет минимизировать размеры газоразделительных установок.

Рисунок 4.1 - Схематическое изображение газоразделительного картриджа

Корпус модуля имеет один патрубок для входа исходной смеси газов и два патрубка для выхода разделенных компонентов.

Разделение смеси с помощью мембранной технологии происходит за счет разницы парциальных давлений на внешней и внутренней поверхностях половолоконной мембраны. Газы, «быстро» проникающие через полимерную мембрану (например, H2, CO2, O2, пары воды, высшие углеводороды), поступают внутрь волокон и выходят из мембранного картриджа через один из выходных патрубков. Газы, «медленно» проникающие через мембрану (например, CO, N2, CH4), выходят из мембранного модуля через второй выходной патрубок.

5 Разделение газов с помощью мембранной технологии

5.1 Экономическая целесообразность применения мембранной технологии

Мембранные технологии разделения веществ, отличающиеся высокой эффективностью при низких энергозатратах, малой материалоемкостью, мобильностью, модульной структурой и простотой управления, представляют собой новые наукоемкие перспективные технологии, ориентированные на активное практическое использование в XXI веке. Наука о мембранах является междисциплинарной и вбирает в себя знания, по крайней мере, в области физики кинетических явлений, физики и химии твердого тела, жидкостей и газов, полимерной Химии, биологии и экологии.

В настоящее время наряду с традиционными мембранными технологиями, такими как микро- и ультрафильтрация, обратный осмос, диализ, электродиализ, .динамично развиваются такие направления как первапорация, газоразделение, мембранная дистилляция, гибридные мембранные процессы.

Первые коммерческие разработки мембранной газоразделительной технологии были реализованы в 80-х годах в СССР, США, Франции и Японии. В настоящее время промышленно реализованы мембранные процессы разделения воздуха (получение технического азота и/или воздуха, обогащенного кислородом), выделения водорода в процессах химии и нефтехимии, выделение диоксида углерода, осушка природного газа. Мембраны используются также в создании регулируемой газовой среды для длительного хранения и транспортировки сельскохозяйственной продукции, при переработке биогаза и т.д.

Мембранное разделение газов и жидкостей вступает в следующий этап своего развития - в эру направленного дизайна новых высокопроницаемых полимерных и керамических материалов, сверхтонких мембран на их основе, отличающихся химической и биостойкостью, стабильностью при повышенных температурах, новыми функциями. Разрабатываются активные мембранные системы с подвижными и фиксированными переносчиками, отличающиеся высоким уровнем избирательности газоразделения и возможностью одностадийного разделения многокомпонентных смесей.

С появлением новых типов керамических мембран связывают развитие новых каталитических нанореакторных технологий, обеспечивающих экономичные и легко управляемые процессы переработки жидкого и газообразного сырья в ценные химические продукты. В связи с этим активно ведутся исследования и разработки функциональных мембранных систем для катализа (каталитические мембранные реакторы) и биотехнологии (активные мембранные системы с подвижными химическими и микробиологическими носителями). Сочетание микробиологических процессов с мембранными позволит смоделировать и реализовать, например, циклическую биоутилизацию СО2 с получением энергоносителей.

Особое внимание уделяется разработке прямых и обратных «сквозных» экспертных подходов в иерархии «полимер-мембрана-модуль-система-процесс», что, в целом, даст возможность значительно расширить круг задач, решаемых мембранной технологией[6].

5.2 Принципиальная схема работы мембранных установок

Мембранные азотные установки

Одним из основных видов продукции, выпускаемых компанией ГРАСИС, являются азотные установки на базе технологии мембранного разделения воздуха.

Установка азотного пожаротушения предназначена для тушения пожара при возгорании различных горючих веществ, горение которых не может происходить без доступа воздуха, например нефти, нефтепродуктов или газового конденсата, в замкнутых объемах и помещениях, а также для предотвращения возникновения пожаро- и взрывоопасных ситуаций на нефтегазодобывающих предприятиях.

Принцип работы установки азотного пожаротушения основан на инертных свойствах создаваемой воздушной смеси с содержанием азота 95–99%. При таком содержании азота в воздухе процесс горения становится невозможным. Газообразный азот, производимый газоразделительным мембранным блоком азотной установки пожаротушения, подаётся под давлением в ресивер, объём которого рассчитывается исходя из объема помещений и резервуаров, пожаробезопасность которых обеспечивает установка[10].

В случае возгорания происходит автоматическая подача азота в объём, где возник пожар. Это обеспечивает быстрое и надёжное тушение пожара без причинения какого-либо ущерба оборудованию и персоналу. Конструкция азотной установки пожаротушения также позволяет использовать вырабатываемый азот для продувки технологических объёмов, при этом происходит его автоматическое восполнение.

Азотное пожаротушение имеет ряд объективных преимуществ, которые связаны с простотой установки, легкостью обслуживания и ее высокой экономической эффективностью.

Техническая характеристика

* производительность приведена к нормальным условиям (t=20° C, P=1 атм.)

Кислородные мембранные установки

Компания ГРАСИС производит на базе мембранной технологии высокоэффективные системы для получения кислорода из воздуха. Мембранные кислородные установки позволяют получать кислород чистотой до 50%, применение таких систем оказывается с экономической точки зрения очень эффективным. Заказчик получает воздух, обогащенный кислородом в требуемой концентрации (от 30 до 50%) и не переплачивает за ненужную ему высокую чистоту.

Принцип работы мембранных кислородных установок повторяет основу функционирования азотных мембранных систем — он заключается в различной скорости проникновения азота и кислорода через материал мембраны. Отличие заключается в том, что в отличие от азота кислород является целевым продукт, который выходит под небольшим избыточным давлением.

Кислород чистотой до 50%, вырабатываемый воздухоразделительные мембранными установками, может использоваться в различных отраслях промышленности для решения широкого круга задач. Например, кислород такой чистоты применяется в тех. процессах на металлургических предприятиях, при сварке и резке металлов. Компании, занимающиеся разведением рыбы, выращиванием креветок, крабов и мидий используют мембранные кислородные установки в инкубационных целях.

Общие технические характеристики

6 Утилизация каптируемого шахтного метана

6.1 Утилизация вентиляционного газа