Opracowanie koncepcji uzyskiwania strumieni gazu o podwyższonej zawartości helu na membranach

• Autorzy: Janocha Andrzej

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2020.10.07

Warianty tytułu

EN

Development of the concept of obtaining gas streams on membranes with increased helium content

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W związku z ciągłym wzrostem cen helu, wynikającym z kurczącej się w perspektywie lat podaży, rezerwy helu ze źródeł niszowych, w tym o niskiej jakości oraz z odzysku helu, w stosujących go branżach będą atrakcyjne. Konwencjonalne technologie produkcji helu są energochłonne i z założenia projektowane były dla dużych strumieni do obróbki (odzysku) helu z gazu ziemnego. Alternatywne technologie, np. z wykorzystaniem separacji membranowej, są coraz częściej badane ze względu na korzyści ekonomiczne, jakie mogą potencjalnie oferować w stosunku do konwencjonalnego podejścia. W niniejszym artykule dokonano przeglądu literaturowego w zakresie stosowanych technologii membranowej separacji helu z gazu ziemnego. Opracowano projekt i utworzono stanowisko badawcze do testów separacji na modułach membranowych mieszanin gazowych o różnej zawartości helu. Przeprowadzono kilka serii badań z interpretacją wyników eksperymentalnych zależności efektów wzbogacenia permeatu w hel od współczynnika podziału. Wykonano symulację i obliczenia wielkości strumieni w wielostopniowej instalacji separacji helu z gazu ziemnego w funkcji współczynników podziału z zawracaniem strumieni retentatu na wcześniejsze etapy rozdziału. Opracowano koncepcję uzyskiwania z gazu ziemnego zawierającego 0,3% helu strumienia gazu o wysokiej, ponad 90-proc. zawartości helu z zastosowaniem technologii membranowej. Badania przeprowadzono na dostępnej komercyjnie membranie poliimidowej. W kolejnych stopniach wzbogacenia strumienia gazu w hel uzyskano 1,3%, 8%, 37% i ponad 93% helu w końcowym koncentracie. W wysokociśnieniowym strumieniu retentatu otrzymano produkt niezawierający helu (<0,02%) będący jednocześnie gazem o podwyższonej kaloryczności ze zmniejszoną zawartością dwutlenku węgla i azotu. W trakcie eksperymentów dążono do tego, aby wyniki były w szerokim zakresie przydatne w obliczeniach procesowych. Rozwiązany został symulacyjny ogólny problem kształtowania się przepływów (wielkości strumieni) dla układu czterostopniowego wzbogacania gazu na membranach. Wyniki obliczeń mogą służyć wielu wariantom w zależności od przepływu i od współczynników podziału Ѳ. Określono wpływ dławienia ciśnienia permeatu na efekty separacyjne i ustalono optymalny zakres tego ciśnienia, biorąc pod uwagę konieczność sprężania tego strumienia. Przeprowadzone obliczenia inżynieryjne dla jednego z wariantów wykazały skuteczność i możliwość jego wdrożenia. Po każdym etapie (stopniu) separacji permeat musi być sprężony ponownie, co niesie za sobą określone nakłady eksploatacyjne związane z kosztami energii do sprężania i chłodzenia poszczególnych strumieni gazu. Obliczono wymaganą moc do sprężania i chłodzenia tych strumieni.

EN

Due to the constantly rising helium prices, resulting from the shrinking supply, reserves of helium from niche sources, including those of low quality, will become attractive. Conventional helium production technologies are energy-consuming and were designed for large streams to process (recover) helium from natural gas. Alternative technologies, e.g. using membrane separation, are being more and more often explored because of the economic benefits they can potentially have over the conventional approach. This article reviews the literature on the technologies used for membrane separation of helium from natural gas. The project was developed and a test stand was created for separation tests on membrane modules of gas mixtures with different helium content. Several series of studies were carried out with interpretation of the results of experimental dependence of the effects of helium permeate enrichment on stage cut. Simulations and calculations of the size of streams were carried out in a multi-stage helium separation system from natural gas as a function of stage cuts with retentate streams being recycled to earlier stages of separation. The concept of obtaining natural gas containing 0.3% helium gas stream with high helium content – over 90% – using membrane technology was developed. The tests were carried out on a commercially available polyimide membrane. The subsequent stages of enrichment of the gas stream in helium, 1.3, 8, 37 and over 93% helium in the final concentrate were obtained. In the high-pressure retentate stream, a helium-free product (<0.02%) was obtained which was also a gas with increased calorific value with a reduced content of carbon dioxide and nitrogen. During the experiments, a lot of effort was put into making the results broadly useful in process calculations. The general simulation problem of flow shaping (stream sizes) for a four-stage gas enrichment system on membranes has been solved. The calculation results can serve many variants depending on the flow and on stage cut Ѳ. The influence of permeate throttling pressure on separation effects was determined and the optimal range of this pressure was determined taking into account the need to compress this stream. The engineering calculations carried out for one of the variants showed the effectiveness and the possibility of its implementation. After each separation stage (degree), the permeate must be compressed again, which entails specific operating expenses related to the energy costs for compressing and cooling individual gas streams. The required power for compressing and cooling these streams was calculated.

Słowa kluczowe

PL

separacja membranowa; hel; gaz ziemny

EN

membrane separation; helium; natural gas

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2020
• Tom: R. 76, nr 10
• Strony: 719--727
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz.

Twórcy

autor

Janocha Andrzej

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Air Liquide, 2019. <https://www.airliquideadvancedseparations.com/helium-recovery-applications> (dostęp: wrzesień 2019).
• Alders M., Winterhalder D., Wessling M., 2017. Helium recovery using membrane processes. Separation and Purification Technology, 189: 433–440. DOI: 10.1016/j.seppur.2017.07.084.
• American Helium, 2018. Corporate Presentation, Q2 2018. <https://amerihelium.com/wp-content/uploads/2018/05/American-HeliumCorporate-Presentation.pdf> (dostęp: wrzesień 2019).
• Atlaskin A.A., Trubyanov M.M., Yanbikov N.R., 2019. Comprehensive experimental study of membrane cascades type of „continuous membrane column” for gases high-purification. Journal of Membrane Science, 572: 92101. DOI: 10.1016/j.memsci.2018.10.079.
• Chołast K., Chmielecki B., 2017. Membranowy odzysk helu z gazu ziemnego. Wiadomości Naftowe i Gazownicze, 8(226): 9–14.
• Clarke R., Nuttall W., Glowacki B., 2013. Endangered helium: Bursting the myth. Chem. Eng., 870: 32–36.
• Dibrov G., Ivanov M., Semyashkin M., Sudin V., Kagramanov G., 2018. High-Pressure Aging of Asymmetric Torlon® Hollow Fibers for Helium Separation from Natural Gas. Fibers, 6(4): 83. DOI: 10.3390/fib6040083.
• Doshi K.J., Werner R.G., Mitariten M.J., 1989. Integrated Membrane/PSA Process and System. U.S. Patent 4,863,492.
• Generon, 2017. <https://www.generon.com/wp-content/uploads/2017/03/HELIUM-RECOVERY.pdf> (dostęp: wrzesień 2019).
• Grasys, 2018. <http://www.grasys.com/company/news/3201/> (dostęp: wrzesień 2019).
• Hale P., Lokhandwala K., 2005. Helium recovery from gas streams. US Patent App. 10/817,085.
• Hamak J.E., 2019. Helium Mineral Commodity Summaries. U.S. Geological Survey: Reston, VA, USA. <https://prd-wret.s3-us-west2.amazonaws.com/assets/palladium/production/s3fs-public/atoms/files/mcs-2019-heliu.pdf> (dostęp: wrzesień 2019).
• Janocha A., 1989. Rozdział metanu i azotu na membranach polimerowych. Nafta-Gaz, 4–5: 66–70.
• Janocha A., 2014. Doradztwo procesowe w realizacji projektu wzbogacania w hel gazu ziemnego z wykorzystaniem modułów membranowych. Praca na zlec. PGNiG S.A. Archiwum Instytutu Nafty i Gazu –Państwowego Instytutu Badawczego, Kraków.
• Janocha A., Piątkiewicz W., Szwast M., Bojarska M., Gliński A., Koźbiał J., 2012. Możliwości wzbogacania gazu ziemnego na membranach. Prace INiG, 118: 899–904.
• Laguntsov N., Kurchatov I.M., Karaseva M.D., 2015. Membrane Recycle System Usage for Helium Extraction from Natural Gas. Physics Procedia, 72: 93–97. DOI: 10.1016/j.phpro.2015.09.026.
• Ma G.-G., Du S., 2019. Analysis on the combination process of natural gas helium extraction and LNG production. Huaxue Gongcheng/Chemical Engineering. DOI: 10.3969/j.issn.1005-9954.2019.01.016.
• Oferta kompresorów CNG. <https://www.galileoar.com/en/cng-compressors-and-dispensers-2/microbox-cngcompressor/> (dostęp: wrzesień 2019).
• Szuflicki M., Malon A., Tymiński M. (red.), 2018. Bilans zasobów złóż kopalin w Polsce wg stanu na 31 XII 2017 r. Państwowy Instytut Geologiczny – Państwowy Instytut Badawczy, Warszawa. ISBN (CD) 978-83-7863-979-4.
• Rufford T.E., Chan K.I., Huang S.H., May E.F., 2014. A Review of Conventional and Emerging Process Technologies for the Recovery of Helium from Natural Gas. Adsorption Science & Technology, 32: 49–72. DOI: 10.1260/0263-6174.32.1.49. SBIR, 2019. <https://www.sbir.gov/sbirsearch/detail/687759> (dostęp: wrzesień 2019).
• Scholes C.A., 2011. Helium: Is the party really over? Chem. Aust., 78: 18–20. ISSN: 0314-4240.
• Scholes C.A., Ghosh U.K., 2016. Helium separation through polymeric membranes: Selectivity targets. J. Membr. Sci., 520: 221–230. DOI:10.1016/j.memsci.2016.07.064.
• Scholes C.A., Ghosh U.K., Ho M.T., 2017. The Economics of Helium Separation and Purification by Gas Separation Membranes. Ind. Eng. Chem. Res., 56(17): 5014–5020. DOI: 10.1021/acs.iecr.7b00976.
• Seok D.R., Kang S.G., Hwang S.T., 1986. Separation of helium and hydrocarbon mixtures by a two-membrane column. Journal of Membrane Science, 27(1): 1–11. DOI: 10.1016/S03767388(00)81378-2.
• Sepuran, 2019. <https://www.sepuran.com/product/sepuran/en/helium/> (dostęp: wrzesień 2019).
• Stern S.A., Sinclair T.F., Gareis P.J., Vahldieck N.P., Mohr P.H., 1965. Helium Recovery by Permeation. Ind. Eng. Chem., 57(2): 49–60.
• Szwast M., Zalewski M., Nikpour R., Sobczak A., 2014. Pozyskiwanie helu z gazu ziemnego za pomocą technik membranowych. Inż. Ap. Chem., 53(4): 304–305.
• Wang X., Shan M., Liu X., Meng Wang M., Doherty C.M., Osadchii D., Kapteijn F., 2019. High-Performance Polybenzimidazole Membranes for Helium Extraction from Natural Gas. ACS Applied Materials & Interfaces, 11(22): 20098–20103. DOI:10.1021/acsami.9b05548.
• Wojtowicz R., 2013. Ocena gazu granicznego G21 pod kątem jego przydatności do określenia jakości spalania gazów ziemnych wysokometanowych pochodzących z regazyfikacji LNG w urządzeniach użytku domowego. Nafta-Gaz, 8: 599–612.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).