Określenie możliwości wykorzystania membran poliimidowych do wzbogacenia gazu ziemnego w składniki węglowodorowe

• Autorzy: Janocha Andrzej , Jakubowicz Piotr , Steliga Teresa

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2024.03.04

Warianty tytułu

EN

Determining the possibility of using polyimide membranes to enrich natural gas with hydrocarbon components

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Znaczna część gazu ziemnego w Polsce jest zaazotowana oraz zawiera dwutlenek węgla, co niejednokrotnie rodzi problemy z jego zagospodarowaniem. Tymczasem nawet niewielkie zmniejszenie zawartości azotu i CO2 w gazie wpływa na zwiększenie jego wartości energetycznych jako produktu handlowego. Celem pracy było zbadanie możliwości usunięcia części niepalnych składników z gazu ziemnego i gazu towarzyszącego wydobywanej ropie naftowej. Wiąże się to z jednoczesnym podwyższeniem ich jakości i kaloryczności. Można to uzyskać z wykorzystaniem separacyjnej technologii membranowej zastosowanej w najkorzystniejszych warunkach prowadzenia takiego procesu. Otrzymywany w ten sposób główny wysokociśnieniowy strumień gazu wzbogaconego (np. około 85% obj. strumienia gazu surowego) stanowiłby produkt handlowy. Niskociśnieniowy strumień gazu zubożonego (pozostałe 15% obj.) można wykorzystać na potrzeby własne kopalni gazu ziemnego. W ramach pracy dokonano przeglądu literatury w zakresie charakterystyki gazu ziemnego oraz separacji składników na membranach. Opracowano projekt instalacji, dobrano i skalibrowano przyrządy pomiarowe oraz utworzono stanowisko badawcze membranowego rozdziału gazów z wykorzystaniem membran poliimidowych. Wytworzono mieszanki gazowe na bazie rzeczywistego gazu ziemnego, które zawierały od 7% do 90% azotu oraz od 0,2% do 6% dwutlenku węgla. Przeprowadzono testy ich separacji na membranach w tanim jednostopniowym układzie pod kątem wydzielenia z gazu ziemnego części dwutlenku węgla i azotu. Badania na membranach były prowadzone w funkcji współczynnika podziału związanego ściśle ze stosunkiem ilości wysokociśnieniowego strumienia gazu wzbogaconego do gazu wlotowego. W artykule dokonano również porównania zmian wartości energetycznej (liczby Wobbego i wartości opałowej) uzyskiwanych produktów w stosunku do surowego gazu wlotowego. Badania usuwania dwutlenku węgla z gazu mogą mieć istotne znaczenie, gdyby doszło do znacznego wzrostu ilości tego składnika w strefie gazowej złoża podczas procesów intensyfikacyjnych.

EN

A significant part of natural gas in Poland is nitrogen-rich and contains carbon dioxide, which often causes problems with its management. Meanwhile, even a slight reduction in the nitrogen and CO2 content of gas increases its energy value as a commercial product. The aim of the work was to investigate the possibility of removing some of the non-flammable components from natural gas and gas accompanying extracted crude oil. This involves a simultaneous increase in their quality and calorific value. This can be achieved using separation membrane technology and determining the most favorable conditions for conducting such a process. The main high-pressure enriched gas stream thus obtained (e.g. approximately 85 vol.% of the raw gas stream) would constitute a commercial product. The low-pressure stream of lean gas (the remaining 15% by volume) can be used for the needs of the natural gas mine. The study included a review of the literature on the characteristics of natural gas and the separation of components on membranes. An installation design was developed, measuring instruments were selected and calibrated, and a polyimide membrane gas separation research station was created. Gas mixtures based on real natural gas were produced, with nitrogen content ranging from 7 to 90% and carbon dioxide content ranging from 0.2 to 6%. Tests of their separation were carried out on membranes in a low-cost, single-stage system in order to separate some of the carbon dioxide and nitrogen from natural gas. Tests on the membranes were carried out as a function of the partition coefficient (stage cut) closely related to the ratio of the amount of high-pressure enriched gas stream to the inlet gas. The article also compares changes in the energy value (Wobbe number and calorific value) of the obtained products in relation to the raw inlet gas. Research on the removal of carbon dioxide from gas may be important if there was a significant increase in this component in the gas zone of the deposit during intensification processes.

Słowa kluczowe

PL

moduły membranowe; poliimidy; gaz ziemny zaazotowany

EN

membrane modules; polyimides; nitrogen-rich natural gas

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2024
• Tom: R. 80, nr 3
• Strony: 159--166
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys.

Twórcy

autor

Janocha Andrzej

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Jakubowicz Piotr

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Steliga Teresa

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Ayala D., Lozano A.E., Abajo J., Garcia-Perez C., Campa J.G., 2003. Gas separation properties of aromatic polyimides. Journal of Membrane Science, 215(1–2): 61–73. DOI: 10.1016/S0376-7388(02)00602-6.
• Baker R.W., 2002 Future directions of membrane gas separation technology. Industrial & Engineering Chemistry Research, 41(6):1393–1411. DOI: 10.1021/ie0108088.
• Basiura M., Rataj M., 2022. Mieszalnia gazów jako niezbędny element aparatury badawczej, w nowoczesnym laboratorium paliw gazowych. Nafta-Gaz, 78(5): 386–392. DOI: 10.18668/NG.2022.05.06.
• Brunetti A., Scura F., Barbieri G., Drioli E., 2010. Membrane technologies for CO2 separation. Journal of Membrane Science, 369:115–125. DOI: 10.1016/j.memsci.2009.11.040.
• Cecopieri-Gómez M., Palcios-Alqusira J., Dominguez J.M., 2007. On the limits of gas separation in CO2/CH4, N2/CH4 and CO2/N2 binary mixtures using polyimide membranes. Journal of Membrane Science, 293(1–2): 53–65. DOI: 10.1016/j.memsci.2007.01.034.
• Dalane K., Dai Z., Mogseth G., Hillestad M., Deng L., 2017. Potential applications of membrane separation for subsea natural gas processing. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 39:101–117. DOI: 10.1016/j.jngse.2017.01.023.
• Falbo F., Tasselli F., Brunetti A., Drioli E., Barbieri G., 2014. Polyimide hollow fiber membranes for CO2 separation from wet gas mixtures. <https://link.springer.com/article/10.1007/s13203-016-0164-z> (dostęp: 16.11.2023).
• Holewa J., Szlęk M., 2013. Ocena jakości gazów palnych. Nafta-Gaz,69(6): 450–454.
• Janocha A., 2017. Określenie możliwości odwadniania gazu ziemnego na membranach polimerowych. Nafta-Gaz, 73(7): 502–509. DOI:10.18668/NG.2017.07.08 .
• Janocha A., Jakubowicz P., 2023. Badania możliwości zmian składu mieszanek metanowo-wodorowych na membranach. Nafta-Gaz, 79(12): 786–795. DOI: 10.18668/NG.2023.12.04.
• Kan B.S.Y., Chen X.F., Wu Z.M., Chen G.Q., 2019. Natural gas overview for world economy: From primary supply to final demand via global supply chains. Energy Policy, 124(C): 215–225. DOI:10.1016/j.enpol.2018.10.002.
• Li S., Zong Z., Zhou S.J., Huang Y., Song Z., Feng X., Zhou R., Meyer H.S., Yu M., Carreon M.A., 2015. SAPO-34 membranes for N2/CH4 separation: Preparation, characterization, separation performance and economic evaluation. Journal of Membrane Science, 487: 141–151. DOI: 10.1016/j.memsci.2015.03.078.
• Lokhandwala K.A., Pinnau I., He Z., Amo K.D., DaCosta A.R., Wijmans J.G., Baker R.W., 2010. Membrane separation of nitrogen from natural gas: A case study from membrane synthesis to commercial deployment. Journal of Membrane Science, 346(12):270–279. DOI: 10.1016/j.memsci.2009.09.046.
• Madzarevic Z., Seoane B., Gascon J., Hegde M., Dingemans T.J., 2022. Non-linear high Tg, polyimide-based membranes for separating CO2/CH4 gas mixtures. Polymer, 263: 125520. DOI:10.1016/j.polymer.2022.125520.
• Ohs B., Lohaus J., Wessling M., 2016. Optimization of membrane based nitrogen removal from natural gas. Journal of Membrane Science, 498: 291–301. DOI: 10.1016/j.memsci.2015.10.007.
• Rufford T.E., Smart S., Watson G.C.Y., Graham B.F., Boxall J., Diniz da Costa J.C., May E.F., 2012. The removal of CO2 and N2 from natural gas: A review of conventional and emerging process technologies. Journal of Petroleum Science and Engineering,94–95: 123–154. DOI: 10.1016/j.petrol.2012.06.016.
• Sanders D.F., Smith Z.P., Guo R., Robeson L.M., McGrath J., Paul D.R., Freeman B.D., 2013. Energy-efficient polymeric gas separation membranes for a sustainable future: a review. Polymer,54: 4729–4761. DOI: 10.1016/j.polymer.2013.05.075.
• Scholes C.A., Stevens G.W., Kentish S.E., 2012. Membrane gas separation applications in natural gas processing. Fuel, 96: 15–28.DOI: 10.1016/j.fuel.2011.12.074.
• Smith Z.P., Hernández G., Gleason K.L., Anand A., Doherty C.M., Konstas K., Alvarez C., Hill A.J., Lozano A.E., Paul D.R., Freeman B.D., 2015. Effect of polymer structure on gas transport properties of selected aromatic polyimides and TR polymers. Journal of Membrane Science, 493: 766–781. DOI: 10.1016/j.memsci.2015.06.032.
• UBE, 2024. Ube Industries, Ltd. Gas separation membrane module. <https://www.ube.com/contents/en/chemical/separation/index.html> (dostęp: 1.12.2023).
• Wojtowicz R., 2012. Zagadnienia wymienności paliw gazowych, wymagania prawne odnośnie jakości gazów rozprowadzanych w Polsce oraz możliwe kierunki dywersyfikacji. Nafta-Gaz, 68(6)359–367.
• Yong W.F., Lau H.S., Zhang H., 2021. Composite hollow fibers for gas separation. Hollow Fiber Membranes, 385–405. DOI: 10.1016/B978-0-12-821876-1.00001-9.
• Zhou Z., Yuan Y., Cong S., Liu X., Wang Z., 2022. N2-selective adsorbents and membranes for natural gas purification. Separation and Purification Technology, 300: 121808. DOI: 10.1016/j.seppur.2022.121808.
• Zong Z., Feng X., Huang Y., Song Z., Zhou R., Zhou S.J., Carreon M.A., Yu M., Li S., 2016. Highly permeable N2/CH4 separation SAPO-34 membranes synthesized by diluted gels and increased crystallization temperature. Microporous and Mesoporous Materials, 224: 36–42. DOI: 10.1016/j.micromeso.2015.11.014.
• Zou C., Yang Z., He D., Wei Y., Li J., Jia A., Chen J., Zhao Q., Li Y., Yang S., 2018. Theory, technology and prospects of conventional and unconventional natural gas. Petroleum Exploration and Development, 45(4): 604–618. DOI: 10.1016/S1876-3804(18)30066-1.