Мембранное разделение газов - Membrane gas separation

Газовые смеси могут быть эффективно разделены синтетические мембраны сделаны из полимеров, таких как полиамид или же ацетат целлюлозы, или из керамических материалов.^[1]

Мембранный картридж

Хотя полимерные мембраны экономичны и технологически полезны, они ограничены своими характеристиками, известными как предел Робсона (проницаемость должна быть принесена в жертву селективности, и наоборот).^[2] Этот предел влияет на использование полимерных мембран для CO.₂ отделение от потоков дымовых газов, поскольку перенос массы становится ограничивающим и CO₂ разделение становится очень дорогим из-за низкой проницаемости. Мембранные материалы расширились до кремнезем, цеолиты, металлоорганические каркасы, и перовскиты из-за их высокой термической и химической стойкости, а также высокой настраиваемости (способности модифицироваться и функционализировать), что приводит к повышенной проницаемости и селективности. Мембраны могут использоваться для разделения газовых смесей, где они действуют как проницаемый барьер, через который различные соединения перемещаются с разной скоростью или не перемещаются вообще. Мембраны могут быть нанопористыми, полимерными и т. Д., А проникающие молекулы газа зависят от их размера. диффузионность, или растворимость.

Основной процесс

Разделение газа через мембрану - это процесс, управляемый давлением, где движущей силой является разница давлений между входом сырья и выходом продукта. Мембрана, используемая в процессе, обычно представляет собой непористый слой, поэтому не будет серьезной утечки газа через мембрану. Характеристики мембраны зависят от проницаемости и селективности. На проницаемость влияет размер пенетранта. Более крупные молекулы газа имеют меньший коэффициент диффузии. Гибкость полимерной цепи и свободный объем в полимере материала мембраны влияют на коэффициент диффузии, поскольку пространство внутри проницаемой мембраны должно быть достаточно большим, чтобы молекулы газа могли диффундировать. Растворимость выражается как отношение концентрации газа в полимере к давлению газа, контактирующего с ним. Проницаемость - это способность мембраны позволять проникающему газу диффундировать через материал мембраны в результате разницы давлений над мембраной, и ее можно измерить с точки зрения скорости потока пермеата, толщины и площади мембраны, а также давления. разница по мембране. Селективность мембраны - это мера коэффициента проницаемости соответствующих газов для мембраны. Его можно рассчитать как отношение проницаемости двух газов при бинарном разделении.^[3]

Оборудование для мембранного разделения газов обычно закачивает газ в мембранный модуль, и целевые газы разделяются в зависимости от разницы в коэффициенте диффузии и растворимости. Например, кислород будет отделяться от окружающего воздуха и собираться на стороне входа, а азот - на стороне выхода. По состоянию на 2016 год сообщалось, что мембранная технология способна производить от 10 до 25 тонн кислорода от 25 до 40% в день.^[3]

Методология управления мембраной

(а) Объемный поток через поры; б) диффузия Кнудсена через поры; (c) молекулярное просеивание; (г) диффузия раствора через плотные мембраны.

Есть три основных распространение механизмы. Первый (б), Кнудсеновская диффузия сохраняется при очень низких давлениях, когда более легкие молекулы могут перемещаться через мембрану быстрее, чем тяжелые, в материале с достаточно большими порами.^[4] Второй (с), молекулярное просеивание, это случай, когда поры мембраны слишком малы, чтобы пропустить один компонент, процесс, который обычно непрактичен в газовых приложениях, поскольку молекулы слишком малы для образования соответствующих пор. В этих случаях движение молекул лучше всего описывается конвективным потоком через капилляры под давлением, который количественно определяется как Закон Дарси. Однако более общей моделью для применения в газах является диффузия раствора (d), когда частицы сначала растворяются на мембране, а затем диффундируют через нее с разной скоростью. Эта модель используется, когда поры в полимерной мембране появляются и исчезают быстрее по сравнению с движением частиц.^[5]

В типичной мембранной системе входящий поток сырья разделяется на два компонента: пермеант и ретентат. Проницаемый газ - это газ, который проходит через мембрану, а ретентат - это то, что остается от сырья. С обеих сторон мембраны градиент химический потенциал поддерживается разницей давления, которая является движущей силой прохождения молекул газа. Легкость переноса каждого вида оценивается количественно проницаемость, П_я. Принимая во внимание идеальное перемешивание с обеих сторон мембраны, закон идеального газа, постоянный коэффициент диффузии и Закон Генри, поток частиц может быть связан с перепадом давления соотношением Закон Фика:^[4]

${ displaystyle J = { frac {D_ {i} K_ {i} (p_ {i} '- p_ {i}' ')} {l}} = { frac {P_ {i} (p_ {i} '-p_ {i}' ')} {l}}}$

где, (J_я) это молярный поток вида i через мембрану, (l) - толщина мембраны, (P_я) - проницаемость вида i, (D_я) - коэффициент диффузии, (K_я) - коэффициент Генри, а (p_я^') и (p_я^") представляют собой парциальные давления компонента i на стороне подачи и проницаемости соответственно. Произведение D_яK_я часто выражается как проницаемость вида i на конкретной используемой мембране.

${ displaystyle P_ {i} = D_ {i} K_ {i}}$

Поток второго вида, j, можно определить как:

${ displaystyle J = { frac {P_ {j} (p_ {j} '- p_ {j}' ')} {l}}}$

Упрощенная принципиальная схема процесса мембранного разделения

С помощью приведенного выше выражения можно достаточно определить мембранную систему для бинарной смеси. можно видеть, что общий поток через мембрану сильно зависит от соотношения между давлением подачи и давления пермеата. Соотношение давления подачи (p^') превышение давления пермеата (p^") определяется как отношение давления мембраны (θ).

${ displaystyle theta = { frac {P '} {P' '}}}$

Из вышеизложенного ясно, что поток видов i или j через мембрану может происходить только тогда, когда:

${ displaystyle p_ {i} '- p_ {i}' '= p'n_ {i}' - p''n_ {i} '' neq 0}$

Другими словами, мембрана будет испытывать поток через нее, когда существует градиент концентрации между исходным материалом и пермеатом. Если градиент положительный, поток будет идти от исходного материала к пермеату, и компонент i будет отделен от исходного материала.

${ displaystyle p'n_ {i} '- p''n_ {i}' '> 0 rightarrow { frac {n_ {i}' '} {n_ {i}'}} leq { frac {p '}{п''}}}$

Следовательно, максимальное разделение видов i происходит в результате:

${ displaystyle n_ {i} '', max '' = { frac {p '} {p' '}} n_ {i}' = theta n_ {i} '}$

Еще одним важным коэффициентом при выборе оптимальной мембраны для процесса разделения является селективность мембраны α_ij определяется как отношение проницаемости вида i по отношению к виду j.

${ displaystyle alpha _ {ij} = { frac {P_ {i}} {P_ {j}}}}$

Этот коэффициент используется для обозначения уровня, до которого мембрана способна отделять виды i от j. Из приведенного выше выражения очевидно, что селективность мембраны, равная 1, указывает на то, что мембрана не имеет потенциала для разделения двух газов, поскольку оба газа будут одинаково диффундировать через мембрану.

При разработке процесса разделения обычно соотношение давлений и селективность мембраны задаются давлением в системе и проницаемостью мембраны. Уровень разделения, достигаемый мембраной (концентрация разделяемых веществ), необходимо оценить на основе вышеупомянутых проектных параметров, чтобы оценить экономическую эффективность системы.

Мембранные характеристики

Концентрация видов i и j через мембрану может быть оценена на основании их соответствующих диффузионных потоков через нее.

${ displaystyle n_ {i} '' = { frac {J_ {i}} { sum {J_ {k}}}}, quad n_ {j} '' = { frac {J_ {j}} { sum {J_ {k}}}}}$

В случае бинарной смеси концентрация компонента i через мембрану:

${ displaystyle n_ {i} '' = { frac {J_ {i}} {J_ {i} + J_ {j}}}}$

Его можно расширить, чтобы получить выражение в форме:

${ displaystyle n_ {i} '' = n_ {i} '' ( phi, alpha _ {ij}, n_ {i} ^ {'})}$

${ displaystyle n_ {i} '' = { frac {J_ {i}} {J_ {i} + J_ {j}}} = { frac {P_ {i} (p_ {i} '- p_ {i } '')} {P_ {i} (p_ {i} '- p_ {i}' ') + P_ {j} (n_ {j}' - { frac {1} { phi}} n_ {j } '')}}}$

Используя отношения:

${ displaystyle p_ {i} '= p'n_ {i}', quad p_ {j} '= p'n_ {j}' = { frac {p '} { phi}} n_ {i}' }$

${ displaystyle p_ {i} '' = p''n_ {i} ', quad p_ {j}' '= p''n_ {j}' '= { frac {p'} { phi}} n_ {i} ''}$

Выражение можно переписать как:

${ displaystyle n_ {i} '' = { frac {P_ {i} p '(n_ {i}' - { frac {1} { phi}} n_ {i} '')} {P_ {i } p '(n_ {i}' - { frac {1} { phi}} n_ {i} '') + P_ {j} p '(n_ {j}' - { frac {1} { phi}} n_ {j} '')}}}$

Затем используя ${ displaystyle n_ {j} '= 1-n_ {i}' quad и quad n_ {j} '' = 1-n_ {i} ''}$

${ displaystyle n_ {i} '' = { frac {P_ {i} p '(n_ {i}' - { frac {1} { phi}} n_ {i} '')} {P_ {i } p '(n_ {i}' - { frac {1} { phi}} n_ {i} '') + P_ {j} p '((1-n_ {i}') - { frac { 1} { phi}} (1-n_ {i} ''))}}}$

${ Displaystyle (1- альфа) (п_ {я} '') ^ {2} + ( фи + фи ( альфа -1) п_ {я} '+ альфа -1) п_ {я}' '- alpha phi n_ {i}' = 0}$ ^[6]

Решение вышеуказанного квадратного выражения может быть выражено как:

${ displaystyle n_ {i} = { frac {- ( phi + phi ( alpha -1) n_ {i} '+ alpha -1) pm { sqrt { phi + phi ( alpha -1) n_ {i} '+ alpha -1) ^ {2} +4 (1- alpha) alpha phi n_ {i}'}}} {2 (1- alpha)}}}$

Наконец, выражение для концентрации проникающего вещества получается следующим образом:

${ displaystyle n_ {i} '' ( phi alpha n_ {i} ') = { frac { phi} {2}} left (n_ {i}' + { frac {1} { phi }} + { frac {1} { alpha -1}} - { sqrt { left (n_ {i} '+ { frac {1} { phi}} + { frac {1} { альфа -1}} right) ^ {2} - { frac {4 alpha n_ {i} '} {( alpha -1) phi}}}} right)}$

Вдоль разделительной установки концентрация подаваемого материала снижается с диффузией через мембрану, вызывая соответствующее падение концентрации на мембране. В результате общий проникающий поток (q "_из) возникает в результате интеграции диффузионного потока через мембрану от входного отверстия для подачи (q '_в) к выходу для корма (q '_из). Таким образом, баланс массы на разной длине разделительной установки составляет:

${ displaystyle q '(x) = q' (x + dx) + int _ {x} ^ {x + dx} q '' (x) dx}$

куда:

${ Displaystyle д '' (х) = J_ {я} (х) + J_ {j} (х)}$

Из-за бинарной природы смеси необходимо оценивать только один вид. Прописываем функцию n '_я= n '_я(x) видовой баланс можно переписать как:

${ displaystyle q '(x) n' _ {i} (x) = q '(x + Delta x) n' _ {i} (x + Delta x) + int _ {x} ^ {x + dx } q '' (x) dx { bar {n_ {i} ''}}}$

Где:

${ displaystyle int _ {x} ^ {x + dx} q '' (x) dx = delta q '', quad { bar {n_ {i} ''}} = { frac {n_ { i} '' (x) + n_ {i} '' (x + Delta x)} {2}}}$

${ displaystyle delta q '' = { frac {n '_ {i} (x) -n' _ {i} (x + Delta x)} {{ bar {n_ {i} ''}} - n '_ {i} (x + Delta x)}} q' (x)}$

Наконец, площадь, необходимую на единицу длины мембраны, можно получить с помощью следующего выражения:

${ displaystyle A = { frac { delta q ''} {J_ {i} + J_ {j}}}}$

Материалы мембран для улавливания углерода в потоках дымовых газов

Материал мембраны играет важную роль в ее способности обеспечивать желаемые рабочие характеристики. Оптимально иметь мембрану с высокой проницаемостью и достаточной селективностью, а также важно, чтобы свойства мембраны соответствовали рабочим условиям системы (например, давлению и составу газа).

Синтетические мембраны изготавливаются из различных полимеров, в том числе полиэтилен, полиамиды, полиимиды, ацетат целлюлозы, полисульфон и полидиметилсилоксан.^[7]

Полимерные мембраны

Полимерные мембраны являются распространенным вариантом для использования при улавливании CO₂ от дымовых газов из-за зрелости технологий в различных отраслях промышленности, а именно в нефтехимии. Идеальная полимерная мембрана имеет как высокую избирательность и проницаемость. Полимерные мембраны являются примерами систем, в которых преобладает механизм диффузии раствора. Считается, что мембрана имеет отверстия, в которых газ может растворяться (растворимость), и молекулы могут перемещаться из одной полости в другую (диффузия).^[4]

В начале 1990-х Робсон обнаружил, что полимеры с высокой селективностью имеют низкую проницаемость, и все наоборот; материалы с низкой селективностью обладают высокой проницаемостью. Лучше всего это проиллюстрировано на графике Робсона, на котором селективность изображена как функция CO.₂ проникновение. На этом графике верхняя граница селективности приблизительно линейно зависит от проницаемости. Было обнаружено, что растворимость в полимерах в основном постоянна, но коэффициенты диффузии значительно различаются, и именно здесь происходит разработка материала. Несколько интуитивно понятно, что материалы с наивысшими коэффициентами диффузии имеют более открытую пористую структуру, что приводит к потере селективности.^[8][9] Есть два метода, которые исследователи используют, чтобы преодолеть предел Робсона. Один из них - это использование стеклообразных полимеров, фазовый переход которых и изменения механических свойств создают впечатление, что материал поглощает молекулы и, таким образом, превышает верхний предел. Второй метод преодоления границ Робсоновского предела - это упрощенный метод транспортировки. Как указывалось ранее, растворимость полимеров обычно довольно постоянна, но способ облегченного переноса использует химическую реакцию для увеличения проницаемости одного компонента без изменения селективности.^[10]

Нанопористые мембраны

Микроскопическая модель нанопористой мембраны. Белая открытая область представляет собой область, через которую может пройти молекула, а темно-синие области представляют стенки мембраны. Мембранные каналы состоят из полостей и окон. Энергия молекул в полости U_c а энергия частицы в окне U_ш.

Нанопористые мембраны принципиально отличаются от мембран на основе полимеров в том, что их химический состав отличается и они не соответствуют пределу Робсона по ряду причин. На упрощенном рисунке нанопористой мембраны показана небольшая часть примерной структуры мембраны с полостями и окнами. Белая часть представляет собой область, в которой молекула может перемещаться, а синие заштрихованные области представляют собой стены структуры. В конструкции этих мембран размер полости (L_Сай x L_cz) и область окна (L_wy x L_wz) можно изменить так, чтобы достичь желаемой проницаемости. Было показано, что проницаемость мембраны является результатом адсорбции и диффузии. В условиях низкой нагрузки адсорбцию можно рассчитать с помощью коэффициента Генри.^[4]

Если предположить, что энергия частицы не изменяется при движении через эту структуру, только энтропия молекул изменяется в зависимости от размера отверстий. Если мы сначала рассмотрим изменения геометрии полости, то чем больше полость, тем больше энтропия поглощенных молекул, что, таким образом, увеличивает коэффициент Генри. Для диффузии увеличение энтропии приведет к уменьшению свободной энергии, что, в свою очередь, приведет к уменьшению коэффициента диффузии. И наоборот, изменение геометрии окна в первую очередь повлияет на диффузию молекул, а не на коэффициент Генри.

Таким образом, используя приведенный выше упрощенный анализ, можно понять, почему верхний предел линии Робсона не выполняется для наноструктур. В ходе анализа коэффициенты диффузии и Генри могут быть изменены без влияния на проницаемость материала, которая, таким образом, может превышать верхний предел для полимерных мембран.^[4]

Кремнеземные мембраны

Кремнеземные мембраны мезопористый и может быть изготовлен с высокой однородностью (одинаковая структура по всей мембране). Высокая пористость этих мембран придает им очень высокую проницаемость. Синтезированные мембраны имеют гладкую поверхность и могут быть модифицированы на поверхности для значительного повышения селективности. Функционализация поверхностей мембран из диоксида кремния аминосодержащими молекулами (на поверхности силанол групп) позволяет мембранам отделять CO₂ от потоков дымовых газов более эффективно.^[2] Функционализацию поверхности (и, следовательно, химию) можно настроить так, чтобы она была более эффективной для влажных потоков дымовых газов по сравнению с сухими потоками дымовых газов.^[11] В то время как ранее кремнеземные мембраны были непрактичными из-за их технической масштабируемости и стоимости (их очень трудно экономично производить в большом масштабе), были продемонстрированы простые способы изготовления кремнеземных мембран на полых полимерных подложках. Эти демонстрации показывают, что экономичные материалы и методы могут эффективно разделять CO₂ и н₂.^[12] Заказанные мембраны из мезопористого диоксида кремния продемонстрировали значительный потенциал для модификации поверхности, что позволяет облегчить выделение CO₂ разделение. Функционализация поверхности с амины приводит к обратимому образованию карбаматы (во время CO₂ расход), увеличивая CO₂ избирательность значительно.^[12]

Цеолитовые мембраны

Типичный цеолит. Тонкие слои этой кристаллической структуры цеолита могут действовать как мембрана, поскольку CO₂ может адсорбироваться внутри пор.

Цеолиты кристаллические алюмосиликаты с регулярной повторяющейся структурой пор молекулярного размера. Цеолитные мембраны селективно разделяют молекулы в зависимости от размера пор и полярности и, таким образом, легко настраиваются на конкретные процессы разделения газов. Как правило, молекулы меньшего размера и молекулы с более прочным цеолитомадсорбция свойства адсорбируются на цеолитные мембраны с большей селективностью. Способность различать на основе размера молекул и адсорбционного сродства делает цеолитные мембраны привлекательным кандидатом для CO₂ отделение от N₂, CH₄, а H₂.

Ученые обнаружили, что энтальпия (теплота) адсорбции в газовой фазе на цеолитах увеличивается следующим образом: H₂ 4 2 2.^[13] Принято считать, что CO₂ имеет самую большую энергию адсорбции, потому что он имеет наибольшую квадрупольный момент, тем самым увеличивая его сродство к заряженным или полярным порам цеолита. При низких температурах адсорбционная способность цеолита велика, а высокая концентрация адсорбированного CO₂ молекулы блокируют поток других газов. Следовательно, при более низких температурах CO₂ избирательно проникает через поры цеолита. Несколько недавних исследований были сосредоточены на разработке новых цеолитных мембран, которые максимально увеличивают выброс CO₂ селективность за счет использования явления низкотемпературной блокировки.

Исследователи синтезировали цеолитные мембраны Y-типа (Si: Al> 3), которые достигают коэффициентов разделения при комнатной температуре 100 и 21 для CO.₂/ N₂ и CO₂/ CH₄ смеси соответственно.^[14] Типа DDR и SAPO-34 мембраны также показали себя многообещающими в разделении CO₂ и CH₄ при различных давлениях и составах кормов.^[15][16]

Мембраны с металлоорганическим каркасом (MOF)

Были достигнуты успехи в цеолитно-имидазолатные каркасы (ZIF), подкласс металлоорганические каркасы (MOF), что позволило им быть полезными для отделения диоксида углерода от потоков дымовых газов. Обширное моделирование было выполнено, чтобы продемонстрировать ценность использования MOF в качестве мембран.^[17][18] Материалы MOF основаны на адсорбции, поэтому их можно настраивать для достижения селективности.^[19] Недостатком систем MOF является стабильность в воде и других соединениях, присутствующих в потоках дымовых газов. Некоторые материалы, такие как ZIF-8, продемонстрировали стабильность в воде и бензоле, которые часто присутствуют в смесях дымовых газов. ZIF-8 может быть синтезирован в виде мембраны на пористом носителе из оксида алюминия и доказал свою эффективность при разделении CO₂ из потоков дымовых газов. При аналогичном СО₂/ CH₄ селективность к цеолитным мембранам Y-типа, мембраны ZIF-8 достигают беспрецедентного уровня CO₂ проницаемость, на два порядка превышающая предыдущий стандарт.^[20]

Структура перовскита. Мембрана будет состоять из тонкого слоя структуры перовскита.

Перовскитовые мембраны

Перовскит представляют собой смешанные оксиды металлов с четко определенной кубической структурой и общей формулой ABO₃, где A - щелочноземельный или же лантаноид элемент, а B - переходный металл. Эти материалы привлекательны для CO.₂ разделение из-за настраиваемости металлических участков, а также их устойчивости при повышенных температурах.

Разделение CO₂ от N₂ были исследованы с мембраной из α-оксида алюминия, пропитанной BaTiO.₃.^[21] Было обнаружено, что адсорбция CO₂ был благоприятен при высоких температурах из-за эндотермического взаимодействия между CO₂ и материал о мобильной CO₂ что увеличило CO₂ скорость адсорбции-десорбции и поверхностная диффузия. Фактор экспериментального разделения CO₂ к N₂ оказалось, что оно составляет 1,1-1,2 при температуре от 100 ° C до 500 ° C, что выше предельного значения коэффициента разделения 0,8, предсказанного Кнудсеновская диффузия. Хотя коэффициент разделения был низким из-за точечных отверстий в мембране, это демонстрирует потенциал перовскитных материалов в их селективной химии поверхности для CO.₂ разделение.

Другие мембранные технологии

В особых случаях можно использовать другие материалы; Например, палладий мембраны позволяют транспортировать только водород.^[22] В дополнение к палладиевым мембранам (которые обычно представляют собой сплавы палладия и серебра, предотвращающие охрупчивание сплава при более низких температурах) также проводятся значительные исследования, направленные на поиск альтернатив неблагородным металлам. Хотя медленная кинетика обмена на поверхности мембраны и тенденция мембран к растрескиванию или разрушению после ряда рабочих циклов или во время охлаждения - это проблемы, которые еще предстоит полностью решить.^[23]

Строительство

Мембраны обычно содержатся в одном из трех модулей:^[7]

• Жгуты полых волокон в металлическом модуле
• Спирально намотанные пучки в металлическом модуле
• Пластинчато-рамный модуль выполнен в виде пластинчато-рамочного теплообменника.

Использует

Мембраны используются в:^[1]

• Разделение азот или же кислород из воздуха (обычно только до 99,5%)
• Разделение водород от газов вроде азот и метан
• Восстановление водорода из потоков продуктов аммиак растения
• Восстановление водорода в нефтеперегонный завод процессы
• Отделение метана от других компонентов биогаз
• Обогащение воздуха кислородом для медицинских или металлургических целей. Один из методов промышленного производства найтрокс дыхательный газ для подводное плавание.
• Обогащение незаполненный объем азотом в инерционные системы разработан для предотвращения взрыва топливного бака
• Удаление водяной пар из натуральный газ и другие газы
  Дальнейшая информация: Мембранные осушители
• Удаление ТАК₂, CO₂ и ЧАС₂S из природного газа (полиамидные мембраны)
• Удаление летучий органические жидкости (VOL) из воздуха выхлопных газов

Разделение воздуха

Воздух, обогащенный кислородом, очень востребован в ряде медицинских и промышленных применений, включая химические процессы и процессы горения. Криогенная дистилляция - это зрелая технология промышленного разделения воздуха для производства больших количеств кислорода и азота высокой чистоты.Однако это сложный процесс, энергоемкий и, как правило, не подходит для мелкосерийного производства. Адсорбция с переменным давлением также обычно используется для разделения воздуха и может также производить кислород высокой чистоты при средней производительности, но по-прежнему требует значительного пространства, больших инвестиций и большого потребления энергии. Метод мембранного разделения газов представляет собой относительно низкое воздействие на окружающую среду и устойчивый процесс, обеспечивающий непрерывное производство, простую работу, более низкие требования к давлению / температуре и компактность.^[24][3]

Текущее состояние CO₂ захват с мембранами

Было проведено много исследований по использованию мембран вместо абсорбции или адсорбции для улавливания углерода из потоков дымовых газов, однако в настоящее время нет^{[когда? ]} существуют проекты, в которых используются мембраны. Технологический процесс наряду с новыми разработками в области материалов показал, что мембраны обладают наибольшим потенциалом с точки зрения низких затрат энергии и стоимости по сравнению с конкурирующими технологиями.^[4][10][25]

Фон

Сегодня мембраны используются для коммерческого разделения, включающего: N₂ с воздуха, H₂ из аммиака в Процесс Габера-Боша, очистка природного газа, и третичный уровень повышенная нефтеотдача поставлять.^[26]

Одноступенчатые мембранные операции включают одну мембрану с одним значением селективности. Одноступенчатые мембраны впервые были использованы при очистке природного газа, при отделении CO₂ из метана.^[26] Недостатком одноступенчатых мембран является потеря продукта в пермеате из-за ограничений, накладываемых одним значением селективности. Повышение селективности снижает количество продукта, теряемого в пермеате, но происходит за счет необходимости большей разницы давлений для обработки эквивалентного количества дымового потока. На практике максимально возможная экономически возможная степень сжатия составляет около 5: 1.^[27]

Для борьбы с потерей продукта в пермеате мембраны инженеры используют «каскадные процессы», в которых пермеат повторно сжимается и соединяется с дополнительными мембранами с более высокой селективностью.^[26] Потоки ретентата можно рециркулировать, что обеспечивает лучший выход продукта.

Необходимость многоступенчатого процесса

Одноступенчатые мембранные устройства не подходят для получения высокой концентрации отделенного материала в проникать транслировать. Это происходит из-за предела степени сжатия, превышение которого экономически нереально. Следовательно, для концентрирования потока пермеата требуется использование многоступенчатых мембран. Использование второй ступени позволяет использовать меньшую площадь мембраны и меньшую мощность. Это связано с более высокой концентрацией, которая проходит на второй ступени, а также с меньшим объемом газа, который должен обрабатывать насос.^[27][10] Другие факторы, такие как добавление еще одной ступени, в которой для концентрирования потока используется воздух, дополнительно сокращают затраты за счет увеличения концентрации в потоке сырья.^[10] Дополнительные методы, такие как сочетание нескольких типов методов разделения, позволяют варьировать в создании экономичных технологических схем.

Использование мембран в гибридных процессах

Гибридные процессы с разделением газов имеют давнюю историю.^[28] Обычно мембраны интегрируются в уже существующие процессы, так что их можно модернизировать в уже существующих системах улавливания углерода.

MTR, Membrane Technology and Research Inc., и UT Остин работали над созданием гибридных процессов, использующих как абсорбцию, так и мембраны, для CO₂ захватывать. Во-первых, поглощение столбец с использованием пиперазин поскольку растворитель поглощает примерно половину диоксида углерода из дымового газа, то использование мембраны приводит к улавливанию 90%.^[29] Также существует параллельная установка с одновременным протеканием мембранного и абсорбционного процессов. Как правило, эти процессы наиболее эффективны, когда в колонну абсорбции амина попадает самое высокое содержание диоксида углерода. Внедрение гибридных процессов проектирования позволяет модернизировать ископаемое топливо электростанции.^[29]

Гибридные процессы также могут использовать криогенная перегонка и мембраны.^[30] Например, водород и углекислый газ могут быть разделены, сначала с использованием криогенного газового разделения, при котором большая часть диоксида углерода выходит первой, затем с использованием мембранного процесса для отделения оставшегося диоксида углерода, после чего он возвращается в цикл для дальнейших попыток криогенного разделения.^[30]

Анализ цен

Стоимость ограничивает степень давления в мембране CO₂ ступень разделения на значение 5; рационы с более высоким давлением исключают любую экономическую целесообразность для CO₂ захват с использованием мембранных процессов.^[10][31] Недавние исследования показали, что многоступенчатый CO₂ процессы улавливания / разделения с использованием мембран могут быть экономически конкурентоспособными со старыми и более распространенными технологиями, такими как на основе аминов поглощение.^[10][30] В настоящее время процессы абсорбции на основе как мембран, так и аминов могут быть разработаны для получения 90% CO.₂ скорость захвата.^{[25][10][31][32][29][30]} За улавливание углерода при средней угольной электростанции мощностью 600 МВт стоимость CO₂ улавливание с использованием абсорбции на основе амина составляет 40–100 долларов США за тонну CO.₂ диапазон, в то время как стоимость СО₂ улавливание с использованием современной мембранной технологии (включая текущие технологические схемы) составляет около 23 долларов за тонну CO₂.^[10] Кроме того, процесс абсорбции на основе амина на средней угольной электростанции мощностью 600 МВт потребляет около 30% энергии, вырабатываемой электростанцией, в то время как выполнение мембранного процесса требует около 16% генерируемой энергии.^[10] CO₂ транспорт (например, в геологическая секвестрация сайтов или для использования EOR ) стоит около 2–5 долларов за тонну CO₂.^[10] Эта стоимость одинакова для всех типов СО.₂ процессы улавливания / разделения, такие как мембранное разделение и абсорбция.^[10] В пересчете на тонну уловленного CO₂, наименее дорогие мембранные процессы, изучаемые в настоящее время, являются многоступенчатыми. противоток процессы потока / развертки.^{[25][10][31][32][29][30]}

Рекомендации

• Вьет, W.R. (1991). Диффузия в полимерах и через них. Мюнхен: Hanser Verlag. ISBN  9783446155749.

Смотрите также

• Barrer
• Промышленный газ - Газообразные материалы, производимые для использования в промышленности
• Система первичного жизнеобеспечения - устройство жизнеобеспечения скафандра
• Мембранная технология для производства азота