Мембранное разделение газов
-
Разделение газовых смесей мембранами
- Мембраны из полимеров и керамических материалов используются для разделения газовых смесей.
- Полимерные мембраны ограничены пределом Робсона, что делает их неэффективными для выделения CO2.
- Керамические мембраны обладают высокой термической и химической стойкостью, что делает их более перспективными.
-
Процесс мембранного разделения
- Мембраны действуют как проницаемый барьер, разделяя газы по их размеру, коэффициенту диффузии или растворимости.
- Проницаемость зависит от размера молекул газа, а селективность — от соотношения проницаемости газов.
- Оборудование закачивает газ в мембранный модуль, где газы разделяются по коэффициенту диффузии и растворимости.
-
Методология управления мембраной
- Существует три механизма распространения: диффузия Кнудсена, молекулярное просеивание и диффузия в растворе.
- В обычной мембранной системе поток сырья разделяется на проникающий и удерживающий компоненты.
- Поток частиц через мембрану зависит от разницы давлений и проницаемости.
-
Производительность мембраны
- Концентрация частиц на мембране зависит от их потоков диффузии.
- Общий поток проникающего вещества определяется балансом массы на разной длине сепарационной установки.
- Площадь мембраны зависит от условий эксплуатации системы.
-
Мембранные материалы для улавливания CO2
- Полимерные мембраны являются распространенным вариантом для улавливания CO2.
- Полимеры с высокой селективностью имеют низкую проницаемость, и наоборот.
- Полимерные мембраны используют механизм растворения-диффузии.
-
Предел Робсона и его преодоление
- Материалы с высокими коэффициентами диффузии имеют открытую пористую структуру, что приводит к потере селективности.
- Используются стеклообразные полимеры и облегченный способ транспортировки для преодоления предела Робсона.
-
Нанопористые мембраны
- Нанопористые мембраны имеют другой химический состав и не соответствуют пределу Робсона.
- Проницаемость мембраны определяется процессами адсорбции и диффузии.
- Изменение геометрии полости и окна влияет на проницаемость и селективность.
-
Кремнеземные мембраны
- Кремнеземные мембраны имеют высокую пористость и гладкую поверхность.
- Функционализация поверхности аминами повышает селективность по CO2.
- Мембраны из упорядоченного мезопористого кремнезема демонстрируют значительный потенциал модификации поверхности.
-
Цеолитовые мембраны
- Цеолиты избирательно разделяют молекулы в зависимости от размера пор и полярности.
- CO2 обладает наибольшей энергией адсорбции на цеолитах.
- Цеолитные мембраны Y-типа обеспечивают высокую селективность по CO2 при комнатной температуре.
-
Металлоорганические каркасные мембраны (MOF)
- MOF-материалы основаны на адсорбции и могут быть настроены для достижения селективности.
- ZIF-8 демонстрирует стабильность в воде и бензоле и высокую проницаемость по CO2.
-
Перовскитные мембраны
- Перовскиты привлекательны для выделения CO2 из-за перестраиваемости металлических элементов и стабильности при повышенных температурах.
- Экспериментальный коэффициент разделения CO2 на N2 превышает предел коэффициента разделения в 0,8.
-
Другие мембранные технологии
- Палладиевые мембраны обеспечивают транспортировку водорода.
- Проводятся исследования по поиску альтернатив недрагоценным металлам.
-
Строительство и использование мембран
- Мембраны состоят из полых волокон, спирально намотанных жгутов или пластинчато-каркасного модуля.
- Используются для отделения азота или кислорода от воздуха, выделения водорода, обогащения воздуха кислородом и других целей.
-
Удаление водяного пара из природного газа
- Мембранные осушители используются для удаления водяного пара из природного газа.
- Мембраны обеспечивают непрерывное производство и низкие требования к давлению/температуре.
-
Удаление SO2, CO2 и H2S из природного газа
- Полиамидные мембраны используются для удаления SO2, CO2 и H2S из природного газа.
- Мембраны обеспечивают высокую эффективность и экологичность процесса.
-
Удаление летучих органических жидкостей из воздуха выхлопных газов
- Мембраны используются для удаления летучих органических жидкостей из воздуха выхлопных газов.
- Процесс обеспечивает высокую эффективность и экологичность.
-
Разделение воздуха
- Мембранное разделение газов является экологичным и простым в эксплуатации.
- Мембраны позволяют получать кислород высокой чистоты при средней производительности.
-
Текущее состояние улавливания CO2 мембранами
- Мембраны обладают потенциалом снижения энергопотребления и стоимости.
- В настоящее время не существует проектов с использованием мембран для улавливания CO2.
-
Одноступенчатые мембранные операции
- Одноступенчатые мембраны используются для очистки природного газа и повышения нефтеотдачи пластов.
- Недостатком одноступенчатых мембран является потеря продукта в пермеате.
-
Многоступенчатые мембранные процессы
- Многоступенчатые мембраны позволяют концентрировать поток пермеата.
- Использование второй ступени уменьшает площадь мембраны и снижает затраты.
-
Использование мембран в гибридных процессах
- Гибридные процессы включают абсорбцию и мембраны для улавливания CO2.
- Мембраны интегрируются в существующие системы улавливания углерода.
-
Анализ затрат
- Стоимость мембранного улавливания CO2 ниже, чем у абсорбции на основе аминов.
- Мембранные процессы требуют меньше энергии и обеспечивают высокую степень улавливания CO2.
-
Перспективы мембранного улавливания CO2
- Многоступенчатые процессы с противоточным потоком/разверткой являются наиболее экономически выгодными.
- Мембранные процессы могут быть конкурентоспособными по сравнению с абсорбцией на основе аминов.