Определение эффективности мембранной технологии отделения гелия от ПНГ

Размещено на http://www.allbest.ru

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Нефти и газа

КУРСОВАЯ РАБОТА Вариант 16

Разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений

Определение эффективности мембранной технологии отделения гелия от ПНГ

Преподаватель Н.В. Чухарева

Студент ГБ18-03Б, 081831036 Д.В. Домрина

Красноярск 2021



Содержание

• Введение
• 1. Теоретическая часть
• 1.1 Свойства гелия

Основные методы получения гелия

1.3 Основные понятия и термины мембранного процесса газоразделения

1 . Расчетная часть

Вывод



1. Теоретическая часть

1.1 Свойства гелия

Гелий (He, лат. helium) - химический элемент 18-й группы периодической системы химических элементов (по устаревшей классификации - элемент главной подгруппы VIII группы) первого периода системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 2. Возглавляет группу инертных газов. Замкнутость и насыщенность электронной оболочки его атома исключает возможность ковалентных и ионных связей с любыми другими элементами. Не образует газовых клатратов.

Как простое вещество представляет собой инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

По распространённости во Вселенной занимает второе место после водорода.

Таблица 1.1 Физические свойства гелия

Параметр	Значение
Плотность, кг/м3 (н.у.)	0,178
Растворимость в воде, см3/л (н.у.)	9,78
Температура кипения, К	4,22

Основные методы получения гелия

Гидратообразование наименее популярный метод - очень энерго- и ресурсозатратный метод, так как в зависимости от концентрации гелия в исходном сырье требует воды в соотношении до 100:1

Абсорбция гелия на фторсодержащих соединениях применяется как одна из стадий процесса глубокой очистки гелия: обеспечить полную очистку по средствам данной технологии не представляется возможным. Альтернативой является адсорбция на активированных углях.

Сорбционные процессы могут быть использованы как для очистки, так и для осушки газов.

Согласно подсчетам, затраты на данное технологическое решение в среднем ниже на 25% по сравнению с другими технологиями очистки, так как данный процесс не требует большого количества жидкого азота. Тем не менее, использование адсорберов на последней стадии очистки гелиевого концентрата затруднено в связи с большими капитальными затратами на адсорберы (технологические установки этого типа достаточно громоздки, требует большого количества запорной арматуры).

Особого внимания заслуживают два конкурирующих процесса - мембранный метод и криогенный.

Криогенное извлечение гелия из природного газа, является классическим методом, протекающем в две стадии: получение полупродукта «гелий-сырец» [3] и тонкой очистки. Именно для первой стадии наиболее востребован криогенный метод - исходный газ постепенно компримируют параллельно с понижение температуры, получая «сырой гелий» с содержанием гелия от 50 до 80 об.%. Далее, в зависимости от технологии, газ отправляется в колонну, где путем повышения температуры и расширения, получают гелиевый концентрат, отправляемый на тонкую очистку. Помимо гелия, при криогенном его извлечении получают сжиженный природный газ (СПГ), который так же является товарным продуктом (служит как топливо), что делает данный метод экономически выгодным несмотря на свою энергозатратность.

Для мембранной технологии, наоборот, наиболее интересные схемы представлены в среде малых объемов получаемого продукта.

Мембраны, используемые для газоразделения, обычно представляют собой либо полые волокна, либо мембранные элементы рулонного (в иностранной литературе -спирального) типа. В зависимости от материала мембраны, изменяется коэффициент проницаемости того или иного газа через нее: в качестве материалов для мембраны могут служить полимеры (например, ацетатцеллюлоза), кварцевые стекла. Последние представляют особый интерес как двойная система: дело в том, что проницаемость гелия через кварцевое микропористое стекло имеет относительно высокие порядки, что позволяет говорить о возможной высокой производительности мембран из данного материала; но при этом возникают условия, ведущие к падению селективности мембраны - например, концентрационная поляризация.

Если речь идет о полимерных мембранах, более хорошо изученных на данный момент, можно наблюдать широкое разнообразие предлагаемых технологических схем с использованием мембранной технологии: доказано, что одноступенчатые схемы не представляют особого интереса в связи с малым выходом товарного продукта, а трехступенчатые схемы требуют высоких эксплуатационных затрат в связи с использованием мощных компрессоров и увеличением их общего числа. Наиболее перспективной является двухступенчатая схема без рецикла.

1.3 Основные понятия и термины мембранного процесса газоразделения

Мембрана - это тонкий газоразделительный слой, который разделяет газы за счет различных коэффициентов их газопроницаемости. Мембрана может быть плоской и в виде полого волокна

Мембранный модуль - это мембрана, сформированная в конструкцию картриджа, который при размещении в специальном корпусе позволяет реализовать газоразделительный процесс.

Принцип мембранного газоразделения основан на различной скорости проникания компонентов газовой смеси через селективный слой мембраны за счет перепада парциальных давлений по обе стороны мембраны.

Свойства мембраны таковы, что не нужные компоненты газовой смеси проходят через мембранный газоразделительный слой, а нужные не проходят.

Исходя из конфигурации мембранного картриджа, существуют мембранные модули на основе плоской, рулонной мембраны и полых волокон.

Мембранный газоразделительный блок - мембранные модули, собранные в единую конструкцию.

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 - различие в проницаемостях для различных компонентов смеси и потоком через мембрану.

Пермеат - поток, прошедший сквозь мембрану.

Ретентат - поток, не прошедший через мембрану.



2. Расчетная часть

Цель расчёта: оценить эффективность использования мембран в половолоконных модулях для выполнения задачи газоразделения при технологических условиях нефтегазоконденсатного месторождения. Исследовать закономерность изменения ключевых параметров мембраны от давления в напорном канале и определить их влияние на процесс газоразделения.

Задачи:

1) Определить текущую селективность в зависимости от применяемой мембраны и технологического давления разделяемой среды.

2) Рассчитать необходимое количество ступеней мембранного газоразделения для одной технологической линии.

3) Составить материальный баланс мембранных газоразделительных установок и рассчитать потребные площади мембран, далее посредством сравнения полученных параметров выбрать наиболее подходящее решение.

4) Для мембраны исходного типа построить графические зависимости концентрации гелия и потерь метана в пермеате от изменения давления в напорном канале мембранного модуля в широком диапазоне давлений от 1 до 20 МПа, по которым необходимо определить оптимальные условия процесса газоразделения.

Алгоритм расчёта представлен в таблице 2.1.

Таблица 2.1 Алгоритм расчета

№	Этапы расчета
1	Расчет проницаемости (Л) и селективности (б) мембраны при технологических условиях месторождения
	Л = Л0exp(m?P);	б = Л(He)/Л(CH4)
2	Расчет средней концентрации гелия в напорном пространстве аппарата (y)
	y = (yf - yr)/ln(yf/yr)
3	Определение содержания гелия в пермеате
4	Материальный баланс мембранной установки
5	Определение потерь метана в потоке пермеата
	F/[P*(1-yp(He))]
6	Расчет потребной площади мембраны (д)
	д = Q(He)/[Л(He)*(p1*y-p2*yp)]

Удельная цена мембраны исходного типа составляет 100 руб/м², фторированного типа - 150 руб/м².

Исходные данные:

Таблица 2.2 Исходные данные

Характеристика мембраны
(при T0 = 50 оС и P0 = 0,1 МПа).
Тип мембраны	Проницаемость (производительность) Л (P0,T0), л*м/м2*ч*атм	Селективность б (P0,T0)
	He	CH4	He/CH4
Исходная	246,9	1,52	135
Фторированная	215,1	0,208	1034

Таблица 2.3 Исходные данные

Технологические условия процесса газоразделения на нефтегазоконденсатном месторождении	Значения постоянной m (при T = 50 оС), атм-1
Расход, млрд. м3/год	Давление в напорном канале,	Температура,	Давление в дренажном канале,	He	CH4
	атм	оС	атм
5,32	80,00	50,00	2,00	0,00000505	0,0056500

Решение:

1. Расчет проницаемости (Л) и селективности (б) мембраны при технологических условиях месторождения:



где:

Л - проницаемость газа после изменения давления, л/м²*ч*атм;

Л₀ - исходная проницаемость газа, л/м²*ч*атм;

m - постоянная, характеризующая зависимость проницаемости от давления газа;

Таблица 3 Проницаемость мембраны.

Давление, атм	Исходного типа	Фторированного типа
	Л(He)	Л(CH4)	Л(He)	Л(CH4)
1	246,9	1,83	215,1	0,208
10	246,9112219	1,925462054	215,1097765	0,218850332
20	246,9236912	2,037382645	215,1206398	0,231571361
30	246,9361612	2,155808801	215,1315037	0,24503182
40	246,9486317	2,281118669	215,1423681	0,25927469
50	246,961103	2,413712375	215,1532331	0,27434545
60	246,9735748	2,554013304	215,1640986	0,290292223
70	246,9860473	2,702469452	215,1749647	0,307165927
80	246,9985204	2,859554853	215,1858313	0,325020442
90	247,0109941	3,025771096	215,1966984	0,34391278
100	247,0234685	3,201648927	215,2075661	0,363903266
110	247,0359435	3,387749941	215,2184344	0,385055731
120	247,0484191	3,584668377	215,2293032	0,407437717
130	247,0608954	3,793033015	215,2401725	0,431120692
140	247,0733723	4,013509184	215,2510425	0,456180279
150	247,0858498	4,246800886	215,2619129	0,482696494
160	247,098328	4,493653046	215,2727839	0,510754007
170	247,1108067	4,754853885	215,2836555	0,540442409
180	247,1232862	5,031237445	215,2945276	0,571856497
190	247,1357662	5,323686246	215,3054002	0,605096579
200	247,1482469	5,633134106	215,3162734	0,640268795

\



где б - селективность процесса разделения;

Л_i и Л_j - проницаемости i-го и j-го компонента смеси, л/м²*ч*атм.

Таблица 3.1 Селективность процесса разделения.

2. Расчет средней концентрации гелия:

Концентрация селективно проникающего компонента в напорном пространстве аппарата изменяется от y_f до y_r. Среднее значение ее с достаточной для инженерных расчетов степенью точности можно выразить как:

где

y - текущая концентрация компонента в напорном канале, об. доли;

y_f - начальная концентрация компонента в смеси, об. доли;

y_r - концентрация компонента в ретентате, об. доли.



Таблица 3.2 Концентрации компонента.

Yf
0,0054
Yr
0,0005
Y
0,002059216

В результате математических преобразований получаем квадратное уравнение в общем виде, решение которого позволяет определить состав пермеата.

Таблица 3.3 Переменные квадратного уравнения, состав пермеата для исходного типа



Таблица 3.4 Переменные квадратного уравнения, состав пермеата для фторированного типа

3. Материальный баланс мембранной установки:

Потоки пермеата (P) и ретентата (R) связаны с заданной производительностью по исходной газовой смеси (F) и концентрациями y_f, y_p, y_r следующими балансовыми отношениями:

где - поток пермеата, м³/ч

- поток ретентата, м³/ч

F - заданная производительность, м³/ч



Таблица 3.5 Материальный баланс

4. Определение потерь метана в потоке пермеата:

Потребная площадь мембраны:

Таблица 3.6

Потери СН4	д
0,5144092	7,979739257
0,2592002	35,86359966
0,1778512	84,63678143
0,1384283	154,9002073
0,1155756	246,7942468
0,1009796	360,0288343
0,0911118	493,9365844
0,0842207	647,540891
0,079339	819,6304114
0,0758902	1008,832544
0,0735106	1213,680503
0,0719601	1432,670749
0,0710751	1664,309448
0,0707411	1907,148003
0,0708763	2159,808656
0,071422	2421,001582
0,0723355	2689,535064
0,0735859	2964,320288
0,0751512	3244,37208
0,0770163	3528,806759

Таблица 3.7 Потери и площадь мембраны

Потери СН4	д
1,6893452	223,4176144
0,7448018	402,6511977
0,4645274	576,7509978
0,3306685	744,0894651
0,2526053	904,3592095
0,2016983	1057,492814
0,1660374	1203,536641
0,1397836	1342,628415
0,1197391	1474,996998
0,1040056	1600,968898
0,0913861	1720,977276
0,0810884	1835,571789
0,072568	1945,428318
0,0654382	2051,357732
0,0594175	2154,312787
0,0542962	2255,392164
0,0499147	2355,840496
0,0461503	2457,04317
0,0429066	2560,514727
0,0401074	2667,879787



Рисунок 1 Графики зависимости концентрации гелия и потерь метана в пермеате от величины давления для мембраны исходного типа.

5. Рассчитываем капитальные вложения:

где КВ - капитальные вложения, рубль;

С - удельная стоимость мембраны, рубль/м²;

д - потребная площадь мембраны, м².

Таблица 3.8 Экономический эффект.

Капитальные вложения
	Исходного типа	Фторированного типа
Цена, руб./м2	100	150
КВ, руб	100868,9	742707,0805

6. Далее осуществим расчет второй ступени мембранной установки по формулам с (2.5) по (2.14), руководствуясь схемой на рисунке 2.1 и принимая во внимание, что и F = P₁.



Таблица 3.9

Таблица 3.10 Расчёт второй ступени для мембраны исходного типа

7. Оцениваем материальный баланс для первой ступени:

Таблица 3.11 Материальный баланс первой ступени мембранной установки при использовании мембран двух вариаций, с учетом зависимости проницаемости от перепада давления в напорном канале

Параметр	Исходного типа	Фторированного типа
	Смесь (F)	Пермеат (P1)	Ретентат (R1)	Сырьевой (F)	Пермеат (P1)	Ретентат (R1)
Расход, млрд. м3/год	5,32	0,614	4,701	5,32	0,525	4,795
Концентрация He, %	0,54	4,87	0,05	0,54	6,06	0,05
Давление, МПа	80	0,2	5,8	6	0,2	5,8
Потери СH4 в пермеате, %	9,63	9,63	9,63	7,68	7,68	7,68

8. Оцениваем материальный баланс для второй ступени:

Таблица 3.12 Материальный баланс второй ступени мембранной установки при использовании мембран двух вариаций, с учетом зависимости проницаемости от перепада давления в напорном канале

Параметр	Исходного типа	Фторированного типа
	Пермеат (P1)	Пермеат (P2)	Ретентат (R2)	Пермеат (P1)	Пермеат (P2)	Ретентат (R2)
Расход, млрд. м3/год	0,619	0,16	0,43	0,525	0,07	0,36
Концентрация He, %	4,87	2,8	0,05	5,01	35	0,05
Давление, МПа (абс)	6	0,2	5,8	6	0,2	5,8
Потери СH4 в пермеате, %	1,5	1,5	1,5	0,88	0,88	0,88

9. Оцениваем экономический эффект для второй ступени

Таблица 3.13 Капитальные вложения первой и второй ступеней.

	Исходного типа	Фторированного типа
Цена, руб./м2	100	150
КВ 1ст, руб	100898,9	56058,68035
КВ 2ст, руб	742707,0805	739417,2045
Сумма, руб	843605,98	795502,884

Значения показателей укладываются в рамки, заявленные требованиями исходя из чего, принимается решение, что газоразделительная система, состоящая из двух мембранных ступеней, способна решить задачу выделения гелия из бинарной смеси на нефтегазоконденсатном месторождении.



Вывод

мембрана газоразделение нефтегазоконденсатный гелий

Результаты расчета подтверждают, что использование мембран как исходного, так и фторированного типов является целесообразным. Однако, применение модифицированной мембраны, полученной газофазным фторированием, в половолоконных мембранных модулях является наиболее эффективным решением, оптимизирующим технологию извлечения гелия, исходя из того, что в пермеате концентрация He значительно повышается и потери CH₄ снижаются на порядок, а также обеспечиваются наименьшие капитальные затраты.

Размещено на Allbest.ru