Підвищення ефективності баромембранного розділення метано-гелієвих сумішей із застосуванням каскадних схем та рециркуляції потоків

Анотація

У роботі розглядаються актуальні питання глибокого очищення газів та отримання цільових компонентів із багатокомпонентної сировини, що є затребуваним, але високовитратним завданням для різних галузей промисловості – від харчових технологій до напівпровідникової індустрії. Авторами проаналізовано обмеження традиційних методів сепарації, таких як сорбція, десублімація, короткоциклова адсорбція, хімічне поглинання та дистиляція, пов'язані з підвищеним енергоспоживанням, жорсткими вимогами до арматури або фазовими переходами компонентів. Основна увага у статті приділена баромембранному поділу як найпростішому методу, що не вимагає термічної стабілізації та заснованого на різниці швидкостей проникнення газів через пористу перегородку під дією перепаду тисків. На прикладі розділення бінарної метано-гелієвої суміші та вилучення гелію з природного газу продемонстровано математичну модель процесу. Описано методики розрахунку параметрів вихідних потоків (пермеату та нонпермеату) з використанням ітераційних процедур, рівнянь матеріального балансу та рівняння стану мембрани. Показано, що ефективність одиночної мембрани обмежена компромісом між концентрацією цільового продукту та ступенем його втрат. Для якісного покращення показників розглянуто багатостадійні безкомпресорні каскадні схеми, а також високоефективні схеми із включенням міжкаскадних компресорів та організацією рециркуляції потоків. Докладно досліджено позитивний ефект рециркуляції пермеатного потоку, наведено аналітичні залежності для граничних режимів поділу та оцінено максимальні коефіцієнти рециркуляції при різних технологічних параметрах. Матеріал доповнено графічними залежностями та технічними характеристиками серійних промислових мембранних модулів