СЕПАРАЦИЯ ГАЗА

РАЗДЕЛЕНИЕ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ

Химики называют "благородными" те вещества, которые связываются с другими веществами только с относительной трудностью; это относится к благородным металлам, таким как платина и золото, а также к благородным газам, таким как гелий.

Большинство людей, с другой стороны, понимают слово "благородный" как ценный, и они не ошибаются: Платина, как известно, стоит значительно дороже, чем, например, железо. А один кубометр газообразного гелия стоит от €8 до €30 в зависимости от количества покупки и чистоты, среди прочих факторов. Для сравнения, один кубометр природного газа доступен частному потребителю всего за 60 евроцентов. Одной из причин высокой цены на гелий является его высокий спрос. Этот газ используется для охлаждения магнитно-резонансных томографов (МРТ) в больницах и для наполнения воздушных шаров и дирижаблей. Он также используется в производстве стекловолокна, сварке, электронной промышленности, а также для обнаружения утечек в системах и оборудовании. Однако гелий встречается редко. Его добывают из немногих источников природного газа по всему миру, где он присутствует в пропорции от двух до восьми процентов. В настоящее время мировой рынок поделен между странами-производителями: США, Алжиром, Катаром, Россией и Польшей.

МЕМБРАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДЛЯ КАНАДЫ

С августа 2016 года Канада также производит гелий. В Манкоте заработал уникальный завод, который из 250 000 кубометров газа, добываемого ежедневно, в полностью автоматическом режиме извлекает 99,999-процентный гелий. Завод был построен инженерным подразделением Linde Group. Его отличительной особенностью является то, что компания Linde объединила существующий процесс газоразделения с новой мембранной технологией SEPURAN® Noble компании Evonik. Этот гибридный процесс позволяет особенно эффективно обогащать гелий в канадском источнике газа, содержание гелия в котором значительно ниже двух процентов. Таким образом, компания Linde смогла убедительно доказать свою правоту компании Weil Group Resources, владельцу газового источника, и выйти вперед в глобальном тендере.

Мембрана из полых волокон SEPURAN® Green быстро завоевала рынок биогаза. Более совершенная версия - SEPURAN® Noble - помогает восстанавливать инертный газ гелий.

Мембраны SEPURAN® состоят из полиимида, высокоэффективного полимера, устойчивость которого к высоким температурам и агрессивным химическим веществам доказана на протяжении многих десятилетий. Например, полиимид также используется для фильтрации горячих газов на цементных и сталеплавильных заводах. Прядильные установки на предприятии Evonik в Шерфлинге (Австрия) производят материал в виде волокон с особой архитектурой: Их внутренняя часть полая. Материал имеет высокую пористость по всей длине полости. Поры становятся все меньше по направлению к внешней стороне. Относительно плотная оболочка толщиной менее 100 нанометров образует поверхность волокон.

Газы, чьи молекулы очень малы (кинетический диаметр), могут проникать в эту кожу быстрее, чем те, чьи частицы больше. Таким образом, кожа может различать, например, углекислый газ и метан, или гелий и метан. Оставшаяся пористая часть волокна не помогает в разделении газов, поскольку поры слишком велики для этой цели; она служит в качестве опорного элемента, придавая материалу механическую стабильность. Evonik собирает десятки тысяч этих полых волокон в мембранный модуль в корпусе из нержавеющей стали.

Мембранные модули SEPURAN® Green, которые в настоящее время используются для очистки биогаза на более чем 100 предприятиях по всему миру, не совсем подходят для извлечения гелия: Из-за низкого содержания гелия в природном газе мембраны SEPURAN® Green не могут в нужной степени преобразовать инертный газ. Необходима мембрана, способная выделять гелий из остального газа еще более эффективно, чем SEPURAN® Green. Специалистам компании Evonik удалось создать такую мембрану, модифицировав процесс прядения для производства волокна. Компания Evonik продает эту мембрану под названием SEPURAN® Noble.

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ПОЛЫЕ ВОЛОКНА

Если вы сейчас думаете, что более высокая эффективность разделения, чем та, которую предлагает SEPURAN® Green, будет работать также для метана и углекислого газа и, таким образом, сможет улучшить процесс переработки биогаза, то вы не ошибетесь. Но SEPURAN® Noble не обеспечил бы достаточного проникновения ни того, ни другого газа: Более высокая селективность этого варианта SEPURAN® достигается ценой более низкой производительности. Однако в случае с гелием это не критично, поскольку он может проходить через мембрану гораздо быстрее, чем, скажем, углекислый газ. Таким образом, мастерство команды SEPURAN® заключается в индивидуальной настройке свойств мембран из полых волокон для конкретного применения. Таким образом, она полностью использует и без того очень хорошие газоразделительные свойства полиимида.

На гибридной эталонной установке в Манкоте модули SEPURAN® улучшают сырой газ до содержания гелия около 50 процентов. Затем из полученной газовой смеси практически чистый гелий получают методом маятниковой адсорбции под давлением (PSA). В этом хорошо зарекомендовавшем себя методе газовая смесь под давлением пропускается через твердый слой. Гелий остается почти полностью неадсорбированным на этом твердом слое, в то время как другие компоненты газа осаждаются на нем или в нем. Как только адсорбционная способность твердого слоя исчерпывается, его регенерируют путем снижения давления. Два твердых слоя работают одновременно, так что PSA непрерывно обеспечивает гелий; пока один из них находится в режиме адсорбции, другой регенерируется.

Процесс PSA хорошо функционирует только при содержании гелия не менее 25 процентов, и его эффективность возрастает с увеличением содержания гелия. Именно поэтому необходима предварительная очистка сырого газа с помощью мембран SEPURAN®. Эти два процесса прекрасно дополняют друг друга, поскольку в результате мембранного процесса получается газовая смесь гелия без давления, которая подвергается давлению с помощью PSA. Таким образом, полученный чистый гелий также находится под давлением, что снижает транспортные расходы.

СБОР И МОДЕРНИЗАЦИЯ ИСПОЛЬЗОВАННОГО ГЕЛИЯ

Гелий стоит дорого, и крупные пользователи могут посчитать целесообразным рекуперацию использованного инертного газа; они также могут извлечь выгоду из SEPURAN® Noble. К таким крупным пользователям относятся производители оптических волокон, по которым передаются данные Интернета и телефонные звонки. Гелий особенно эффективен для охлаждения стекловолокна в процессе его вытяжки из горячего расплава. Это увеличивает скорость производства: Один завод может производить более двух километров волокна в минуту. Но гелиевое охлаждение стоит дорого: многие предприятия по производству стекловолокна ежегодно тратят сотни тысяч евро на гелий. Компания Nextrom, ведущий мировой поставщик оборудования для производства стекловолокна, разработала решение для производителей волокна на основе SEPURAN® Noble. Оно предлагает систему, в которой использованный гелий собирается, очищается и повторно используется для охлаждения. Таким образом может быть восстановлено до 90 процентов гелия.
Спустя
всего два года после выхода на рынок SEPURAN® Noble уже занял прочные позиции в отрасли производства стекловолокна; команда SEPURAN® отчасти обязана этим успехом поддержке своих коллег из Silanes, которые хорошо знакомы с этим сектором. Более того, мембранная технология может быть очень легко интегрирована в производство стекловолокна, поскольку модернизированный гелий не обязательно должен быть жидким или сверхчистым. Но это не относится к другим областям применения гелия, таким как магнитно-резонансная томография, где потребуется несколько больше времени для того, чтобы технология SEPURAN® Noble закрепилась. Тем не менее, специалисты по мембранам убеждены, что эта технология найдет свое применение и в других областях, помимо оптических волокон.