Введение.
Совершенствование технологий транспортировки, обнаруженные значительные запасы, снижение затрат на разработку и экологическая устойчивость — все это дает основание считать, что природный газ, в частности метан, останется одним из главных источников энергии в ближайшем будущем.
Удаление N2 имеет большое значение для промышленного производства и использования метана. Поэтому удаление азота и стало предметом исследований.
Основная часть.
Будь то трубопроводный транспорт или доставка танкерами, можно транспортировать природный газ, содержащий 75–95 % метана, где присутствует небольшое количество загрязняющего вещества N2, концентрация которого может достигать от 5 до 15% [1]. Однако даже очень низкое содержание N2 существенно негативно повлияет на качество природного газа.
Азот является не токсичным и негорючим газом, не способствует коррозии. Наличие азота отрицательно влияет на теплоту сгорания смеси газов, выводит его из стандартного диапазона индекса Воббе и требований к газовому продукту. Кроме того, присутствие азота сказывается на стоимости перекачки газовой смеси и размерах оборудования, такого как компрессоры и трубопроводы. Согласно ГОСТам конечное значение концентрации азота после очистки должно быть меньше 1%.
И метан, и азот представляют собой устойчивые к химическим воздействиям газы, что является серьезной проблемой для разделения их в системе N2 – СН4. Также селективного отделения азота от метана добиться сложно из‐за почти одинакового критического диаметра молекул N2 и СН4 (3,64 Å и 3,80 Å соответственно) [2].
Разделение газов — процесс, который может осуществляться фракционной конденсацией (охлаждением, сопровождающимся образованием конденсированных систем), ректификацией, сорбцией селективными абсорбентами и адсорбентами, а также диффузией через пористые перегородки (мембранное газоразделение) и др. Наиболее широко в промышленности применяется конденсация в сочетании с сорбцией и ректификацией при низких температурах.
К настоящему времени для отделения азота от метана используются несколько методов: мембранное разделение, криогенная технология, твердофазная адсорбция, и др. [3]. Большие скорости потока газа при криогенной перегонке позволяют покрыть высокие капитальные затраты на криогенную установку в течение нескольких лет, что наиболее актуально для крупных заводов.
Сложность эффективного разделения N2 – СН4 связана со следующими факторами. Во‐первых, из‐за сходного критического диаметра между N2 и СН4 трудно разработать материалы с точным размером пор для эффективного молекулярного сита. Во‐вторых, обязательное наличие интенсивного броуновского движения делает практически невозможным контроль угла, под которым молекулы газа входят в поры материалов. Кроме того, различия в конденсируемости и поляризуемости не способствуют N2 – селективному разделению. Более высокая поляризуемость и критическая температура СН4 приводят к более сильному взаимодействию с большинством материалов, таким образом, препятствуя преимущественной адсорбции и проникновению N2 [4].
Для адсорбции при переменном давлении и технологий мембранного разделения, в соответствии с приоритетом газовых соединений, процессы разделения N2 – СН4 можно рассортировать на N2 – селективные процессы и СН4 – селективные процессы.
Известные мембраны и адсорбенты, используемые при отделении азота, представлены в таблице 1.
Абсорбция и газоразделение на основе гидратов являются наименее исследованными и используемыми технологиями на данный момент. Трудности при работе с твердой фазой гидратов значительно удорожают и усложняют процесс.
Процесс абсорбции проводится минеральными маслами, например, прямогонной нафтой или парафиновым маслом, по существу, состоящими из алканов, с последующим выпуском непоглощенного азота. При этом большую роль имеют молекулярные свойства N2 и СН4, включающие различия в кинетическом диаметре, поляризуемости, квадрупольном и дипольном моментах молекул. Абсорбцию в основном проводят при комнатной температуре и при давлении, равном давлению поступающего природного газа, в тарельчатых колоннах или колоннах с насадкой, где башенная насадка предпочтительно размещена упорядоченно, а не случайным образом [5].
Таблица 1 – Мембраны и адсорбенты, используемые при отделении азота.
Заключение.
Отделение азота от метана является трудной задачей при использовании любой технологии, но без этого невозможно достичь необходимого качества продукта и увеличить эффективность работы оборудования. Необходимо искать новые методы и материалы для отделения азота от метана с высокой селективностью и эффективностью, а также совершенствовать существующие. Наиболее перспективным на наш взгляд является абсорбция с подбором эффективного и не дорогостоящего абсорбента. На данном этапе мы ведем исследования в этом направлении.
Список литературы
1. Rufford T. E., Smart S., Watson G. C. Y., Graham B. F., Boxall J., Diniz da Costa J. C., May E. F. The removal of CO2 and N2 from natural gas: A review of conventional and emerging process technologies / Journal of Petroleum Science and Engineering, 94–95, 2012. – p. 123–154 – doi:10.1016/j.petrol.2012.06.016.
2. Ohs B., Lohaus J., Wessling M. Optimization of membrane based nitrogen removal from natural gas / Journal of Membrane Science, 498, 2016. – p. 291–301. DOI: 10.1016/j.memsci.2015.10.007.
3. Lokhandwala K. A., Pinnau I., He Z., Amo K. D., DaCosta A. R., Wijmans J. G., Baker R. W. Membrane separation of nitrogen from natural gas: A case study from membrane synthesis to commercial deployment / Journal of Membrane Science, 346(2), 2016. – p. 270–279.
4. Sun Q., Wang M., Li Z., Li P., Wang W., Tan X., Du A. Nitrogen removal from natural gas using solid boron: A first‐principles computational study. Fuel, 109, 2013. – p. 575–581, doi:10.1016/j.fuel.2013.03.032.
5. Чиккарелли Л. Способ удаления азота из природного газа / Патент на изобретение RU 2185226 C2, 20.07.2002. Заявка № 2000103939/12 от 18.02.2000.