Analyse der Membrantrennungstechnologie zur Dekarbonisierung von Erdgas

Die Membrantrennung ist ein Schlüsselprozess im Bereich der Erdgas-Dekarbonisierung. Sie erreicht die Trennung von Komponenten wie CO₂ und CH₄ durch die selektive Permeation von Gaskomponenten durch Membranmaterialien. Die Kernvorteile und technischen Details sind wie folgt:

Die Membrantrennung hängt von der Löslichkeitsdifferenz oder der Diffusionsratendifferenz von Gasen im Membranmaterial ab:

Wenn die Permeabilität der Membran für CO₂ viel höher ist als für CH₄ (z. B. bei Polyimid-Membranen), permeiert CO₂ vorzugsweise zur Downstream-Seite der Membran (Permeationsseite), während CH₄ Upstream (Refluxseite) verbleibt, wodurch eine CO₂-Anreicherung und CH₄-Rückgewinnung erreicht wird.

Die Selektivität von Membranmaterialien (das Permeationsverhältnis von CO₂ zu CH₄) ist ein Kernindikator für die Trenneffizienz. Hochselektive Membranen können den Energieverbrauch und die Anlagengröße erheblich reduzieren.

Das Membrantrennungssystem muss aus Dimensionen wie Vorbehandlung, Membranmaterialien, Prozessdesign und Betriebsparametern kollaborativ optimiert werden, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten:

• Entwässerung: Ölnebel und flüssiges Wasser werden durch einen Zyklonabscheider und einen Koaleszenzfilter entfernt, um eine Membranverschmutzung zu verhindern.
• Entkohlenwasserstoffung: Wenn das Erdgas C₅+ schwere Kohlenwasserstoffe enthält, ist ein Kondensationsabscheider (gekühlt auf -20 bis 0℃) erforderlich, um die Adsorption/Verstopfung von Kohlenwasserstoffen auf der Membran zu reduzieren.
• Entschwefelung: Wenn H₂S vorhanden ist, sollten Feststoffadsorbentien (wie Eisenoxid) oder Aminvorbehandlung priorisiert werden, um zu verhindern, dass H₂S das Membranmaterial korrodiert.

• Polyimid (PI)-Folie: Mit hoher CO₂/CH₄-Selektivität (α≈30 bis 50) und Hochtemperaturbeständigkeit (≤100℃) ist es die Mainstream-Wahl in der Industrie.
• Celluloseacetat (CA)-Membran: beständig gegen Kohlenwasserstoffkontamination, aber mit relativ geringer Selektivität (α≈20-30), geeignet für Szenarien mit hohem Kohlenwasserstoffgehalt.
• Neue Hybridmatrix-Membran (MMM): Nanopartikel-Dotierung erhöht die Trenneffizienz, im Forschungs- und Entwicklungsstadium.