Badania obniżania zawartości CO 2 w gazie ziemnym przy użyciu membrany poliimidowej Na laboratoryjnej instalacji z modułową kapilarną membraną poliimidową (hollow fiber) przebadane zostały przepływy metanu, azotu, helu i dwutlenku węgla oraz trzy różne mieszanki gazowe, w zależności od ciśnienia. W artykule wykazano możliwość zastosowania membran poliimidowych do obniżania zawartości dwutlenku węgla w gazie ziemnym. Słowa kluczowe: moduły membranowe, poliimidy, dwutlenek węgla, gaz ziemny. Studies reducing the CO 2 content in natural gas using polyimide membrane At a laboratory installation with a modular hollow fiber polyimide membrane were tested flows of methane, nitrogen, helium, carbon dioxide and three different gas mixtures, depending on the pressure. The article shows the possibility of using polyimide membranes to reduce carbon dioxide in natural gas.

Określenie możliwości odwadniania gazu ziemnego na membranach polimerowychOsuszanie gazu ziemnego na instalacjach glikolowych jest energochłonne i emituje do środowiska niebezpieczne związki chemiczne. Przeprowadzono badania osuszania azotu, metanu i gazu ziemnego na module membranowym. Badania wykonywano na mikrokapilarnych membranach (hollow fiber) z poliimidu. Moduł membranowy zamontowany był na stanowisku pomiarowym do badań w warunkach wysokiego ciśnienia gazu. Prowadzono pomiary przepływu strumieni gazu, ciśnienia, temperatury i wilgotności w strumieniach nadawy, retentatu i permeatu. Uzyskano wysokie stopnie obniżenia wilgotności w gazach. Stwierdzono, że efektywność osuszania gazu po kontakcie z membraną zależy od wartości przepływów i od ciśnienia. Wraz ze wzrostem ciśnienia transmembranowego efektywność odwodnienia się zwiększa. Przy ciśnieniu gazu powyżej 10 bar uzyskiwany jest poziom zawilgocenia odpowiadający wymaganiom normy osuszania gazu ziemnego w zimie, przy współczynniku podziału powyżej 0,08. Przy ciśnieniu gazu powyżej 45 bar norma osuszania speł-niona jest przy współczynniku podziału poniżej 0,01. Wykazano, że technologia membranowa stanowi atrakcyjną metodę osuszania gazu ziemnego.Słowa kluczowe: membranowa separacja gazowa, osuszanie gazu ziemnego. Possibility of natural gas dehydration using polymer membranesDehydration of natural gas at glycol installations is energy-consuming and emits hazardous chemicals to the environment. Dehydration tests of nitrogen, methane and natural gas on a membrane module were conducted. The tests were conducted on micro-capillary membranes (hollow fiber) made of polyimide. The membrane module was mounted on a test station in high gas pressure conditions. The flow of the streams of gas, pressure, temperature and humidity in the streams of feed, retentate and permeate were conducted. High levels of humidity reduction in gases were obtained. It was found that the dehydration effectiveness of gas, after contact with the membrane, depends on the values of flows and pressure. With the increase of the transmembrane pressure, the effectiveness of dehydration increases. At a gas pressure above 10 bar, the level of humidity achieved is corresponding to the requirements of the standards for dehydration of natural gas in winter, with a partition coefficient (stage cut) above 0.08. At a gas pressure above 45 bar, the standard for dehydration is met at a partition coefficient of less than 0.01. It was proven that the membrane technology is an attractive method for natural gas dehydration.

STRESZCZENIE: W związku z ciągłym wzrostem cen helu, wynikającym z kurczącej się w perspektywie lat podaży, rezerwy helu ze źródeł niszowych, w tym o niskiej jakości oraz z odzysku helu, w stosujących go branżach będą atrakcyjne. Konwencjonalne technologie produkcji helu są energochłonne i z założenia projektowane były dla dużych strumieni do obróbki (odzysku) helu z gazu ziemnego. Alternatywne technologie, np. z wykorzystaniem separacji membranowej, są coraz częściej badane ze względu na korzyści ekonomiczne, jakie mogą potencjalnie oferować w stosunku do konwencjonalnego podejścia. W niniejszym artykule dokonano przeglądu literaturowego w zakresie stosowanych technologii membranowej separacji helu z gazu ziemnego. Opracowano projekt i utworzono stanowisko badawcze do testów separacji na modułach membranowych mieszanin gazowych o różnej zawartości helu. Przeprowadzono kilka serii badań z interpretacją wyników eksperymentalnych zależności efektów wzbogacenia permeatu w hel od współczynnika podziału. Wykonano symulację i obliczenia wielkości strumieni w wielostopniowej instalacji separacji helu z gazu ziemnego w funkcji współczynników podziału z zawracaniem strumieni retentatu na wcześniejsze etapy rozdziału. Opracowano koncepcję uzyskiwania z gazu ziemnego zawierającego 0,3% helu strumienia gazu o wysokiej, ponad 90-proc. zawartości helu z zastosowaniem technologii membranowej. Badania przeprowadzono na dostępnej komercyjnie membranie poliimidowej. W kolejnych stopniach wzbogacenia strumienia gazu w hel uzyskano 1,3%, 8%, 37% i ponad 93% helu w końcowym koncentracie. W wysokociśnieniowym strumieniu retentatu otrzymano produkt niezawierający helu (<0,02%) będący jednocześnie gazem o podwyższonej kaloryczności ze zmniejszoną zawartością dwutlenku węgla i azotu. W trakcie eksperymentów dążono do tego, aby wyniki były w szerokim zakresie przydatne w obliczeniach procesowych. Rozwiązany został symulacyjny ogólny problem kształtowania się przepływów (wielkości strumieni) dla układu czterostopniowego wzbogacania gazu na membranach. Wyniki obliczeń mogą służyć wielu wariantom w zależności od przepływu i od współczynników podziału Ѳ. Określono wpływ dławienia ciśnienia permeatu na efekty separacyjne i ustalono optymalny zakres tego ciśnienia, biorąc pod uwagę konieczność sprężania tego strumienia. Przeprowadzone obliczenia inżynieryjne dla jednego z wariantów wykazały skuteczność i możliwość jego wdrożenia. Po każdym etapie (stopniu) separacji permeat musi być sprężony ponownie, co niesie za sobą określone nakłady eksploatacyjne związane z kosztami energii do sprężania i chłodzenia poszczególnych strumieni gazu. Obliczono wymaganą moc do sprężania i chłodzenia tych strumieni. Słowa kluczowe: separacja membranowa, hel, gaz ziemny.

W nowych warunkach ekonomicznych eksploatacja zasiarczonych złóż gazowych i ropno-gazowych obniża zyski przy stosowaniu dotychczasowych konwencjonalnych procesów przygotowania gazu do transportu. Użycie taniej jednostki membranowej jako wstępnej technologii przed klasycznym, dość energochłonnym procesem absorpcji aminowej (hybrydyzacja) może znacząco obniżyć koszty usuwania składników kwaśnych z gazu ziemnego. Artykuł jest kontynuacją poprzednich publikacji autora związanych z badaniami separacji kilku mieszanek CH4–H2S. Testy rozdziału składników gazowych prowadzono na modułach z membranami poliimidowymi w szerokim zakresie ciśnień. Rozszerzono zakres wykonywanych testów separacji do stężeń rzędu 22% H2S w mieszance gazowej. Na podstawie wyników eksperymentalnych uzyskano dane do symulacji i prognoz niezbędnych do oceny i porównań dwumodułowych układów kaskadowych. Określono wpływ ciśnienia gazu przepływającego przez membranę filtratu (permeatu) na efekty separacji. Podwyższanie ciśnienia strumienia permeatu obniża w nim koncentrację siarkowodoru oraz podwyższa straty metanu. Stwierdzono, że stosunek ciśnień gazu wlotowego do ciśnienia permeatu ma większe znaczenie niż różnica tych ciśnień. Jednostopniowe układy membranowe są wystarczające dla gazu zawierającego powyżej 12% H2S, natomiast dla gazów mniej zasiarczonych sugerowany jest dwustopniowy układ kaskadowy. W przypadku niskich stężeń H2S w gazie straty metanu w układzie jednostopniowym są zbyt wysokie. W artykule porównano dwa warianty dwumodułowych kaskadowych układów membranowych. Przedstawiono wyniki porównawcze obliczeń symulacyjnych zawartości siarkowodoru dla gazu wlotowego o stężeniu 7,73% dla obu układów ze sprężarką przed i po drugim stopniu separacji. Obliczenia wykazały, że w przypadku wariantu z kompresorem przed drugim modułem – stężenia H2S w strumieniach produktowych są korzystniejsze. Dla obu układów obliczono wskaźniki stopnia usunięcia siarkowodoru z gazu wlotowego. Rozważono wpływ składu permeatu na zjawiska fazowe związane z jego skropleniem i sprężaniem celem zatłoczenia do złoża wspólnie z gazem kwaśnym z części aminowej instalacji hybrydowej.

The article presents the issues related to of the removal of suspensions and sediments from reservoir waters. In the conducted research, particular emphasis was placed on the techniques of using loading materials in the water treatment process. The research materials were four types of reservoir water, which was collected from the separators of wells exploiting natural gas deposits. These waters were characterized by high suspended solids (76–176 mg/dm3) and a varied degree of mineralization. The content of dissolved substances was determined in the range from 401 to 306 428 mg/dm3. The extracted reservoir waters are currently most often utilized by pumping into the absorbing horizons in depleted hydrocarbon reservoirs. The preparation of water for injection is limited only to the removal of easily settling solid particles and suspensions present in the extracted formation waters. The porosity and permeability of the deposit rocks determine the size of solid particles present in the water that can be forced into voids in the porous medium. In the process of water treatment by coagulation and flocculation, carried out in laboratory conditions, Flokor ASW was used as a coagulant, while Stabpol was used as a flocculant. Post-coagulation sludge is highly hydrated, so that its density is close to that of water, as a result of which sedimentation of sludge particles takes a long time. In order to increase the sedimentation rate of particles contained in the treated waters, ballasting materials, which were quartz sand and bentonites: powdery bentonite and bentonite preparation DuoBent 1, were successively introduced into the solutions. The effectiveness of the water treatment process was assessed by comparing the degree of turbidity of the solution above the sediment before and after adding a different amount of coagulant, flocculant and sediment-balancing materials. The turbidity measurement of the tested solutions allows to estimate the content of suspensions and colloids in them. Laboratory tests were carried out on the possibility of using selected materials ballasting suspensions in the process of reservoir water treatment. Effective doses of ballast materials recommended for use in the separation of suspensions from formation waters were determined. Research results presented in this paper show that the removal of suspended solids from formation waters can be carried out with the use of a properly prepared bentonite agent (DuoBent 1) with no need of adding other chemical compounds. The doses of the DuoBent 1 bentonite preparation, dosed into highly mineralized reservoir waters in order to remove turbidity, are relatively small. Adding bentonite into the treated waters in amounts exceeding 0.2 g/dm3 results in obtaining high clarity of the water intended for injection (turbidity at the level of 0–5 FAU). The results of the research can be implemented for practical use as a simple method of purifying reservoir water prior to injection into the formation.