Membrane drying of gases: opportunities and energy costs

Abstract

BACKGROUND: Gas drying is widely used in many applications of science, technology and industry: high-purity gas media (microelectronics), and its methods are constantly being improved. One of them, membrane separation of gases, although considered as one of the most promising, is currently understudied.

AIM: The purpose of this work is to show the possibilities of the membrane gas separation method when it is used for drying compressed gases.

METHODS: The results of the study of the drying of compressed gases were obtained using the membrane method of gas separation.

CONCLUSIONS: The dependence of the degree of drying (dew point temperature) on such parameters of the gas separation process as the relative pressure drop across the membrane, the permeability and selectivity of the membrane for water vapor, the value of the working pressure and the value of the dried gas flow per unit area of the membrane is shown. It is shown that, with the help of membrane gas separation, drying can be performed to a dew point temperature of –100 ˚С and below. On the example of drying air and methane, the conditions are given under which membrane drying can be energetically more profitable compared to drying by cooling.

Keywords

gas separation / drying / membrane methods / dew point temperature / compressed gas / selectivity / water vapor

References

[1] Devjatyh GG, Elliev JuI. Vvedenie v teoriju glubokoj ochistki veshhestv. Moscow: Nauka; 1981. (In Russ.).

[2] Девятых Г.Г., Еллиев Ю.И. Введение в теорию глубокой очистки веществ. М.: Наука,1981.

[3] Okonskij IS, Osokin AA, Fedjukov JuS. Processy i apparaty kislorodnogo i kriogennogo proizvodstva. Moscow: Mashinostroenie; 1985. (In Russ.).

[4] Оконский И.С., Осокин А.А., Федюков Ю.С. Процессы и аппараты кислородного и криогенного производства. М.: Машиностроение, 1985.

[5] Mulder M. Vvedenie v membrannuju tehnologiju. Moscow: Mir; 1999. (In Russ.).

[6] Мулдер M. Введение в мембранную технологию. М.: Мир, 1999.

[7] Laguncov NI, Kurchatov IM, Karaseva MD, et al. Ocenka jeffektivnosti primenenija membrannyh tehnologij dlja izvlechenija gelija iz prirodnogo gaza pri povyshennyh davlenijah. Membrany i membrannye tehnologii. 2014;4(4):272–272. (In Russ.).

[8] Лагунцов Н.И., Курчатов И.М., Карасева М.Д. и др. Оценка эффективности применения мембранных технологий для извлечения гелия из природного газа при повышенных давлениях // Мембраны и мембранные технологии. 2014. Т. 4, № 4. С. 272–272.

[9] Ohlrogge K, Peinemann K-V, Wind J, Behling P-D. Membranes, modules and membrane apparatus for vapor recovery. Proc. Int. Congr. on Membranes and Membrane Proc. ICOM’ 90: Abstracts / Chicaco. 1990:437–439.

[10] Ohlrogge K., Peinemann K.-V., Wind J., et al. Membranes, modules and membrane apparatus for vapor recovery // Proc. Int. Congr. on Membranes and Membrane Proc. ICOM’ 90: Abstracts / Chicaco. V. l. P. 437–439.

[11] Laguntsov NI, Kurchatov IM, Karaseva MD, et al. Natural gas drying and cleaning of carbon dioxide by membrane gas separation. Petroleum Chemistry. 2017;57(2):132–138.

[12] Laguntsov N.I., Kurchatov I.M., Karaseva M.D. et al. Natural gas drying and cleaning of carbon dioxide by membrane gas separation // Petroleum Chemistry. 2017. V. 57, N 2. P. 132–138.

[13] Laguncov NI, Kagramanov GG, Kurchatov IM, et al. Osushka i ochistka prirodnogo gaza ot dioksida ugleroda metodom membrannogo gazorazdelenija. Membrany i membrannye tehnologii. 2017:7(1):20–27. (In Russ.).

[14] Лагунцов Н.И., Каграманов Г.Г., Курчатов И.М. и др. Осушка и очистка природного газа от диоксида углерода методом мембранного газоразделения // Мембраны и мембранные технологии. 2017. Т. 7, № 1. С. 20–27.

[15] Mullahmetova LI, Cherkasova EI. Poputnyj neftjanoj gaz: podgotovka, transportirovka i pererabotka. Vestnik Kazanskogo tehnologicheskogo universiteta. 2015;18(19):83–90.

[16] Муллахметова Л.И., Черкасова Е.И. Попутный нефтяной газ: подготовка, транспортировка и переработка // Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т. 18, № 19. С. 83–90.

[17] Roberts DL, Ching GD. Recovery of freon gases with silicone rubber membranes. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 1986;25(4):971–973. (In Russ.).

[18] Roberts D.L., Ching G.D. Recovery of freon gases with silicone rubber membranes // Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 1986. V. 25, № 4. P. 971–973.

[19] Vorotyncev VM, Drozdov PN, Nosyrev SA, et al. Glubokaja ochistka gazov ot primesi vody s pomoshh’ju perftorirovannyh sul’fokationitovyh membran. Vysokochistye veshhestva. 1994;(6):5–11. (In Russ.).

[20] Воротынцев В.М., Дроздов П.Н., Носырев С.А. и др. Глубокая очистка газов от примеси воды с помощью перфторированных сульфокатионитовых мембран // Высокочистые вещества. 1994. № 6. С. 5–11.

[21] Vorotyncev VM, Drozdov PN, Kirillov JuP. Glubokaja ochistka argona, germana i gelija ot vody metodom membrannogo gazorazdelenija. Vseros. nauch. konf. Membrany-2001: tezisy dokladov. Moscow; 2001:116.

[22] Воротынцев В.М., Дроздов П.Н. Кириллов Ю.П. Глубокая очистка аргона, германа и гелия от воды методом мембранного газоразделения // Всерос. науч. конф. «Мембраны-2001»: тез. докл. М., 2001. С. 116.

[23] Sengupta A, Sirkar КК. Membrane gas separation. Progr. Filtr. Separ. 1986;(4):289–415. (In Russ.).

[24] Sengupta A., Sirkar К.К. Membrane gas separation // Progr. Filtr. Separ. 1986. № 4. P. 289–415.

[25] Gruzdev E.B. Chislennoe issledovanie processov membrannogo razdelenija dvuh- i mnogokomponentnyh gazovyh smesej [dissertation] Moscow; 1988. (In Russ.).

[26] Груздев Е.Б. Численное исследование процессов мембранного разделения двух- и многокомпонентных газовых смесей: автор. дис. … канд. физ.-мат. наук. М., 1988.

[27] Gruzdev EB, Laguncov NI, Nikolaev BI, et al. Raschet razdelenija mnogokomponentnyh gazovyh smesej v membrannyh jelementah. Teoreticheskie osnovy himicheskoj tehnologii. 1986;20(2):157–163. (In Russ.).

[28] Груздев Е.Б., Лагунцов Н.И., Николаев Б.И. и др. Расчет разделения многокомпонентных газовых смесей в мембранных элементах // Теоретические основы химической технологии. 1986. Т. 20, № 2. С. 157–163.

[29] Laguncov NI, Talanceva EV, Tepljakov VV. Optimizacija gazorazdelitel’nyh recirkuljacionnyh membrannyh ustanovok. Teoreticheskie osnovy himicheskoj tehnologii. 2002;36(2):170–176. (In Russ.).

[30] Лагунцов Н.И., Таланцева Е.В., Тепляков В.В. Оптимизация газоразделительных рециркуляционных мембранных установок // Теоретические основы химической технологии. 2002. Т. 36, № 2. С. 170–176.

[31] Laguntsov NI, Tikhonov SN, Karaseva MD, et al. Mathematical modelling and numerical study of recirculation membrane and membrane-refrigerated systems of compressed air dehydration. Journal of Physics, Conference Series. 2019, p. 042042.

[32] Laguntsov N.I., Tikhonov S.N., Karaseva M.D. et al. Mathematical modelling and numerical study of recirculation membrane and membrane-refrigerated systems of compressed air dehydration // Journal of Physics: Conference Series. V International Conference on Information Technology and Nanotechnology, ITNT 2019. 2019. P. 042042.

[33] Gruzdev EB, Ezhov VK, Kozhevnikov VYu. Gas separation in a recycle membrane cell. Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 1989;23(4):538–543.

[34] Gruzdev E.B., Ezhov V.K., Kozhevnikov V.Yu. Gas separation in a recycle membrane cell // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 1989. V. 23, N 4. P. 538–543.

RIGHTS & PERMISSIONS

Eco-Vector