Carbon Membranes for CO2 Removal from High Pressure Natural Gas in Subsea Process

Naturgass har globalt sett blitt en mer attraktiv energibærer på grunn av dens tilgjengelighet og anvendbarhet og fordi den er en renere energikilde enn kull eller råolje. Naturgass prosessering er en stor industri globalt med et totalt årlig gassforbruk på 3169 milliarder m3 i 2010. Naturgass fra brønnen inneholder mange ulike komponenter i betydelige mengder i tillegg til naturgass, slik som lette og tunge oljefraksjoner i tillegg til vann og uønskede gasskomponenter (H2S, CO2, N2 and helium). CO2 fjerning fra naturgass er i mange tilfelle et krav for at gassen skal inneholde høyt nok energinivå, men også viktig i et miljøvernperspektiv. Hovedsakelig gjøres slik fjerning av CO2 i dag ved bruk av kjemisk adsorpsjon (Aminteknologi er den mest modne av disse teknologiene). Det finnes alternative teknologier, hvor membran-gassepareringsteknologi er en av disse. I forhold til aminteknologien har membranteknologien noen klare fordeler i at membranteknologien er mindre energikrevende, har større prosessfleksibilitet og tar mindre plass (er mer romlig effektiv). Kommersielle membraner for naturgasseparering har også noen begrensninger særlig knyttet til fenomenene kompaktering (sammentrykking av strukturen på grunn av trykket) og plastisering (CO2 ved høyt trykk virker som en mykgjører for noen polymertyper) Det er derfor viktig at både nye materialer utvikles men også at nye prosessanvendelser tas i bruk. Derfor vil det nystartete CO2Hing prosjektet fokusere på å utvikle en ny type mekanisk sterk, høykapasitets (Stor separeringsevne høy gasstrømning per areal) og asymmetrisk karbonmembran. Prosjektet skal produsere denne membranen fra lavkost materialer basert på cellulose og å bruke membranen i subsea naturgass rensing. Parametere knyttet til: teknologiegnethet, økonomiskegnethet vil bli nøye evaluert basert på både prosessimuleringer og på livssyklusberegninger for egnetheten av membran materialet i en subsea prosess.

The scientific results generated in this project will contribute to national and international knowledge within the field of natural gas processing and CO2 capture. the filed patent will attract great attention from oil/gas industries, and potentially to bring this energy-efficient technology for commercial natural gas sweetening to reduce greenhouse gas emission during gas production. Education of engineers and scientists will contribute in maintaining a strong research and education base in Norway, one PhD and one Master thesis generated from this project. more than 15 articles published in high-level peer-review journals, 6 oral presentations and 2 Posters were disseminated in the international conferences.

Developing novel environmentally friendly and energy efficient technology for CO2 removal from natural gas is essential to improve the competition of natural gas processing plants. Although chemical absorption is still the state-of-the-art technology in this area, membrane technology posses many advantages such as small footprint, low capital and operating costs, being environmentally friendly, and exhibiting process flexibility shows great potential. The challenging on natural gas sweetening membranes in the market today are the membrane compaction and plasticization, which points to the need of development on novel membranes materials for high pressure application in subsea process. Thus, in the CO2Hing project, we aim at developing mechanically strong, high performance asymmetric hollow fiber carbon membranes that can exceed CO2/CH4 Robeson upper bound (CO2 permeance >0.3 m3(STP)/(m2.h.bar) and CO2/CH4 selectivity >100) from cheap cellulose materials for natural gas sweetening. In order to achieve this objective, 1) Suitable ionic liquids with appropriate physicochemical property will be designed by molecular dynamic simulation, and synthesized for dissolution of cellulose at room temperature (<50C); 2) Asymmetric cellulose hollow fibers with desired structure and morphology will be spun from cellulose/ionic liquids dope solution by controlling liquid-liquid demixing mechanism based on equilibrium thermodynamics of ternary phase diagram; 3) Asymmetric, defect-free and straight hollow fiber carbon membranes will be prepared by controlling carbonization protocol, and employing post-oxidation and post-reduction; 4) determining the optimal operating condition by experimental design and statistical analysis to achieve high CO2/CH4 separation performance of the carbon membranes. 5) Employing process simulation and life cycle assessment to evaluate the technology advance of a closed-loop two-stage carbon membrane system for natural gas sweetening in subsea process.