مقایسه فنی - اقتصادی بازیابی هلیوم از گاز طبیعی توسط شبیه‌سازی فرآیند غشاءهای پلیمری

یوسفی, محمدمهدی; جعفری, مصطفی

مقایسه فنی - اقتصادی بازیابی هلیوم از گاز طبیعی توسط شبیه‌سازی فرآیند غشاءهای پلیمری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

محمدمهدی یوسفی ¹

مصطفی جعفری ²

¹ دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی شیمی، دانشکده فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

² پژوهشگر، انستیتو گاز طبیعی مایع‌، دانشکده مهندسی شیمی، دانشکده فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

در این پژوهش، بازیابی هلیوم از گاز طبیعی با فرآیند غشاء سه‌مرحله‌ای در نرم‌افزار PRO/II و با معادله حالت پنگ–رابینسون شبیه‌سازی شد. سه نوع غشاء پلیمری شامل پلی‌آمید ، پلی‌پیرول و پلی‌سولفون تحت خوراک یکسان و معیارهای طراحی مشخص (خلوص ۹۰ درصد و بازیافت ۹۵ درصد) مقایسه شدند. اعتبارسنجی مدل با داده‌های مرجع انجام شد و روند افزایش خلوص به‌خوبی طی شد. ارزیابی فنی-اقتصادی نشان داد تراوایی بالاتر پلی‌آمید و پلی‌پیرول موجب کاهش مساحت غشاء و توان تراکم و در نتیجه بهبود هم‌زمان CAPEX و OPEX می‌شود. در سناریوی بهینه، سرمایه‌گذاری کل ۸ تا ۹ میلیون دلار، دوره بازگشت سرمایه حدود ۵ تا ۵.۵ سال و نرخ بازگشت نزدیک به ۱۹ درصد برآورد شد. ازاین‌رو پلی‌آمید گزینه برتر اقتصادی و پلی‌پیرول جایگزین نزدیک آن است. همچنین تحلیل حساسیت نشان می‌دهد شاخص‌های اقتصادی به قیمت هلیوم حساس‌تر از تعرفه برق‌اند.

کلیدواژه‌ها

بازیابی هلیوم

غشاء پلیمری

تراوایی

انتخاب پذیری

ارزیابی اقتصادی

موضوعات

مهندسی شیمی

عنوان مقاله English

Techno-Economic Comparison of Helium Recovery from Natural Gas Using Polymeric Membranes Simulation

نویسندگان English

mohammad mahdi yousefi ¹

Mostafa Jafari ²

¹ M.Sc. Student, School of Chemical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran

² 2. Ph.D. Graduate, Researcher, Institute of Liquefied Natural Gas (I-LNG), School of Chemical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran

چکیده English

We simulated a three-stage membrane process for helium recovery from natural gas in PRO/II using the Peng–Robinson equation of state. Three polymeric membranes: polyimide, polypyrrole, and polysulfone were evaluated under identical feed conditions and design criteria (90% product purity, 95% recovery). The model reproduced literature data and the stagewise increase in purity. Techno-economic analysis shows that the higher permeability of polyimide and polypyrrole lowers the required membrane area and compression power, improving both CAPEX and OPEX. In the optimized design, total investment is USD 8–9 million, the payback period is about 5–5.5 years, and the rate of return is 19%. Accordingly, polyimide is the most economical option, with polypyrrole as a close alternative, while polysulfone remains less competitive. One-way sensitivity analyses indicate limited elasticity to electricity tariff but strong dependence on helium price over the tested range.

کلیدواژه‌ها English

Helium recovery

Polymeric membrane

Permeability

Selectivity

Economic evaluation

J. S. Serra Leal, J. Incer-Valverde, and T. Morosuk, “Helium: Sources, applications, supply, and demand,” vol. 3, ed: MDPI, 2023, pp. 181-183.
T. Wilson et al., “US Geological Survey climate science plan—Future research directions,” US Geological Survey, 2330-5703, 2024.
Z. Dai et al., “Helium separation using membrane technology: Recent advances and perspectives,” Separation and Purification Technology, vol. 274, p. 119044, 2021.
Z. Hu and J. Li, “A review of helium resources and development,” Natural Gas Industry B, 2025.
C. A. Scholes, U. K. Gosh, and M. T. Ho, “The economics of helium separation and purification by gas separation membranes,” Industrial & Engineering Chemistry Research, vol. 56, no. 17, pp. 5014-5020, 2017.
D. D. Nikolić and E. S. Kikkinides, “Modelling and optimization of hybrid PSA/membrane separation processes,” Adsorption, vol. 21, no. 4, pp. 283-305, 2015.
W. Xiao et al., “Design and Optimization of a Novel Hybrid Membrane–Electrochemical Hydrogen Pump Process for Recovering Helium from NRU off Gas,” Membranes, vol. 13, no. 7, p. 689, 2023.
M. A. Tofighy and T. Mohammadi, “Helium removal from natural gas by membrane technologies,” in Advances in Natural Gas: Formation, Processing, and Applications. Volume 5: Natural Gas Impurities and Condensate Removal: Elsevier, 2024, pp. 267-290.
M. Alders, D. Winterhalder, and M. Wessling, “Helium recovery using membrane processes,” Separation and Purification Technology, vol. 189, pp. 433-440, 2017.
M. A. Quader, T. E. Rufford, and S. Smart, “Modeling and cost analysis of helium recovery using combined-membrane process configurations,” Separation and Purification Technology, vol. 236, p. 116269, 2020.
M. A. Quader, T. E. Rufford, and S. Smart, “Integration of hybrid membrane-distillation processes to recover helium from pre-treated natural gas in liquefied natural gas plants,” Separation and Purification Technology, vol. 263, p. 118355, 2021.
S. Haider, M. Saeed, A. Lindbråthen, and M.-B. Hagg, “Techno-economic evaluation of helium recovery from natural gas; A comparison between inorganic and polymeric membrane technology,” 2019.
G. D. Ulrich and P. T. Vasudevan, Chemical engineering: process design and economics; a practical guide. Process Publ., 2004.
G. Towler and R. Sinnott, Chemical engineering design: principles, practice and economics of plant and process design. Butterworth-Heinemann, 2021.
D. Mignard, “Correlating the chemical engineering plant cost index with macro-economic indicators,” Chemical Engineering Research and Design, vol. 92, no. 2, pp. 285-294, 2014.
R. Turton, R. C. Bailie, W. B. Whiting, and J. A. Shaeiwitz, Analysis, synthesis and design of chemical processes. Pearson Education, 2008.
R. W. Baker, Membrane Technology and Applications. Chichester: John Wiley & Sons, 2012.
J. Sun, G. Wang, H. Zhang, B. Zhang, and C. Hu, “Facile fabrication of a conductive polypyrrole membrane for anti-fouling enhancement by electrical repulsion and in situ oxidation,” Chemosphere, vol. 270, p. 129416, 2021.
B. Van Ruijven and D. P. Van Vuuren, “Oil and natural gas prices and greenhouse gas emission mitigation,” Energy Policy, vol. 37, no. 11, pp. 4797-4808, 2009.