氣體分離膜技術應用領域

[db:作者] / 2023-02-08 00:00

(2)氣體分離膜技術應用領域

目前，世界上可提供氣體膜分離裝置的國外廠商已有60多家，其中有代表性的產品特征及市場概況可參見表10-10。在國外，膜法氣體分離技術日趨成熟，并在許多領域中得到推廣應用，其中包括氣體的分離、回收和濃縮；環保和節能；替代和完成傳統分離過程不能承擔的任務，成為國外膜業的重要組成部分。

表10-10 國外主要氣體分離膜系統及其市場概況

我國氣體分離膜研究始于20世紀80年代初，先由中國科學院組織了中國科學院化學研究所，中國科學院長春應用化學研究所、中國科學院蘭州化學物理研究所和中國科學院大連化學物理研究所等單位協同攻關，進行高分子富氧技術的研究和聚礬(PS)中空纖維膜的研究，1985年PS中空纖維器試制成功，1987年SR-PS卷式富氧器試制成功。20世紀80～90年代還研制了多種材料，如用PS和聚酞亞胺(P1)膜研究開發了H2/N2、O2/N2、H2O/CH4、CO2/CH4、H2O/空氣、CO/H2的分離過程以及Pd—陶瓷復合膜上H2的分離。上述膜及器件主要應用于H2的回收、提濃和制造盲氧盲氮氣體及氣體除濕。特別在通過國家“七五”、“八五”科技攻關的基礎上，已建成中空纖維氮/氫膜生產線和卷式富氧膜生產線，并發展建立了膜技術國家工程研究中心產業化基地和研發基地。

膜法富氧技術已投入應用，并在高分子膜材料領域進行了成功的探索，國產螺旋卷式富氧器官氧濃度可達28%～30%，已在30多家玻璃窯爐和燃油及燃煤鍋爐上推廣應用。另外在氣體脫濕干燥、水果保鮮、煤氣脫硫、天然氣除酸性氣體、超純氫制造等方面也進行了研究開發工作，并取得了一些進展。目前應用最廣的有富氧技術。

膜法氣體分離的操作方法主要有加壓法、減(負)壓法和一側加壓一側減壓三種。在空氣富氧操作中，大都采用減(負)壓法和一側加壓一側減壓法，因為對螺旋卷式富氧膜組件來說，一般加壓法的能耗是減(負)壓法的3.0～6.5倍。有人試圖在進空氣一邊采用加壓法，以推進空氣膜法富氧，結果表明該法在經濟上是不可行的，因為這要把大量的電能消耗在壓縮所有進料空氣上，其能耗可能是在滲透氣一邊抽真空的兩倍，而得到的只是少量透過膜的富氧空氣，所以加壓法是不可取的。不過，減壓法的膜組件用量是加壓法的3.0～6.5倍。因此，對于實際應用，需從能耗、投資和廠方的資源情況等通過優化評估來確定最佳的操作流程。通常減壓法操作更簡單、更經濟、更實用。圖10-35所示為一級膜法生產富氧空氣的減壓法操作方式，可得到30%～60%的富氧空氣。正壓操作系統則可在下列情況下使用。

圖10-35 生產富氧空氣的一級膜分離過程示意

①有壓縮空氣氣源，且空氣流量有過剩，系統壓力不小于0.4MPa(絕壓)，同時原來使用壓縮空氣場合對氧濃度不作要求。

②富氧和富氮同時應用：對于中空纖維膜富氧組件，系統壓力不小于0.8MPa(絕壓)。在生產實踐中，不僅需要30%～60%的富氧空氣，而且有許多用戶需要純氧。圖10-36所示為生產純氧的二級膜分離過程。因為送入二級膜分離器的氣量只是進入一級裝置氣量的1/4～1/3，而且氧的含量更高，所以二級膜分離器要比一級的小許多，操作成本也會比一級的低。第二級膜分離也可采用另一種膜系統。這種二級膜分離系統，對每天產氣量不到200t的小裝置有點像是真空變壓吸附，而對空氣量較大的裝置，更像是深冷分離系統。

圖10-36 生產純氧的二級膜分離過程示意

要生產與現行深冷技術相比在成本價格上有競爭力的氧氣，就需要膜對氧的選擇性要遠遠超過對氮的(即其分離性能良好)。另外，膜還需要具有較高的滲透量，以控制成本。

與膜法提氫流程相比，膜法富氧的工藝流程比較簡單。因為空氣的組成是恒定的，不含有對高分子膜有害的雜質組分，只需對空氣進行預過濾，除去空氣中可能含有的少量冷凝水和壓縮時帶進的機油，否則這些成分很容易吸附在膜的表面上，降低它的滲透速率。總之原料的凈化是很重要的。

氣體分離膜是當前各國均極為重視開發的產品，已有不少產品用于工業化生產。如美國Du Pont公司用聚酯類中空纖維制成的H2氣體分離膜，對組成為70% H2，30% CH4，C2H6，C3H8的混合氣體進行分離，可獲得含90% H2的分離效果。

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