气体分离膜技术应用领域

[db:作者] / 2023-02-08 00:00

(2)气体分离膜技术应用领域

目前，世界上可提供气体膜分离装置的国外厂商已有60多家，其中有代表性的产品特征及市场概况可参见表10-10。在国外，膜法气体分离技术日趋成熟，并在许多领域中得到推广应用，其中包括气体的分离、回收和浓缩；环保和节能；替代和完成传统分离过程不能承担的任务，成为国外膜业的重要组成部分。

表10-10 国外主要气体分离膜系统及其市场概况

我国气体分离膜研究始于20世纪80年代初，先由中国科学院组织了中国科学院化学研究所，中国科学院长春应用化学研究所、中国科学院兰州化学物理研究所和中国科学院大连化学物理研究所等单位协同攻关，进行高分子富氧技术的研究和聚矾(PS)中空纤维膜的研究，1985年PS中空纤维器试制成功，1987年SR-PS卷式富氧器试制成功。20世纪80～90年代还研制了多种材料，如用PS和聚酞亚胺(P1)膜研究开发了H2/N2、O2/N2、H2O/CH4、CO2/CH4、H2O/空气、CO/H2的分离过程以及Pd—陶瓷复合膜上H2的分离。上述膜及器件主要应用于H2的回收、提浓和制造盲氧盲氮气体及气体除湿。特别在通过国家“七五”、“八五”科技攻关的基础上，已建成中空纤维氮/氢膜生产线和卷式富氧膜生产线，并发展建立了膜技术国家工程研究中心产业化基地和研发基地。

膜法富氧技术已投入应用，并在高分子膜材料领域进行了成功的探索，国产螺旋卷式富氧器官氧浓度可达28%～30%，已在30多家玻璃窑炉和燃油及燃煤锅炉上推广应用。另外在气体脱湿干燥、水果保鲜、煤气脱硫、天然气除酸性气体、超纯氢制造等方面也进行了研究开发工作，并取得了一些进展。目前应用最广的有富氧技术。

膜法气体分离的操作方法主要有加压法、减(负)压法和一侧加压一侧减压三种。在空气富氧操作中，大都采用减(负)压法和一侧加压一侧减压法，因为对螺旋卷式富氧膜组件来说，一般加压法的能耗是减(负)压法的3.0～6.5倍。有人试图在进空气一边采用加压法，以推进空气膜法富氧，结果表明该法在经济上是不可行的，因为这要把大量的电能消耗在压缩所有进料空气上，其能耗可能是在渗透气一边抽真空的两倍，而得到的只是少量透过膜的富氧空气，所以加压法是不可取的。不过，减压法的膜组件用量是加压法的3.0～6.5倍。因此，对于实际应用，需从能耗、投资和厂方的资源情况等通过优化评估来确定最佳的操作流程。通常减压法操作更简单、更经济、更实用。图10-35所示为一级膜法生产富氧空气的减压法操作方式，可得到30%～60%的富氧空气。正压操作系统则可在下列情况下使用。

图10-35 生产富氧空气的一级膜分离过程示意

①有压缩空气气源，且空气流量有过剩，系统压力不小于0.4MPa(绝压)，同时原来使用压缩空气场合对氧浓度不作要求。

②富氧和富氮同时应用：对于中空纤维膜富氧组件，系统压力不小于0.8MPa(绝压)。在生产实践中，不仅需要30%～60%的富氧空气，而且有许多用户需要纯氧。图10-36所示为生产纯氧的二级膜分离过程。因为送入二级膜分离器的气量只是进入一级装置气量的1/4～1/3，而且氧的含量更高，所以二级膜分离器要比一级的小许多，操作成本也会比一级的低。第二级膜分离也可采用另一种膜系统。这种二级膜分离系统，对每天产气量不到200t的小装置有点像是真空变压吸附，而对空气量较大的装置，更像是深冷分离系统。

图10-36 生产纯氧的二级膜分离过程示意

要生产与现行深冷技术相比在成本价格上有竞争力的氧气，就需要膜对氧的选择性要远远超过对氮的(即其分离性能良好)。另外，膜还需要具有较高的渗透量，以控制成本。

与膜法提氢流程相比，膜法富氧的工艺流程比较简单。因为空气的组成是恒定的，不含有对高分子膜有害的杂质组分，只需对空气进行预过滤，除去空气中可能含有的少量冷凝水和压缩时带进的机油，否则这些成分很容易吸附在膜的表面上，降低它的渗透速率。总之原料的净化是很重要的。

气体分离膜是当前各国均极为重视开发的产品，已有不少产品用于工业化生产。如美国Du Pont公司用聚酯类中空纤维制成的H2气体分离膜，对组成为70% H2，30% CH4，C2H6，C3H8的混合气体进行分离，可获得含90% H2的分离效果。

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