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      氣體膜分離技術的應用

      作者:admin????發布時間:2020-06-24 15:01 ????瀏覽次數 :


        氣體膜分離是一種節能環保的新技術,新型優質膜材料是未來的新發展方向。新型膜材料必須具有高溫高性能的特性。
        每組混合氣體在壓力下通過薄膜以不同的速度傳遞,達到分離目的。在不同結構的膜中,氣體通過膜傳遞的擴散方法不同,分離機制也不同。目前常見的氣體通過膜的分離機制有兩種:氣體通過多孔膜的微孔擴散機制。第二,氣體是通過非多孔膜的溶解-擴散機制。
        微孔擴散
        多孔介質中的氣體傳遞機制包括分子擴散、粘性流動、努森擴散、表面擴散等。由于多孔介質的孔徑和內孔表面特性的差異,氣體分子與多孔介質的相互作用程度不同,傳遞特性也不同。
        通過多孔膜的混合氣體的輸送過程應以分子流動為主,分離過程應盡可能滿足以下條件:
        1、多孔膜的微孔孔徑應小于混合氣體各成分的平均自由路徑,通常多孔膜的孔徑應在(50~300)10-10m。
        2、混合氣體的溫度要足夠高,壓力要盡量低。高低壓均可提高氣體分子的平均自由路徑,避免表面流動和吸附現象。
        溶解-擴散
        氣體通過非多孔膜傳遞的過程通常描述為溶解-擴散機制,氣體通過膜的過程可以分為三個階段:
        1、氣體剛吸附在上游表面溶解,是吸入過程;
        2、薄膜上游側表面溶解氣體吸附濃度低的推進膜通擴散是擴散過程;
        3、膜下游側表面氣體解吸是解吸過程。
        一般而言,氣體在膜表面的吸入和解吸過程中可以更快地平衡,而氣體在膜內部的滲透和擴散過程較慢,是氣體通過膜的速度控制階段。
        膜分離過程中不會發生相變,分離系數大,工作溫度能在常溫下工作,因此膜分離過程具有節能、高效等特點,是對現有化學分離方法的一大革命。膜分離氣體是分離科學發展最快的分支之一,在氣體分離領域前途無量。
        膜材料
        氣體膜分離技術的核心是膜,膜的特性主要取決于膜材料及成膜過程。氣體分離膜的組成材料可以分為高分子材料。無機材料;有機、無機集成材料。氣體膜分離技術發展到今天,膜組件及裝置的研究越來越完善,但膜開發仍具有相當的潛力。
        聚合物薄膜材料
        主要包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚砜(PSF)、醋酸纖維素(CA)、乙基纖維素(EA)和聚碳酸酯(PC)。研究結果表明,大部分聚合物具有滲透性和選擇性相反的關系,即滲透性高,選擇性低,反之,選擇性高,滲透性差。因此,對于聚合物材料來說,突破選擇性和滲透性之間的上限關系成為研究的熱點。克服高分子材料的耐高溫性和化學腐蝕的弱點也花了近幾年的時間聚酰亞胺(PI)
        具有透氣性選擇性、機械強度、耐化學性介質和高吞吐量的自支撐型不對稱中空纖維等特點。日本宇部興產業鏈該公司的產品目前用于天然氣中CO2處理、H2回收、NH3、H2S、SO2、H2O、有機蒸汽等工序。
        硅膜材料
        耐熱、不連續性、電弧電阻、松散結構、無機物、半有機結構的聚合物與其他合成高分子材料相比具有多種非常獨特的特性。實用化或優秀的氣體分離膜現在被大量開發。這也是膜材料研發的熱點。
        無機膜材料
        無機膜材料開發始于20世紀40年代,80年代中期取得了突破。由于無機材料的獨特物理和化學特性,具有聚合物不能很好地工作的高溫和腐蝕性分離方面的專業知識。無機膜包括陶瓷膜、微孔玻璃、金屬膜和碳分子篩膜。無機膜的材料組成一般為Al2O3、TiO2、SiO2、c、SiC等。但是無機膜目前在氣體分離過程中處于實驗室水平。
        集成膠片材料
        用于氣體分離的聚合物薄膜具有選擇性高、耐高溫、腐蝕的缺點。無機陶瓷膜在高溫和腐蝕性分離過程中具有獨特的物理和化學特性,但選擇性較差。兩者結合收藏,可以在高溫腐蝕環境下分離氣體。這種聚合物/陶瓷復合膜的結構是以高溫高分子材料為分離層,陶瓷膜為支撐層,優化了聚合物的良好分離性能和陶瓷膜的良好熱、化學、機械穩定性。
        工業應用
        氫的分離和回收:
        這是目前應用面最廣、設備銷售最多的領域之一,已經廣泛應用于氨產業、煉油產業、石油化工領域。
        1、氨排放H2分離回收。以1000t/d的合成氨廠為例,每天可以多生產50多t氨。
        2、煉油工業尾氣H2的分離回收。公司采用膜、低溫和變壓吸附法回收煉廠氣的H2,經濟比較結果表明,膜投資成本僅為其他兩種方法的50%~70%。
        3、石化工業合成氣調節。廣泛用于石油化學和冶金的合成氣是H2和CO的混合物,合成產物是化學原料,例如甲醇、乙酸、乙二醇、乙醇。膜法可以有效地調整合成塔中H2/CO的比例,獲得所需的化學原料。
        氫的分離和回收:
        膜分離技術在空氣分離三大技術(低溫方法、變壓吸附方法、膜方法)中具有最大的發展潛力。1、氮豐富。高濃度氮可以廣泛用于油田第三次生產、食品保存、醫藥產業、惰性氣氛保護等。在相同生產率下,95%富含氮的制造方法、膜和PSA方法成本大體相同,但前者設備投資成本比后者低25%。超純水氮的制備,膜方法不如其他分離技術(如PSA方法)。
        2、富含氧氣。主要用于26 ~ 30%的富氧濃度和40%的富氧濃度的高溫燃燒節能和健康管理目的。與低溫及變壓吸附相比,具有簡單的設備、方便操作、安全操作、快速啟動等特點。如果氧氣質量分數約為30%,大小小于15000m3/h,膜投資、維護和運行成本的總和僅為低溫和變壓吸附法的2/3~3/4,能量消耗比它們低30%以上,規模越小越經濟。
        膜富氧裝置最初用于制氧機的改造,可以提高氧氣產能25%~50%,提高氧氣濃度,將綜合投資減少2%~3%。
        酸性氣體的分離和回收:
        酸性氣體主要是指天然氣中包含的CO2,H2S等成分。這種成分不僅對產品質量有影響,還會融化在天然氣加工過程中產生的凝結水,形成酸,嚴重腐蝕設備和線路。比較好的方法是利用固體脫硫、膜脫co2、脫水集成工藝充分發揮各技術的優點。
        另一方面,膜技術在CO2回收方面也起著重要作用。油田高壓注入CO2第三生產工藝的原油從油井出來后,80%的CO2包含在相關廢物中,分離回收后,必須濃縮到95%以上,重新注入油井再利用。煙筒CO2濃縮等。
        氣體除濕:
        空氣的除濕。在空氣除濕方面,日本的優步公司和美國的孟山都孟山都孟山都公司分別開發了膜空氣干燥器。工業氣體脫濕。美國、日本、加拿大等在20世紀80年代開發了這項技術,目前正在實現產業應用。我國在90年代開始開發,在天然氣膜凈化領域已經取得了成功。
        有機蒸汽分離和回收:
        石油化工行業在生產中產生大量有機蒸汽,直接排放會造成環境污染,危害人體健康,必須回收利用。傳統的冷凝法和木炭吸附法能耗高,容易造成二次污染。膜技術易于操作,效率高,具有節能的優點。
        合并過程:
        近年來在膜分離技術開發中出現的新技術代表了未來氣體膜分離技術的發展方向,通過使用膜分離技術與其他技術集成,各所長可以獲得最佳分離效果,最佳經濟效益。
        目前在氣體分離過程中已經出現的集成過程主要是:
        1、薄膜和PSA結合;2、膜和低溫系統結合;
        3、膜和催化裝置結合;
        4、膜和吸收裝置。
        在氣體膜分離技術產業化中,氣體膜分離技術的最終實現,氣體膜分離工作的便利性,簡單的裝置,高效率。被認為是最有前途的高科技。

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