气体膜分离技术-77页PPT课件.ppt
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- 气体 分离 技术 77 PPT 课件
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1、膜分离过程示意图膜分离过程示意图提纲提纲 膜分离过程特点、历史及发展趋势膜分离过程特点、历史及发展趋势膜传递机理、材料及膜组件膜传递机理、材料及膜组件分离膜制备及成膜机理分离膜制备及成膜机理膜分离应用膜分离应用膜分离过程特点、历史及发展趋势膜分离过程特点、历史及发展趋势分离膜定义分离膜定义 分离膜为两相之间的选择性介质。膜必须分离膜为两相之间的选择性介质。膜必须具有使不同物质有的可以通过、有的不能通过具有使不同物质有的可以通过、有的不能通过的特性。的特性。膜可以是固相、液相或气相。常用的分离膜可以是固相、液相或气相。常用的分离膜绝大多数是固相膜。膜绝大多数是固相膜。功能膜分类功能膜分类膜膜me
2、mbrane 分离膜孔径与膜分类分离膜孔径与膜分类可用于分离的性质可用于分离的性质膜过程的特点膜过程的特点 膜过程的发展膜过程的发展200020102020空空气气富富氧氧极极具具市市场场前前景景,市市场场前前景景1千千万万美美元元/年年。O2/N2选选择择性性:5渗渗透透速速率率:200GPU CH4渗渗透透速速率率:10GPU CO2/CH4混混合合气气选选择择性性:40改改进进的的H2S、CO2/CH4分分离离膜膜使使得得膜膜分分离离成成为为脱脱除除天天然然气气中中酸酸性性气气体体的的低低成成本本方方法法。载载 体体 促促 进进 传传 递递 膜膜分分 离离 仍仍 处处 在在 实实 验验室
3、室研研究究阶阶段段气气体体膜膜分分离离发发展展预预测测(德德国国,GKSS公公司司,2001)透透氢氢膜膜可可靠靠性性问问题题得得到到解解决决。众众多多炼炼油油装装置置使使用用膜膜回回收收尾尾气气和和吹吹扫扫气气中中的的氢氢气气。市市场场前前景景5千千万万美美元元/年年陶陶瓷瓷和和微微孔孔炭炭膜膜开开拓拓出出应应用用市市场场。第第一一套套离离子子传传导导膜膜分分离离示示范范在在工工厂厂安安装装运运行行(?)第第一一套套C3/C3o分分离离装装置置安安装装运运行行使使用用膜膜分分离离轻轻质质烃烃混混合合气气成成为为炼炼油油、裂裂化化、石石化化装装置置中中的的通通用用方方法法。市市场场前前景景5千
4、千万万美美元元/年年膜传递机理、材料及膜组件膜传递机理、材料及膜组件气体透过多孔膜的渗透机理气体透过多孔膜的渗透机理努森流努森流粘性流粘性流表面扩散表面扩散分子筛分分子筛分Knudsen 扩散扩散气体透过膜的渗透机理气体透过膜的渗透机理(溶解(溶解扩散)扩散)AB分离膜分离膜BBAABADSDSPP)BA(选择性压差膜扩散系数溶解度通量APLDSAPLPQ面积厚气体渗透通量1101001000N2=1O2H2CO2SO2气体渗透膜的相对速率气体渗透膜的相对速率1101001000纤维素膜纤维素膜聚酰亚胺膜聚酰亚胺膜N2=1H2CO2O2(CO(CO2 2/CH/CH4 4)=37)=37,(C
5、O(CO2 2/H/H2 2)=20)=20。p 纤维素衍生物纤维素衍生物 纤维素是资源丰富的天然高分子纤维素是资源丰富的天然高分子,价格便宜,用作透析膜价格便宜,用作透析膜和微滤膜材料。在分解前没有熔点,又不溶于一般的溶剂。和微滤膜材料。在分解前没有熔点,又不溶于一般的溶剂。一般都先进行化学改性,如醋酸纤维素和硝酸纤维素一般都先进行化学改性,如醋酸纤维素和硝酸纤维素p 聚砜类聚砜类 高机械强度工程塑料。耐酸、耐碱。缺点是耐有机溶剂高机械强度工程塑料。耐酸、耐碱。缺点是耐有机溶剂差。超滤和微滤膜材料,且是多种商品复合膜(反渗透膜、差。超滤和微滤膜材料,且是多种商品复合膜(反渗透膜、气体分离膜)
6、的支撑层膜材料气体分离膜)的支撑层膜材料p 聚酰亚胺聚酰亚胺聚合物膜材料聚合物膜材料 耐高温、高强度,耐高温、高强度,用于气体分离和空除湿用于气体分离和空除湿o聚合物材料的聚合物材料的结构结构和和组成组成决定了气体组决定了气体组分在材料中的分在材料中的扩散性能扩散性能和和溶解性能溶解性能溶解溶解扩散模型扩散模型(扩散系数)(溶解度系数)渗透系数DSP)(膜形态例子膜形态例子平板膜平板膜中空纤维膜中空纤维膜膜断面非对称结构膜断面非对称结构中空纤维膜分离器结构中空纤维膜分离器结构未透过气体未透过气体原料气体原料气体渗透气体渗透气体Schematic diagram of skid-mounted
7、membrane system for removal of C3+from natural gas 分离膜制备及成膜机理分离膜制备及成膜机理 沉浸凝胶沉浸凝胶相转化相转化法制膜法制膜 binodalspinodalcpBACDC三元组分典型相图三元组分典型相图 Loeb和和Sourirajan提出的。非对提出的。非对称膜成功研制是膜技术发展史上称膜成功研制是膜技术发展史上一个里程碑,提高了人们对膜结一个里程碑,提高了人们对膜结构认识,使膜技术研究开发跨入构认识,使膜技术研究开发跨入了飞速发展新时代。了飞速发展新时代。无纺布无纺布聚合物溶液聚合物溶液刮刀刮刀无纺布无纺布凝胶浴凝胶浴后处理后处理
8、连续刮膜过程连续刮膜过程 平板膜制备平板膜制备中空纤维膜制备中空纤维膜制备聚合物溶液聚合物溶液芯液芯液纺丝喷头纺丝喷头聚合物溶液聚合物溶液计量泵计量泵芯液泵芯液泵凝胶浴凝胶浴水洗浴水洗浴聚合物溶液聚合物溶液芯液芯液中空纤维膜中空纤维膜基于三通道喷头的聚酰亚胺复合膜制造基于三通道喷头的聚酰亚胺复合膜制造SO3LiCH3H3CH2NCH3NH2CCF3OOOOOOCF3MLi6FDACH3H3CH2NCH3NH2TMPDAOOOOOOPMDA双层非对称中空纤维膜双层非对称中空纤维膜 内内/外径:外径:0.25/0.55mm。CO2渗透系数:渗透系数:10(GPU)CO2/CH4分离系数分离系数 2
9、9Bore fluidPolymer dope BPolymer dope A双层非对称中空纤维膜纺丝系统双层非对称中空纤维膜纺丝系统(喷头喷头)聚酰亚胺单体聚酰亚胺单体 气体分离膜应用气体分离膜应用 气体分离过程的主要用途气体分离过程的主要用途 氨吸收塔氨吸收塔 气液分离器气液分离器 加热器加热器 膜分离器膜分离器放空气放空气稀氨水稀氨水氢气氢气瓦斯气瓦斯气脱盐水脱盐水合成氨放空气中氢回收流程示意合成氨放空气中氢回收流程示意 石油化工中制氢要耗费大量烃,同时在加氢过程又不断排放产生的低碳烃,此时,伴随大量氢气流失;另外,催化裂化干气被排放用作燃气。因此,保持氢气平衡,合理利用氢气,已成各炼油
10、厂所关注的问题l 加氢尾气的氢回收(加氢脱硫、加氢脱氮、汽柴油 加氢精制、润滑油加氢等l 催化裂化干气中氢气回收l 重整气的氢气提纯炼厂气中氢回收膜分离提氢技术在加氢脱硫过程中的应用膜分离提氢技术在加氢脱硫过程中的应用 催化重整石脑油加氢脱硫汽油加氢80%氢250 PSI加氢脱硫脱硫90%氢250 PSI膜分离30%氢620 PSI富烃尾气65%氢650 PSI炼厂气氢回收流程示意前处理单元前处理单元 膜分离单元膜分离单元排污排污 氢气氢气瓦斯气瓦斯气炼厂气炼厂气气源气源加氢干气加氢干气解吸气解吸气精制干气精制干气混合气混合气温度温度()()40404545404045454040454540
11、404545压力压力(MPa)(MPa)1.21.21.21.21.21.21.21.2流量流量(NM3/h)(NM3/h)600060001000010000400040002000020000组成组成(%mol)(%mol)H H2 280.780.771.1971.1974.974.974.78574.785C C1 16.676.677.087.0815.0115.018.5438.543C C2 22.172.177.877.874.824.825.555.55炼油厂氢回收炼油厂氢回收 原料气原料气 前处理单元前处理单元渗透气渗透气尾气尾气 膜分离单元膜分离单元预处理部分包括旋风分离
12、器、高效过滤器以及加热器。滤除精度可达0.01微米,残余含油量小于0.01mg/m3n 回收氢浓度:93%n 氢回收率:90%n 渗透气压力:0.15MPa(G)n 非渗透气压力:1.05 MPa(G)n 装置的操作弹性:30%120%膜膜分分离离 变变压压吸吸附附 深深冷冷 相相对对投投资资 1 1 13 23 操操作作压压力力(MPa)最最大大值值 1 14 4 0 0.4 4 7 7 原原料料气气中中氢氢含含量量()最最小小值值 1520 5 50 0 2 20 0 回回收收氢氢气气的的浓浓度度()9 99 9 9 99 9.9 99 99 9 9 98 8.5 5 氢氢气气回回收收率率
13、()最最大大值值 9 95 5 8 85 5 9 95 5 产产品品氢氢压压力力/原原料料气气压压力力 0.10.25 1 1 1 1 组组合合性性 好好 不不好好 不不好好 操操作作方方便便性性 非非常常好好 较较好好 较较复复杂杂 氢气回收方法的比较氢气回收方法的比较 凡含有凡含有CO CO 和和H H2 2 的各种弛放气或废气的各种弛放气或废气,通过分离后同样通过分离后同样可以作为合成气化学产品的廉价原料,如优质的燃料油、可以作为合成气化学产品的廉价原料,如优质的燃料油、低级烯烃、芳烃、含氧化合物低级烯烃、芳烃、含氧化合物(醇、醛、酮、酸醇、醛、酮、酸)以及特殊以及特殊高分子材料高分子材
14、料羰基合成中羰基合成中COCO原料精制及原料精制及CO/H2调比调比ab分离膜分离膜膜分离应用:膜分离应用:l CO/H2调比,合成不同调比,合成不同种类化学品种类化学品l CO基础的精细化学品基础的精细化学品流流 股股原料气原料气渗透气渗透气尾气尾气(产品气产品气)组组 成成Vol%Vol%COCO48.0648.0621.0521.0597.5997.59O O2 2+N+N2 20.720.720.660.660.560.56CHCH4 40.320.320.080.080.730.73COCO2 20.090.090.130.130.110.11H H2 250.8150.8172.1
15、872.181.011.01温度温度 252536363636合成氨脱碳气中精制合成氨脱碳气中精制CO用于异丁烯羰化法制三甲基乙酸用于异丁烯羰化法制三甲基乙酸组成组成(Vol%)(Vol%)H2OH2O1 11 10.2330.2331.6031.603N2N22.972.972.972.976.4666.4660.22370.2237H2H267.3267.3267.3267.3247.75047.75082.6982.69COCO10.6910.6910.6910.6923.28023.2800.80530.8053CO2CO215.8415.8415.8415.8417.51017.51
16、014.5314.53CH4CH40.990.990.990.992.1552.1550.074560.07456C2+C2+0.4950.4950.4950.4951.1011.1010.019070.01907ArAr0.6930.6930.6930.6931.5091.5090.052190.05219合成油过程中合成油过程中CO/H2调比调比 空气压缩机空气压缩机 空气贮罐空气贮罐 冷干机冷干机 加热器加热器 多级多级 过滤器过滤器膜分离器膜分离器产品氮气产品氮气膜法空分制氮过程示意Economic operating regimes of different technology f
17、or nitrogen production 富氧膜分离在工业中应用主要是富氧助燃。富氧膜分离在工业中应用主要是富氧助燃。用富氧助燃,所需空气量及排放的烟气量均显著用富氧助燃,所需空气量及排放的烟气量均显著减少,火焰温度随所用富氧空气中氧浓度增大而减少,火焰温度随所用富氧空气中氧浓度增大而显著提高。不仅可提高燃烧效率,还能减轻污染。显著提高。不仅可提高燃烧效率,还能减轻污染。该项技术可广泛用于以煤、炭、天然气、煤气、该项技术可广泛用于以煤、炭、天然气、煤气、重油等为燃料的工业窑炉和玻璃窑中,对玻璃窑,重油等为燃料的工业窑炉和玻璃窑中,对玻璃窑,可节能可节能6-18%6-18%,提高产量,提高产
18、量3-15%3-15%;对工业锅炉,对工业锅炉,可节能可节能5-20%5-20%。膜法空分制氧膜法空分制氧空气空气过滤器过滤器鼓风机鼓风机膜组膜组软化水入口软化水入口软化水出口软化水出口水环真水环真空泵空泵放空放空放空放空水泵水泵气水分离器气水分离器富氧空富氧空气气炉体炉体富氧燃烧工艺示意图富氧燃烧工艺示意图135T135T燃煤抛煤机炉燃煤抛煤机炉 热风温度是高炉的一项重要技术经济指标,热风温度是高炉的一项重要技术经济指标,国外先进水平的风温已经达到国外先进水平的风温已经达到1300,国内风,国内风温先进水平也已经达到温先进水平也已经达到1250,但中小高炉风,但中小高炉风温水平仍然在温水平仍
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