气体膜分离技术应用

1、气体膜分离技术应用简介气体膜分离技术应用简介贺高红贺高红 教授教授 博导博导大连理工大学大连理工大学 研究生院研究生院 副院长副院长大连理工大学膜科学与技术研发中心大连理工大学膜科学与技术研发中心 主任主任Tel:mail: 1精馏精馏吸收吸收恒沸精馏恒沸精馏L-L萃取萃取吸附吸附 结晶结晶离子交换离子交换膜分离膜分离色谱分离色谱分离液膜液膜超临界萃取超临界萃取成熟度成熟度应用广度应用广度2氧气氧气-氮气的分离氮气的分离Compressed AirN2-enriched airO2-enriched airMembrane3海海 水水 脱脱 盐盐High pressu

2、re SeawaterPotable waterConcentrated seawaterMembrane4膜分离与其他分离过程相比的优点：膜分离与其他分离过程相比的优点：节能投资少易于安装、易于移动（撬装体）操作简单重量轻、占地少不需加入其他组分，无污染操作易于调节（无液泛、漏液、夹带等）5Classification of membrane/ by shapeHollow fiber中空纤维中空纤维Tubular卷式卷式Sheet平板平板6中空纤维膜分离器芯件7 8 对称膜对称膜 不对称膜不对称膜910 中空纤维膜断面中空纤维膜断面 断面放大照片断面放大照片 1112 Driving fo

3、rcePressure, concentration and Electric field gradientFast componentSlow component膜分离的机理13H2OH2OH2OH2OMgClFe+HCO3CaSO4Na+ MembranePressureH2OH2OH2OH2OH2OH2O Potable water141516 NF 纳滤17微滤(MF)超滤(UF)纳滤(NF)反渗透(RO)水悬浮颗粒大分子糖,二价盐,解离酸单价盐、非解离酸RO,NF,UF,MF18膜技术的应用分离分离RONFUFMFEDGSPVDMCLM控制释放控制释放药物化肥农药膜反应器膜反应器催化

4、膜反应器酶膜反应器生物膜反应器移植免疫隔离能量转换电池隔膜燃料电池膜19控制释放20控控 制制 释释 放放 治治 疗疗 糖糖 尿尿 病病 方方 法法 智能方法智能方法分子门（Molecular Gates） 在PH值小的时候会收缩，从而使聚合物分子之间产生空隙，从而释放更多的胰岛素。 当PH值变大时，这种材料又会膨胀，从而使堵塞空隙，这时释放的胰岛素就相应的减少。 这种聚合物在治疗中起到了一个无需人操纵的生物自动开关 PH2150，俯视，俯视溶剂：水（中性）溶剂：水（中性）25，平视，平视25，俯视，俯视70，俯视，俯视70，平视，平视22PH=11.0PH=6.8PH=3.023微囊化牛肾上

5、腺髓质嗜铬细胞移植治疗微囊化牛肾上腺髓质嗜铬细胞移植治疗MPTP诱发偏侧巴金森样猴诱发偏侧巴金森样猴 移植前移植前 移植后移植后左手不能抓食左手不能抓食 左手能抓食左手能抓食 脑内脑内DADA含量升高含量升高2425262728可用？可用？高增长高增长低增长低增长透析透析微滤微滤超滤超滤反渗透反渗透电渗析电渗析控制释放控制释放气体分离气体分离渗透汽化渗透汽化双极膜双极膜液膜液膜膜反应器膜反应器闸膜闸膜促进传递促进传递探索中探索中发展中发展中成熟中成熟中衰退衰退销销售售额额29气体膜分离的应用30在以下几个方面已经有了大规模的应用：在以下几个方面已经有了大规模的应用：氢气的分离和回收空气分离酸性

6、气体分离气体脱湿有机蒸汽回收31氢气的分离和回收合成氨尾气氢回收炼厂气氢回收甲醇尾气氢回收合成气调比32合成氨尾气氢回收33合成氨尾气氢回收 根据统计结果，不但可增产氨3 %4 % ,而且使吨氨电耗下降了50 度以上 我国从80 年代初,先后引进了14 套膜分离装置。 自1988 年起,国产化的膜分离器,先后为国内外200多家百家化肥厂提供了膜分离合成氨尾气氢回收装置。 国产化的意义重大，价格合理，得到国外更先进的技术。34炼厂气氢回收膜分离技术回收炼厂气中氢气的最大工业装置于1988 年在英国伏利炼厂投产从加氢裂化装置排放气中回收氢气采用美国空气产品公司的醋酸纤维素膜处理量为64 900 m

7、3/ h，回收率90 % ，氢浓度超过95 %3536炼厂气氢回收2002年，中石化镇海炼油化工股份有限公司实现了炼年，中石化镇海炼油化工股份有限公司实现了炼厂气低压氢膜回收装置的第一次国产化。厂气低压氢膜回收装置的第一次国产化。处理量为14 000 m3/ h。氢回收率高于87% ，氢浓度超过92 %。金陵石化连续实施了三套三套炼厂气氢回收装置，处理量依次为2000 m3/ h，8000 m3/ h，10 000 m3/ h。37镇海炼化裂化干气PSA解吸气氢气提浓装置38金陵石化脱硫干气氢回收装置39金陵石化重整还原氢提浓装置40甲醇尾气氢回收 美国首先把膜分离技术用于从甲醇放空气中回收氢

8、气，H2/CO 一个以天然气为原料,年产30 万t甲醇的厂家,放空气量为7 500 Nm3/ h , 膜分离回收设备投用后,效益显著 使甲醇增产2. 5 %; 天然气费用节省23 %.41合成气调比42合成气调比43气体膜分离的发展现状及优点在以下几个方面已经有了大规模的应用：在以下几个方面已经有了大规模的应用：氢气的分离和回收空气分离酸性气体分离脱湿有机蒸汽回收44空气分离(25-45%)45O2/N2分离分离46H20CO2O2AirNitrogen空气膜分离器空气膜分离器富氧空气流富氧空气流空气人口空气人口氮气出口氮气出口中空纤维丝中空纤维丝Ar47不同技术制取富氧气体的最佳使用范围不同

9、技术制取富氧气体的最佳使用范围48膜法富氧 与深冷、变压吸附法相比, 具有设备简单、操作方便、安全、启动快、规模灵活、无环境污染等特点。 当氧气质量分数在30% 左右, 规模小于15000 m 3/h 时, 膜法投资、维修及操作费用之和仅为深冷法和变压吸附法的2/3 到3/4, 能耗比其他两种方法低30% 以上, 且规模越小, 膜法越经济。49膜法富氧膜法富氧制取制取35%35%富富氧空氧空气的气的费用费用比较比较10t/d 10t/d 50富氧富氧浓度浓度与火与火焰温焰温度的度的关系关系 51图图7-297-29富氧浓度与排出废气容积比的关系富氧浓度与排出废气容积比的关系 52富氧助燃-节能

10、、环保氧气浓度提高几个百分点，节能效果就非常明显53从空气中制取富氮气不同技术制取富氮气体的作用范围不同技术制取富氮气体的作用范围 54富氮空气的应用富氮空气的应用55气体置换包装的实例 56苹果应用氮气控制气氛保存的结果苹果应用氮气控制气氛保存的结果57气调贮藏的效果58膜法空气富氮 技术成熟-Air Products、法液空、MG Generon成型产品 在中小规模（产气量1000Nm3/h）和非高浓氮(99%)的市场极具经济性（能耗0.4 kWh/Nm3 ） 流程简单、占地少59SSOPTIONAL氮气罐 监测仪氧分仪氮气到用户膜分离器蒸发器液氮罐排空气流加热器排放液F空气罐空压机60

11、变压吸附法与膜分离制氮基本参数比较变压吸附法与膜分离制氮基本参数比较 变压吸附法变压吸附法 膜分离法膜分离法 耗电Kw/Nm3 0.30.6(平均) 0.40.8(平均)氮产量Nm3/h 2000 103000压力 MPa 0.60.7 0.81.2 不宜储存氮气 可用储罐储存氮气启动时间 30 分 10 分维修量 切换阀门多, 动作频繁, 无活动部件, 有一定故障率和维修量 甚少维修和保养 介质寿命 分子筛粉化现象较多. 10 年以上机械噪音 由于电磁阀门多且频繁 由于是静态分离， 切换 ,运动噪声较大 膜系统几乎无噪声工艺流程 复杂, 前处理要求严格 简单，前处理简单, 产品氮气需再过滤

12、产品氮气无需处理设备状态 只能固定 固定, 移动式占地面积 中等 较小氮气产量增容 困难 容易 61富氮车62成本估算96%的200Nm3/h氮气： 膜组件 PLC 控制器 空气过滤器 加热器 至50oC 背压阀估计总价估计总价90万元左右万元左右 63膜产气量和纯度可以任意调节 系统型号一定，纯度愈高，产气量则低；入口空气压力愈高，产气量则高ModelFlowFlow at 99.9% Purityat 95% PurityM10002 Nm3/h8 Nm3/hM20002 - 10 Nm3/h45 Nm3/hM3000 15 Nm3/h58 Nm3/hG5000 20 - 350 Nm3/

13、h100 - 1800 Nm3/hM6000 20 - 250 Nm3/h100 - 1300 Nm3/h64在以下几个方面已经有了大规模的应用：在以下几个方面已经有了大规模的应用：氢气的分离和回收空气分离酸性气体分离脱湿有机蒸汽回收65水蒸气的脱除水蒸气的脱除 压缩空气脱湿 压缩空气脱湿方法比较压缩空气脱湿方法比较 66玻璃态高分子膜C1C2溶解解吸P1P2聚合物膜扩散易透过难透过H2OH2HeCO2O2ArCOCH4N267玻璃态和橡胶态高聚物的特征对比68橡胶态高分子膜69C5C4C3C2CH4O2N2易透过易透过难透过难透过相关气体在橡胶态分离膜上的透过率相关气体在橡胶态分离膜上的透过

14、率70有机蒸气分离原理分离层分离层原料气原料气71膜法回收有机蒸气示意图膜法回收有机蒸气示意图气柜驰放气气柜驰放气压缩压缩冷凝器冷凝器尾气尾气富集有机蒸气循环流富集有机蒸气循环流渗透气渗透气72膜法回收有机蒸气膜法回收有机蒸气 德国GKSS 公司采用平板膜板框组件开发出了用于储油罐和汽车加油站的有机蒸气 MTR 日本日东电工73 采用蒸气回收技术处理废气中采用蒸气回收技术处理废气中VOCsVOCs的工业应用的工业应用 74膜法回收有机蒸气膜法回收有机蒸气 1998 年, 在吉化公司，用膜分离进行了聚乙烯生产过程中排放的乙烯和丁烯单体的回收,取得了很好的结果. 处理气量6080 Nm3/h ,

15、其中C=2 和C=4 的 体积分数为10 %15 %. 过去是送火炬烧掉,浪费大 膜回收，乙烯和丁烯都被浓缩了23 倍,平均回收率约为70 %80 % 经济效果十分显著。 据吉化公司估算,仅丁烯每年的回收量就价值80100 万元,而这套装置投资仅为30 万元.75聚丙烯过程中丙烯单体和氮气的回收聚丙烯过程中丙烯单体和氮气的回收丙烯回收单元（PRU）PRU油水分离器PRU干燥器PRU入口过滤器PRU膜分离器PRU压缩机出口冷凝器PRU液体分离器PRU润滑油分离器PRU入口压缩机PK-351M-351D-352S-351A/BS-354E-351D-351C-351S-350PK-351深冷系统A

16、LPCFCTCLCH2OALALM-351D-352S-354E-351D-351C-351S-350S-351A/B汇集尾气 送至低压火炬回收氮气至一、三聚回用新鲜丙烯自界区二级膜系统一级膜系统回收丙烯至乙烯裂解装置液态混合物板换3气态混合物气液混合物乙二醇冷却系统板换2制冷压缩机组板换1S-351PRU膜入口过滤器S-35176回收氯甲烷工艺流程说明回收氯甲烷工艺流程说明77吉林石化氯甲烷膜法回收装置（2002年）78罐区有机蒸汽膜分离回收方案罐区有机蒸汽膜分离回收方案79常熟三爱富有机蒸汽回收80炼厂气分组份集成回收技术炼厂气分组份集成回收技术将带来巨大的效益将带来巨大的效益 H2 C2

17、 LPG C5+1000万吨万吨/年的炼油厂产生年的炼油厂产生2-3亿亿的效益的效益2000万吨万吨/年的炼油厂产生年的炼油厂产生5-6亿亿的效益的效益81炼厂气分组份集成回收炼厂气分组份集成回收82大连理工大学大连理工大学膜科学与技术研究开发中心膜科学与技术研究开发中心组织机构组织机构研究力量研究力量人才培养人才培养研究方向研究方向83组织机构组织机构大连理工大学膜科学与技术大连理工大学膜科学与技术研究开发中心研究开发中心 主任：贺高红主任：贺高红 教授教授有机膜材料研究所有机膜材料研究所 所长：蹇锡高所长：蹇锡高 教授教授无机膜研究所无机膜研究所 所长：王金渠所长：王金渠 教授教授膜科学与过程研究所膜科学与过程研究所所长：贺高红所长：贺高红 教授教授膜分离开发与应用研究所膜分离开发与应用研究所所长：杨凤林所长：杨凤林 教授教授84研究力量和人才培养研究力量和人才培养教教 师师跨两个学院（化工学院、环境学院）跨两个学院（化工学院、环境学院） 全国第一个被国务院学位办批准的全国第一个被国务院学位办批准的“膜科学与技术膜科学与技术”博士学位授予权学科博士学位授予权学科点点 膜及相关专业现有在读研究生膜及相关专业现有在读研究生博士研究生博士研究生 58