气体膜分离技术应用简介中石油培训090730.pptx

1、气体膜分离技术应用简介贺高红 教授 博导大连理工大学 研究生院 副院长大连理工大学膜科学与技术研发中心 主任Tel: Email: 1氧气-氮气的分离Compressed AirN2-enriched airO2-enriched airMembrane2海 水 脱 盐High pressure SeawaterPotable waterConcentrated seawaterMembrane3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）4Classification of membr

2、ane/ by shapeHollow fiber中空纤维Tubular卷式Sheet平板5中空纤维膜分离器芯件67 对称膜 不对称膜89 中空纤维膜断面 断面放大照片 1011 Driving forcePressure, concentration and Electric field gradientFast componentSlow component膜分离的机理12 ConcentratedFeedH2OH2OH2OH2OMgClFe+HCO3CaSO4Na+ MembranePressureH2OH2OH2OH2OH2OH2O Potable water131415umARELA

3、TIVESIZE OFCOMMONMATERIAL过滤对象MOLECULARWEIGHT分子量0.001100.011000.110001.01041010510010001061071002005,00020,000150,000500,000Aqueous salts中水盐份Metal ions金属离子Sugars蔗糖FILTRATIONTECHNO-LOGY过滤方法Pyrogens热源Virus病毒Colloidal silica胶体硅Albumin protein白蛋白Bacteria细菌Carbon black碳黑Paint pigment颜料色素Yeast cells酵母Mille

4、d flour面粉Beach sand海滩沙砾Pollens花粉RO反渗透Ultrafiltration 超滤Microfiltration微滤Particle filtration一般过滤THE FILTRATION SPECTRUM 过滤谱图NF 纳滤16RO,NF,UF,MF17膜技术的应用分离RONFUFMFEDGSPVDMCLM控制释放药物化肥农药膜反应器催化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18控制释放19控 制 释 放 治 疗 糖 尿 病 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

5、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 PH2050，俯视溶剂：水（中性）25，平视25，俯视70，俯视70，平视温敏水凝胶21PH=11.0PH=6.8PH=3.0备注：操作温度为25pH敏感水凝胶22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 移植前 移植后左手不能抓食 左手能抓食 脑内DA含量升高2324252627可用？高增长低增长透析微滤超滤反渗透电渗析控制释放气体分离渗透汽化双极膜液膜膜反应器闸膜促进传递探索中发展中成熟中衰退销售额28气体膜

6、分离的应用29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气体脱湿有机蒸汽回收30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31合成氨尾气氢回收32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。33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

7、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 m3/ h，回收率90 % ，氢浓度超过95 %3435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炼厂气氢回收装置，处理量依次为2000 m3/ h，8000 m3/ h，10 000 m3/ h。36镇海炼化裂化干气PSA解吸气氢气提浓装置37金陵石化脱硫干气氢回收装置38金陵石化重整还原氢提浓装置39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气，H2/CO

8、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 %.40合成气调比41合成气调比42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：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43空气分离(25-45%)44O2/N2分离45H20CO2O2AirNitrogen空气膜分离器富氧空气流空气人口氮气出口中空纤维丝Ar46不同技术制取富氧气体的最佳使用范围47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

9、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。48膜法富氧A/G Technology MembranesPSA安装设备投资($)288552花费（$/d）膜替换38耗能86131耗资（Capital Charges）105202折旧费（Depreciation）3363其它1827总共（$/d）280423总共（$/t）2842制取35%富氧空气的费用比较10t/d 49富氧浓度与火焰温度的关系 50图7-29富氧浓度与排出废气容积比的关系 5

10、1富氧助燃-节能、环保氧气浓度提高几个百分点，节能效果就非常明显52从空气中制取富氮气不同技术制取富氮气体的作用范围 53应用领域应用实例化学工业配管、贮罐等的清洗，惰性化及催化剂再生食品工业，包装包装品排空气，果汁、食品油脱氧，酒、啤酒贮槽的密封保存金属热处理退火、淬火、氮化、烧结等的保护气船舶化学品舱、原油舱清洗和充氮药品原料、制品清洗和充氮橡胶制品轮胎等橡胶制品制造过程氮气保护、充氮气体输送、贮藏粉尘防爆，谷类贮藏，除霉、驱虫、充氮保护石油、天然气贮槽、管线的清洗及充氮保护涂装、喷漆防止漆聚合，充氮、防火三次采油（EOR）向废油井中压入氮气，以回采残油蔬菜、水果贮藏生鲜物品的氮气氛保存富

11、氮空气的应用54食品名气体种类主要目的干松鱼片N2防止变色，防止氧化果仁类N2防止氧化奶粉N2防止氧化肉食加工品N2,，N2+CO2防止变色土豆片,油果子N2防止氧化绿茶N2防变色，保香味，保护维生素类精肉N2+CO2保持肉色干酪N2+CO2防止氧化，防止破损气体置换包装的实例 55苹果应用氮气控制气氛保存的结果56气调贮藏的效果品 种过去的贮藏期采用控制器后效 果青 梅0.5个月2个月绿色保持效果好白兰瓜1个月2个月保持香味栗 子3个月11个月抑制发芽，防止褐变梨3.5个月9个月防止变烂菠 菜0.5个月2个月绿色保持效果大土 豆5个月11个月防止发芽效果大白 菜1.5个月4.5个月防止褐变效

12、果大57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58SSOPTIONAL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空气罐空压机基本流程59 变压吸附法与膜分离制氮基本参数比较 变压吸附法 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

13、 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 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 60富氮车61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90万元左右 62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

14、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/h100 - 1800 Nm3/hM6000 20 - 250 Nm3/h100 - 1300 Nm3/h63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64水蒸气的脱除 压缩空气脱湿 压缩空气脱湿方法比较 脱湿方法吸附法冷凝法吸收法膜法脱湿程度高低低中高常压露点-30-50C0-20C0-30C

15、-20-40C占地面积大大大小操作难度中中难易适用规模中大小大大小大脱湿原理吸附冷凝吸收渗透主要设备吸附塔热交换器冷冻机热交换器吸收塔热交换器膜分离器热交换器65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H2OH2HeCO2O2ArCOCH4N266 状态特征玻璃态橡胶态分子机理原子的平均位置位移链段位移力学行为1 弹 性 模 量大，约1010达因/cm2小，约107达因/cm22 断裂伸 长率小，小于1%大，约100-1000%3 形变可逆不可逆4 力学 性能依赖于原子的性质依赖于整个分子链的性质玻璃态和橡胶态高聚物的特征对比67橡胶态高分子膜N2110100-200-1

16、50-100-50050O2CH4C2H6CO2C3H8n-C4H10n-C5H12沸点（）ArH2O膜的选择性相对于N268C5C4C3C2CH4O2N2易透过难透过相关气体在橡胶态分离膜上的透过率69有机蒸气分离原理VOC/N2尾气 N2-rich渗透气VOC-rich膜具有高选择性的分离层 耐溶剂的支撑层分离层原料气70膜法回收有机蒸气示意图气柜驰放气压缩冷凝器尾气富集有机蒸气循环流渗透气71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72 采用蒸气回收技术处理废气中VOCs的工业应用 公司气体发生源处理对象处理量/(m3

17、.h-1)GKSS汽油储罐聚合原料气氯烯烃弛放气汽油蒸气氯乙烯单体1,2二氯乙烯100400010010MTR薄膜涂层制冷设备尾气医院消毒气HCFC-123CFC-12环氧乙烷509255-日本电工汽油罐区石油产品储罐高分子树脂溶解槽汽油己烷甲苯150135020120573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 , 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.74聚丙烯过程中丙烯单体和氮气的回收75回收氯甲烷工艺流程说明76吉林石化氯甲烷膜法回收装置（2002年）77罐区有机蒸汽膜分离回收方案78常熟三爱富有机蒸汽回收79炼厂气分组份集成回收技术将带来巨大的效益 H2C2LPGC5+1000万吨/年的炼油厂产生2-3亿的效益2000万吨/年的炼油厂产生5-6亿的效益80炼厂气分组份集成回收81大连理工大学膜科学与技术研究开发中心组织机构研究力量人才培养研究方向82组织机构大连理工大学膜科学与技术研究开发中心 主任：