深冷空气分离法加膜分离法的制氧系统韩笑

深冷空气分离法加膜分离法的制氧系统韩笑

韩笑

大唐呼伦贝尔化肥有限公司内蒙古呼伦贝尔市021000

摘要：随着工业化进程高速发展，尤其受近期雾霾的影响，大气环境质量越来越受重视。空气中氧气补给是提高空气质量的关键方法之一。深冷法产氧量大、所得氧气纯度高（99.5%以上），主要用于大型需氧场合和对氧气纯度要求较高的领域，该方法相对成熟，氧气纯度高。本文分析了深冷空气分离法加膜分离法的制氧系统。

关键词：深冷空气分离法；膜分离法；制氧系统；

膜技术作为一种新型的分离技术,近年来得到了快速发展。根据膜材料及膜结构的不同,膜分离技术可以用于空气中的灰尘、细菌、微生物等固态颗粒物以及水分、二氧化碳等杂质脱除。相对于传统的分离净化方法,膜技术具有高效、低能耗、设备紧凑、压力损失小等优点。

一、深冷空气分离法加膜分离法的制氧系统

1.二氧化碳分离膜技术与大规模空分设备结合。目前,用于空气净化膜技术的3个主要方面:脱除颗粒物、脱湿以及脱二氧化碳的发展并不平衡。脱除颗粒物及脱湿膜技术已经工业化,并且得到大家的认可,但用于空气脱二氧化碳的膜技术目前仍不太成熟。随着我国煤化工等行业的兴起,对空分设备大型化提出了越来越高的要求。空分设备中,分子筛纯化系统承担着脱除空气中水分和二氧化碳的任务,目前空分设备的分子筛纯化系统设备尺寸不断增加,大型的卧式分子筛吸附器吸附床直径超过4m,长度超过25m,这给设备的运输造成了很大困难。高效空气净化系统的缺乏,已经成为制约大型空分设备发展的瓶颈之一。如果能将膜分离技术与分子筛吸附技术相耦合,利用膜分离系统来脱除空气中大部分的二氧化碳和水分,然后利用分子筛吸附器对空气进行深度净化,则可以有效地减小设备尺寸、降低分子筛再生频率和能耗,对于大型空分设备的开发具有关键作用。由于空气中二氧化碳含量很低等问题,这一研究领域一直没有引起大家的重视。相信随着空分技术和膜分离技术的发展,将二者结合必将产生巨大的经济效益。

2.膜技术用于空气脱湿。膜法脱湿的原理是利用膜对水蒸气的选择性透过来脱除气体中的水分。与膜法脱除气体中颗粒物不同,用于脱湿过程的分离膜一般为致密分离层结构的膜。在这类致密膜中,水分及其他组分通过“溶解—扩散”机理透过膜。在膜的上游侧气体首先溶解在膜内,然后溶解的组分在浓度差作用下扩散透过膜,最后在膜的下游侧溶解的气体解析。通常情况下,膜对水分具有很高的透过性,水分/空气选择性大于100。与传统物理吸附和冷冻干燥脱湿技术相比,膜法脱湿具有操作简单、无需再生、无二次污染和节省空间等明显技术优势,在大规模天然气、空气膜法脱湿发展潜力巨大。在气体脱湿过程中,透过膜的水蒸气会在膜的下游侧聚集,使膜分离的效率降低。为了快速排除下游侧聚集的水蒸气,一般有以下几种操作方式:一是真空方式,即在膜的透过侧抽真空,通过真空泵排除渗透过来的水蒸气。这种方式的优点是产品气没有损耗,缺点是增加了额外的动力设备,同时对膜的性能也提出了很高的要求。二是吹扫方式,即在膜的透过侧采用气体吹扫,利用吹扫气带走渗透的水蒸气。根据吹扫气来源的不同,吹扫方式又可以分为控制吹扫方式和外吹扫方式。控制吹扫方式是利用产品气的一部分作为吹扫气,这会造成部分产品气损耗。外吹扫方式是采用外加干燥器吹扫膜的透过侧带走渗透的水蒸气,这种操作方式不损耗产品气,但需要另外的干燥气源。

3.用于空气脱除二氧化碳的膜技术。膜法脱除二氧化碳与膜法脱湿相似,采用具有致密分离层结构的无孔膜,气体在膜内以溶解—扩散机理透过膜。通常情况下,二氧化碳更容易透过膜,根据膜材料的不同,二氧化碳/氮选择性从10左右到1500。二氧化碳膜分离技术在天然气、沼气净化方面已经进入工业化运行阶段,但对于空气中二氧化碳的脱除,目前主要停留在实验室研究阶段,应用对象主要为空间站、潜艇及交通工具等密闭空间内的二氧化碳脱除，这种以液膜分离二氧化碳的方法已经被成功地应用于空间技术。同时,利用膜技术来脱除潜艇中的二氧化碳也引起了人们的关注。一是二氧化碳分离膜。目前常见的二氧化碳分离膜主要有硅橡胶膜、醋酸纤维素膜、聚酰亚胺膜等。硅橡胶是一种典型的橡胶态聚合物膜材料,具有很高的透气性和较小的选择性。二是二氧化碳膜分离工艺。最简单的二氧化碳气体膜分离过程为单级膜分离,透过侧为富含二氧化碳的组分,而渗余气则富含不易渗透组分。单级膜分离具有操作简单,能耗小等优点。但对于二氧化碳脱除率要求较高的应用场合,如用于天然气净化时,单级膜分离系统的透过气中往往含有大量的其他组分,将这些组分直接排放会造成很大的经济损失。因此,需要增加其他的膜分离系统来提高其他组分的回收率,如采用两段式或两级式膜分离系统。采用两段式或两级式膜分离系统,虽然可以大幅度提高其他组分的回收率,但由于透过侧的气体压力很低,必须对其进行加压才能够使其返回到进料管线中,所以需要增加压缩机,使操作费用提高。因此,在决定采用何种流程进行分离时,必须综合考虑所回收烃类的价值和为此增加的固定投资及操作费用的价值。

二、发展趋势

1.膜分离工艺与传统分离工艺耦合。在气体脱湿及脱二氧化碳应用中,膜技术具有连续操作、能耗低、处理量大等优点,但由于受到选择性的限制,产品气的纯度往往不太高,这在某些需要杂质深度脱除的场合往往达不到要求。采用膜技术与传统的吸收、吸附技术相结合,利用膜技术脱除气体中的大部分杂质组分,然后再利用吸收、吸附等传统手段进行深度净化,则可以结合两种分离方式的优点。例如,在工业气体深度脱水过程,露点要求低于-60℃。如果单纯采用分子筛脱水,则分子筛再生十分频繁,容易失效。利用膜分离技术除去气体中的大部分水分,然后再采用吸附法脱除剩余的水分,那么膜分离与吸附技术的结合延长了分子筛的使用寿命,提高气体回收率,分子筛的再生频率大大降低,装置规模缩小。

2.同时脱除水分和二氧化碳的高性能分离膜研究。很多应用场合,如空气净化以及天然气、沼气净化过程,不但要求脱除水分,而且要求脱除二氧化碳。目前已经工业化的脱水和脱二氧化碳的膜技术是分开进行的。气体中的水分对膜具有塑化作用,会造成膜透过选择性降低,因此脱二氧化碳以前必须首先脱除气体中的水分,只有气体的露点降到一定值后才可以进入二氧化碳膜分离系统中去。近年来,随着促进传递膜的出现,有望改变这一操作模式。促进传递膜内含有可以与二氧化碳发生可逆反应的功能基团,通过这些功能基团与二氧化碳的可逆反应促进二氧化碳在膜内的传递,因而具有很高的二氧化碳透过性和选择性。同时这类膜还有一大特点,在脱除二氧化碳的同时还可以脱除气体中的水分,并且在含水的情况下膜的透过分离性能最佳。如果能将这一种膜工业化,就可以大大简化目前的分离流程,将脱湿及脱二氧化碳过程合二为一,简化操作,降低成本。

本文的制氧方法,生产成本也显著下降。空气分离工序的装置实现了小型化,设备费用将会减少。而且,气体分离膜有空气过滤的作用,因而有不需要空气过滤器等方面的优点。

参考文献：

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