气体膜分离技术应用

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:mail: ,1,精馏,吸收,恒沸精馏,L-L萃取,吸附,结晶,离子交换,膜分离,色谱分离,液膜,超临界萃取,成熟度,应用广度,2,氧气-氮气的分离,Compressed Air,N2-enriched air,O2-enriched air,3,海 水 脱 盐,High pressure Seawater,Potable water,Concentrated seawater,4,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）,5,Classification of membrane/ by shape,Hollow fiber中空纤维,Tubular卷式,Sheet平板,6,中空纤维膜分离器芯件,7,8,对称膜 不对称膜,9,10,中空纤维膜断面 断面放大照片,11,12,Driving force,Pressure, concentration and Electric field gradient,Fast component,Slow component,膜分离的机理,13,Concentrated,Membrane,14,15,16,um,A,RELATIVE,SIZE OF,COMMON,MATERIAL过滤对象,MOLECULAR,WEIGHT分子量,0.001,10,0.01,100,0.1,1000,1.0,10,4,10,10,5,100,1000,10,6,10,7,100,200,5,000,20,000,150,000,500,000,Aqueous salts中水盐份,Metal ions金属离子,Sugars蔗糖,FILTRATION,TECHNO-,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,Milled 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,17,RO,NF,UF,MF,18,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,19,控制释放,20,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,PH,21,50，俯视,溶剂：水（中性）,25，平视,25，俯视,温敏水凝胶,22,PH=11.0,PH=6.8,PH=3.0,备注：操作温度为25,pH敏感水凝胶,23,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,24,25,26,27,28,探索中,发展中,成熟中,衰退,销售额,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：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,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 m3/ h，回收率90 % ，氢浓度超过95 %,35,36,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。,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：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%),45,O2/N2分离,46,47,不同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,制取35%富氧空气的费用比较10t/d,50,富氧浓度与火焰温度的关系,51,图7-29富氧浓度与排出废气容积比的关系,52,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,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,54,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,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,59,基本流程,60,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 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,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90万元左右,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/h100 - 1800 Nm3/hM6000 20 - 250 Nm3/h100 - 1300 Nm3/h,64,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,压缩空气脱湿,压缩空气脱湿方法比较,66,玻璃态高分子膜,67,玻璃态和橡胶态高聚物的特征对比,68,橡胶态高分子膜,膜的选择性相对于N2,69,C5C4C3C2CH4O2N2,易透过,难透过,相关气体在橡胶态分离膜上的透过率,70,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,71,膜法回收有机蒸气示意图,气柜驰放气,72,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VOCs的工业应用,74,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.,75,聚丙烯过程中丙烯单体和氮气的回收,76,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,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,81,炼厂气分组份集成回收,82,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,83,组织机构,大连理工大学膜科学与技术研究开发中心 主任：贺高红 教授有机膜材料研究所 所长：蹇锡高 教授无机膜研究所 所长：王金渠 教授膜科学与过程研究所所长：贺高红 教授膜分离开发与应用研究所所长：杨凤林 教授,84,研究力量和人才培养,教 师跨两个学院（化工学院