5-7附录七 膜分离器设计说明书

洛阳石化年产20万吨醋酸乙烯酯项目 膜分离器设计说明书目录第一章 气体膜分离概述11.1气体膜分离的基本概念11.2气体分离膜的分类11.3气体膜分离的机理2第二章 气体膜分离器概述32.1气体膜分离器32.1.1平板式膜分离器32.1.2螺旋卷式膜分离器42.1.3中空纤维式膜分离器52.2气体膜分离器中气体的流型与流动导向62.2.1气体膜分离器中气体的流型62.2.2气体膜分离器中气体的流动导向7第三章 膜分离器流程及选型93.1本工艺分离流程简介93.1.1进口气组成93.1.2原料气各类分子直径汇总93.1.3膜分离工段所需条件93.1.4膜分离净化气体的优缺点93.2膜分离操作流程103.3膜分离器的选型103.3.1膜分离器类型的选择103.3.1中空纤维式膜器件的流体分布113.3.2膜分离器操作方式123.3.3膜分离器的级联13第四章 中空纤维式膜分离器数学模型144.1模型假设144.2模型建立144.3Java模拟计算164.3.1设计程序164.3.2运行结果174.4设计结果17 浙江工业大学Pray 6团队 2/2第一章 气体膜分离概述1.1气体膜分离的基本概念气体膜分离过程就是在压力驱动下，把要分离的气体通过膜的选择渗透作用使其分离的过程。一般来说，所有的高分子膜对一切气体都是可渗透的，只不过不同气体渗透速度各不相同。正是借助不同气体在渗透速率上的差异，来实现对某种气体的浓缩和富集。图1-1 气体膜分离过程示意图1.2气体分离膜的分类多年来，人们曾对上百种聚合物进行过性能测试和改性研究筛选，但是真正可制造成工业上大规模应用的膜材料却很少。目前，可用于气体分离的聚合物膜材料主要有聚砜、聚芳酰胺、聚酰亚胺、四溴聚碳酸酯、硅橡胶、聚苯醚和醋酸纤维素系列。在世界气体膜分离装置中，至少有90%是采用这些膜材料制备的，而且大都是中空纤维式和螺旋卷式。近年来，用无机材料制成的膜正在不断开发出来，常见的有金属膜、合金膜和金属氧化物膜，例如金属钯膜、金属银膜以及钯-镍、钯-金、钯-银膜和氧化钛及氧化锆膜等。气体分离膜使用的材质不同，其分离的机理也不相同，主要可分为多孔膜和非多孔膜。1.3气体膜分离的机理气体透过膜是一种比较复杂的过程。一般来说，使用的材质不同，其分离的机理也不相同，如当气体透过多孔膜时，有可能出现分子流、黏性流、表面扩散流、毛细管凝聚和分子筛筛分等现象。当气体透过非多孔膜时，如透过橡胶态聚合物或玻璃态聚合物时，比较一致的说法为溶解-扩散机理，即气体分子首先被吸附并溶解于膜的高压侧表面，然后借助浓度梯度在膜中扩散，最后从膜的低压侧解析采出。图1-2 多孔膜和非多孔膜的气体分离机理示意第二章 气体膜分离器概述2.1气体膜分离器目前，工业上常用的膜分离器主要有平板式、圆管式、螺旋卷式、中空纤维式和毛细管式五种类型，用于气体分离的主要有平板式、中空纤维式及螺旋卷式。工业上各种膜分离器的特种如表2-1所示：表2-1 气体膜分离器的主要特征项目膜器件类型中空纤维毛细纤维螺旋卷式板框式圆管式生产成本/（m-2）520201003010010030050200填装密度高适中适中低低抗污染能力差好适中好很好产生压降高适中适中适中低适合高压操作适合不适合适合有一定困难有一定困难限于专门类型膜是是否否否2.1.1平板式膜分离器平板式膜分离器也称板框式膜分离器，它是以传统的板框式压滤机为原型最早开发出来的。平板膜制成板框式膜叶后，密封固定在圆柱形钢外壳中，组成平板式分离器。在中间开孔的两张椭圆形平板膜之间夹有间隔层，周边经热压密封后组成信封状膜叶。多个膜叶由多孔中心管连接组成膜堆，固定于外壳中即成为分离器。分离器内设有多重挡板以增大气流速度并改变流动方向，增加气流与膜表面的有效接触。平板式膜分离器的优点是操作方便，膜叶更换容易，而且无需黏合即可使用。缺点是填装密度较低。图2-1 平板膜渗透组件的断面和透视图2.1.2螺旋卷式膜分离器螺旋卷式膜分离器由平板膜制成。将两张膜的三边密封，组成一个膜叶。与平板式膜分离器相似，为使两张膜间保持间隙便于渗透气流过，在两片平板膜中夹入一层多孔支撑材料。在膜叶上铺有隔网，将多层膜叶卷绕在带有小孔的多孔管上，形成膜卷，最后将膜卷装入圆筒形的外壳中，形成一个完整的螺旋卷式膜分离器。使用时，高压侧原料气流过膜叶的外表面，渗透组分透过膜，流过膜叶内部并经多孔管流出分离器。在螺旋卷式膜分离器中，原料气与渗透气间的流动既非逆流也非并流。膜分离器内每一点处原料气与渗透气的流动方向互相垂直。这一结构使膜分离器的端面成为气流分布装置，因此膜分离器的结构参数，如支撑层厚度和中心管尺寸等，能影响膜分离器内流动特性。螺旋卷式膜分离器的优点是结构简单，造价低廉，填装密度较高由于隔网的作用，气体分布和交换效果良好。缺点是渗透气流程较长，膜必须粘接且难以清洗等。图2-2 螺旋卷式膜分离器示意图2.1.3中空纤维式膜分离器中空纤维式膜分离器的核心部分是中空纤维膜（又称膜丝），通常是把几万至几十万根中空纤维膜平行放于分离器内。其中一端全部封死，而另一端只封住中空纤维束的间隙。将膜丝内和膜丝外隔成可耐一定压力的流道，然后装入耐压的外壳中，将封头和管板分别与外壳密封即成分离器。中空纤维膜是一种自身支撑的分离膜，所以在其加工中，必须考虑膜的支撑问题。另外膜的活性层既可涂覆在纤维的内侧，也可涂在纤维的外侧。其操作方式既可采用内压式，也可采用外压式。中空纤维式膜分离器在气体分离中使用的最多，其优点是装填密度很高(高达16003000m2/m3)、单位膜面积的制造费用比较低、耐压稳定性高特别是外压式操作模型。其缺点是对原料气的预处理要求较高，在某种情况下，纤维管中的压力损失较大。此外，对原料气的压力要求也较高。图2-3中空纤维式膜分离器示意图2.2气体膜分离器中气体的流型与流动导向在各种膜分离器设计中，流型和流动导向不仅与流体分布有关，而且影响到膜分离器本身的性能、产量、效能、污染甚至使用寿命等许多方面。由于各种膜分离器的结构特点和使用场合不同，因此，不同的流型和流动导向以及膜分离器中的物质传递都将对膜分离器的设计提供出不同的要求。2.2.1气体膜分离器中气体的流型依据原料气和渗透气的相对流动方向，气体膜分离器中的流型可分为如下图所示的逆流、并流和错流三种。气体膜分离器的推动力是渗透组分在膜两侧的分压差。在同样操作条件下，膜分离器的分离性能与流型有关。理论计算和实践都证明，逆流流型可获得最佳分离结果，这是因为逆流流型的平均推动力最大。在逆流和并流流型中，流经膜低压侧任意一点处的渗透气流不仅包括从该点渗透过来的渗透气，还包括从该点上游渗透过来的所有渗透气。所以，沿膜长方向上各点处渗透气的组成受渗透气主体流动的影响。图2-4 气体膜分离器流型在逆流和并流流型中，流经膜低压侧任意一点处的渗透气流不仅包括从该点渗透过来的渗透气，还包括从该点上游渗透过来的所有渗透气。所以，沿膜长方向上各点处渗透气的组成受渗透气主体流动的影响。在错流流型中，渗透气流动方向与膜表面垂直，流经膜表面各点的渗透气都只是该点的渗透气，其组成不受渗透气主体流动的影响。因此，渗透气侧膜表面各点气体组成只取决于膜的分离系数、原料气组成和膜两侧的压力大小。值得注意的是，气体透过膜的分离层后流动方向并不一定与渗透气主体的流动方向一致。对于均质膜，由于膜没有多孔支撑层，气体透过膜后流动方向必定与渗透气主体的流动方向一致。对于非对称膜，由于膜有多孔支撑层，气体透过膜的分离层后首先流过多孔支撑层，再汇合于渗透气流主体。图2-5表示原料气沿膜的分离层流过，渗透气先是以垂直于膜表面的方向透过多孔支撑层，属错流流型。但是汇入渗透气流主体后，从它与原料气主体流动方向分析，应属逆流流型。这时，膜分离器的分离特性更接近于逆流流型的模拟结果。膜的渗透速率大，这一倾向愈明显。图2-5 非对称膜的错流渗透2.2.2气体膜分离器中气体的流动导向气体膜分离器中气体的流动导向是与流型和流道相关的。从理论上讲，工程用膜分离器中可以有五种不同形式的气体流动导向，分别为逆流、并流、交叉流、自由流出状态和完全搅拌混合状态。其中逆流、并流和交叉流的流动导向与经典的热交换器中流体的流动导向是一致的。自由流出状态是渗透气以垂直于膜的方向排出，即在平行于膜的方向不会出现混合，而且也没有压力梯度。完全搅拌混合状态即在整个渗透侧或进料侧的进料处于混合状态，其中浓度、压力和温度是相同的，并常处于交叉流动形式。对于大多数膜分离器，其构造形式就决定了其流体的流动导向。例如，在螺旋卷式膜组件中，经常为交叉流动形式而在中空纤维膜分离器中，可以任选并流、逆流或交叉流形式进行操作。因此，只有在气体分离和渗透气化过程中才有必要考虑流体流动导向对膜分离器效率的影响，而且这种影响通常是不大的。另外，在膜分离器中，决定推动力的是浓度和压力，所以逆流形式不一定是最好的。图2-6 膜器件中的流体流动导向示意图第三章 膜分离器流程及选型3.1本工艺分离流程简介3.1.1进口气组成表3-1 进口气组成表（mol%）成分C2H2CH3COOHCO2N2含量0.97720.01960.00050.00193.1.2原料气各类分子直径汇总表3-2 原料气各类分子直径表成分C2H2CH3COOHCO2N2直径（nm）0.420.450.330.363.1.3膜分离工段所需条件经吸收塔吸收之后的气体含有大量乙炔，可作为循环气体至原料蒸发塔循环使用。若直接循环，其中含有的惰性气体N2以及反应产生的微量CO2会造成大量积累，对反应不利。故在此一部分的循环气体须通过膜分离器将N2及CO2除去。3.1.4膜分离净化气体的优缺点优点：（1）膜分离通常是一个高效的分离过程；（2）膜分离过程的能耗通常较低；（3）膜分离设备本身没有运动的部件，工作温度又在室温附近，所以很少需要维护，可靠度高，操作方便，可在频繁的启、停下工作；（4）膜分离过程的规模和处理能力可在很大范围内变化，而它的效率、设备单价、运行费用等都变化不大；（5）膜分离的分离效率高，通常设备的体积比较小，占地面积较小。而且膜分离通常可以直接插入已有的生产工艺流程，不需要对生产线进行大的改变；缺点：制作工艺和技术复杂；易堵塞，清洗不易。3.2膜分离操作流程本工艺气体处理量为30645.07 Nm3/h，规模较大。在进入膜分离器之前，原料气需先经压缩机压缩至分离所需压力后，再进入膜分离器，具体操作流程如下：图3-1 操作流程示意图3.3膜分离器的选型3.3.1膜分离器类型的选择根据上述气体膜分离器的简介及专利CN103342623A，本项目选择膜分离器的类型为中空纤维。分离膜选择硅橡胶，不仅生产成本低，且适合高压操作，最重要的是，硅橡胶中空纤维膜对于二氧化碳和氮气的选择性较高、渗透系数较大，易于分离，各组分的渗透系数如下表所示。表3-3 气体分子在硅橡胶膜中的渗透系数数据表序号组分渗透系数1CO232402N23563C2H2194CH3COOH8注：渗透系数的单位：3.3.1中空纤维式膜器件的流体分布中空纤维式膜分离器整体如同一列管式换热器，按气体流道和流动方向可分为以下三种操作模式：（1）原料气走丝外，原料气与渗透气流动方向相反，属逆流流型。图3-1 逆流流型（原料气走丝外）（2）原料气走丝外，原料气与渗透气流动方向垂直，属错流流型。图3-2 错流流型（原料气走丝外）（3）原料气走丝内，原料气与渗透气流动方向相反，属逆流流型。图3-3 逆流流型（原料气走丝内）因此，根据本工艺的实际情况，为了提高二氧化碳和氮气的回收率，选择原料气走丝外，原料气与渗透气流动方向相反的流动方式，属逆流流型。3.3.2膜分离器操作方式膜法气体分离过程的操作方式主要有加压式、减压式、加压+减压式。通常，加压式的能耗是减压的3倍，因此，从能耗考虑，减压式具有一定的优势。不过，减压式所需膜组件的数量要远远超过加压式，所以，膜的成本将会增加。选用加压式还是减压式要视具体情况而定。一般来说，螺旋卷式用减压较多，而中空纤维式大都用加压式。图3-4 加压/减压式膜组件流程根据李俊宏、吴路平的研究得，提高原料气的压力，使平均分压差提高，二氧化碳和氮气通过膜的渗透量增大，有利于二氧化碳和氮气的分离，因此，本工艺选择加压式膜组件流程，使原料气的压力提升到3bar。3.3.3膜分离器的级联在实际应用中，由于分离器性能、原料气组成和压力等操作条件的限制，常常需要调整膜器件的配置方式，以满足产品气质量和/或回收率的要求。膜器件的配置方式，主要有一级一段（或多段）和多级多段。所谓一级是指原料气经一次膜加工，二级是指原料气必须经过二次膜分离。在同一级中，排列方式相同的膜器件组成一个段。在同一段中的膜分离器又分为并联和串联。另外，在同一级中又分连续式和循环式，同样在二级或多级中也有连续式和循环式两种类型。本工艺采用一级一段连续式膜分离器，其示意图如下：图3-5 一级一段连续式膜分离器示意图第四章 中空纤维式膜分离器数学模型4.1模型假设中空纤维式膜分离器的模型化中，为了减少计算复杂程度，采用如下假设：（1）膜性能不受操作压力和分离对象组成变化的影响；（2）忽略膜表面气体渗透方向（中空纤维膜径向）的浓度极化影响；（3）壳程和丝内流动阻力采用Hagen-Poiseuille方程计算；（4）膜分离器在等温条件下进行；（5）忽略膜分离器内气体流动的不均匀性；（6）由于乙炔和醋酸在膜内的渗透系数较小，可忽略其在膜内的扩散。4.2模型建立根据4.1中的模型假设，建立如下数学模型。（1）渗透微分方程式为：式中：原料侧组分的摩尔分数；渗透侧组分的摩尔分数；原料侧的摩尔流量；组分的渗透系数；原料侧的压力；渗透侧的压力；微元膜面积；。（2）物料平衡方程式为：式中：原料气组分的摩尔分数；渗余气组分的摩尔分数；渗透气组分的摩尔分数；原料气的摩尔流量；渗余气的摩尔流量；渗透气的摩尔流量；。（3）渗透方程式为：式中：总膜面积；平均分压差方程。为便于计算，通常平均分压差方程可写为：（4）渗透侧的回收率方程式为：4.3Java模拟计算4.3.1设计程序package mm;public class mms public static void main(String args) double a = 0.86; double b = 0.22; double aa， bb; double Xfa = 0.0004，Xfb=0.002; double na = 0.60881， nb = 2.79321， nc = 1342.26; double ph = 303.975， po = 101.325; double F = 1345.66; double Ja = 0.00000806， Jb = 0.0000008865; int Am = 3700; double Ya， Yb， Xa， Xb; while(true) Ya = a*na/(a*n