8-膜分离说明书

南京扬子石化南京扬子石化 90kt/a 异丁烯资源化利用项目异丁烯资源化利用项目 膜分离说明膜分离说明 四川大学猎梦四川大学猎梦 20182018 团队团队 1 / 11 南京扬子石化 9kt/a 异丁烯资源化利用项目 膜分离说明书 2018“东华科技-陕鼓杯” 第十二届全国大学生化工设计竞赛 四川大学猎梦 2018 团队 团队成员： 冯怡 邓鑫雨 陈琳 王梦瑶 范学英 指导老师：郭孝东 罗建洪 党亚固 段天平 陈建钧 中国石化扬子石油化工有限公司 SINOPEC YANGZI PETROCHEMICAI COMPANY 南京扬子石化南京扬子石化 90kt/a 异丁烯资源化利用项目异丁烯资源化利用项目 膜分离说明膜分离说明 四川大学猎梦四川大学猎梦 20182018 团队团队 2 / 11 目录目录 第一章第一章 概述概述.3 第二章第二章 气体膜分离器简介及选择气体膜分离器简介及选择.4 2.1 气体膜分离器气体膜分离器.4 2.1.1 平板式膜分离器平板式膜分离器.4 2.1.2 螺旋卷式膜分离器螺旋卷式膜分离器.4 2.1.3 中空纤维式膜分离器中空纤维式膜分离器.5 2.2 气体膜分离器中气体的流型与流动导向气体膜分离器中气体的流型与流动导向.6 2.2.1 气体膜分离器中气体的流型气体膜分离器中气体的流型.6 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.6 2.3 气体膜分离器的选择气体膜分离器的选择.7 第三章第三章 中空纤维膜数学模型中空纤维膜数学模型.8 3.1 中空纤维膜分离器数学模型中空纤维膜分离器数学模型.8 3.2 中空纤维膜分离器数学模型的假设中空纤维膜分离器数学模型的假设.8 3.3 中空纤维膜分离器数学模型的建立中空纤维膜分离器数学模型的建立.8 3.4 中空纤维膜分离器数学模型的计算中空纤维膜分离器数学模型的计算.9 南京扬子石化南京扬子石化 90kt/a 异丁烯资源化利用项目异丁烯资源化利用项目 膜分离说明膜分离说明 四川大学猎梦四川大学猎梦 20182018 团队团队 3 / 11 第一章第一章 概述概述 在本项目异丁烯氧化工段中的异丁烯选择性氧化反应器流出物经冷却干燥后， 还含有大量的不凝气(N2、O2等)，采用常规精馏分离时不凝气容易在精馏塔内累计， 易造成事故的发生，故不应采用精馏操作。在咨询四川大学教授后得知，针对本工 艺的特点，工业上一般采取变压吸附或膜分离的方式来去除不凝气。 变压吸附就是在较高压力下进行吸附，在较低压力（甚至真空状态）下使吸附 的组分解吸出来。与深冷、化学吸收等气体分离与提纯技术相比，变压吸附技术有 如下几种优点： (1)原料气适应性强：对于杂质包括 H2O、N2、O2、CO、CO2、烃类、硫化物、 氮氧化物等多种组分的复杂气源，均可利用变压吸附予以提纯； (2)操作弹性大：变压吸附氢提纯装置的操作弹性一般可达 30120%； (3)能耗低、运行费用小； 但是变压吸附也有不少的缺点： (1)变压吸附中的分子筛很容易中毒，不可逆地失去活性，并且造成整个设备停 止工作； (2)与膜分离相比，变压吸附的产品纯度不高(约 93%)。 本项目中，不凝气中产品的分离效果关乎到整个项目的经济效应，膜分离的优 势便展现了出来。 膜是具有选择性分离功能的材料。利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的 分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离，与变压吸附等技术相比，膜分离具有如下优 点: (1) 常温下进行,有效成分损失极少，特别适用于热敏性物质,如本项目中的 MAL; (2) 无化学变化，典型的物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染; (3) 选择性好,可在分子级内进行物质分离，具有普遍滤材无法取代的卓越性能; (4) 适应性强,处理规模可大可小，可以连续也可以间隙进行，工艺简单，操作 放便，易于自动化； 南京扬子石化南京扬子石化 90kt/a 异丁烯资源化利用项目异丁烯资源化利用项目 膜分离说明膜分离说明 四川大学猎梦四川大学猎梦 20182018 团队团队 4 / 11 (5) 能耗低,只需电能驱动，能耗极低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的 1/3- 1/8。 南京扬子石化南京扬子石化 90kt/a 异丁烯资源化利用项目异丁烯资源化利用项目 膜分离说明膜分离说明 四川大学猎梦四川大学猎梦 20182018 团队团队 5 / 11 第二章第二章 气体膜分离器简介及选择气体膜分离器简介及选择 2.1 气体膜分离器气体膜分离器 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： 表表 2-1 气体膜分离器的主要特征气体膜分离器的主要特征 膜器件类型膜器件类型 项目项目 中空纤维毛细纤维螺旋卷式板框式圆管式 生产成本生产成本/m-2520201003010010030050200 填装密度填装密度高适中适中低低 抗污染能力抗污染能力差好适中好很好 产生压降产生压降高适中适中适中低 适合高压操作适合高压操作适合不适合适合有一定困难有一定困难 限于专门类型膜限于专门类型膜是是非非非 2.1.1 平板式膜分离器平板式膜分离器 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。 南京扬子石化南京扬子石化 90kt/a 异丁烯资源化利用项目异丁烯资源化利用项目 膜分离说明膜分离说明 四川大学猎梦四川大学猎梦 20182018 团队团队 6 / 11 2.1.2 螺旋卷式膜分离器螺旋卷式膜分离器 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 空支撑材料。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 2.1.3 中空纤维式膜分离器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。 图图 2-1 中空纤维膜分离器示意图中空纤维膜分离器示意图 图 2-1 为中空纤维式膜分离器示意图。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 南京扬子石化南京扬子石化 90kt/a 异丁烯资源化利用项目异丁烯资源化利用项目 膜分离说明膜分离说明 四川大学猎梦四川大学猎梦 20182018 团队团队 7 / 11 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。 2.2 气体膜分离器中气体的流型与流动导向气体膜分离器中气体的流型与流动导向 在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逆流、并流 和错流三种,图 2-2，图 2-3，图 2-4 为气体膜分离器中的流型。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。 图图 2-2 逆流流型逆流流型 图图 2-3 顺流流型顺流流型 图图 2-4 错流流型错流流型 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。 南京扬子石化南京扬子石化 90kt/a 异丁烯资源化利用项目异丁烯资源化利用项目 膜分离说明膜分离说明 四川大学猎梦四川大学猎梦 20182018 团队团队 8 / 11 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 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。 2.3 气体膜分离器的选择气体膜分离器的选择 本项目的气体膜分离器由国初科技有限公司设计，在咨询国初科技有限公司后， 考虑到本项目原料气的操作压力较高，而分离的物质(MAL)与不凝气的分子量差距 较大，拟采用中空纤维膜分离器。 南京扬子石化南京扬子石化 90kt/a 异丁烯资源化利用项目异丁烯资源化利用项目 膜分离说明膜分离说明 四川大学猎梦四川大学猎梦 20182018 团队团队 9 / 11 第三章第三章 中空纤维膜数学模型中空纤维膜数学模型 3.1 中空纤维膜分离器数学模型中空纤维膜分离器数学模型 对于中空纤维膜分离器，其流型一般采用逆流，如图 3-1 所示为逆流流型中空 纤维膜分离示意图。 图图 3-1 逆流流型中空纤维膜分离示意图逆流流型中空纤维膜分离示意图 3.2 中空纤维膜分离器数学模型的假设中空纤维膜分离器数学模型的假设 针对本工艺，我们对中空纤维膜分离器的数学模型做如下合理的假设： (1)流体总体流动和该点的渗透为逆流； (2)在原料侧和渗透侧没有压力降； (3)膜的渗透性能与压降和浓度的变化无关； (4)忽略支撑层的影响。 3.3 中空纤维膜分离器数学模型的建立中空纤维膜分离器数学模型的建立 根据 3.2 中的假设，建立如下数学模型: 首先根据气体膜分离渗透方程可得方程(3.1 式) (3.1 式) ()= ( ) 根据物料平衡和气体分离膜渗透方程可得如下方程 (3.2 式) = = ( ) (3.3 式) = + 南京扬子石化南京扬子石化 90kt/a 异丁烯资源化利用项目异丁烯资源化利用项目 膜分离说明膜分离说明 四川大学猎梦四川大学猎梦 20182018 团队团队 10 / 11 (3.4 式) = 1， = 1， = 1 对于逆流模型，其原料侧和渗透侧都假设为平推流，则其各组分的平均分压差 为： (3.5 式) = ( ) ( ) ( ) 其中 为渗透气出口处渗透气各组分的摩尔分率；分别为原料侧,原 ， 和 料气和渗余气的各组分的摩尔分率；分别为原料气、渗透气和渗余气的 ， 和 摩尔流量,;分别为膜面积和总膜面积，m2；为膜两侧的平均 /和 分压差，kPa； 为 i 组分的渗透系数。 根据组分回收率的定义和方程可得组分回收率方程: (3.6 式) = = ( ) 3.4 中空纤维膜分离器数学模型的计算中空纤维膜分离器数学模型的计算 由于处理量稍大，本项目选择三套装置并联运行以降低每套装置的负荷，减少 膜的损耗。 针对每套装置： 原料气摩尔流率：858.742kmol/hr；MAL 摩尔分数：0.079769；压力：1020kPa 渗透侧摩尔流率：90.6134kmol/hr；压力：110kPa； 渗余侧摩尔流率：768.129kmol/hr；压力：1000kPa； MAL 渗透系数：(由国初科技有限公司告知) = 0.00