氣體膜分離及其梯級耦合流程的設計與優(yōu)化.pdf

1、氣體膜分離在石油化工、環(huán)境保護等領域的應用越來越廣泛，處理對象也由單一原料、單一回收目標的擬二元簡單體系發(fā)展至多原料、多回收目標的多元復雜體系，而氣體分離膜在新體系中性能的準確預測，快捷、準確的多組份非理想膜過程模擬和多技術整體協(xié)同設計，以及特殊體系預處理過程的開發(fā)等新挑戰(zhàn)也隨之出現(xiàn)。本論文在氣體臨界性質(zhì)/膜分離選擇性關聯(lián)、膜組件的有限元數(shù)值計算、膜分離過程化學勢損失分析和復雜體系多技術梯級耦合分離序列的快捷設計等方面進行了一系列研究，

2、為氣體膜分離與傳統(tǒng)技術的結(jié)合，及其在新體系中的推廣應用提供了有力的支持。
　　基于溶解-擴散理論，系統(tǒng)研究了非促進傳遞型聚合物膜材料中氣體滲透傳質(zhì)參數(shù)與臨界性質(zhì)的關系，溶解選擇性主要取決于臨界溫度的差異，而擴散選擇性不僅取決于臨界體積的差異，還與聚合物形態(tài)有關，玻璃態(tài)材料的擴散選擇性要高3個數(shù)量級;建立了橡膠態(tài)和玻璃態(tài)聚合物中溶解選擇性-臨界溫度、擴散選擇性-臨界體積的關聯(lián)曲線和公式，為分離體系-膜組件的匹配、制膜材料的篩選提供了

3、理論指導，有利于縮短篩選周期、減少實驗費用?；跉怏w臨界性質(zhì)的對比分析，優(yōu)選聚酰亞胺膜分離四氟乙烯精餾尾氣，實驗測得滲透選擇性αAir/TFE＞23，滲透速率JTFE=0.1 GPU，與理論預測結(jié)果一致。模擬結(jié)果表明，膜分離裝置的四氟乙烯收率達到91.5％，單耗僅0.08$·kg-1，優(yōu)于傳統(tǒng)的單耗達0.19$·kg-1的丙酮吸收裝置。此外，膜分離過程避免了揮發(fā)性吸收劑的使用，不會污染四氟乙烯產(chǎn)品，更加清潔高效。
　　在模擬軟件U

4、niSim Design平臺下建立了膜組件的有限元數(shù)值計算模型，并實現(xiàn)了常見非理想因素的關聯(lián)，能夠準確模擬多組份非理想膜分離過程。膜組件可以簡化成一維/二維的連續(xù)非線性變化問題，進而轉(zhuǎn)化成一系列膜微元組成的傳質(zhì)單元。包含多組未知變量的膜微元滲透傳質(zhì)過程，在模擬平臺中通過兩個Membrane.dll構(gòu)建的正向過度滲透/逆向補償?shù)脑嚥?迭代運算結(jié)構(gòu)求解。實驗及模型對比分析表明，有限元模型的模擬偏差小于3.0％，遠低于對數(shù)平均推動力模型的10

5、.5％，接近文獻中經(jīng)典的微分/離散模型的準確性。離散模型還為分析膜組件局部操作狀況提供了便利:以生物甲烷提純系統(tǒng)的優(yōu)化設計為例，分析局部滲透氣濃度變化后開發(fā)的一級二段聚酰亞胺膜分離系統(tǒng)，能效和裝置產(chǎn)能可媲美一級系統(tǒng)，壓縮天然氣生產(chǎn)單耗僅為0.466 kWh·Nm-3，膜組件的甲烷產(chǎn)能達到0.81 Nm3·m-2·h-1，而甲烷收率則接近二級膜分離系統(tǒng)，達到95.0％。
　　建立了分析氣體膜分離過程化學勢損失的非平衡熱力學模型，為多

6、級流程的框架設計與參數(shù)優(yōu)化提供理論指導工具。膜組件內(nèi)的傳質(zhì)過程可以簡化為選擇性跨膜滲透和局部滲透氣“濃差”混合兩個步驟:第一步的效率取決于膜的選擇性、原料/滲透氣的壓力比、原料的組成;第二步的效率主要受滲透切割比的影響，在多級系統(tǒng)中與流程結(jié)構(gòu)有關。針對逆流循環(huán)膜級聯(lián)（RMC）流程，利用熱力學模型找出有效能損失嚴重的關鍵分離級，提出局部結(jié)構(gòu)改進的優(yōu)化模式，減少“濃差”返混損失，以四級RMC分離燃煤煙道氣為例，系統(tǒng)能效提高5.9％，壓縮機軸

7、功率減少5.5％，膜面積減少5.4％，建設投資預期減少3.5％。針對高滲透切割比的體系，提出逐段變壓的多段膜分離過程，以聚丙烯尾氣的膜分離過程為例，熱力學效率由12.4％（恒定操作壓力比pF/pP=10）提高到13.7％（逐段變壓pF/pP=5.2～44.4），提高幅度達10.6％。
　　面向乙苯催化脫氫尾氣資源化過程中的特殊雜質(zhì)——苯乙烯，開發(fā)出以新鮮乙苯為吸收劑的多級循環(huán)吸收工藝，同時實現(xiàn)苯乙烯的深度脫除和富集回收。常規(guī)的吸收

8、/解吸流程，受吸收劑再生程度限制，難以將苯乙烯深度脫除至10 ppm以下。苯乙烯裝置的原料——新鮮乙苯，基本不含苯乙烯、供應長期穩(wěn)定充足、吸收苯乙烯后可送往相應裝置后處理，適合作為深度脫除苯乙烯的吸收劑。與傳統(tǒng)無循環(huán)吸收相比，多級循環(huán)吸收裝置能將富液中苯乙烯的濃度由1.99 mol％提高至18.65 mol％，使這一部分苯乙烯的提純能耗減少73％。以此為基礎開發(fā)的多級循環(huán)吸收、壓縮冷凝和氫氣膜分離的聯(lián)合流程，膜單元的滲透切割比是影響流程

9、經(jīng)濟效益的主導因素，最佳切割比為0.84，相匹配的壓縮機輸出壓力為1.85 MPa。模擬優(yōu)化結(jié)果表明，苯乙烯的回收率為93％，其他芳烴的回收率超過86％，氫氣回收率超過90％。
　　針對含烴石化尾氣體系的資源最大化利用，建立了復雜體系多技術梯級耦合分離序列的三角坐標-矢量分析設計方法，解決了多來源、多組份原料體系的多目標回收難題。以組分的產(chǎn)品歸屬及分離性質(zhì)相似程度為合并法則，將原料簡化為燃料氣、氫氣和輕烴構(gòu)成的三元體系，避免了分離

10、序列的“組合爆炸”現(xiàn)象;以目標物質(zhì)回收率和分離單耗為判據(jù)，劃分常見尾氣分離技術的優(yōu)勢分離區(qū)域，將其用于優(yōu)選分離技術、分類合并含烴石化尾氣群，在避免嚴重的“濃差”混合損失的同時合理安排進料位置。開發(fā)的芳烴異構(gòu)化尾氣綜合回收工藝，通過淺冷、氫氣膜分離和輕烴膜分離三種技術的梯級耦合，充分利用分離過程的“雙向富集”效應，氫氣和輕烴回收率分別達到85％和97％，單耗僅0.227 kWh·Nm-3尾氣，與美國著名膜技術公司MTR的專利技術相比，能耗