CN101584960A - 气相-液相吸收膜分离装置与分离净化方法 - Google Patents

气相-液相吸收膜分离装置与分离净化方法 Download PDF

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Abstract

一种气相－液相吸收膜分离装置与分离净化方法，利用膜材料对不同物质透过速率的不同和膜透过侧液相物质对不同物质的溶解度不同，同时增大气相－液相接触面积，在优先透过和选择吸收双重作用下，将其分离，以达净化目的。本技术方案设备投资少，分离效率高、分离气体纯度高，气相与液相分相运行与分离，不产生二次污染问题，特别适用于石化气、燃烧烟气与沼气中分离并脱除CO2和H2S气体等。

Description

气相-液相吸收膜分离装置与分离净化方法
技术领域
本发明涉及一种混合气体的分离装置与分离净化技术，具体地是一种利用膜对分子的选择透过特性和吸收液对不同物质的可溶性为依据开发的分离混合气体的装置与技术，适用于石化气、燃烧烟气与沼气中分离并脱除CO2和H2S气体等。
背景技术
目前国内外常用的分离净化技术方法有：溶剂吸收法、固体吸附法(含变压吸附)和膜分离法。以厌氧发酵沼气为例，沼气中主要成份为CH4占55％～70％、CO2占30％～45％，还有2％～4％H2O、少量H2S、N2等气体。变压吸附法是以分子筛为吸附剂，在不同的压力和分子筛网孔大小作用下，利用分子筛对不同气体吸附量存在差异，达到分离净化混合气体的目的。经吸附剂吸附CO2气体后，CH4在吸附塔出口端富集，CO2在分子筛再生时解吸而得以脱除。受吸附剂的动态吸附量限制，处理大气量混合气体时，需定期切换并暂停吸附设备来进行吸附剂的再生处理，不仅装置显得庞大，造价高，而且也影响分离与纯化效率。膜分离技术能使小分子的气体透过膜而得到分离，但这种方法要求膜分离前气体压力高，且高压气相分离膜一般是醋酸纤维素制成，膜的使用寿命较短，因萎缩的缘故，使用一年半后其渗透性会减少30％。溶剂吸收法如水洗法，一般用碱性水溶液(碳酸钾或氨水)作吸收剂，通过化学吸收脱除CO2和H2S酸性气体。但再生费用高，能耗高，技术操作复杂，同时产生废水污染。采用醇胺法(单乙醇胺、二乙醇胺)液体直接吸收时，设备复杂、工艺麻烦，且会由于气液的强制混合产生泡沫，也会由于吸收液得不到及时处理而影响分离效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气相-液相吸收膜分离装置与分离净化方法，以利用体系中各种物质透过膜的速率不同及在液相中的溶解度不同，达到分离目的。
为实现上述目的，本发明提供的气相-液相吸收膜分离净化方法，利用膜材料对不同物质透过速率的不同和膜透过侧液相吸收剂对不同物质的溶解度不同，对混合气体实施分离净化，其步骤包括：
a)将混合气体加压至膜前压力0.1MPa～1.0MPa范围后送入膜分离器；
b)混合气体中的物质透过分离膜层，溶解在液相吸收剂中，膜透过性差和溶解度小的气体被置留在气相侧得到浓缩；
c)加热液相吸收液至气体解吸温度，或根据气体性质降压或增压，使吸收的气体从液相吸收液中脱出，液相吸收剂循环使用。
所述的气相-液相吸收膜分离净化方法，其中，步骤a的混合气体预先经气体降温和脱除有毒有害气体的处理。
所述的气相-液相吸收膜分离净化方法，其中，液相吸收剂是醇胺类溶液、碱类溶液或水溶液。
本发明提供的用于实现上述气相-液相吸收膜分离净化方法的装置，其包括：
一压力机，连接至膜分离器的气相进口，以对混合气体加压；该膜分离器的气相出口连接一贮气罐，用于贮存净化后的气体；
膜分离器为一壳体，壳体内分离地装设有分离膜组件，各组件中间为液腔，供液相吸收剂流动；
一液相吸收剂处理器，其一端连接膜分离器的液相吸收剂出口，另一端连接液相吸收剂再生塔；该液相吸收剂处理器为能对液相吸收剂进行加热、加压或降压和装置；
该液相吸收剂再生塔顶部设有一气体出口，下部设有液相吸收剂出口；
一循环泵，连接液相吸收剂出口与膜分离器的液相吸收剂进口。
所述的装置，其中，压力机前连接一气体过滤器。
所述的装置，其中，当液相吸收剂再生塔为加热器时，循环泵与液相吸收剂出口之间设有一冷却器。
所述的装置，其中，分离膜组件为渗透憎水膜组件，分离膜为陶瓷膜、沸石膜或中空纤维膜，膜支撑架为多孔不锈钢材料或陶瓷材料。
所述的装置，其中，膜分离器为管式膜分离器或板式膜分离器。
所述的装置，其中，板式膜分离器的板状分离膜组件为波纹或凸起的不规则。
所述的装置，其中，膜分离器为多级膜分离器组成。
本发明的气相-液相吸收膜分离装置及其净化方法，其关键是利用了膜材料对不同物质具有不同的透过速率，以及膜透过侧液相吸收剂对不同物质具有不同的溶解度等特性，对混合气体实施分离净化。本发明可以根据处理气体量的多少，灵活设计，小的每小时处理几十立方，大的可达几万立方。它的特点是：工艺相容性强；工艺简单，占地面积小；投资少，灵活；应用于CH4回收时，CH4回收率高，净化效率高；产品质量稳定，环境友好。
附图说明
图1是本发明方法的工艺流程图；
图2是本发明的气相-液相吸收膜分离装置示意图；
图3是本发明的管式膜分离器实施例剖面图；
图4是本发明的多级管式膜分离器实施例剖面图；
图5是本发明的板式膜分离器实施简图。
具体实施方式
本发明的气相-液相吸收膜分离净化方法是：将待处理的混合气体过滤除尘后，由无油压气机压缩至0.1MPa～1.0MPa，经气相管路进入气相-液相膜分离器。气相从分离膜的气相侧通过，液相吸收剂从分离膜的另一侧流过，混合气体中能透过分离膜管，且能溶于液相吸收剂的气体，被液相吸收剂吸收、脱除。而不易透过分离膜层，且难溶于液相吸收剂的气体留在气相侧得到净化、浓缩。液相吸收剂流入再生塔，根据液相吸收剂的特性，通过加热、加压或降压等技术手段，使吸收于其中的气体解吸出来，液相吸收剂得到再生，经冷却后由循环泵送入膜分离器循环使用，净化后的气体，由系统或贮气罐收集使用。同单纯的膜分离技术相比，由于液相吸收剂及时将透过分离膜层的气体吸收脱除，分离膜两侧气体渗透压差能始终维持在较高水平，气相侧气体的压力相对较低，对分离膜质量的要求也相对偏低(易于工业化)，在膜选择分离和液相选择吸收双重作用下，气体净化效率高，气相-液相膜分离器结构尺寸更小。与变压吸附相比，净化效率高，总收率和分离系数都比变压吸附高，运行费低用，且变压吸附受吸附剂的动态吸附量的限制。本发明还具有高效、能耗低、操作方便、便于放大等优点。
本发明的膜分离器主要由壳体、气腔、液腔、渗透憎水膜等组成，渗透憎水膜可以是管状，也可以是平板或带有波纹或凸起的不规则板制成。分离膜以陶瓷膜、沸石膜或中空纤维膜组合的膜组件，膜可以有陶瓷或金属支撑骨架。
下面是以实例进行具体说明：
图1是本发明方法的工艺流程图。以发酵产沼气为例，经脱水除尘处理后的沼气，经无油气体压缩机加压后，使气体出口压力维持在0.1～1.0MPa；沼气经气相管路送入气相-液相吸收膜分离器，沼气中的CO2和少量H2S透过膜管溶解在液相吸收剂中(如胺类溶液)被脱除，经液相管路带出，而脱除CO2气体后被浓缩的CH4气体，则由气相管路输出。液相吸收剂引入再生器，经过加热等方法再生，冷却后回流；富甲烷气体进入脱水罐后获得干燥气；然后由压缩机压缩装储气瓶组或加气柱。
图2是本发明的气相-液相吸收膜分离装置示意图，在所示的装置中，待分离净化的气体，经过滤器1除尘后，由无油压气机2压缩至规定的压力后，进入膜分离器3，能透过分离膜并溶于液相吸收剂的气体分子，被液相吸收剂带出经加热器8加热后，在再生塔5内将吸收的气体脱出排放或贮存罐贮存使用，再生后的液相吸收剂由冷却器6冷却后，由循环泵7打回到膜分离器3中继续使用。经过分离净化后的浓缩气体，则由输气管路送入贮气罐4内存放，或者按要求向外管网输送，供用户使用，或由压气机压缩至更高压力至气瓶内贮存。
以沼气净化为例，经脱水处理后的沼气，其压力约为2kPa左右，为提高分离净化的效果，也可在气体进入气相-液相吸收膜分离装置前，加装脱硫设备降低含硫气体对后续设备的腐蚀。经脱水和脱硫的混合气体，经过滤器1除尘后，由无油压气机2压缩到0.1MPa～1.0MPa进入膜分离器3，其中溶于醇胺吸收液的CO2分子穿过膜层，由吸收剂带出，经加热在再生塔5内施放吸收气体，CO2气体从吸收剂中溢出后，吸收剂得到再生处理。再生后的吸收剂经冷却器6冷却后，由循环泵7打回到膜分离器3内循环利用；浓缩后的CH4气体则由气相管路排出，输送到天然气管网或经高压压缩装瓶使用。
图3所示的管式膜分离器，是由壳体13、端板12、分离膜组件14、液相进出口16、气相进出口11、隔板15组成，其分离膜组件13是以陶瓷膜、沸石膜或中空纤维膜组合的膜组件，可采用多孔金属或陶瓷管做支撑骨架。图4所示的多级管式膜分离器是在待分离气体成份复杂，需采用不同吸收剂或不同膜组件时的使用结构形式，通过分组吸收与分离，提高吸收剂的再生处理效率，降低能耗，提高吸收气体回收纯度。
图5是板式膜分离器实施简图，膜分离组件13是由平板或波纹板或其它不规则强化流动板制成，可采用多孔金属板或陶瓷做支撑骨架。吸收剂在板间流动，将透过膜层的可吸收气体分子带出脱除。
上述实施例仅是对本发明的具体实施说明，只是本发明的一种实施方法。本发明的保护范围应以权利要求书所限定的范围为准。

Claims (10)

1、一种气相-液相吸收膜分离净化方法，利用膜材料对不同物质透过速率的不同和膜透过侧液相吸收剂对不同物质的溶解度不同，对混合气体实施分离净化，其步骤包括：
a)将混合气体加压至膜前压力0.1MPa～1.0MPa范围后送入膜分离器；
b)混合气体中的物质透过分离膜层，溶解在液相吸收剂中，膜透过性差和溶解度小的气体被置留在气相侧得到浓缩；
c)加热液相吸收液至气体解吸温度，或根据气体性质降压或增压，使吸收的气体从液相吸收液中脱出，液相吸收剂循环使用。
2、根据权利要求1所述的气相-液相吸收膜分离净化方法，其中，步骤a的混合气体预先经气体降温和脱除有毒有害气体的处理。
3、根据权利要求1所述的气相-液相吸收膜分离净化方法，其中，液相吸收剂是醇胺类溶液、碱类溶液或水溶液。
4、实现权利要求1所述气相-液相吸收膜分离净化方法的装置，其包括：
一压力机，连接至膜分离器的气相进口，以对混合气体加压；该膜分离器的气相出口连接一贮气罐，用于贮存净化后的气体；
膜分离器为一壳体，壳体内分离地装设有分离膜组件，各组件中间为液腔，供液相吸收剂流动；
一液相吸收剂处理器，其一端连接膜分离器的液相吸收剂出口，另一端连接液相吸收剂再生塔；该液相吸收剂处理器为能对液相吸收剂进行加热、加压或降压和装置；
该液相吸收剂再生塔顶部设有一气体出口，下部设有液相吸收剂出口；
一循环泵，连接液相吸收剂出口与膜分离器的液相吸收剂进口。
5、根据权利要求4所述的装置，其中，压力机前连接一气体过滤器。
6、根据权利要求4所述的装置，其中，当液相吸收剂再生塔为加热器时，循环泵与液相吸收剂出口之间设有一冷却器。
7、根据权利要求4所述的装置，其中，分离膜组件为渗透憎水膜组件，分离膜为陶瓷膜、沸石膜或中空纤维膜，膜支撑架为多孔不锈钢材料或陶瓷材料。
8、根据权利要求4所述的装置，其中，膜分离器为管式膜分离器或板式膜分离器。
9、根据权利要求8所述的装置，其中，板式膜分离器的板状分离膜组件为平板，波纹或凸起的不规则。
10、根据权利要求4所述的装置，其中，膜分离装置为单级或多级膜分离器组成。
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