CN103551036B - 一种陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及化工分离技术领域，特别是涉及一种陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置及工艺；本发明的目的在于发挥分子筛膜耐高温、耐高压、耐溶胀的优势，提供一种效率高、占地空间小，处理量大的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发分离工艺和装置,该装置包括原料罐、原料进料压缩装置、原料热交换装置、陶瓷膜渗透蒸发分离装置、渗透蒸发压力调节装置、产品冷却装置、产品罐、渗透液冷凝装置、渗出液罐和渗透侧真空装置；该工艺包括以下步骤：1)、将原料罐中待分离的原料进料进入原料进料压缩装置增压；2)、已增压原料进入原料热交换装置升至高温，得到高温高压的液体进料；3）、利用陶瓷分子筛膜在高温高压下的高效渗透蒸发，分离收集得到产品和渗出液。

Description

一种陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置及工艺

技术领域

本发明涉及化工分离技术领域，特别是涉及一种陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置及工艺。

背景技术

众所周知，膜分离技术是一门近三十年内迅速发展起来的多学科交叉的高新技术，可用于分离、浓缩、提纯以及净化等方面；其中，渗透蒸发（Pervaporation，简称PV，又称渗透气化）技术作为一种新型的膜分离技术被称之为本世纪化工领域最有前途的技术之一。渗透蒸发技术利用液体中不同组分在膜中的吸附力与扩散系数的差别，通过竞争吸附、扩散渗透与蒸发，将两种或多种组分进行分离。

由于渗透蒸发分离过程依靠分离膜与被分离物系的相互作用进行分离，因而不受汽液平衡的限制，对于那些用传统分离难以处理的恒沸、近沸物系分离具有独特的优越性。采用渗透蒸发分离时，只需将被分离的少量或微量物质（如水分）气化，大量物料在分离过程中不产生相变，因此相比传统的精馏分离，渗透蒸发能够节约至少50%的能耗，同时设备占地面积小，操作简单，无需加入第三组分，污染小，分离效率高。对于某些微量组分的脱除，渗透蒸发更显示出无可替代的高效性。

用于渗透蒸发的分离膜分为有机膜和无机膜两种。有机膜虽然发展得早，但由于其化学稳定性差，应用领域受到了限制，同时有机材料不耐高温，机械稳定性差，应用中难以获得高的通量和选择性。用于渗透蒸发的无机膜主要是陶瓷分子筛膜。由于分子筛膜化学性质稳定，耐有机溶剂和化学腐蚀，并且不被微生物降解，应用领域广阔，因而近二十年得到了越来越多的重视。陶瓷分子筛膜能够耐受1000°C的高温且机械强度高，即使在压力的作用下其表面依然平滑，不会变形。根据膜分离的传递模型，无论是溶解-扩散模型或修正的Maxwell-Stefan模型预测，在分离温度升高、压力增大的情况下，分离驱动力增强，通量增大，单位面积膜的处理量变大。由于单位膜面积的陶瓷分子筛膜成本比有机膜高，所以提高陶瓷分子筛膜的效率对于其应用领域拓宽和发展非常重要。陶瓷分子筛膜应用于其更有优势的高温高压条件下渗透蒸发分离，处理量将增大，所需膜面积变小，占地更节省，综合成本进一步降低。

虽然陶瓷分子筛膜的耐高温耐高压的性能优势被广泛认可，并时时提及，但在渗透蒸发实际应用中并没有使用到有机膜较难达到的温度125°C以上，以及压力200,000Pa以上。例如于晓波等综述NaA分子筛膜用于醇水分离的研究进展（现代化工：2011,31(12):24-28），所应用的醇水分离温度基本上都在75°C，常压条件下进行。StefanSommer等考察了操作条件对于NaA分子筛膜渗透蒸发进行溶剂脱水效果的影响（Chem.Eng.Sci.,2005,60:4509-4523），得出温度增高，通量增大的模拟结果和实验结果，然而实验所用的最高温度为120°C。关于分子筛膜渗透蒸发的应用专利，如中国石油天然气股份有限公司申请的一种浓缩乙二醇水溶液的新方法（CN101092329A），其渗透蒸发温度在50-70°C；大连理工大学申请的一种NaA沸石分子筛膜渗透蒸发脱除糠醛中水的方法（CN101721920A），其渗透蒸发温度在50-90°C，压力均为常压。陶瓷分子筛膜相对于有机膜的优势并未能得到体现。

发明内容

本发明的目的在于发挥陶瓷分子筛膜耐高温、耐高压、耐溶胀的优势，提供一种效率高、占地空间小，处理量大的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发分离工艺和装置，从而解决目前陶瓷分子筛膜渗透蒸发应用中，所需的膜管数量大、成本高的问题。采用该发明的工艺和装置，能够节约50%以上膜的用量，优选的能节约75%以上陶瓷分子筛膜的数量，从而改善陶瓷分子筛膜应用的经济性和竞争力。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，包括原料罐、原料进料压缩装置、原料热交换装置、陶瓷膜渗透蒸发分离装置、渗透蒸发压力调节装置、产品冷却装置、产品罐、渗透液冷凝装置、渗出液罐和渗透侧真空装置；所述原料罐与陶瓷膜渗透蒸发分离装置连通，并且原料进料压缩装置和原料热交换装置设置在原料罐与陶瓷膜渗透蒸发分离装置连通的管路上，所述陶瓷膜渗透蒸发分离装置的侧部与渗出液罐连通，所述陶瓷膜渗透蒸发分离装置的底部与产品罐连通，所述渗透蒸发压力调节装置分别与原料罐和陶瓷膜渗透蒸发分离装置连通的管路、所述陶瓷膜渗透蒸发分离装置和产品罐连通的管路连通，所述产品冷却装置设置在所述陶瓷膜渗透蒸发分离装置和产品罐连通的管路连通的管路上，所述渗透液冷凝装置和渗透侧真空装置安装在所述陶瓷膜渗透蒸发分离装置与渗出液罐连通的管路上。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，所述原料罐内的原料为液态溶剂混合物。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，所述原料罐内的原料为水含量在50%以下的含水溶剂。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，所述原料罐的输入端设置有过滤器。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，所述过滤器为介质过滤器，微过滤器、Y型过滤器中的一种或多种组合。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，所述原料进料压缩装置为泵装置。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，所述泵装置为齿轮泵、活塞泵或离心泵。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，所述渗透蒸发压力调节装置为阀门装置及其相耦合的自动化控制装置，所述阀门装置为背压阀、调节阀、蝶形阀或减压阀。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发工艺，包括以上任一项所述的装置，还包括以下步骤：

1)、在常压和上游工艺决定的温度条件下，将原料罐中待分离的原料进料进入原料进料压缩装置增压；

2)、已增压原料进入原料热交换装置升至高温，得到高温高压的液体进料；

3)、高温高压原料股流进入陶瓷膜渗透蒸发分离装置，进行高效渗透蒸发分离，得到滞留侧的产品股流和渗透侧的渗透股流；

4)、滞留侧股流的渗透蒸发压力调节装置控制高效渗透蒸发所需的压力；

5)、滞留侧经产品冷却装置泄压并冷凝至产品罐收集；

6)、渗透液经渗透侧真空装置气化后，经渗透液冷凝装置冷却收集。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发工艺，所述的渗透侧压力为100-10000Pa。

与现有技术相比本发明的有益效果为：通过上述装置和工艺的设置，更好的发挥陶瓷分子筛膜耐高温、耐高压、耐溶胀的优势，提供一种效率高、占地空间小，处理量大的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发分离工艺和装置，从而解决目前陶瓷分子筛膜渗透蒸发应用中，所需的膜管数量大、成本高的问题。采用该发明的工艺和装置，能够节约50%以上膜的用量，优选的能节约75%以上陶瓷分子筛膜的数量，从而改善陶瓷分子筛膜应用的经济性和竞争力。

附图说明

图1是本发明陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置的结构示意图；

图2是原料热交换装置与产品冷却装置耦合的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，包括原料罐1、原料进料压缩装置2、原料热交换装置3、陶瓷膜渗透蒸发分离装置4、渗透蒸发压力调节装置5、产品冷却装置6、产品罐7、渗透液冷凝装置8、渗出液罐9和渗透侧真空装置10；原料罐与陶瓷膜渗透蒸发分离装置连通，并且原料进料压缩装置和原料热交换装置设置在原料罐与陶瓷膜渗透蒸发分离装置连通的管路上，陶瓷膜渗透蒸发分离装置的侧部与渗出液罐连通，陶瓷膜渗透蒸发分离装置的底部与产品罐连通，渗透蒸发压力调节装置分别与原料罐和陶瓷膜渗透蒸发分离装置连通的管路、陶瓷膜渗透蒸发分离装置和产品罐连通的管路连通，产品冷却装置设置在陶瓷膜渗透蒸发分离装置和产品罐连通的管路连通的管路上，渗透液冷凝装置和渗透侧真空装置安装在陶瓷膜渗透蒸发分离装置与渗出液罐连通的管路上。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，原料罐内的原料为液态溶剂混合物。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，原料罐内的原料为水含量在50%以下的含水溶剂。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，原料罐的输入端设置有过滤器。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，过滤器为介质过滤器，微过滤器、Y型过滤器中的一种或多种组合。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，原料进料压缩装置为泵装置。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，泵装置为齿轮泵、活塞泵或离心泵。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，渗透蒸发压力调节装置为阀门装置及其相耦合的自动化控制装置，阀门装置为背压阀、调节阀、蝶形阀或减压阀。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，陶瓷膜渗透蒸发分离装置由1-50个膜组件（4-01,4-02,…,4-(m),…,4-(n)）和组件间加热装置（4E-01,…,4E-(m),…,4E-(n-1)）组成。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，渗透蒸发压力调节装置由调压阀提供。

如图2所示，本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，原料热交换装置与产品冷却装置全部或部分耦合，即从陶瓷分子筛膜高效分离系统纯化后得到的热产品股流与冷原料股流在同一热交换器内进行原料加热和纯化后产品的冷凝。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，渗透侧真空装置通过真空泵抽吸和真空调节阀控制。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发工艺，包括以上任一项的装置，还包括以下步骤：

1)、在常压和上游工艺决定的温度条件下，将原料罐中待分离的原料进料进入原料进料压缩装置增压；

2)、已增压原料进入原料热交换装置升至高温，得到高温高压的液体进料；

3)、高温高压原料股流进入陶瓷膜渗透蒸发分离装置，进行高效渗透蒸发分离，得到滞留侧的产品股流和渗透侧的渗透股流；

4)、滞留侧股流的渗透蒸发压力调节装置控制高效渗透蒸发所需的压力；

5)、滞留侧经产品冷却装置泄压并冷凝至产品罐收集；

6)、渗透液经渗透侧真空装置气化后，经渗透液冷凝装置冷却收集。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发工艺，渗透侧压力为100-10000Pa。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发工艺，分离领域为溶剂生产和溶剂回收，优选为溶剂脱水。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发工艺，分离温度高于原料液沸点10°C及以上，分离绝对压力高于200,000Pa及以上。

本发明的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发工艺，陶瓷分子筛根据国际分子筛协会分类是LTA型、ERR型、OFF型、MOR型、PHI型，或其组合。

通过上述装置和工艺的设置，更好的发挥陶瓷分子筛膜耐高温、耐高压、耐溶胀的优势，提供一种效率高、占地空间小，处理量大的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发分离工艺和装置，从而解决目前陶瓷分子筛膜渗透蒸发应用中，所需的膜管数量大、成本高的问题。采用该发明的工艺和装置，能够节约50%以上膜的用量，优选的能节约75%以上陶瓷分子筛膜的数量，从而改善陶瓷分子筛膜应用的经济性和竞争力。

实施例一

一种95乙醇除水工艺，包括以下步骤：将原料罐中存放的含水质量含量为5%的95乙醇，经原料进料压缩装置通过活塞泵压缩供料，其压力通过渗透蒸发压力调节装置调节至200,000Pa至800,000Pa之间，其压力和设定值之间的波动范围为±5%。高压进料经过原料热交换装置加热至120-150°C之间，其温度和设定值之间的波动范围为±1%。热原料在设定压力下进入陶瓷膜渗透蒸发分离装置进行醇水分离，该渗透蒸发系统由3组LTA分子筛膜膜组件（4-01，4-02，4-03）和2组膜组件间换热器（4E-01，4E-02）构成的，渗透侧真空通过含真空控制阀和真空泵的渗透侧真空装置控制在1,500Pa，所得的渗透侧的乙醇含量<2%质量含量的水通过渗透液冷凝装置进入渗出液罐，所得的滞留侧产品无水乙醇的水含量<0.5%质量含量，进入产品罐，原料热交换装置与产品冷却装置部分耦合，即滞留的无水乙醇与原料95乙醇在同一换热器中进行热交换。利用该系统在不同压力条件下进行渗透蒸发分离，得到的分离结果如下：

渗透蒸发压力（Pa）	200,000	400,000	650,000
				乙醇回收率	>99.5%	>99.5%	>99.5%
通量（g/m2?h）	960	2,000	3,000

实施例二

一种含水乙醇除水工艺，包括以下步骤：将原料罐中存放的含水质量含量为5-10%的含水乙醇，经原料进料压缩装置通过离心泵压缩供料，其压力通过渗透蒸发压力调节装置调节至600,000Pa之内，其压力和设定值之间的波动范围为±5%。高压进料经过原料热交换装置加热至120-150°C之间，其温度和设定值之间的波动范围为±1%。热原料在设定压力下进入陶瓷膜渗透蒸发分离装置进行醇水分离，该渗透蒸发系统由1组LTA分子筛膜膜组件（4-01）构成，渗透侧真空通过含真空控制阀和真空泵的渗透侧真空装置控制在5,000Pa，所得的渗透侧的乙醇含量<5%质量含量的水通过冷凝系统（8）进入渗出液罐，所得的滞留侧产品无水乙醇的水含量<0.5%质量含量，进入产品罐。利用该系统对含不同水含量的乙醇进行渗透蒸发分离，得到的分离结果如下：

原料乙醇中的水含量	5 wt%	8.5 wt%	10 wt%
				乙醇回收率	>99.5%	>99.5%	>99.5%
通量（g/m2?h）	1,600	2,900	3,600

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，其特征在于，包括原料罐、原料进料压缩装置、原料热交换装置、陶瓷膜渗透蒸发分离装置、渗透蒸发压力调节装置、产品冷却装置、产品罐、渗透液冷凝装置、渗出液罐和渗透侧真空装置；所述原料罐与陶瓷膜渗透蒸发分离装置连通，并且原料进料压缩装置和原料热交换装置设置在原料罐与陶瓷膜渗透蒸发分离装置连通的管路上，所述陶瓷膜渗透蒸发分离装置的侧部与渗出液罐连通，所述陶瓷膜渗透蒸发分离装置的底部与产品罐连通，所述渗透蒸发压力调节装置分别与原料罐和陶瓷膜渗透蒸发分离装置连通的管路、所述陶瓷膜渗透蒸发分离装置和产品罐连通的管路连通，所述产品冷却装置设置在所述陶瓷膜渗透蒸发分离装置和产品罐连通的管路连通的管路上，所述渗透液冷凝装置和渗透侧真空装置安装在所述陶瓷膜渗透蒸发分离装置与渗出液罐连通的管路上，所述渗透蒸发装置的渗透蒸发压力为200,000-800,000Pa，渗透蒸发操作温度为120-150oC。

2.如权利要求1所述的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，其特征在于，所述原料罐内的原料为液态溶剂混合物。

3.如权利要求2所述的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，其特征在于，所述原料罐内的原料为水含量在50%以下的含水溶剂。

4.如权利要求1所述的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，其特征在于，所述原料罐的输入端设置有过滤器。

5.如权利要求4所述的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，其特征在于，所述过滤器为介质过滤器，微过滤器、Y型过滤器中的一种或多种组合。

6.如权利要求1所述的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，其特征在于，所述原料进料压缩装置为泵装置。

7.如权利要求6所述的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，其特征在于，所述泵装置为齿轮泵、活塞泵或离心泵。

8.如权利要求1所述的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发装置，其特征在于，所述渗透蒸发压力调节装置为阀门装置及其相耦合的自动化控制装置，所述阀门装置为背压阀或减压阀。

9.一种陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发工艺，包括如权利要求1至8任一项所述的装置，其特征在于，包括以下步骤：

1)、在常压和上游工艺决定的温度条件下，将原料罐中待分离的原料进料进入原料进料压缩装置增压；

2)、已增压原料进入原料热交换装置升至高温，得到高温高压的液体进料；

3)、高温高压原料股流进入陶瓷膜渗透蒸发分离装置，进行高效渗透蒸发分离，得到滞留侧的产品股流和渗透侧的渗透股流；

4)、滞留侧股流的渗透蒸发压力调节装置控制高效渗透蒸发所需的压力；

5)、滞留侧经产品冷却装置泄压并冷凝至产品罐收集；

6)、渗透液经渗透侧真空装置气化后，经渗透液冷凝装置冷却收集。

10.如权利要求9所述的陶瓷分子筛膜高效渗透蒸发工艺，其特征在于，所述的渗透侧压力为100-10000Pa。