CN104437006A - 一种提纯生物甲烷的膜吸收装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提纯生物甲烷的膜吸收装置和方法，其中提纯生物甲烷的膜吸收装置包括至少两个串联在一起的膜吸收单元，膜吸收单元包括具有内腔的吸收器，吸收器内腔的上部设有喷淋器，吸收器顶部位于喷淋器上方设有出气口，吸收器内腔位于喷淋器和储液槽之间设有中空纤维膜，中空纤维膜为多孔疏水性高分子聚合物制成的空心管，吸收器位于喷淋器和储液槽之间的壁面上设有进气腔，中空纤维膜的一端与进气腔连通、另一端密封安装在吸收器壁面上。利用喷淋器向中空纤维膜上喷洒吸收液，在中空纤维膜外表面上形成一层液膜，形成具有气液接触吸收、鼓泡吸收及显著增大的气液接触面积和吸收传质系数特征的膜吸收过程，可有效降低操作压力。
Description
技术领域
本发明涉及一种提纯生物甲烷的膜吸收装置和方法，可用于分离生物甲烷中的甲烷和二氧化碳，属于生物甲烷提纯技术领域。
背景技术
生物甲烷是指从沼气、垃圾填埋气等有机质厌氧发酵产生的富含甲烷的气体中，提纯获得的具有高甲烷浓度的燃气。在实际应用中，通常将生物甲烷作为天然气的补充或替代燃料，因此也经常将其称为生物天然气。由于生物甲烷来自于有机物的生物厌氧降解过程，具有碳循环特性，属于可再生能源，具有较好的发展和应用前景。
从沼气、垃圾填埋气中提纯生物甲烷的主要工作是分离甲烷和二氧化碳。现有技术分离甲烷和二氧化碳常用的有三种方法，分别是吸收法、吸附法和膜分离法。这三种方法各有其优缺点，但存在一个共性问题，需要相对较高的操作压力，例如吸收法的操作压力在3～5bar，而膜分离法则往往需要在10bar以上。这些操作压力要求就需要事先将气体采用压缩机增压，这就导致提纯生物甲烷的能耗成本偏高。因此，降低提纯生物甲烷的操作压力成为该领域的发展方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能降低提纯生物甲烷的操作压力的提纯生物甲烷的膜吸收装置，以解决现有技术提纯生物甲烷操作压力高导致能耗成本高的技术问题。同时，本发明还提供利用该膜吸收装置进行提纯生物甲烷的方法。
本发明的提纯生物甲烷的膜吸收装置采用如下技术方案：一种提纯生物甲烷的膜吸收装置，其包括至少两个串联在一起的膜吸收单元，膜吸收单元包括具有内腔的吸收器，吸收器内腔的底部为储液槽，吸收器内腔的上部的喷淋器，喷淋器上连接有进液口，储液槽上连接有排液口，吸收器顶部位于喷淋器上方的位置开设有出气口，吸收器内腔位于喷淋器和储液槽之间设有中空纤维膜，中空纤维膜为多孔疏水性高分子聚合物制成的空心管，吸收器位于喷淋器和储液槽之间的壁面上设有进气腔，进气腔上设有位于吸收器外部的进气口，中空纤维膜的一端与进气腔连通、另一端为密封安装在吸收器壁面上的盲管。
相邻两个膜吸收单元中，前一个膜吸收单元的出气口与后一个膜吸收单元的进气口之间连通有气体连接管，前一个膜吸收单元的排液口与后一个膜吸收单元的进液口之间连通有液体连接管。
所述中空纤维膜采用聚偏氟乙烯PDVF或者聚四氟乙烯PFTE或者聚丙烯PP高分子聚合物制成。
所述中空纤维膜的内径为0.2～2.0mm、壁厚为0.1～0.5mm，中空纤维膜表面上微孔的平均孔径为0.1～2.0μm、孔隙率大于50%，相邻两中空纤维膜的布置间距为中空纤维膜外径的0.5～2.5倍之间，相邻的上下两层中空纤维膜交错布置。
所述中空纤维膜安装在吸收器壁面上的一端设有用于密封中空纤维膜的封头，所述喷淋器为喷淋管或者雾化喷头或者盘式分布器或者槽式分布器或者莲蓬头。
本发明的提纯生物甲烷的方法采用如下技术方案：一种提纯生物甲烷的方法，其包括以下步骤：利用喷淋器向中空纤维膜上喷洒吸收液，在中空纤维膜外表面上形成一层液膜，同时向中空纤维膜内通入待提纯的生物甲烷气体，气体穿过中空纤维膜壁面上的微孔与液膜进行接触吸收，液膜在中空纤维膜的外表面及微孔中与气体进行气液接触并形成微鼓泡。
控制喷淋器的喷淋密度为1~15点/cm2，气体的进气压力为10~50kPa。
采用风机程序控制或者气囊激励或者水封式激励的方式，对进气气流施加1～20Hz的压力波动，压力波动值在1～10kPa之间。这样能在中空纤维膜微孔上的气液界面上形成小压力波动幅度的气流变化，进一步提高气液吸收传质效果。
所述吸收液为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钾、一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、甲基二乙醇胺水溶液中的一种或两种及两种以上。
将反应后的吸收液收集起来经再生处理后，作为进液重新进入喷淋器进行循环工作。
本发明的有益效果是：本发明将吸收法与膜分离法相结合，开发了一种提纯生物甲烷的膜吸收装置和方法，采用具有高气体渗透通量的多孔疏水性中空纤维膜，在中空纤维膜的外表面形成吸收液液膜，将原料气增加至微正压后就可通过中空纤维膜的内部流经中空纤维膜的微孔与吸收液液膜相接触进行气体吸收，并进一步形成微小气泡界面下的鼓泡吸收。由于中空纤维膜中具有大量的微孔，所以极大地增大了气液接触面积，使得吸收传质速率相对于传统的填料吸收过程得以显著提高，另外在鼓泡吸收下进一步增大了气液接触面积，而且通过鼓泡对气相和液相流体的扰动，提高了吸收传质系数。因此，通过基于多孔中空纤维膜介质，形成了具有气液接触吸收、鼓泡吸收以及显著增大的气液接触面积和吸收传质系数特征的膜吸收过程，由于上述特征大大提升了气液吸收速率，使得在满足甲烷提纯要求的前提下，可有效降低操作压力，实验研究证明可将甲烷/二氧化碳分离操作压力降低至10～50kPa。本发明有效的降低了提纯生物甲烷的操作压力，解决了现有技术提纯生物甲烷操作压力高导致能耗成本高的技术问题。
附图说明
图1是本发明提纯生物甲烷的膜吸收装置的一种实施例的结构示意图；
图2是图1中膜吸收单元的结构示意图；
图3是图2的剖视图；
图4是本发明提纯生物甲烷的膜吸收装置的另一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提纯生物甲烷的膜吸收装置的一种实施例如下：
本实施例的提纯生物甲烷的膜吸收装置的结构如图1至图3所示包括两个串联在一起的膜吸收单元1，膜吸收单元1包括具有内腔的吸收器，吸收器内腔的底部为储液槽12，吸收器内腔的上部的喷淋器11，喷淋器11上连接有进液口17，储液槽12上连接有排液口18，吸收器顶部位于喷淋器上方的位置开设有出气口16，吸收器内腔位于喷淋器11和储液槽12之间设有中空纤维膜12，中空纤维膜13为多孔疏水性高分子聚合物制成的空心管，所述中空纤维膜13的内径为0.2～2.0mm、壁厚为0.1～0.5mm，中空纤维膜表面上微孔的平均孔径为0.1～2.0μm、孔隙率大于50%，相邻两中空纤维膜的布置间距为中空纤维膜外径的0.5～2.5倍之间，相邻的上下两层中空纤维膜交错布置。
吸收器位于喷淋器11和储液槽12之间的壁面上设有进气腔14，进气腔14上设有位于吸收器外部的进气口15，中空纤维膜13的一端与进气腔14连通、另一端密封安装在吸收器壁面上，所述中空纤维膜13安装在吸收器壁面上的一端设有用于密封中空纤维膜的封头，从而使中空纤维膜成为盲管，中空纤维膜与进气腔连通的一端上设有将吸收器内腔和进气腔隔开的树脂密封段。
本实施例中两个膜吸收单元采用水平布置的串联方式，后一个膜吸收单元位于前一个膜吸收单元的一侧，前一个膜吸收单元1的出气口16与后一个膜吸收单元1的进气口15之间连通有气体连接管，前一个膜吸收单元的1排液口18与后一个膜吸收单元1的进液口17之间连通有液体连接管。本实施例中，气体流动与液体流动是同向的，即来气和新鲜吸收液都是在前一个膜吸收单元中进入，然后顺序进入串联的后一个膜吸收单元中，气体和液体一同从最后一个膜吸收单元中排出。
本实施例在使用时，利用喷淋器向中空纤维膜上喷洒吸收液，吸收液在中空纤维膜的外表面形成吸收液液膜，将待提纯的生物甲烷原料气增加至微正压后通入进气腔，原料气就可通过中空纤维膜的内部流经中空纤维膜的微孔与吸收液液膜相接触进行气体吸收，并进一步形成微小气泡界面下的鼓泡吸收。由于中空纤维膜中具有大量的微孔，所以极大地增大了气液接触面积，使得吸收传质速率相对于传统的填料吸收过程得以显著提高，另外在鼓泡吸收下进一步增大了气液接触面积，而且通过鼓泡对气相和液相流体的扰动，提高了吸收传质系数。因此，通过基于多孔中空纤维膜介质，形成了具有气液接触吸收、鼓泡吸收以及显著增大的气液接触面积和吸收传质系数特征的膜吸收过程，大大提升了气液吸收速率，使得在满足甲烷提纯要求的前提下，可有效降低操作压力。
本发明在具体实施时，中空纤维膜可以采用聚偏氟乙烯PDVF或者聚四氟乙烯PFTE或者聚丙烯PP等多孔疏水性高分子聚合物制成；喷淋器可以采用喷淋管或者雾化喷头或者盘式分布器或者槽式分布器或者莲蓬头。
在本发明提纯生物甲烷的膜吸收装置的其它实施例中，中空纤维膜的尺寸、表面微孔的孔径大小等参数可以根据实际灵活选用；各中空纤维膜的排列方式、间距可以根据实际灵活设置。
在本发明提纯生物甲烷的膜吸收装置的其它实施例中，两个膜吸收单元还采用如图4所示的垂直布置的串联方式，后一个膜吸收单元位于前一个膜吸收单元上方的位置，前一个膜吸收单元1的出气口16与后一个膜吸收单元1的进气口15之间连通有气体连接管，前一个膜吸收单元的1排液口18与后一个膜吸收单元1的进液口17之间连通有液体连接管。
在本发明提纯生物甲烷的膜吸收装置的其它实施例中，可以根据实际需要决定膜吸收单元的数量，膜吸收单元可以是三个或三个以上的任意值，相邻两膜吸收单元中，前一个膜吸收单元的出气口与后一个膜吸收单元的进气口之间连通有气体连接管，前一个膜吸收单元的排液口与后一个膜吸收单元的进液口之间连通有液体连接管。
在本发明提纯生物甲烷的膜吸收装置的其它实施例中，气体流动与液体流动还可以是反向的，即来气进入前一个膜吸收单元，然后顺序进入后续的膜吸收单元中，并从最后一个膜吸收单元排出；而吸收液则从最后一个膜吸收单元中进入，然后顺序向前流过各个膜吸收单元装置并从第一个膜吸收单元排出。
在本发明提纯生物甲烷的膜吸收装置的其它实施例中，还可以省略液体连接管，而新鲜吸收液则分别从喷淋器进入到各个膜吸收单元中，最终各个膜吸收单元的储液槽中排液直接去再生处理。
本发明提纯生物甲烷的膜吸收方法的一种实施例如下：
本实施例提纯生物甲烷的膜吸收方法包括以下步骤：利用喷淋器向中空纤维膜上喷洒吸收液，吸收液为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钾、一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、甲基二乙醇胺水溶液中的一种或两种及两种以上，控制喷淋器的喷淋密度为1~15点/cm2，吸收液在中空纤维膜外表面上形成一层液膜，同时向中空纤维膜内通入待提纯的生物甲烷气体，气体的进气压力为10~50kPa，采用风机程序控制或者气囊激励或者水封式激励的方式，对进气气流施加1～20Hz的压力波动，压力波动值在1～10kPa之间，这样能在中空纤维膜微孔上的气液界面上形成小压力波动幅度的气流变化，进一步提高气液吸收传质效果。气体穿过中空纤维膜壁面上的微孔与液膜进行接触吸收，液膜在中空纤维膜的外表面及微孔中与气体进行气液接触并形成微鼓泡。
由于中空纤维膜中具有大量的微孔，所以极大地增大了气液接触面积，使得吸收传质速率相对于传统的填料吸收过程得以显著提高，另外在鼓泡吸收下进一步增大了气液接触面积，而且通过鼓泡对气相和液相流体的扰动，提高了吸收传质系数。因此，通过基于多孔中空纤维膜介质，形成了具有气液接触吸收、鼓泡吸收以及显著增大的气液接触面积和吸收传质系数特征的膜吸收过程，因此利用本实施例的方法可大大提升了气液吸收速率，使得在满足甲烷提纯要求的前提下，可有效降低操作压力，实验研究证明可将甲烷/二氧化碳分离操作压力降低至10～50kPa。
作为本发明提纯生物甲烷的膜吸收方法一种优选的实施例，还可以将反应后的吸收液收集起来经再生处理后，作为进液重新进入喷淋器进行循环工作。再生处理方式可以采用常规的脱碳液再生方法，如加热、减压等操作。
Claims (10)
1.一种提纯生物甲烷的膜吸收装置，其特征在于：其包括至少两个串联在一起的膜吸收单元（1），膜吸收单元（1）包括具有内腔的吸收器，吸收器内腔的底部为储液槽（12），吸收器内腔的上部的喷淋器（11），喷淋器（11）上连接有进液口（17），储液槽（12）上连接有排液口（18），吸收器顶部位于喷淋器（11）上方的位置开设有出气口（16），吸收器内腔位于喷淋器（11）和储液槽（12）之间设有中空纤维膜（13），中空纤维膜（13）为多孔疏水性高分子聚合物制成的空心管，吸收器位于喷淋器（11）和储液槽（12）之间的壁面上设有进气腔（14），进气腔（14）上设有位于吸收器外部的进气口（15），中空纤维膜（13）的一端与进气腔（14）连通、另一端为密封安装在吸收器壁面上的盲管。
2.根据权利要求1所述的提纯生物甲烷的膜吸收装置，其特征在于：相邻两个膜吸收单元中，前一个膜吸收单元的出气口（16）与后一个膜吸收单元的进气口（15）之间连通有气体连接管（2），前一个膜吸收单元的排液口（18）与后一个膜吸收单元的进液口（17）之间连通有液体连接管（3）。
3.根据权利要求1所述的提纯生物甲烷的膜吸收装置，其特征在于：所述中空纤维膜（13）采用聚偏氟乙烯PDVF或者聚四氟乙烯PFTE或者聚丙烯PP高分子聚合物制成。
4.根据权利要求3所述的提纯生物甲烷的膜吸收装置，其特征在于：所述中空纤维膜（13）的内径为0.2～2.0mm、壁厚为0.1～0.5mm，中空纤维膜表面上微孔的平均孔径为0.1～2.0μm、孔隙率大于50%，相邻两中空纤维膜的布置间距为中空纤维膜外径的0.5～2.5倍之间，相邻的上下两层中空纤维膜交错布置。
5.根据权利要求1~4任意一项所述的提纯生物甲烷的膜吸收装置，其特征在于：所述中空纤维膜（13）安装在吸收器壁面上的一端设有用于密封中空纤维膜的封头，所述喷淋器（11）为喷淋管或者雾化喷头或者盘式分布器或者槽式分布器或者莲蓬头。
6.一种提纯生物甲烷的方法，其特征在于，其包括以下步骤：利用喷淋器向中空纤维膜上喷洒吸收液，在中空纤维膜外表面上形成一层液膜，同时向中空纤维膜内通入待提纯的生物甲烷气体，气体穿过中空纤维膜壁面上的微孔与液膜进行接触吸收，液膜在中空纤维膜的外表面及微孔中与气体进行气液接触并形成微鼓泡。
7.根据权利要求6所述的提纯生物甲烷的方法，其特征在于：控制喷淋器的喷淋密度为1~15点/cm2，气体的进气压力为10~50kPa。
8.根据权利要求7所述的提纯生物甲烷的方法，其特征在于：采用风机程序控制或者气囊激励或者水封式激励的方式，对进气气流施加1～20Hz的压力波动，压力波动值在1～10kPa之间。
9.根据权利要求6所述的提纯生物甲烷的方法，其特征在于：所述吸收液为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钾、一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、甲基二乙醇胺水溶液中的一种或两种及两种以上。
10.根据权利要求6~9任意一项所述的提纯生物甲烷的方法，其特征在于：将反应后的吸收液收集起来经再生处理后，作为进液重新进入喷淋器进行循环工作。
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