CN105561743A - 一种用于合成气膜法脱碳的增湿缓冲系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于合成气膜法脱碳的增湿缓冲系统，将气体膜分离预处理过程中的增湿、缓冲、控温等步骤集成起来，特别适用于以固定载体膜为膜材料的气体膜分离工艺过程，属于膜分离技术领域。把溶液储槽、计量泵、增湿塔置于温箱中，通过温箱控制系统温度，通过溶液储槽中酸或碱的浓度控制增湿水分的pH值，通过计量泵输出液体量控制合成气中的水含量；从增湿塔底部来的合成气经气体分布器控制气流分布后，进入增湿塔中部的填料层与水雾充分接触，而后经除沫器除去部分液滴，出增湿塔后排出界外。与传统膜分离过程的预处理设备及工艺相比，具有集成度高、占地面积小、投资成本低、控制方便等优点，有效地改善了固定载体膜的稳定性和脱碳性能。

Description

一种用于合成气膜法脱碳的增湿缓冲系统

技术领域

一种用于合成气膜法脱碳的增湿缓冲系统，用于以固定载体膜为膜材的膜分离工艺从合成气中脱除二氧化碳，属于膜分离预处理设备技术领域。

背景技术

当前，我国乃至世界都面临着严峻的能源和环境问题。为了解决石油资源的短缺和化石燃料燃烧带来的环境问题，采用H₂、CH₄等新型清洁能源、煤制油技术等代替传统高污染、低效率的传统能源技术受到人们广泛关注。无论是制H₂过程还是在油品的合成过程中，均涉及到合成气的净化，而CO₂正是合成气中的主要杂质组分。同时，CO₂也是最主要的温室气体和化工原料。合成气中的CO₂若不加以脱除，不仅无法满足油品合成所需的原料条件，而且燃烧排放大量的CO₂，导致全球性气候变暖和资源的巨大浪费。因此，从合成气中高效地分离CO₂是大规模应用清洁能源、降低温室气体排放、调整能源结构和合理利用资源的关键。

采用膜分离法脱除CO₂时，与传统方法相比具有设备体积小、操作简单、环境友好等优点，既可用于大规模气体分离过程，也能用于小型分散气体分离过程，操作弹性大。在天然气净化领域，气体膜分离技术已经实现工业化应用。从合成气中捕集CO₂的膜技术的研究，近年来也引起了人们的很大兴趣。然而，目前气体膜技术仅占天然气净化市场的10%，而用于合成气和烟道气中CO₂分离的膜技术还未实现工业化应用，主要技术瓶颈在于高性能分离CO₂膜的缺乏，即膜的透过性和选择性还不够高。

固定载体膜是一种把活性载体如F^-、-NH₂、-COO^-等以共价键的形式固定在高分子骨架上的膜，载体上的功能基团可与特定组分进行特异性可逆反应，从而强化特定组分在膜内的传递，同时载体只能在一定范围内振动而不能自由扩散。该类型的膜突破了传统高分子膜不能同时具有高渗透性和高选择性的Robinson上限，且膜内载体不易流失，极大地延长了膜的寿命，具有良好的应用前景。

然而，固定载体膜在用来分离CO₂时，需要有水的参与。合成气、天然气等气体在进入膜组件之前必须经过一定的预处理，控制气体的含水量。然而，过多的可凝水也会造成膜中载体的流失，最终使膜的选择层失效。另外，有研究表明气体中所含增湿水分的pH值也对CO₂的渗透通量造成一定的影响，特别是在偏酸性的水分中，固定载体膜分离CO₂的性能受到了极大的影响，因此增湿水分的pH值控制也十分有必要。另一方面，温度也对膜的分离性能有重要影响。

针对固定载体膜在工程化应用过程中所遇到的问题，很有必要开发一套集增湿、缓冲、控温于一体的预处理系统，然而目前已报道的气体膜分离预处理系统由于无法增湿或湿度无法控制因而不能用于固定载体膜分离工艺。本发明在于提供一种用于合成气膜法脱碳的增湿缓冲系统，以解决当前固定载体膜在应用中出现的稳定性差、CO₂渗透速率低的问题，进一步加快固定载体膜的工业化应用进程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于合成气膜法脱碳的增湿缓冲系统，适用于以固定载体膜为膜材料的气体膜分离过程，以解决现有气体膜分离预处理系统功能单一、无法增湿的问题。

本发明是这样实现的：用于合成气膜法脱碳的增湿缓冲系统，其特征在于该系统包括以下设备：温箱、溶液储罐、计量泵、增湿塔，从造气塔来的合成气经增湿塔底部的气体分布器分散后进入增湿塔中间的填料层，在填料层中气体被增湿塔顶部喷淋的水雾充分饱和，经增湿塔顶部的除沫器除去部分大粒径的液滴，后由增湿塔顶部预设的气体出口排除界外。

一般地，所述溶液储罐、计量泵、增湿塔全部位于温箱之中，便于温度控制。

所述温箱的温度控制范围是0^oC~95^oC。

所述溶液储罐中添加的水为脱盐水，添加的酸是H₂SO₄、HNO₃、HCl、H₂SO₄中的一种或几种，添加的碱是NaOH、KOH、K₂CO₃、Na₂CO₃中的一种或几种。

所述溶液储罐设有补水口和补酸或碱口。

所述溶液储罐中的水溶液的pH值为4~14，优选为8~12。

所述溶液储罐设有液位计和pH计，可以随时监测溶液储罐中的液位和pH变化。

所述计量泵的输出压力为2.0~3.0MPa，流量可调。

所述自增湿塔底部来的合成气的主要成分包括CO₂、CO、H₂、N₂、H₂S、CH₄、重烃、H₂O，其中干气组成：CO₂含量10%~50%，H₂含量20%~60%，CO含量1%~20%，N₂含量1%~40%，H2S含量为50ppm~1%，CH₄含量1%~5%，重烃组成0.01%~0.5%。

所述增湿塔的底部设有排液阀，定期排出塔内多余的水分。

所述增湿塔底部进气口上方设置有气体分布器，由塔底来的气体在上升过程中可由气体分布器的孔道均匀分布。

所述增湿塔底部的气体分布器设置有供液滴下沉至塔底的孔道。

所述增湿塔的中部设置有填料层，在填料提供的大比表面积下，气体与水雾充分接触并饱和。

所述增湿塔中部填料层所采用的填料可以是散装填料，也可以是规整填料，也可以是二者的组合。

所述增湿塔填料层的上方设有液体喷雾器，雾状水滴的直径在0.5~5μm。

所述增湿塔喷雾装置的上方设置有除沫器，可除去直径在50μm以上的水滴。

所述增湿塔顶部出气管路上设置有湿度控制仪，出增湿塔合成气水含量的变化可通过调节计量泵的输出液体量进行调节。

所述增湿塔顶部出系统的合成气水含量控制范围是10%~50%。

本发明的优点和达到的效果是：将增湿、缓冲、控温等膜分离过程的预处理过程集成起来，特别适用于以固定载体膜为膜材料的气体膜分离过程，大大提高了气体膜的分离性能和膜的稳定性，解决了传统膜工艺中膜功能载体易流失、水分易挥干的难题，该工艺方法具有流程简单、集成度高、占地面积小、控制方便等优点。

附图说明

图1是本发明实施例用于合成气膜法脱碳的增湿缓冲系统简图。

附图中：1—温箱；2—溶液储罐；3—液位计；4—pH计；5—计量泵；6—湿度仪；7—压力表；8—除沫器；9—液体喷雾器；10—填料层；11—气体分布器；12—增湿塔；13—排液阀。

具体实施方式

下面结合附图和操作过程对本发明作进一步的详细描述。

实施例：本实施例如附图1所示，开启温箱1的电源，使系统温度上升至设定值并稳定5h，与系统温度匹配的脱盐水和碱或酸由外界来补入溶液储槽中2中，在溶液储槽2设置的pH计4和液位计3的监测下，调节水溶液pH值至设定值，而后启动计量泵5，缓慢调节输出流量至设定值，由溶液储槽2来的水溶液经计量泵5加压至指定压力，入增湿塔12顶部的液体喷雾器9，在水溶液在液体喷雾器9的作用下分散成粒径为0.5~5μm的水雾。含水量较少的合成气由增湿塔12底部进入，而后上升至气体分布器11，在气体分布器11的作用下，合成气被均匀分布并上升至增湿塔12中部的填料层10中，在填料层10中的填料的作用下合成气与水雾充分接触饱和，而后上升至填料层10上方的喷雾空间，在除沫器8的作用下除去粒径大于50μm的水滴，饱和水的合成气在湿度仪6的控制下通过控制计量泵5的流量控制水含量，达到指定水含量的合成气排除界外。

Claims (10)

1.一种用于合成气膜法脱碳的增湿缓冲系统，其特征在于该系统包括以下设备：温箱、溶液储罐、计量泵、增湿塔，从造气塔来的合成气经增湿塔底部的气体分布器分散后进入增湿塔中间的填料层，在填料层中气体被增湿塔顶部喷淋的水雾充分饱和，经增湿塔顶部的除沫器除去部分大粒径的液滴，后由增湿塔顶部预设的气体出口排除界外。

2.根据权利要求1所述的用于合成气膜法脱碳的增湿缓冲系统，其特征在于溶液储罐、计量泵、增湿塔全部封存于温箱中，温箱的温控范围是0^oC~95^oC。

3.根据权利要求1所述的用于合成气膜法脱碳的增湿缓冲系统，其特征在于溶液储罐中的液体由碱或酸的水溶液组成，水溶液的pH值控制在4-14。

4.根据权利要求3所述的用于合成气膜法脱碳的增湿缓冲系统，其特征在于溶液储罐中的酸为H₂SO₄、HNO₃、HCl、H₂SO₄中的一种或几种；溶液储罐中的碱为NaOH、KOH、K₂CO₃、Na₂CO₃中的一种或几种。

5.根据权利要求1或2所述的用于合成气膜法脱碳的增湿缓冲系统，其特征在于溶液储罐安装有液位控制系统和pH控制系统。

6.根据权利要求1或2所述的用于合成气膜法脱碳的增湿缓冲系统，其特征在于计量泵的泵送压力为2.0MPa~3.0MPa。

7.根据权利要求1或2所述的用于合成气膜法脱碳的增湿缓冲系统，其特征在于增湿塔的底部设置有气体分布器和排液口。

8.根据权利要求1或2所述的用于合成气膜法脱碳的增湿缓冲系统，其特征在于增湿塔中部设置有填料层，填料的类型为规整填料和散装填料中的一种或二者的组合。

9.根据权利要求1或2所述的用于合成气膜法脱碳的增湿缓冲系统，其特征在于增湿塔的顶部设置有液体喷雾器和除沫器。

10.根据权利要求1所述的用于合成气膜法脱碳的增湿缓冲系统，其特征在于增湿塔顶部的出气管路上设置有湿度控制仪，随时检测出增湿塔合成气的水含量。