CN114591769A - 一种用于天然气脱除硫化氢的膜系统结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于天然气脱除硫化氢的膜系统结构，该膜系统结构包括：罐本体(1)、盖体(2)以及管线集成(3)，罐本体(1)为上部具有开口的圆柱状筒体，该罐本体(1)具有圆柱状的内部容纳空间，在罐本体(1)的上部开口上密封覆盖有盖体(2)，该盖体(2)为圆盘状的形状，盖体(2)与罐本体(1)为上部开口卡合密封，管线集成(3)穿过罐本体(1)的底面和/或盖体(2)来输送流体。
Description
技术领域
本发明涉及过滤膜系统结构技术领域，具体涉及一种用于天然气脱除硫化氢的膜系统结构。
背景技术
天然气作为优质的燃料和重要的化工原料，其应用越来越引起人们的重视，加快天然气工业的发展已经成为当今世界的趋势。但是约30％的天然气中含有硫，硫化氢有剧毒与强腐蚀性，不仅会污染环境，而且在传输的过程中会腐蚀管道和装置，因此必须对天然气进行脱除硫化氢的处理。
目前天然气脱硫工艺众多，主要有湿法和干法两大类。传统脱硫技术都存在某些不足:湿法中富液再生一直是难题，不仅会消耗较多热量，也会产生降解产物；干法中吸附剂的脱硫条件较严格，且再生困难，可循环使用的次数较少。一些新方法，如离子液体脱硫以及臭氧氧化法等，也因部分技术问题近期内难以推广。膜法天然气脱硫因能耗低、污染少且易与传统工艺组合等优点受到研究者的关注。随着制膜工艺的完善和新型膜材料的出现，膜法天然气除硫技术将成为传统工艺强有力的竞争对手。
但是，目前的膜法天然气除硫工艺的脱硫效率还比较低，造成了脱硫工艺中必须使用大接触面积的过滤膜，使得生产成本提高，工艺效率降低。
综上所述，需要提供一种具有较高脱硫效率的用于天然气脱除硫化氢的膜系统结构。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：目前的膜法天然气除硫工艺的脱硫效率还比较低，造成了脱硫工艺中必须使用大接触面积的过滤膜，使得生产成本提高，工艺效率降低。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种用于天然气脱除硫化氢的膜系统结构，该膜系统结构包括：罐本体1、盖体2以及管线集成3，罐本体1为上部具有开口的圆柱状筒体，该罐本体1具有圆柱状的内部容纳空间，在罐本体1的上部开口上密封覆盖有盖体2，该盖体2为圆盘状的形状，盖体2与罐本体1为上部开口卡合密封，管线集成3穿过罐本体1的底面和/或盖体2来输送流体。
具体的，管线集成3包括原料气进气管31、H2S排气管32、产品气输气管33、富液排出管34和贫液流入管35。
具体的，原料气进气管31、H2S排气管32、产品气输气管33、富液排出管34从盖体2上的通孔从罐本体1内部伸出到罐本体1和盖体2密封的空间外部；贫液流入管35从罐本体1的底部传出，伸出到罐本体1和盖体2密封的空间外部。
具体的，上述料气进气管31、H2S排气管32、产品气输气管33、富液排出管34和贫液流入管35穿过盖体2或者罐本体1的通孔位置经由密封处理，该密封处理后的结构能够实现保持内外103Pa以上的压力差密封。
具体的，通气芯管6安装在罐本体1的圆柱形容纳空间中，且通气芯管6的中轴线与罐本体1的圆柱形容纳空间的中轴线共线。
具体的，通气芯管6整体具有哑铃状的形状，具有直径较大的上部圆柱61和下部圆柱63以及直径比较小的中部圆柱62。
具体的，通气芯管6的内部还具有和原料气进气管31连接的气体通道4，该气体通道4具有位于上部圆柱61内部的上段部分41、位于中部圆柱62内部的中段部分42和位于下部圆柱63内部的下段部分43。
具体的，在通气芯管6的中部圆柱62的柱体上分布了多个贯穿通孔62H，上述多个贯穿通孔62H的轴向延伸方向从柱体内部空心管道的内侧壁到柱体外部的外侧表面。
具体的，在通气芯管6的中部圆柱62的外表面与上部和下部圆柱61、63的外表面的偏移距离内，从中心向外侧设置了圆柱状的接触腔7以及圆筒状的H2S选择透过膜8；圆筒状结构H2S选择透过膜8内表面和通气芯管6的中部圆柱62的外表面之间形成圆筒状的接触腔7。
具体的，在圆筒状结构H2S选择透过膜8的外侧围绕了H2S气体导出腔9，该H2S气体导出腔9为具有内侧壁和外侧壁的圆筒状空腔；在H2S气体导出腔9的外侧壁与罐本体1的侧壁之间还设置了圆筒状的过滤隔板10，经由过滤隔板10将H2S气体导出腔9的外侧壁与罐本体1的侧壁之间的空间分隔为气体二次过滤腔101和吸收液腔12。
本发明提供的一种用于天然气脱除硫化氢的膜系统结构，具有较高的脱硫效率，有利于生产成本的降低。
附图说明
图1为本发明提供的天然气脱除硫化氢的膜系统结构示意图。
图2为本发明提供的天然气脱除硫化氢的膜系统结构的剖视图。
图3为过滤隔板的展开结构示意图。
图4为吸收膜的工作原理图。
具体实施方式
以下将对本发明提供的用于天然气脱除硫化氢的膜系统结构作进一步的详细描述。
下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有益效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须作出大量实施细节以实现开发者的特定目标。
为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用一方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，本申请提供的用于天然气脱除硫化氢的膜系统结构包括罐本体1、盖体2以及原料气进气管31、H2S排气管32、产品气输气管33、富液排出管34和贫液流入管35构成的管线集成3。
其中，罐本体1为上部具有开口的圆柱状筒体，该罐本体1的材料可以为耐酸碱腐蚀的塑料、树脂、金属或者复合材料。例如，ABS树脂、不锈钢等材料。该罐本体1具有内部容纳空间，该容纳空间也为圆柱状，该容纳空间的高度为50-60cm，圆形底部的直径为40-50cm。该罐本体1的侧壁具有3-5cm的厚度，底壁具有5-10cm的厚度。
在罐本体1的上部开口上密封覆盖有盖体2，该盖体2为大致圆盘状的形状，盖体2的下表面具有带有密封条或密封环的卡槽，该卡槽与罐本体1为上部开口的形状吻合，可以与罐本体1为上部开口卡合密封。
优选的，盖体2的卡槽可以具有弹性的卡固装置，例如卡舌等，罐本体1为上部开口的边缘可以具有凸缘或者凸块，该凸缘或者凸块可以和卡固装置进行配合，形成固定的卡合结构，使得罐本体1内部具有一定压力的条件下，仍然能够保持罐本体1和盖体2的密封闭合。
作为替换实施例，盖体2和罐本体1还可以通过外部附加的固定装置，例如螺栓或者夹具等方式，进行固定安装，来保证罐本体1和盖体2的密封闭合。
管线集成3包括原料气进气管31、H2S排气管32、产品气输气管33、富液排出管34和贫液流入管35。其中，原料气进气管31、H2S排气管32、产品气输气管33、富液排出管34从盖体2上的通孔从罐本体1内部伸出到罐本体1和盖体2密封的空间外部；贫液流入管35从罐本体1的底部传出，伸出到罐本体1和盖体2密封的空间外部。上述料气进气管31、H2S排气管32、产品气输气管33、富液排出管34和贫液流入管35穿过盖体2或者罐本体1的通孔位置经由密封处理，该密封处理后的结构能够实现保持内外103Pa以上的压力差密封。
请参见图2，下面进一步介绍本申请提供的天然气脱除硫化氢的膜系统结构的内部构造。图2为图1结构示意图沿竖直方向切割开得到的内部截面图。
通气芯管6安装在罐本体1的圆柱形容纳空间中，且通气芯管6的中轴线与罐本体1的圆柱形容纳空间的中轴线共线。通气芯管6整体具有哑铃状的形状，即具有直径较大的上部圆柱61和下部圆柱63以及直径比较小的中部圆柱62。优选的，上部圆柱61和下部圆柱63的外径为中部圆柱外径的1.8-2倍，上部圆柱61和下部圆柱63的高度可以为中部圆柱直径的1/3到1/2。更加优选的，中部的外径为10-15cm，高度为25-35cm。
通气芯管6的内部还具有和原料气进气管31连接的气体通道4，该气体通道具有位于上部圆柱61内部的上段部分41、位于中部圆柱62内部的中段部分42和位于下部圆柱63内部的下段部分43。
其中，上段部分41和原料气进气管31直接连接，上段部分41与原料气进气管31直接连接的部分具有直径D1，在该与原料气进气管31直接连接的部分下方设置了第一缓冲腔，该第一缓冲腔为球状腔体，该球状腔体具有直径D2；中段部分42为具有直径D3的圆柱管体；下段部分包括位于底部的第二缓冲腔和第二缓冲腔和中段部分之间的连接段，第二缓冲腔的直径为D5，连接段的曲率半径圆心在背离通气芯管6的中轴线的方向上，连接段的曲率半径为R4。
其中，气体通道4各部分的尺寸比例关系如下：
D2＝(1+Pi/P0)2D1；
D3＝4ln(Pi/P0)/π(D2-D1)2
R4＝D5/2ln[(Pi-P0)/RT]
D5＝(1+Pi/P0)2D3
其中，Pi为原料气进气管31输入的原料气的气体压力，P0为标准大气压，R为气体常数，T为Pi为原料气进气管31输入的原料气的温度。
通过对通气芯管6的气体通道4的尺寸设计，使得在原料气经由与原料气进气管31直接连接的部分进入直径较大的第一缓冲腔，能够使得气体流速降低到合理的范围内，使得其进一步进入中段部分42时能够有充分的时间与H2S选择透过膜8接触，尽可能多的脱除H2S。而通过第二缓冲腔和连接段的尺寸设计使得经由中段部分42脱除H2S的气体在第二缓冲腔内部形成涡流，使得位于中段部分42下端的气体受到由于涡流循环产生的向上压力，在中段部分42中的保持时间更长，更有利于原料气和H2S选择透过膜8充分接触，提高了脱硫的效率。
在通气芯管6的中部圆柱62的柱体上分布了多个贯穿通孔62H，上述多个贯穿通孔62H的轴向延伸方向从柱体内部空心管道的内侧壁到柱体外部的外侧表面。上述多个贯穿通孔62H的直径为3-5mm，上述多个贯穿通孔62H的中心轴线距离为6-8mm，多个贯穿通孔62H的长度为3-5mm，这样可以充分提高气体从通气芯管6向接触腔7的扩散效率。
在通气芯管6的中部圆柱62的外表面与上部和下部圆柱61、63的外表面的偏移距离内，从中心向外侧设置了圆柱状的接触腔7以及圆筒状的H2S选择透过膜8。其中，以通气芯管6的中心轴线为中心轴线，将H2S选择透过膜8卷绕为一个圆筒状结构，该圆筒状结构H2S选择透过膜8的外表面与上部和下部圆柱61、63的外表面平齐，圆筒状结构H2S选择透过膜8的内表面与中部圆柱62的内表面存在偏移量，由于上述偏移量形成了位于圆筒状结构H2S选择透过膜8内表面和通气芯管6的中部圆柱62的外表面之间的圆筒状的接触腔7，H2S选择透过膜8的整体厚度为1-2cm，其中H2S选择透过功能层为50微米，其下方为透气支撑层，例如多孔聚酯层、多孔陶瓷或者金属网，透气支撑层的厚度在1mm左右。
H2S选择透过功能层的材料可以为醋酸纤维素、聚砜及聚酰亚胺等，它们对硫化物气体有较高的渗透性。
上述圆筒状结构H2S选择透过膜8可以通过位于上部圆柱61的下表面和下部圆柱63的上表面上的卡槽(未示出)固定，也可以通过其他本领域公知的方法固定。
在圆筒状结构H2S选择透过膜8的外侧围绕了H2S气体导出腔9，该H2S气体导出腔9为具有内侧壁和外侧壁的圆筒状空腔，H2S气体导出腔9与通气芯管6的轴心共线；内外壁之间的距离为5cm左右。其内侧壁和外侧壁之间限定了H2S气体导出腔9的导出空间91。H2S气体导出腔9的内侧壁与上部和下部圆柱61、63接触，同时与圆筒状的H2S选择透过膜8的外表面平齐，并且在H2S气体导出腔9的内侧壁与圆筒状的H2S选择透过膜8对应的位置上开设有气体排出槽9H，从而使得圆筒状的H2S选择透过膜8在导出空间91内暴露，使得通过圆筒状的H2S选择透过膜8选择性透过的H2S气体能够进入导出空间91内，并经由与导出空间91直接连通的H2S排气管32被排出系统外。H2S气体导出腔9的上端与罐本体1的上端平齐，下端与下部圆柱63的底面平齐。在H2S气体导出腔9的下端和罐本体1的底表面之间间隔的设置了多个支撑柱(未示出)，从而将气体导出腔9与罐本体1的底表面固定连接，起到了支撑固定气体导出腔9的作用。支撑柱均匀分布在气体导出腔9围成的圆周上，其个数可以为3-6个。
在通气芯管6的下部圆柱63的底端设置了气体导通桥5，该气体导通桥5的上端连接在下部圆柱63的底端，下端连接在罐本体1的底壁内表面。气体导通桥5为一中空的圆筒状结构，其中空部分51连通了第二缓冲腔，在气体导通桥5的中空的圆筒状结构的侧壁上开设有通气孔52。气体导通桥5一方面起到了将通气芯管6固定在罐本体1的底壁的作用，另一方面起到了将经由圆筒状结构H2S选择透过膜8第一次过滤的天然气输送出通气芯管6之外，进入气体二次过滤腔101的作用。中空部分51的长度可以为3-5cm，直径为5cm左右，
具体的，气体导通桥5、通气芯管6和罐本体1可以是一体成型，也可以是分体制作再经由例如焊接、粘接、栓接等本领域熟知的方式组装在一起的。
在H2S气体导出腔9的外侧壁与罐本体1的侧壁之间还设置了圆筒状的过滤隔板10，经由过滤隔板10将H2S气体导出腔9的外侧壁与罐本体1的侧壁之间的空间分隔为气体二次过滤腔101和吸收液腔12。H2S气体导出腔9的外侧壁与过滤隔板10的间距为5cm左右，该空间为气体二次过滤腔101，罐本体1的侧壁与过滤隔板10的间距为5cm左右，该空间为吸收液腔12。过滤隔板10的上端与罐本体1的上端平齐，过滤隔板10的下端固定在罐本体1的底壁上。
过滤隔板10的整体为厚度为3-5mm的硬质圆筒状片材，其材料可以与罐本体1相同。参见图3，过滤隔板10的展开图为在片材上均匀地开设有过滤开槽10H，上述过滤开槽10H用于安装吸收膜11。上述过滤开槽10H的数量可以为6-10个，过滤开槽10H的总面积占过滤隔板10总面积的85％以上。优选的，该过滤开槽10H的至少两个相对的边缘设置有卡槽10C，上述卡槽10C可以设置在上下边缘和/或左右边缘外侧，从而起到固定吸收膜11的作用。作为可替换例，吸收膜11也可以通过设置额外的固定或者弹性压力元件直接固定在过滤开槽10H的边缘外侧或者卡槽10C内，也可以直接粘附固定在过滤开槽10H的边缘外侧或者卡槽10C内。
吸收膜11为疏水性的多孔材料，具体为多孔聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚砜(PSU)，孔隙率为30％-60％之间，疏水性液膜接触角大于60度。该多孔材料的平均孔径为500-1500微米。该吸收膜厚度为5-8mm。
气体二次过滤腔101的下部通过下部圆柱63的底面平齐底面的横向通道与气体导通桥5的通气孔52连通，从而将经由圆筒状结构H2S选择透过膜8首次过滤后的天然气引入气体二次过滤腔101的下部。首次过滤后的天然气从气体二次过滤腔101的下部向上方扩散，并与过滤开槽10H暴露的吸收膜11接触。
参见图4，在吸收膜11的另一侧为吸收液腔12，该吸收液腔12也为中空圆筒状，吸收液腔12的下部连接贫液流入管35，吸收液腔12的上部连接富液排出管34。吸收液经由贫液流入管35流入吸收液腔12，在接触气体并吸收H2S之后，经由富液排出管34流出，并进行硫回收处理。
该吸收液可以为一乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、三乙醇胺(MDEA)、空间位阻胺(AMP)、弱碱性盐、氨水或碳酸氢铵溶液等。该吸收液的表面张力大于389mN/m，从而保证有小孔内足够的液相界面以吸收H2S。
天然气通入气体二次过滤腔101后，天然气进入多孔吸收膜11的小孔内部，吸收液输入到膜在吸收液一侧的孔内部，由于疏水效应和液体张力，在小孔内形成凸起的液相界面，该界面与气体逆流接触，天然气中的H2S渗入到液相界面内被吸收。吸收后的经由富液排出管34流出。经由二次脱除H2S的天然气经由产品气输气管33被输出。
为了更好的理解本发明，现在对于本发明提供的用于天然气脱除硫化氢的膜系统结构的工作原理进行进一步的解释。
原料天燃气经由原料气进气管31进入通气芯管6内部的气体通道4，经由上段部分41到达中段部分42，在中段部分42经由多个贯穿通孔62H天然气向圆筒状结构H2S选择透过膜8扩散，并经由圆筒状结构H2S选择透过膜8的过滤，将天然气中部分的H2S选择性的透过，使得H2S进入H2S气体导出腔9的导出空间91并经由H2S排气管32排出。未经圆筒状结构H2S选择透过膜8选择性透过的天然气继续向下经由下段部分42、气体导通桥5的通气孔52进入气体二次过滤腔101。天然气从气体二次过滤腔101的下部向上方扩散，并与过滤开槽10H暴露的吸收膜11接触。天然气通入气体二次过滤腔101后，天然气进入多孔吸收膜11的小孔内部，吸收液输入到膜在吸收液一侧的孔内部，由于疏水效应和液体张力，在小孔内形成凸起的液相界面，该界面与气体逆流接触，天然气中的H2S渗入到液相界面内被吸收。吸收后的经由富液排出管34流出。经由二次脱除H2S的天然气经由产品气输气管33被输出。
对比试验
实施例采用本发明提供的天然气脱除硫化氢的膜系统结构；对比例采用采用单一吸收膜，吸收膜具体多孔PVC膜管。模拟气源为H2S钢瓶气与来自风机的空气混合而成,H2S的浓度控制在8500mg/m3左右，压力为40kPa，吸收液采用5％的NaOH碱性吸收液，蠕动泵循环。膜吸收器进出口气体中H2S浓度用碘量法分析。本申请H2S去除率达94.6％，而对比例的H2S去除率为87.2％。
本发明中的必要参数的获取如压强，流量的均可以通过在管路中设置相应压强表或流量计来进行测量和控制。管道中必须的用于气压制造或维持的气泵或泄压口等，为了简化技术方案，进行了省略，但是本领域技术人员根据掌握的技术知识，能够在本申请公开的基础上合理判断上述必须部件设置的位置。
本发明提供的一种用于天然气脱除硫化氢的膜系统结构，具有较高的脱硫效率，有利于生产成本的降低。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，因此以上所述仅为本发明的实施例。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还包括各种等效变化和改进，这些变化和改进都将落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。
Claims (10)
1.一种用于天然气脱除硫化氢的膜系统结构，其特征在于：该膜系统结构包括：罐本体(1)、盖体(2)以及管线集成(3)，罐本体(1)为上部具有开口的圆柱状筒体，该罐本体(1)具有圆柱状的内部容纳空间，在罐本体(1)的上部开口上密封覆盖有盖体(2)，该盖体(2)为圆盘状的形状，盖体(2)与罐本体(1)为上部开口卡合密封，管线集成(3)穿过罐本体(1)的底面和/或盖体(2)来输送流体。
2.根据权利要求1所述用于天然气脱除硫化氢的膜系统结构，其特征在于：管线集成(3)包括原料气进气管(31)、H2S排气管(32)、产品气输气管(33)、富液排出管(34)和贫液流入管(35)。
3.根据权利要求2所述用于天然气脱除硫化氢的膜系统结构，其特征在于：原料气进气管(31)、H2S排气管(32)、产品气输气管(33)、富液排出管(34)从盖体(2)上的通孔从罐本体(1)内部伸出到罐本体(1)和盖体(2)密封的空间外部；贫液流入管(35)从罐本体(1)的底部传出，伸出到罐本体(1)和盖体(2)密封的空间外部。
4.根据权利要求3所述用于天然气脱除硫化氢的膜系统结构，其特征在于：上述料气进气管(31)、H2S排气管(32)、产品气输气管(33)、富液排出管(34)和贫液流入管(35)穿过盖体(2)或者罐本体(1)的通孔位置经由密封处理，该密封处理后的结构能够实现保持内外103Pa以上的压力差密封。
5.根据权利要求1所述用于天然气脱除硫化氢的膜系统结构，其特征在于：通气芯管(6)安装在罐本体(1)的圆柱形容纳空间中，且通气芯管(6)的中轴线与罐本体(1)的圆柱形容纳空间的中轴线共线。
6.根据权利要求5所述用于天然气脱除硫化氢的膜系统结构，其特征在于：通气芯管(6)整体具有哑铃状的形状，具有直径较大的上部圆柱(61)和下部圆柱(63)以及直径比较小的中部圆柱(62)。
7.根据权利要求6所述用于天然气脱除硫化氢的膜系统结构，其特征在于：通气芯管(6)的内部还具有和原料气进气管(31)连接的气体通道(4)，该气体通道(4)具有位于上部圆柱(61)内部的上段部分(41)、位于中部圆柱(62)内部的中段部分(42)和位于下部圆柱(63)内部的下段部分(43)。
8.根据权利要求7所述用于天然气脱除硫化氢的膜系统结构，其特征在于：在通气芯管(6)的中部圆柱(62)的柱体上分布了多个贯穿通孔(62H)，上述多个贯穿通孔(62H)的轴向延伸方向从柱体内部空心管道的内侧壁到柱体外部的外侧表面。
9.根据权利要求8所述用于天然气脱除硫化氢的膜系统结构，其特征在于：在通气芯管(6)的中部圆柱(62)的外表面与上部和下部圆柱(61)、(63)的外表面的偏移距离内，从中心向外侧设置了圆柱状的接触腔(7)以及圆筒状的H2S选择透过膜(8)；圆筒状结构H2S选择透过膜(8)内表面和通气芯管(6)的中部圆柱(62)的外表面之间形成圆筒状的接触腔(7)。
10.根据权利要求9所述用于天然气脱除硫化氢的膜系统结构，其特征在于：在圆筒状结构H2S选择透过膜(8)的外侧围绕了H2S气体导出腔(9)，该H2S气体导出腔(9)为具有内侧壁和外侧壁的圆筒状空腔；在H2S气体导出腔(9)的外侧壁与罐本体(1)的侧壁之间还设置了圆筒状的过滤隔板(10)，经由过滤隔板(10)将H2S气体导出腔(9)的外侧壁与罐本体(1)的侧壁之间的空间分隔为气体二次过滤腔(101)和吸收液腔(12)。
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