CN115105930A - 一种多功能中空纤维膜气体分离纯化系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能中空纤维膜气体分离纯化系统与方法，包括中空纤维膜组件、原料气前处理元件、原料气体缓冲罐、三元过滤组件、压缩气体缓冲罐、含稳压阀的气体再压缩组件，所述原料气前处理组件可根据原料气组成配置露点控制、酸性气体脱除和加热元件；原料气体缓冲罐中的原料气可以由气罐直接供应混合气体，也可以由两个二阶膜组件中排出的渗透气体及未渗透气体进行混合作为原料气，原料气缓冲罐出口与三元过滤组件相连；压缩器缓冲罐设有进气口与出气口，其中进气口与三元过滤组件出口相连，出气口与中空纤维膜组件进气口相连。采用本发明的中空纤维气体分离纯化系统可同时实现膜组件性能与稳定性评价、单级和多级膜分离工艺设计及优化、气体分离膜系统集成与经济性评价等多种功能，具有节省原料、操作简单、维护方便，用途广泛等特点。
Description
技术领域
本发明属于气体分离膜领域，具体涉及一种多功能中空纤维膜气体分离纯化系统及方法。
技术背景
气体分离膜技术是利用混合气体中各组分在膜中渗透速率的不同而实现气体分离的方法，它具有成本低、能效高、占地面积小和操作维护简单等优点，在氢气分离纯化(H2/N2,H2/CH4)、空气分离(O2/N2)、CO2的捕集与分离(CO2/N2,CO2/CH4) 等领域中具有广泛应用，是一种绿色可持续的气体分离技术。
气体分离膜技术的核心是膜组件，迄今已开发的膜分离器包括卷式膜、平板膜和中空纤维膜组件等，其中中空纤维膜具有单位体积装填密度大、比表面积高、膜组件加工简化和易于放大等诸多优点。膜组件的气体分离性能和稳定性评价是膜组件开发过程中不可或缺的重要环节。此外，气体分离过程往往面临着原料气变化范围广、成份复杂等难题，单级膜系统很难满足多种工况的提纯率，因此亟待开发一种能满足气体分离膜高效工艺设计和系统集成的系统和方法。
CN111116295A中公开了一种CO2驱采出气高效膜分离与提纯的装置及方法，该系统采用二级膜分离系统，可同时得到高纯CO2和CH4，当该装置用途单一，无法实现其它膜分离工艺和系统集成应用。
本发明的目的是在于针对现有气体分离膜系统和装置存在的问题或不足，提供一种多功能中空纤维膜气体分离纯化系统与方法，从而实现膜组件性能和稳定性评价、膜分离工艺设计、膜分离系统集成和膜分离过程经济性评价等多种功能和用途。
发明内容
本发明所提供的技术方案为：
一种多功能中空纤维膜气体分离纯化系统与方法，包括：原料气罐1、原料气缓冲罐2、三元过滤组件3、压缩器缓冲罐4、一级中空纤维膜组件5-1，6-1、二级中空纤维膜组件5-2， 6-2、含稳压阀的气体再压缩组件7等。其中气罐中可供应一种或多种不同气体，用于纯气体和混合气体的渗透测试；三元过滤组件孔径分别为>1μm、1μm、300nm，依次除去粉尘，水汽，油雾等，防止对膜组件造成污染。原料气体缓冲罐容量为20-100L，用于维持系统压力稳定；压缩气体缓冲罐容积为20-100L，工作压力为0-10MPa，用于降低压力波动保护膜组件；二级膜分离组件为待测试的膜组件及膜材料，用于进一步从混合气体中分离某一组分。经过膜组件分离后的渗透气体以及渗余气体均可进行分析进而确定待测膜的分离性能。
本发明具有以下优点：具有多种测试方式可应用于不同的实验环境；膜组件为标准接头，便于更换；气体可循环利用，节约成本；设备本身体积小易于存放及移动。
附图说明
图1为发明装置的结构示意图；
图2为本发明装置的第一种实施方式；
图3为本发明装置的第二种实施方式；
图4为本发明装置的第三种实施方式。
具体实施方式
现结合附图通过以下实施方式来对本发明作进一步说明。
如图所示一种多功能中空纤维膜气体分离纯化系统与方法，包括：原料气罐1、原料气缓冲罐2、三元过滤组件3、压缩器缓冲罐4、中空纤维膜组件膜组件，其中包括一级膜组件 5-1，6-1、二级膜组件5-2，6-2，含稳压阀的气体再压缩组件7。其中气罐中可供应一种或多种气体，用于纯气体和混合气体的渗透测试；三元过滤组件孔径分别为>1μm、1μm、300nm，依次除去粉尘、水汽和油雾等，防止对膜组件造成污染。原料气体缓冲罐容量为20-100L，在常温下工作，用于维持系统压力稳定；压缩气体缓冲罐容积为20-100L，工作压力为0-10MPa，用于降低压力波动保护膜组件；二级膜分离组件为待测试的膜组件壳体及膜材料，用于进行气体分离性能测试。
中空纤维膜组件5-1、5-2可使用内径55mm长度360mm、内径55mm长度600mm和内径为90mm长度为1000mm三种规格膜组件中的一种或多种。
中空纤维膜组件6-1、6-2可使用内径55mm长度360mm、内径55mm长度600mm和内径90mm长度为1000mm三种规格膜组件中的一种或多种。
一种多功能中空纤维膜气体分离纯化系统与方法的实施方法，具体包括以下步骤，但不限于以下步骤：
实施方法1：
如图2，原料气体由气罐1进入原料气缓冲罐2实现系统压力稳定，在经过三元过滤组件3依次除去粉尘，水汽和油雾等。
气体经过压缩气缓冲罐4降低压力波动后，通过减压阀减压由芯侧进入一级膜分离组件 5-1，其中渗透气体经组件壳侧渗透气出口排出，渗余气从芯侧渗余气出口排出进行放空或者分析操作。
渗余气或者经由二阶膜组件的芯侧原料气入口进入二级膜组件5-2进行二级膜分离，进一步分离后得到高纯度渗余气体(纯度＞98％)，壳侧渗透出的渗透气体一部分进行放空或者分析操作，另一部分进入原料气缓冲罐2作为混合原料气掺杂气体循环利用继续进行测试。
可通过对渗透气体、渗余气体的分析以及数据的处理得到测试膜的分离性能。
实施方法2：
如图3，混合气由气罐1进入原料气缓冲罐2实现系统压力稳定，在经过三元过滤组件依次除去灰尘和粉尘，水汽，油雾等。
气体经过压缩气缓冲罐4降低压力波动后，通过减压阀减压由芯侧进入一级膜分离组件 6-1，其中渗余气(纯度＞98％)由芯侧未渗透气体出口排出。
其中渗透气体经组件壳侧渗透气出口排出去分析仪分析或者进入含稳压阀的气体再压缩组件7进行再压缩后，作为原料气体由二阶膜组件芯侧进入二阶膜组件进行二阶膜分离。
所述经过含稳压阀的气体再压缩组件7再压缩后的气体压力为0.1-10MPa。
气体经由二阶膜组件6-2的芯侧原料气入口进入二阶膜组件6-2进行二级膜分离后得到高纯度渗余气体气体(纯度＞98％)进入原料气缓冲罐2作为混合原料掺杂气体循环利用继续进行测试或者进行放空操作。
其中高纯度渗透气体由壳侧渗透气出口排出。
可通过对渗透气体、渗余气体的分析以及数据的处理得到测试膜的分离性能。
实施方法3：
如图4，原料气由从二阶膜组件5-2壳侧渗透气出口排出的高纯度渗透气与二阶膜组件 6-2芯侧渗余气出口排出的高纯度渗余气组成，在原料气缓冲罐中完成混合后进入三元过滤组件依次除去灰尘和粉尘，水汽，油雾等。
原料气离开压缩气缓冲罐4后，通过减压阀减压由芯侧进入一级膜分离组件5-1以及一级膜组件6-1。
其中经过组件5-1的气体脱去渗透气后由芯侧渗余气气出口排出进入二阶膜组件5-2进行二级分离；经过组件6-1的气体脱出的气体经过壳侧的渗透气出口排出后经过带有稳压阀的气体再压缩组件7，在进入二阶膜组件6-2进行二级分离。
所述经过含稳压阀的气体再压缩组件7再压缩后的气体压力为0.1-10MPa。
其中进入二阶膜组件5-2的气体脱出的高纯度渗透气体与经二阶分离膜组件6-2纯化的高纯度渗余气体返回原料气缓冲罐进行混合作为原料气使用，从而实现气体的循环利用。
可通过对渗透气体、渗余气的分析以及数据的处理得到测试膜的分离性能。
实施例1
某研究所研发出用于天然气脱碳的新型聚酰亚胺中空纤维膜，现利用本发明装置进行膜性能的测试。
天然气经气体前处理降低露点为-20℃，脱除H2S并加热至40℃并由气罐1进入原料气缓冲罐2实现系统压力稳定，在经过三元过滤组件3依次除去灰尘和粉尘，水汽，油雾等。
气体经过压缩气缓冲罐4降低压力波动后，通过减压阀减压由芯侧进入一级膜分离组件 5-1，其中CO2渗透气体经组件壳侧渗透气出口排出，未渗透气体包含大量CH4以及少量未脱除的CO2从芯侧未渗透气出口排出进行放空或者分析操作。
未渗透气体或者经由二阶膜组件的芯侧原料气入口进入二阶膜组件5-2进行二级膜分离，进一步脱除CO2后得到高纯度CH4气体(纯度＞98％)，壳侧渗透出的CO2气体一部分进行放空或者分析操作，另一部分进入原料气缓冲罐2作为混合原料其中的CO2掺杂气体循环利用继续进行测试。
可通过对渗透气体、渗余气的分析以及数据的处理得到测试膜的分离性能。
实施例2
某研究所研发出用于空气分离的新型聚砜中空纤维膜，现利用本发明装置进行膜性能的测试。
沼气由气罐1进入原料气缓冲罐2，在经过三元过滤组件依次除去灰尘和粉尘，水汽，油雾等。
气体经过压缩气缓冲罐4降低压力波动后，通过减压阀减压由芯侧进入一级膜分离组件 6-1，其中渗余气体为N2(纯度＞98％)由芯侧未渗透气体出口排出。
其中O2渗透气体经组件壳侧渗透气出口排出去分析仪分析或者进入含稳压阀的气体再压缩组件7再压缩后，作为原料气体由二阶膜组件芯侧进入二阶膜组件进行二阶膜分离。
所述经过含稳压阀的气体再压缩组件7再压缩后的气体压力为0.1-10MPa。
气体经由二阶膜组件6-2的芯侧原料气入口进入二阶膜组件6-2进行二级膜分离，进一步脱除O2后得到高纯度N2气体(纯度＞98％)进入原料气缓冲罐2作为混合原料其中的N2掺杂气体循环利用继续进行测试或者进行放空操作。
其中O2渗透气体由壳侧渗透气出口排出。
可通过对渗透气体、渗余气的分析以及数据的处理得到测试膜的分离性能。
实施例3
某研究所研发出用于弛放气回收氢气的新型聚酰亚胺中空纤维膜，现利用本发明装置进行膜性能的测试。
原料气由从二阶膜组件5-2壳侧渗透气出口排出的高纯度H2与二阶膜组件6-2芯侧渗余气出口排出的渗余气体(N2、CH4等)组成，在原料气缓冲罐中完成混合后进入三元过滤组件依次除去灰尘和粉尘，水汽，油雾等。
原料气离开压缩气缓冲罐4降低压力波动后，通过减压阀减压由芯侧进入一级膜分离组件5-1以及一级膜组件6-1。
其中经过组件5-1的气体脱去H2渗透气后由芯侧渗余气出口排出进入二阶膜组件5-2进行二级分离；经过组件6-1的气体脱出的气体经过壳侧的渗透气出口排出后经过带有稳压阀的气体再压缩组件7再压缩，在进入二阶膜组件6-2进行二级分离。
所述经过含稳压阀的气体再压缩组件7再压缩后的气体压力为0.1-10MPa。
其中进入二阶膜组件5-2的气体脱出的高纯度H2气体与经二阶分离膜组件6-2渗余气体返回原料气缓冲罐进行混合作为原料气使用，从而实现气体的循环利用。
可通过对渗透气体、渗余气的分析以及数据的处理得到测试膜的分离性能。
Claims (11)
1.一种基于膜分离法的多功能中空纤维膜气体分离纯化系统与方法，其特征在于，所述装置包括：原料气罐、原料气前处理元件、原料气缓冲罐、三元过滤组件、压缩器缓冲罐、两根一级膜组件、两根二级膜组件、含稳压阀的气体再压缩组件等组成。
2.根据权利要求1所述，一种多功能中空纤维膜气体分离纯化系统与方法，其特征在于，原料气罐中可供应单一气体或混合气体，用于纯气体和混合气体的渗透测试；三元过滤组件孔径分别为>1μm、1μm、300nm，依次除去粉尘，水汽，油雾等，防止对膜组件造成污染。
3.根据权利要求1所述，一种多功能中空纤维膜气体分离纯化系统与方法，其特征在于，原料气体缓冲罐容量为20-100L，用于维持系统压力稳定；压缩气体缓冲罐容积为20-100L，工作压力为0-10MPa，用于降低压力波动保护膜组件。
4.根据权利要求1所述，一种多功能中空纤维膜气体分离纯化系统与方法，其特征在于，所述的膜组件为中空纤维膜组件。
5.根据权利要求1所述，一种多功能中空纤维膜气体分离纯化系统与方法，其特征在于，所述分离过程为一级或者多级膜分离过程，并可实现多个膜组件的并联或串联。
6.根据权利要求1所述，一种多功能中空纤维膜气体分离纯化系统与方法，其特征在于，膜分离组件为待测试的膜组件及膜材料，用于从混合气体中分离某一组分。经过膜组件分离后的渗透气体以及渗余气体均可进行分析进而确定待测膜的分离性能。
7.根据权利要求1所述，一种多功能中空纤维膜气体分离纯化系统与方法，其特征在于，该方法可实现膜分离过程的系统集成和经济性评价，并可完成1-10m3/h的膜法气体分离小试实验。
8.根据权利要求1所述，一种多功能中空纤维膜气体分离纯化系统与方法，其特征在于，所述分离过程可以实现>98％的回收率，采用二级或多级膜分离过程可实现产品气纯度>99％。
9.根据权利要求1所述，一种多功能中空纤维膜气体分离纯化系统与方法，其特征在于，所述膜组件渗透气、渗余气皆可实现回收循环利用。
10.一种多功能中空纤维膜气体分离纯化系统与方法，其特征在于，所述气体分离膜系统和方法过程可应用于氢气分离纯化、空气分离、CO2的捕集与分离，但不限于以上领域。
11.一种多功能中空纤维膜气体分离纯化系统与方法，其特征在于，所述的膜法气体分离过程包括以下步骤，但不限于以下步骤：
(1)原料气前处理，分别经降温露点控制，脱除有害气体组分，原料气升温过程后由气罐1进入原料气缓冲罐2实现压力稳定，在经过三元过滤组件3依次除去灰尘和粉尘，水汽，油雾等。
(2)气体经过压缩气缓冲罐4降低压力波动后，通过减压阀减压由芯侧进入一级膜分离组件5-1，其中渗透气经组件壳侧渗透气出口排出，渗余气从芯侧渗余气出口排出进行放空、分析操作或存储。
(3)渗余气或经由二阶膜组件的芯侧原料气入口进入二阶膜组件5-2进行二级膜分离，进一步得到高纯度气体(纯度＞99％)，壳侧渗透气一部分进行放空、分析操作或存储，另一部分进入原料气缓冲罐2作为混合原料气循环利用继续进行测试。
(4)可通过对渗透气、渗余气体的分析以及数据的处理得到膜组件的分离性能，并可通过对系统的长期运行分析膜组件的稳定性。
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