CN116920623A - 通过结构优化减小正压中空纤维膜制气组件阻力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氮氧气体分离技术，旨在提供一种通过结构优化减小正压中空纤维膜制气组件阻力的方法。该方法包括：对膜管分离段的结构进行优化，以增加截面直径且减小长度的方式，实现降低阻力损失系数；进一步选择制气组件的端盖形状为中部相对内收的三次方程曲线，充分避免端盖几何边界引发的二次流动。本发明在给定来流压缩空气管径、出口压缩空气管径和膜分离段管径的情况下，能够保证在优化前后通过制气组件的空气流量和停留时间不变，制气组件进出口管段的管径不变；使得结构优化能够确保系统进出口压力相对稳定，在降低系统阻力的同时实现制气组件稳定运行能力和纤维膜管利用效率的双重提升。
Description
技术领域
本发明涉及氮氧气体分离技术，特别涉及一种通过结构优化减小正压中空纤维膜制气组件阻力的方法。
背景技术
不同规格的氧气、氮气在工业生产和科学技术发展中的作用，日益凸显。实际过程中，氧气和氮气产品的主要制取方法有：低温精馏分离法、变压吸附法、膜分离制气法，以及单独制氧的电解法。
低温精馏分离法是以自然界中的空气为原料，在低温下液化后在精馏塔中利用各组分沸点不同分离为氧气和氮气。其特点是占地面积大、基建费用较高，安装要求高、周期较长；设备复杂、一次性投资较多，产气慢、运行成本较高，宜于大规模工业制气。
变压吸附法(PSA)是以空气为原料、以碳分子筛作为吸附剂，运用变压吸附原理，利用碳分子筛对氧和氮的选择性吸附而使氮和氧分离的方法。该方法的问题主要有：空气压缩流程效率低下，大量有机能量被以热能的形式浪费；压缩完成后，在吸附制气阶段有占比相对较高的氧气和氮气在压缩状态下被吸附及再生释放，进一步大量浪费的压缩能；无法做到氧气和氮气的同时制取，制气效率整体受限。
膜分离制气法是利用一定压力条件下的高分子中空纤维膜对氮气和氧气具有不同渗透速率将空气进行分离。该方法的缺陷是：副产气体无法有效回用、成品气的品质难以控制；尤其是含湿量问题解决的难度，因其压力取值限制而激增。
电解法制氧耗电量过大，很不经济，不适用于大量制氧。
从调节性、方便性、安全性和单位气体综合能耗的角度出发，对于同时具有压缩空气和富气需求的用户(富氧、富氮)以及多变的用需求和生产工况，正压中空膜制气工艺是一个重要的发展趋势。其最大的特点是，富氧成品气压力与其它工艺相当的条件下正压富氮气体可以直接当作压缩空气回用，或者作为PSA、VPSA前处理工艺，高效制取高纯度气体，实现最大程度利用压缩能供给高品质无油、无水、无尘成品气体。这是其它方式无法达成的：如深冷法：氮气利用必须加压(二次能耗居高不下)；PSA/VPSA原料空气和成品气体的双重浪费；真空膜制气方法原料气无法充分利用，同时成品气品质难以保证；电解法能耗高无法大流量制取氧气等，各种其它制气工艺都存在无法克服的天生缺陷问题。
对于正压中空膜制气产品，管理部门针对产品及制备工艺提出相应要求，并制定了系列的标准予以规范。例如，通用标准包括《膜分离技术术语》(GB/T20103—2006)和《膜组件及装置型号命名》(GB/T20502—2006)。其中GB/T20103—2006标准界定了膜分离领域包括电渗析、反渗透、纳滤、超滤、微滤、气体分离膜及离子交换膜的常用术语，对膜分离技术领域的221条术语进行了定义，适用于膜与膜材料、膜组件、液体分离、气体分离及其他膜分离过程。GB/T20502—2006标准规定了膜组件及装置型号的命名规则，适用于反渗透、纳滤、超滤、微滤、气体分离膜、电渗析及电去离子装置。
然而，现有的正压中空膜制气工艺也存在技术弊端，主要问题表现在如下两个方面：
(1)传统制气组件的结构如图1、3所示，该设备的核心为中空纤维膜分离段，采用多组长径比较大的中空纤维并行设计。分离段整体的几何结构特征表现为，膜管长度远大于膜组横断面半径的长条状。由于各并行中空膜纤维管的管径很小(通常小于毫米级别)，导致膜分离段整体流通阻力偏高，分离过程氮侧阻力损失偏高的问题。实验数据表明，这种传统式的制气组件，氮气侧阻力损失整体在0.1-0.15MPa的取值。这个大阻力特征，必然限制氮气无法作为仪表气顺利回流；抑或作为PSA的预处理段阻力偏高。从而为了实现回流或者推进后续PSA纯化系统运行，必须提升原料压缩空气的压力，从而导致系统运行能耗偏高。这是传统制气组件无法避免的第一个天生缺陷性问题。与之相伴，对已给定设计工况的气体流程系统而言，留给制气组件作为驱动力的压降往往有限，且工况多变，如何在给定的压降条件下，合理选型制气组件也是制气组件优化必须解决的问题。另外，结合数字化和智慧化管控的大趋势，如何在复杂工况下，实现膜组建运行的可视化监测和管控，也是必须解决的问题。
(2)分离过程气流组织亟待优化，由于传统两种方式制气组件在进入膜分离段和离开膜分离段的流动区域，由于组件本身几何构造对应的流动边界条件的限制，这两种制气组件都具有明显的二次流问题。与之相应，制气组件运行必然存在进出口局部阻力大，且入口压力和出口压力难以稳定控制的问题，从而导致制气组件制气过程失去稳定性的问题。
对于两种形式的制气组件，原料压缩空气，从制气组件进口管段流入，经过对应的进口段后，进入中空纤维膜组分离段。这两种形式的制气组件，在膜分离段的特性上基本是一致的；另外，这两种形式的制气组件，对应的氧气出口段特性也基本相同。其主要差别在于各自对应的进口稳流段和出口稳流段的几何特征上。这两种传统的制气组件，由于进出口段几何边界形状的局限，存在各自不同的二次流问题(如图2、4所示)；对应的局部阻力损失增加的同时，容易造成气体短流，或者说并行分布的中空膜纤维管就会出现流动分布不均匀的问题，造成膜材料分离特性难以充分利用的缺陷，分离效率也必然受到影响。这两种制气组件进口稳流段是不同之处在于，球状端盖膜组进口段的突变性低于平面端盖，但这两种形式的进口段由于管路相对较大的变化，都存在着局部回流形成的旋涡，这必然导致膜组进口截面上压力取值存在相应的波动，不利于产气的稳定性。另外，出口段几何特征对应的二次流动特征也导致出口压力稳定性和阻力损失提升的问题。
基于以上原因，目前在使用正压中空制气组件制气的实际应用过程中，为了确保副产氮气回流，制气原料压缩空气侧压力须要比其它压缩空气高出0.1MPa-0.15MPa，导致原料压缩空气的能耗相对较高。
因此，为提升膜制气的应用能力需要提出具有低阻力特征的高效制气组件设计制造方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种通过结构优化减小正压中空纤维膜制气组件阻力的方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种通过结构优化减小正压中空纤维膜制气组件阻力的方法，包括以下步骤：
(1)以给定应用条件下的正压中空纤维膜制气组件作为优化对象，其膜管分离段的内径为d、长度为l；应保证在优化前后，通过制气组件的空气流量Q空气和停留时间t0不变，制气组件进出口管段的管径不变；
(2)对膜管分离段的结构进行优化，以增加截面直径且减小长度的方式，实现降低阻力损失系数；
具体地，根据公式(1)和(2)设定优化后的膜管分离段的截面直径D和长度L：
D＝((K/k)/δε)1/4·d (1)
L＝(Q空气/(π·D2/4))·t0 (2)
式中：K为优化后的制气组件的阻力损失系数，K＝αβk，α＝δ(d/D)2，β＝ε(d/D)2；δ的取值为0.8～3.0；ε的取值为0.9～3.0；k为优化前的标准制气组件的阻力损失系数，取值范围在0.05-0.1kPa/(Nm3/h)；
(3)在对膜管分离段结构进行优化的基础上，进一步选择制气组件的端盖形状为中部相对内收的三次方程曲线，充分避免端盖几何边界引发的二次流动；
具体地，根据公式(3)和(4)设定优化后进口侧端盖的曲面段直径DJ和出口侧端盖的曲面段直径DC：
DJ＝D1+A×X1+B×X1 2+C×X1 3 (3)
DC＝D3+M×X2+N×X2 2+Q×X2 3 (4)
式中：A、B、C为进口侧端盖的三次方程对应系数，M、N、Q为出口侧端盖的三次方程对应系数，取值目标是简化构造的中部相对内收的三次方程曲线特性；D1为与进口管段相连的端盖进口侧开口的直径；D3为与优化后膜管分离段相连的端盖内侧开口的直径；X1为端盖进口侧开口至直径DJ截面的距离；X2为端盖内侧开口至直径DC截面的距离。
作为本发明的优选方案，所述中部相对内收的三次方程曲线，具体是指维托辛斯基曲线、拉瓦尔喷管曲线或双三次曲线。
作为本发明的优选方案，所述作为优化对象的制气组件，其端盖是球状端盖或平面式端盖。
作为本发明的优选方案，通过结构优化后制气组件的最终阻力损失系数K分离为：
式中：为端盖形状优化带来的二次优化修正系数，其取值目标是简化构造的中部相对内收的三次方程曲线特性。
作为本发明的优选方案，如果按维托辛斯基曲线优化端盖形状，的取值范围为75％～82％；如果按拉瓦尔喷管曲线优化端盖形状，/>的取值范围为78％～85％；如果按双三次曲线优化端盖形状，/>的取值范围为80％～88％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明基于既有标准制气组件和设备现场压降条件下，针对正压中空纤维膜制气组件进行优化选型的理论依据。对于现有的膜分离组建体系而言，本发明所述方法是一个全新的思路。
2、本发明进一步基于中部相对内收的三次方程曲线(如维托辛斯基曲线等)，采用进出口端盖渐扩和渐缩段壁面几何形状设计的近流线化改造，能够在较大范围内更加逼近自然流线，从根本上避免出现既有设备中端盖几何边界引发的二次流动的问题。
3、本发明在给定来流压缩空气管径、出口压缩空气管径和膜分离段管径的情况下，能够保证在优化前后通过制气组件的空气流量Q空气和停留时间t0不变，制气组件进出口管段的管径不变；使得结构优化能够确保系统进出口压力相对稳定，在降低系统阻力的同时实现制气组件稳定运行能力和纤维膜管利用效率的双重提升。
4、本发明的优化对象是传统的中空纤维制气组件，对于给定膜材料和膜孔径，所提出的优化方案是通用的，需要调整的只是各修正参数的取值；因此，本发明的优化方法适于大范围推广应用。
附图说明
图1是球状端盖制气组件的流动几何边界示意图。
图2是球状端盖制气组件的进出口二次流动示意图。
图3是平面式端盖制气组件的流动几何边界示意图。
图4是平面式端盖制气组件的进出口二次流动示意图。
图5是本发明的曲面形端盖制气组件流动几何边界示意图。
图6是本发明中制气组件的进出口段几何构造示意。
图7是本发明制气组件内部的流动状态示意图。
图中的附图标记为：1、制气组件进口管段，2、进口球状端盖，3、进口稳流段，4、膜管分离段，5、出口稳流段，6、出口球状端盖，7、制气组件出口管段，8、氧气出口管段；9、制气组件进口管段，10、进口平面端盖，11、进口稳流段，12、膜管分离段，13、出口稳流段，14、出口平面端盖，15、制气组件出口管段，16、氧气出口管段；17、制气组件进口管段，18、进口曲面端盖，19、进口稳流段，20、膜管分离段，21、出口稳流段，22、出口曲面端盖，23、制气组件出口管段，24、氧气出口管段。
具体实施方式
按标准规范设计制造的正压中空纤维膜制气组件，其结构如图1、3所示，存在膜分离段整体流通阻力偏高、分离过程氮侧阻力损失偏高的问题；并且，由于组件本身几何构造对应的流动边界条件的限制，两种制气组件都具有明显的二次流问题(如图2、3所示)。
针对上述两个问题，本发明提出了一种全新的制气组件优化方法，优化后的制气组件的结构如图5所示。针对既有制气组件进行优化的创新关键节点，包括优化膜分离段和进出口端盖流线化设计这两个方面。
1、优化膜分离段：
本发明结合现场工况，在保证制气组件的空气流量Q空气和停留时间t0不变的前提下，通过合理优化选型充分将有限压降转化为膜分离的驱动力，并基于阻力模型条件提供优化选型的经验理论依据。
申请人经大量实验研究发现，对于制气组件而言，其氮气侧出口端与进口端的阻力差与富氮气体流量呈正比，即：
Δp＝p进口-p出口＝kQ氮气
其中，比例系数k随进口压力和进口温度取值不同。
该公式的作用可以从两个角度去理解：(1)对于给定管束条件的中空纤维管道而言，要优化分离段的阻力必须设法降低阻力损失系数k的取值；(2)对于给定的压降，基于上述公式可作为膜分离段选型的理论依据。
在制气组件中，膜分离段的优化以停留时间t0一致为前提，通过截面流速的优化，在直接降低膜阻力的同时确保能够更为有效利用给定压降作为膜分离的驱动力。对于给定制气组件，其分离段的长度l、内径d；在给定的空气流量Q空气条件下，简化分析停留时间的方法为：
t0＝l/V截面＝l/(Q空气/(π·d2/4))
对于单一的中空膜纤维管而言，在膜材料和通孔直径相同、中空纤维膜管长度相同的条件下，单个膜纤维管阻力特性是不变的。
本发明通过增加膜管分离段整体并联中空纤维管管数，或者说基于并联条件，将膜分离段有效截面直径从d，扩充为D，停留时间不变，从而分离段长度调整为：
L＝(Q空气/(π·D2/4))·t0
在上述条件下，对应的阻力系数修正表现为两个环节：其一是由于有效截面扩大，截面流速下降带来的阻力优化，其二则为管段长度减小带来的阻力优化。
因此本发明提出，基于有效截面扩大的阻力优化模型为：
K1＝αk
其中修正系数α＝δ(d/D)2，δ＝0.8～3.0。
考虑膜纤维长度修正，其长度也与管径呈上述平方性关系；中空纤维膜管长度减小，从而带来二次阻力系数的二次修正；本发明提出进一步的修正模型如下：
K＝βK1＝αβk
其中修正系数β＝ε(d/D)2，ε＝0.9～3.0。
管束截面直径增加，对应的修正系数整体效应呈现出非线性，取值在实际过程中可适当修正。考虑造价限制和流动特性要求，D/d的取值范围定义为(1,2]。实际设计过程需要考虑现场空间布置条件，可以作适当调整。
上述分析是基于分离段截面管径，且停留时间不变的前提；可以根据上述公式确定阻力系数的改变，从而可以计算分离段对应的压降：
ΔpO＝KQ氮气
在传统制气组件的设计制造中，缺少上述运行分析和理论依据，本发明从这个角度填补了这部分的空白。这个模型体系，可以直接作为制气组件运行可视化监控的数值模型基础。即给定制气组件，在不同工况下，阻力特性可以实现可视化监测和反馈。这也是传统体系在数值化管控方面所欠缺的能力，本发明也为有效解决该问题，提供了理论依据，从而为制气组件的智慧管控和数字化管控提供有效支撑。
针对上述分析，更为复杂的情况是，对于不同的现场，随着用户设计和运行工况的变化，为了确保整个气体站运行效率的持续优化，留给膜分离段的实际可用压头范围可能是给定的，要基于这个压降来反向选型对应制气组件的参数。传统的制气组件分析，在这个方面缺乏理论分析依据和可行手段。对已给定的膜材料和停留时间对应条件下，基于传统标准膜分离段的几何特性和阻力特性，其阻力损失系数k的取值范围通常在0.05-0.1kPa/(Nm3/h)的区间范围。
在此基础上结合本发明提出的修正模型，本发明提出进一步提出，对应的阻力系数的计算模型为：
K＝ΔpO/Q氮气＝＝αβk
从而有：
αβ＝K/k＝δε(d/D)4
由此：
D＝((K/k)/δε)1/4·d
对应设备在工艺流程中所给定的空气量和停留时间条件下，可以得到分离段管段的长度：
L＝(Q空气/(π·D2/4))·t0
上述模型给出了基于既有标准制气组件和现场压降条件下，膜组优化选型的理论依据。在现有的膜分离组建体系中，这是一个全新的思路。
2、进出口端盖流线化设计
基于上述模型和分析，在给定来流压缩空气管径、出口压缩空气管径和膜分离段管径的情况下，为了充分避免端盖几何边界引发的二次流动，确保系统进出口压力相对稳定，从而能够在进一步降低系统阻力的同时，实现制气组件稳定运行能力和纤维膜管利用效率的双重提升；本发明进一步基于维托辛斯基曲线的理念，采用进出口端盖渐扩和渐缩段壁面几何形状设计并进行近流线化改造，即使进出口端盖渐扩和渐缩段壁面的形状在较大范围内更加逼近自然流线，从根本上避免出现二次流的问题。
进口段直径按照下述公式设计：
DJ＝D1+A×X1+B×X1 2+C×X1 3
出口段直径则按照下述公式设计：
DC＝D3+M×X2+N×X2 2+Q×X2 3
其中：A、B、C为进口段三次方程对应的系数，M、N、Q为出口段三次方程对应的系数，取值目标是简化构造维托辛斯基曲线。
这种设计的出发点在于通过几何边界的近流线化，从流动控制的角度，改造流动结构，最大程度避免二次流的影响，为制气组件的稳定顺行奠定良好的流动基础。
基于流动实验的分析，维托辛斯基曲线优化，可能实现的最优减阻效果可达到25％左右。但实际中生产中因为曲线生产条件限制，减阻效果会有所折扣。经实际检测，端盖构件因几何形状优化带来的减阻效益在18％～25％的范围内。
当然，进出段端盖几何形状的设计基于维托辛斯基曲线，但不限于这种形状，还可包括拉瓦尔喷管、双三次曲线等其它形式。其中，拉瓦尔喷管式改造对应的节能效益范围在15％～22％范围内，双三次曲线的其他形式，节能效益范围在12％-20％范围内。
有鉴于上述分析，本发明所述低阻力制气组件的优化改造工作分为两部分内容。
首先，确定好分离段管径和分离段长度后；然后基于给定的管径参数确定端盖区域的几何特性，从而最终实现膜分离流程阻力的全盘优化。
基于上述优化思路，对于给定阻力系数的传统标准制气组件，本发明将优化分离段整体的阻力系数的计算模型定义为：
其中为端盖几何形状优化带来的二次优化修正系数，其取值的范围应参照曲线的特性。如果采用维托辛斯基曲线优化，/>取值范围75％～82％；拉瓦尔喷管曲线对应的修正系数/>的取值范围78％～85％；其它双三次曲线/>的取值范围在80％～88％。
本发明针对的是传统的中空纤维制气组件，对于给定膜材料和膜孔径，所提出的模型整体是通用的，需要修正的只是各修正参数的取值。
一个示例的优化过程：
在实际的应用场景条件下，正压中空纤维膜制气组件的工艺条件通常都是给定的。假设根据现有的通用设计方案，制气组件的长度l、分离段管径d、需要处理的空气流量Q空气(对于给定制气组件给定工况，理论上副产氮气流量Q氮气给定)，以及既有制气组件的给定阻力系数k。
首先按照下式计算理论停留时间：
t0＝l/V截面＝l/(Q空气/(π·d2/4))
在停留时间相同的前提下，根据目标的有效压降，计算低阻力膜分离段的长度和管径，作为设计选型的参考数据，对于现场可以给定的压降ΔpO。可以考虑将端盖壁面几何形状优化带来的二次阻力优化修正系数作为安全余量，既设计时暂时先认定端盖优化后，制气组件实际的运行阻力可以实现低于给定的压降ΔpO。
根据：
按上述考虑在选型时取则有
ΔpO/Q氮气＝αβk
所以有：
αβ＝(ΔpO/Q氮气)/k
即：
δε(d/D)4＝(ΔpO/Q氮气)/k
从而有：
D＝(((ΔpO/Q氮气/k)/δε)1/4·d
在合理的范围内，可以计算得到分离段的管径D，基于此可以得到分离段管段的长度：
L＝(Q空气/(π·D2/4))·t0
从而可以给定分离段的基本参数。在此基础上，对于已知的d、D以及对应的进出口管段长度L1和L2，可以基于目标的端盖曲线特征，设计优化端盖的几何参数。以维托辛斯基曲线为例，进口段直径按照下述公式设计：
DJ＝d+A×X1+B×X1 2+C×X1 3
出口段直径则按照下述公式设计：
DC＝D+M×X2+N×X2 2+Q×X2 3
式中：A、B、C为进口侧端盖的三次方程对应系数，M、N、Q为出口侧端盖的三次方程对应系数，取值目标是简化构造的中部相对内收的三次方程曲线(如维托辛斯基曲线)特性；D1为与进口管段相连的端盖进口侧开口的直径；D3为与优化后膜管分离段相连的端盖内侧开口的直径；X1为端盖进口侧开口至直径DJ截面的距离；X2为端盖内侧开口至直径DC截面的距离。
端盖设计完成后，优化制气组件实际运行时，最终可以达成的阻力损失，比设计取值ΔpO必然要低，二次优化为此处/>的取值与端盖优化曲线的形式相关，仍以维托辛斯基曲线为例，/>的范围为75％～82％。
经实际测试，在保持给定的运行条件下，本发明优化后的制气组件与按标准规范设计制造的制气组件相比，带来的减阻效益在18％～25％的范围内。
Claims (5)
1.一种通过结构优化减小正压中空纤维膜制气组件阻力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以给定应用条件下的正压中空纤维膜制气组件作为优化对象，其膜管分离段的内径为d、长度为l；应保证在优化前后，通过制气组件的空气流量Q空气和停留时间t0不变，制气组件进出口管段的管径不变；
(2)对膜管分离段的结构进行优化，以增加截面直径且减小长度的方式，实现降低阻力损失系数；
具体地，根据公式(1)和(2)设定优化后的膜管分离段的截面直径D和长度L：
D＝((K/k)/δε)1/4·d (1)
L＝(Q空气/(π·D2/4))·t0 (2)
式中：K为优化后的制气组件的阻力损失系数，K＝αβk，α＝δ(d/D)2，β＝ε(d/D)2；δ的取值为0.8～3.0；ε的取值为0.9～3.0；k为优化前的标准制气组件的阻力损失系数，取值范围在0.05-0.1kPa/(Nm3/h)；
(3)在对膜管分离段结构进行优化的基础上，进一步选择制气组件的端盖形状为中部相对内收的三次方程曲线，充分避免端盖几何边界引发的二次流动；
具体地，根据公式(3)和(4)设定优化后进口侧端盖的曲面段直径DJ和出口侧端盖的曲面段直径DC：
DJ＝D1+A×X1+B×X1 2+C×X1 3 (3)
DC＝D3+M×X2+N×X2 2+Q×X2 3 (4)
式中：A、B、C为进口侧端盖的三次方程对应系数，M、N、Q为出口侧端盖的三次方程对应系数，取值目标是简化构造的中部相对内收的三次方程曲线特性；D1为与进口管段相连的端盖进口侧开口的直径；D3为与优化后膜管分离段相连的端盖内侧开口的直径；X1为端盖进口侧开口至直径DJ截面的距离；X2为端盖内侧开口至直径DC截面的距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中部相对内收的三次方程曲线，具体是指维托辛斯基曲线、拉瓦尔喷管曲线或双三次曲线。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述作为优化对象的制气组件，其端盖是球状端盖或平面式端盖。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过结构优化后制气组件的最终阻力损失系数K分离为：
式中：为端盖形状优化带来的二次优化修正系数，其取值目标是简化构造的中部相对内收的三次方程曲线特性。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，如果按维托辛斯基曲线优化端盖形状，的取值范围为75％～82％；如果按拉瓦尔喷管曲线优化端盖形状，/>的取值范围为78％～85％；如果按双三次曲线优化端盖形状，/>的取值范围为80％～88％。
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