CN204434571U - 脱除合成气及天然气中co2的分离系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种脱除合成气及天然气中CO2的分离系统，所述分离系统包括：除尘单元、气体分离单元和气体回流单元；其中，所述除尘单元与气体分离单元相连，气体回流单元与气体分离单元首尾相连形成气体循环通道。本实用新型的分离系统在气体分离单元的前端加入了PTFE微孔膜除尘设备，从而能够有效避免天然气及合成气中的大量粉尘对其气体分离系统的污染；同时，本实用新型采用了两级分离系统和气体循环回流装置，能够通过控制气体回流比来调节气体中CO2的浓度，从而满足不同生产要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及脱除气体中CO2的分离系统，尤其涉及脱除合成气/天然气中CO2的分离系统
背景技术
目前，以CO2为代表的温室气体排放已经成为一个十分严重的环境问题。截止至2010年，温室气体的排放已经造成了全球温度上升1.4至5.8℃。而天然气和合成气中含有大量的CO2不仅大大降低其热值，从而降低燃气品质；而且还会在化工生产中增加反应和分离设备体积并增加动力和热量消耗。因此，在化工生产中，脱除这些气体中的CO2具有十分重要的意义。
脱除CO2的方法主要包括：溶剂吸收法，变压吸附法，低温蒸馏法和膜分离法等。溶剂吸收法是利用液体溶剂对于CO2的吸收和解吸来达到分离CO2的方法。目前还有很多公司研究这种方法，并尝试使用新的溶剂和装置来分离CO2。如日本三菱重工就推出了使用基于专用胺类的吸收溶剂来吸收烟气中的CO2。溶剂吸收法由于采用液体吸收剂，因此易造成二次污染；同时由于有CO2的吸收和解吸过程，因此能耗比较大。变压吸附法是采用固体吸收剂吸附废气中的CO2，从而达到分离CO2的目的。吸附法工艺过程简单、能耗低，但吸附剂容量有限，需大量吸附剂，且吸附解吸频繁，要求自动化程度高。低温蒸馏法是通过低温冷凝分离CO2的一种物理过程。低温蒸馏法利用天然二氧化碳气源中主要组份甲烷和二氧化碳间沸点的差异，以蒸馏方法将二氧化碳分离出来。该方法设备庞大、能耗较高、分离效果较差，因而成本较高，一般情况下不大采用，只有在特殊情况下使用或同其他方法联用。膜分离法是一种新型的高效分离方法。膜分离过程的原理是以具有选择性的膜为分离介质，在膜两侧施加压差，利用CH4和CO2气体分子通过膜的扩散溶解能力的不同，使混合气中的组分选择性地透过膜，从而达到分离混合物的目的。与传统方法相比，膜分离法具有设备简单，能耗低和无二次污染等优点。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型提供一种脱除天然气/合成气中CO2并根据实际需要调节CO2组成的系统。该系统能够有效地脱除天然气及合成气中的CO2，并根据实际生产的需要调节气体中CO2的浓度以满足后续生产的要求。具有设备简单、无二次污染、能耗低、投资小、产品中CO2浓度可调等优点。
本实用新型提供了一种脱除合成气/天然气中CO2的分离系统，所述分离系统包括： 除尘单元、气体分离单元和气体回流单元；其中，所述除尘单元与气体分离单元相连，气体回流单元与气体分离单元首尾相连形成气体循环通道；
其中，除尘单元采用板框式PTFE膜除尘器。
所述板框式PTFE膜除尘器包括一个或者多个除尘结构；所述除尘结构为除尘板、除尘框以及吹扫板连接形成的封闭空间，按照除尘板、除尘框、吹扫板、除尘框、除尘板的顺序依次组装；所述除尘框中间为空框，其两侧有PTFE微孔膜覆盖；所述除尘板以及所述吹扫板是纵截面呈“工”字形的实心隔板；所述除尘板、所述除尘框以及所述吹扫板的上端均设有尘气进气通道和吹扫气进气通道，所述除尘板、所述除尘框以及所述吹扫板的下端均设有出气通道；所述尘气进气通道、所述吹扫气进气通道、所述出气通道与所述封闭空间之间相互隔离；所述除尘框的所述尘气进气通道上设有与所述空框相通的暗孔，作为尘气进口；所述吹扫板的所述吹扫气进气通道两端设有与所述吹扫板内侧空间相通的暗孔，作为吹扫气进口；所述除尘板的出气通道上设有与所述除尘板内侧空间相通的暗孔，作为第一气体出口；以及所述吹扫板的出气通道的两端设有与所述吹扫板内侧空间相通的暗孔，作为第二气体出口；在吹扫阶段时所述第二气体出口关闭。
所述除尘板带有凹凸纹路；所述除尘板和所述除尘框为正方形、圆形或者椭圆形；所述PTFE微孔膜一侧或两侧覆盖有支撑材料。
所述吹扫板上的所述第二气体出口设置有阀门，用于控制所述气体出口的开/闭。
进一步地，当所述除尘器处于除尘阶段时，尘气进入所述尘气进气通道，经由所述尘气进口进入所述除尘框内，分别通过两侧的所述PTFE微孔膜，再经相邻所述除尘板以及所述吹扫板流到所述第一气体出口以及第二气体出口排走，粉尘则被截留在所述除尘框内；当除尘器处于吹扫阶段时，吹扫气进入所述吹扫气进气通道，经由所述吹扫气进口进入所述吹扫板的两侧面与所述PTFE微孔膜组成的封闭空间，关闭所述吹扫板下端的所述第二气体出口，吹扫气在压差的驱动下分别穿过两侧的一层所述PTFE微孔膜及所述除尘框内的整个粉尘层，然后再横穿另一层所述PTFE微孔膜，最后经所述除尘板下端的第一气体出口排出。
气体分离单元包括两级或更多级PDMS膜分离器，例如，可将两级PDMS膜分离器串联。
气体分离单元采用卷式PDMS膜气体分离器；分离膜可为PDMS/PEI复合膜。本实用新型的气体分离单元还可采用平板膜组件或中空纤维膜组件，分离膜仍然采用PDMS/PEI复合膜。
气体分离单元采用卷式PDMS膜气体分离器，包括平板膜片围绕中心管缠绕而成；其中，所述平板膜片包括自上而下依次叠加的隔离网、分离膜和支撑层；
所述隔离网为网格孔径在0.5-1.5cm的具有柔韧性的材料组成，以便为气体进料相和渗余相提供流动空间；所述分离膜为PDMS(聚二甲基硅氧烷)和PEI(聚醚酰亚胺)组成的非对称性复合膜，其中PDMS层为分离层，PEI为多孔支撑层(孔径10-100um)；支撑层为具有强度的毫米级孔道材料，以保证膜片的强度。
气体回流单元包括回流风机及回流管路，可以根据需要灵活调节回流比，回流比的可调范围为0-1；
本实用新型的分离系统是由PTFE膜除尘器，两级PDMS膜分离器及气体循环回流装置相结合以达到去除合成气或天然气中的部分CO2并根据后续工艺要求调整CO2浓度要求的气体分离系统。
有益效果
本实用新型通过将PTFE微孔膜材料除尘与PDMS复合膜CO2捕集分离装置进行了有机结合。具有如下优点：通过PTFE微孔膜进行除尘，具有能耗小，除尘稳定，除尘率高，无堵塞等优点，耐高温，耐腐蚀，表面光滑，操作稳定，操作周期长等优点；通过PTFE微孔膜的除尘可以使微米级的粉尘得到清除，从而有效的减小了粉尘在卷式气体膜分离器的孔道及膜表面的堆积；进而明显降低了气体膜分离过程的阻力，增加了气体处理量并延长了卷式气体膜分离器的使用寿命。通过控制气体回流比，能实现气体产物中CO2浓度的控制，能够适应各种场合对于CO2浓度的不同要求。
本实用新型所采用的分离阶段采用卷式PDMS膜分离器，与传统的分离方法相比具有分离效率高，分离能耗小，设备简单，无二次污染，操作条件温和，操作费用低等优点。本实用新型通过采用两级气体分离装置，有效地提高了气体的分离效率，降低了气体中CO2的浓度，从而降低了后续工艺的能耗和气体负荷。
本实用新型在气体分离阶段采用了回流装置，从而能够通过调节回流比，来调节产品中CO2的浓度，从而满足各种后续生产的要求。
附图说明
图1为根据本实用新型的脱除天然气或合成气中CO2的气体分离系统示意图；
图2为板框式PTFE膜除尘器结构的示意图；和
图3为卷式PDMS膜气体分离器结构的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型的脱除天然气或合成气中CO2的气体分离系统进行描述。
图1为根据本实用新型的脱除天然气或合成气中CO2的气体分离系统示意图。
参照图1，根据本实用新型的脱除天然气或合成气中CO2的气体分离系统包括：板框式PTFE膜除尘器1，一级PDMS膜气体分离器2，二级PDMS膜气体分离器3，气体回流单元4，进料相5，渗余相6和渗透相7。
如图2所示，所述板框式PTFE膜除尘器包括一个或者多个除尘结构；所述除尘结构为除尘板14、除尘框13以及吹扫板19连接形成的封闭空间，按照除尘板14—除尘框13—吹扫板19—除尘框13—除尘板14的顺序依次组装，所述除尘框中间为空框，其两侧有PTFE(聚四氟乙烯)微孔膜17覆盖；所述除尘板以及所述吹扫板是纵截面呈“工”字形的实心隔板，板框式除尘器的除尘板、除尘框和吹扫板通常为正方形，此外，除尘板和除尘框也可以是长方形、圆形或者椭圆形等常规几何图形。所述除尘板、所述除尘框和所述吹扫板的端部均开有进出气孔，所述进出气孔可以是圆孔、椭圆孔、正方形孔或者长方形孔，装合、压紧后即可构成供尘气、净化气以及吹扫气进出的通道。所述除尘板14、所述除尘框13以及所述吹扫板19的上端均设有两个角端的孔，左上角端的所述孔构成尘气进气通道15，右上角端的所述孔构成吹扫气进气通道，所述尘气进气通道15与所述吹扫气进气通道互不相通，所述除尘板14、所述除尘框13以及所述吹扫板19的下端均设有孔，构成出气通道16；所述尘气进气通道、所述吹扫气进气通道与所述出气通道之间相互隔离；所述除尘框的右上角端的所述孔在厚度方向上中部的位置设有暗孔作为尘气进口115，所述吹扫板的左上角端的所述孔在厚度方向上两端的位置设有暗孔作为吹扫气进口，所述除尘板的下端的孔在厚度方向上靠近除尘框的端部的位置设有暗孔作为第一气体出口116a以及所述吹扫板的下端的孔在厚度方向上两端的位置设有暗孔作为第二气体出口116b，在吹扫阶段时所述吹扫板的下端的第二气体出口116b关闭。
所述除尘框的两侧由PTFE微孔膜17覆盖，同时在微孔膜的两侧覆有支撑材料18，空框和覆膜材料围成了容纳烟气和粉尘的空间。
当所述除尘器处于除尘阶段时，尘气在指定的操作压力下进入所述尘气进气通道，经由所述除尘框的右上角端的所述孔在厚度方向上中部的位置设有的暗孔即所述尘气进口115进入所述除尘框13内，分别通过两侧的所述PTFE微孔膜17，再经相邻所述除尘板14以及所述吹扫板19流到各所述气体出口116a、116b排走，粉尘则被截留于框 内；待所述除尘框13内的粉尘层达到一定的厚度之后，即停止除尘。各所述气体出口116a、116b流出的净化气汇集于出气通道16后排出。
为了延长除尘器的生产周期，当框内的粉尘层达到一定的厚度后，就需要对粉尘层进行吹扫。当除尘器处于吹扫阶段时，将吹扫气压入所述吹扫气进气通道，经由所述吹扫板的左上角端的所述孔在厚度方向上两端的位置设有的暗孔即所述吹扫气进口进入所述吹扫板14的两侧面与所述PTFE微孔膜17组成的封闭空间，关闭所述吹扫板下端的所述气体出口116b，吹扫气在压差的驱动下分别穿过两侧的一层所述PTFE微孔膜17及整个所述除尘框13内的粉尘层，然后再横穿另一层所述PTFE微孔膜17，最后经所述除尘板14下端的所述气体出口116a排出。
所述除尘器还包括支座11，其与除尘器的固定头12连接，用于支撑所述除尘器。
如图3所示，气体分离单元采用卷式PDMS膜气体分离器，是由一张平板膜片围绕中心管22缠绕而成的。其中，每层膜片包括自上而下依次叠加的隔离网21、分离膜23和支撑层24。隔离网为网格孔径在0.5-1.5cm的具有柔韧性的材料组成，以便为气体进料相5和渗余相6提供流动空间；分离膜为由PDMS(聚二甲基硅氧烷)和PEI(聚醚酰亚胺)组成的非对称性复合膜；其中PDMS层为分离层，PEI为多孔支撑层(孔径10-100um)；支撑层为具有强度的毫米级孔道材料，以保证膜片的强度。在气体分离过程中，通常进料相5沿轴向自膜分离器一端进入，在两层膜中间的隔离网内流动，CO2等优先透过组分(渗透相7)在压差的驱动下透过分离膜，然后汇集到中心管内流出；而渗余相6则在膜分离器的另一端流出。
实施例
实施例1
组成为50％CH4、50％CO2的10000kmol/h含有CO2的天然气中含有1％的粉尘，首先通过板框式PTFE膜除尘器后，粉尘的脱除效率可以达到98％，气体在两级膜面积为2m2的膜组件的分离作用下，当回流比为0时，渗余相6的流量为4100kmol/h，CO2组成下降到17％，当回流比为1时，渗余相6流量为2945kmol/h，CO2组成下降到13％。
实施例2
组成为5％CH4、30％CO、30％H2和35％CO2的10000kmol/h合成气中含有1％的粉尘，首先通过板框式PTFE膜除尘器后，粉尘的脱除率为98％，气体在两级膜面积为2m2的膜组件的分离作用下，当回流比为0时，渗余相6的流量为5339kmol/h，气体组成为6.34％ CH4，46.24％CO，38.06％H2，9.4％CO2，当回流比为1时，渗余相6流量为4159kmol/h，气体组成为6.15％CH4，50.43％CO，36.94％H2，6.46％CO2。
与目前应用的膜分离装置相比，本实用新型的分离系统在气体分离单元的前端加入了PTFE微孔膜除尘设备，从而能够有效避免天然气及合成气中的大量粉尘对其气体分离系统的污染；同时，本实用新型采用了两级分离系统和气体循环回流装置，能够通过控制气体回流比来调节气体中CO2的浓度，从而满足不同生产要求。
Claims (9)
1.一种脱除合成气及天然气中CO2的分离系统，所述分离系统包括：除尘单元、气体分离单元和气体回流单元；其中，所述除尘单元与气体分离单元相连，气体回流单元与气体分离单元首尾相连形成气体循环通道；所述除尘单元采用板框式PTFE膜除尘器。
2.根据权利要求1所述的分离系统，其中，所述板框式PTFE膜除尘器包括一个或者多个除尘结构；所述除尘结构为除尘板(14)、除尘框(13)以及吹扫板(19)连接形成的封闭空间，按照除尘板(14)、除尘框(13)、吹扫板(19)、除尘框(13)、除尘板(14)的顺序依次组装；所述除尘框中间为空框，其两侧有PTFE微孔膜(17)覆盖；所述除尘板(14)以及所述吹扫板(19)是纵截面呈“工”字形的实心隔板；所述除尘板(14)、所述除尘框(13)以及所述吹扫板(19)的上端均设有尘气进气通道(15)和吹扫气进气通道，所述除尘板(14)、所述除尘框(13)以及所述吹扫板(19)的下端均设有出气通道(16)；所述尘气进气通道(15)、所述吹扫气进气通道、所述出气通道(16)与所述封闭空间之间相互隔离；所述除尘框(13)的所述尘气进气通道上设有与所述空框相通的暗孔，作为尘气进口；所述吹扫板(19)的所述吹扫气进气通道两端设有与所述吹扫板(19)内侧空间相通的暗孔，作为吹扫气进口；所述除尘板(14)的出气通道上设有与所述除尘板内侧空间相通的暗孔，作为第一气体出口(116a)；以及所述吹扫板(19)的出气通道的两端设有与所述吹扫板内侧空间相通的暗孔，作为第二气体出口(116b)；在吹扫阶段时所述第二气体出口关闭。
3.根据权利要求2所述的分离系统，其中，所述PTFE微孔膜一侧或两侧覆盖有支撑材料(18)。
4.根据权利要求1所述的分离系统，其中，所述气体分离单元包括两级或更多级PDMS膜分离器。
5.根据权利要求4所述的分离系统，其中，所述气体分离单元采用卷式PDMS膜气体分离器、平板膜组件或中空纤维膜组件。
6.根据权利要求5所述的分离系统，其中，所述卷式PDMS膜气体分离器是由平板膜片围绕中心管(22)缠绕而成；其中，所述平板膜片包括自上而下依次叠加的隔离网(21)、分离膜(23)和支撑层(24)。
7.根据权利要求6所述的分离系统，其中，所述隔离网(21)为网格孔径在0.5-1.5cm的具有柔韧性的材料组成。
8.根据权利要求6所述的分离系统，其中，所述分离膜(23)为由PDMS分离层和PEI多孔支撑层组成的复合膜。
9.根据权利要求1所述的分离系统，其中，所述气体回流单元包括回流风机及回流管路。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN104449925A (zh) * | 2014-12-26 | 2015-03-25 | 北京神雾环境能源科技集团股份有限公司 | 脱除合成气/天然气中co2的分离系统 |
| CN107376603A (zh) * | 2017-08-03 | 2017-11-24 | 中石化炼化工程（集团）股份有限公司 | 脱除制氢变换气变压吸附工艺尾气中co2的方法 |
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2014
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Address after: 102200 Beijing City, Changping District science and Technology Park Chang Huai Lu No. 155 Patentee after: Shenwu science and technology group Limited by Share Ltd Address before: 102200 Beijing city Changping District Machi Town cow Road No. 18 Patentee before: Beijing Shenwu Environment Energy Technology Group Co., Ltd. |
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