氣體膜分離及其梯級(jí)耦合流程的設(shè)計(jì)與優(yōu)化.pdf

1、氣體膜分離在石油化工、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，處理對(duì)象也由單一原料、單一回收目標(biāo)的擬二元簡(jiǎn)單體系發(fā)展至多原料、多回收目標(biāo)的多元復(fù)雜體系，而氣體分離膜在新體系中性能的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，快捷、準(zhǔn)確的多組份非理想膜過(guò)程模擬和多技術(shù)整體協(xié)同設(shè)計(jì)，以及特殊體系預(yù)處理過(guò)程的開(kāi)發(fā)等新挑戰(zhàn)也隨之出現(xiàn)。本論文在氣體臨界性質(zhì)/膜分離選擇性關(guān)聯(lián)、膜組件的有限元數(shù)值計(jì)算、膜分離過(guò)程化學(xué)勢(shì)損失分析和復(fù)雜體系多技術(shù)梯級(jí)耦合分離序列的快捷設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了一系列研究，

2、為氣體膜分離與傳統(tǒng)技術(shù)的結(jié)合，及其在新體系中的推廣應(yīng)用提供了有力的支持。
　　基于溶解-擴(kuò)散理論，系統(tǒng)研究了非促進(jìn)傳遞型聚合物膜材料中氣體滲透?jìng)髻|(zhì)參數(shù)與臨界性質(zhì)的關(guān)系，溶解選擇性主要取決于臨界溫度的差異，而擴(kuò)散選擇性不僅取決于臨界體積的差異，還與聚合物形態(tài)有關(guān)，玻璃態(tài)材料的擴(kuò)散選擇性要高3個(gè)數(shù)量級(jí);建立了橡膠態(tài)和玻璃態(tài)聚合物中溶解選擇性-臨界溫度、擴(kuò)散選擇性-臨界體積的關(guān)聯(lián)曲線和公式，為分離體系-膜組件的匹配、制膜材料的篩選提供了

3、理論指導(dǎo)，有利于縮短篩選周期、減少實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。基于氣體臨界性質(zhì)的對(duì)比分析，優(yōu)選聚酰亞胺膜分離四氟乙烯精餾尾氣，實(shí)驗(yàn)測(cè)得滲透選擇性αAir/TFE＞23，滲透速率JTFE=0.1 GPU，與理論預(yù)測(cè)結(jié)果一致。模擬結(jié)果表明，膜分離裝置的四氟乙烯收率達(dá)到91.5％，單耗僅0.08$·kg-1，優(yōu)于傳統(tǒng)的單耗達(dá)0.19$·kg-1的丙酮吸收裝置。此外，膜分離過(guò)程避免了揮發(fā)性吸收劑的使用，不會(huì)污染四氟乙烯產(chǎn)品，更加清潔高效。
　　在模擬軟件U

4、niSim Design平臺(tái)下建立了膜組件的有限元數(shù)值計(jì)算模型，并實(shí)現(xiàn)了常見(jiàn)非理想因素的關(guān)聯(lián)，能夠準(zhǔn)確模擬多組份非理想膜分離過(guò)程。膜組件可以簡(jiǎn)化成一維/二維的連續(xù)非線性變化問(wèn)題，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成一系列膜微元組成的傳質(zhì)單元。包含多組未知變量的膜微元滲透?jìng)髻|(zhì)過(guò)程，在模擬平臺(tái)中通過(guò)兩個(gè)Membrane.dll構(gòu)建的正向過(guò)度滲透/逆向補(bǔ)償?shù)脑嚥?迭代運(yùn)算結(jié)構(gòu)求解。實(shí)驗(yàn)及模型對(duì)比分析表明，有限元模型的模擬偏差小于3.0％，遠(yuǎn)低于對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力模型的10

5、.5％，接近文獻(xiàn)中經(jīng)典的微分/離散模型的準(zhǔn)確性。離散模型還為分析膜組件局部操作狀況提供了便利:以生物甲烷提純系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，分析局部滲透氣濃度變化后開(kāi)發(fā)的一級(jí)二段聚酰亞胺膜分離系統(tǒng)，能效和裝置產(chǎn)能可媲美一級(jí)系統(tǒng)，壓縮天然氣生產(chǎn)單耗僅為0.466 kWh·Nm-3，膜組件的甲烷產(chǎn)能達(dá)到0.81 Nm3·m-2·h-1，而甲烷收率則接近二級(jí)膜分離系統(tǒng)，達(dá)到95.0％。
　　建立了分析氣體膜分離過(guò)程化學(xué)勢(shì)損失的非平衡熱力學(xué)模型，為多

6、級(jí)流程的框架設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化提供理論指導(dǎo)工具。膜組件內(nèi)的傳質(zhì)過(guò)程可以簡(jiǎn)化為選擇性跨膜滲透和局部滲透氣“濃差”混合兩個(gè)步驟:第一步的效率取決于膜的選擇性、原料/滲透氣的壓力比、原料的組成;第二步的效率主要受滲透切割比的影響，在多級(jí)系統(tǒng)中與流程結(jié)構(gòu)有關(guān)。針對(duì)逆流循環(huán)膜級(jí)聯(lián)（RMC）流程，利用熱力學(xué)模型找出有效能損失嚴(yán)重的關(guān)鍵分離級(jí)，提出局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)的優(yōu)化模式，減少“濃差”返混損失，以四級(jí)RMC分離燃煤煙道氣為例，系統(tǒng)能效提高5.9％，壓縮機(jī)軸

7、功率減少5.5％，膜面積減少5.4％，建設(shè)投資預(yù)期減少3.5％。針對(duì)高滲透切割比的體系，提出逐段變壓的多段膜分離過(guò)程，以聚丙烯尾氣的膜分離過(guò)程為例，熱力學(xué)效率由12.4％（恒定操作壓力比pF/pP=10）提高到13.7％（逐段變壓pF/pP=5.2～44.4），提高幅度達(dá)10.6％。
　　面向乙苯催化脫氫尾氣資源化過(guò)程中的特殊雜質(zhì)——苯乙烯，開(kāi)發(fā)出以新鮮乙苯為吸收劑的多級(jí)循環(huán)吸收工藝，同時(shí)實(shí)現(xiàn)苯乙烯的深度脫除和富集回收。常規(guī)的吸收

8、/解吸流程，受吸收劑再生程度限制，難以將苯乙烯深度脫除至10 ppm以下。苯乙烯裝置的原料——新鮮乙苯，基本不含苯乙烯、供應(yīng)長(zhǎng)期穩(wěn)定充足、吸收苯乙烯后可送往相應(yīng)裝置后處理，適合作為深度脫除苯乙烯的吸收劑。與傳統(tǒng)無(wú)循環(huán)吸收相比，多級(jí)循環(huán)吸收裝置能將富液中苯乙烯的濃度由1.99 mol％提高至18.65 mol％，使這一部分苯乙烯的提純能耗減少73％。以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的多級(jí)循環(huán)吸收、壓縮冷凝和氫氣膜分離的聯(lián)合流程，膜單元的滲透切割比是影響流程

9、經(jīng)濟(jì)效益的主導(dǎo)因素，最佳切割比為0.84，相匹配的壓縮機(jī)輸出壓力為1.85 MPa。模擬優(yōu)化結(jié)果表明，苯乙烯的回收率為93％，其他芳烴的回收率超過(guò)86％，氫氣回收率超過(guò)90％。
　　針對(duì)含烴石化尾氣體系的資源最大化利用，建立了復(fù)雜體系多技術(shù)梯級(jí)耦合分離序列的三角坐標(biāo)-矢量分析設(shè)計(jì)方法，解決了多來(lái)源、多組份原料體系的多目標(biāo)回收難題。以組分的產(chǎn)品歸屬及分離性質(zhì)相似程度為合并法則，將原料簡(jiǎn)化為燃料氣、氫氣和輕烴構(gòu)成的三元體系，避免了分離

10、序列的“組合爆炸”現(xiàn)象;以目標(biāo)物質(zhì)回收率和分離單耗為判據(jù)，劃分常見(jiàn)尾氣分離技術(shù)的優(yōu)勢(shì)分離區(qū)域，將其用于優(yōu)選分離技術(shù)、分類(lèi)合并含烴石化尾氣群，在避免嚴(yán)重的“濃差”混合損失的同時(shí)合理安排進(jìn)料位置。開(kāi)發(fā)的芳烴異構(gòu)化尾氣綜合回收工藝，通過(guò)淺冷、氫氣膜分離和輕烴膜分離三種技術(shù)的梯級(jí)耦合，充分利用分離過(guò)程的“雙向富集”效應(yīng)，氫氣和輕烴回收率分別達(dá)到85％和97％，單耗僅0.227 kWh·Nm-3尾氣，與美國(guó)著名膜技術(shù)公司MTR的專(zhuān)利技術(shù)相比，能耗