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气体膜分离过程参数经济性分析
杨东晓 王志*
(天津大学化工学院化学工程研究所、化学工程联合国家重点实验室(天津大学)
天津市膜科学与海水淡化技术重点实验室,天津 300072 )
1、主要内容
本文以错流模型为分析计算的基础,采用S. Weller 和W. A. Steiner 的错流模
型和C. W. Saltonstall 的膜面积计算方法对单级气体膜分离过程进行分析计算,
研究膜材料分离性能参数和操作条件对天然气脱除CO 分离过程经济性的影响,
2
为新型CO 分离膜材料的开发和应用提供参考。
2
2、文献综述
天然气脱除CO ,不仅可以提高热值,减少运送和储藏体积,而且可以减少
2
CO 对运送管道的腐蚀。膜分离技术因具有节能、装置简单、操作费用低而具有
2
广泛应用的潜力。膜过程的核心是膜,膜的分离性能和分离过程的操作条件决定
了膜分离过程的经济性。
单级膜分离过程是气体膜分离操作的基础,更复杂的串、并联多级操作都是
在单级过程的基础上建立起来的。单级气体膜分离过程的效率对整个膜分离工艺
的经济性有重要的影响。从1950 年S. Weller 和W. A. Steiner [1,2] 以来,已有许多
研究者对单级气体膜分离过程进行了分析,得到了很多有价值的结论。
1974 年,Chuen Y. Pan 和Henry W. Habgood [3]提出用并流和逆流两种模型进
行分析,并指出同时提高快气和慢气的渗透速率可以减少所需要的膜面积;如果
快气渗透速率不变,仅减小慢气渗透速率,虽然理想分离因子α会提高,但是会
增加所需要的膜面积。
[4]
A. Keith Fritzsche和James E. Kurz等 利用S. Weller 和W. A. Steiner 的错流模
型进行分析,指出对于任意进料组成,随着理想分离因子α的逐渐增大,α对过程
的分离效果和所需膜面积的影响逐渐减小,从函数图形上看,α增大到一定程度
后α的影响会出现一个平台区,此后α再增加对分离过程的影响很小。作者认为开
* 通讯作者:王志,教授,博士生导师,wangzhi@tju.edu.cn
1
发超高选择性(super-selective )的膜意义不大。
S. P. Nunes, et [5]利用S. Weller 和W. A. Steiner 的错流模型进行分析,并利用
[6]
C. W. Saltonstall 的方法计算膜面积 ,指出从减少膜使用面积的角度考虑,采用
分离因子相对较低的膜材料经济性会更好。
R. W. Baker [7]根据膜组件参数对单级分离过程经济性的影响,把参数的取值
范围分为三个区间,即α控制区(当α<<P/p (截留侧与渗透侧压力比)),压力
比控制区(当α>>P/p ),和α与压力比共同影响区。同时指出,α或P/p相对过高
都是没有意义的。
事实上,膜材料分离性能如何影响单级气体膜分离过程,与分离要求、操作
条件(如压力比)、操作流程等因素都是有关系的。本文以膜法脱除天然气中酸
性气体(CO )这一具体工艺为例,对膜性能和操作条件参数的经济性进行分析,
2
为新型膜材料的开发提供指导,分析的方法也对其他气体膜分离过程经济性分析
提供参考。
3、计算与分析
气体膜分离过程的费用主要包括设备成本和操作费用两个方面。分离所需膜
材料的成本,设备的占地面积,压力设备成本构成了单级过程设备成本的主要部
分。操作费用主要是指分离操作的能耗,此外,关键组分的损失也可以算在操作
费用中。
经过分析比较采用S. Weller 和W. A. Steiner [1,2] 的错流模型和C. W.
[6]
Saltonstall
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