变压膜渗透空气分离制氮

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1、第29卷第6期北京科技大学学报VO1．29NO．62007年6月JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeUingJun．2007变压膜渗透空气分离制氮杜雄伟刘应书北京科技大学机械工程学院，北京100083摘要在稳态膜渗透的基础上提出了一种新的非稳态渗透流程．该流程是一种循环操作过程，每一周期包含加压、抽真空以及排空三个阶段实验研究了加压时间、抽真空时间和排空时间对空气分离制氮的产品平均纯度、产率和回收率的影响，并与稳态渗透实验结果进行了比较．结果表明，随着加压时间

2、的延长，富氮气体的平均纯度、产率以及氮气回收率均会上升；延长抽真空时间可以提高富氮气体平均纯度，但会降低富氮产率和氮气回收率；适当延长排空时间可以提高富氮气体平均纯度、产率和氮气回收率，但排空时间过长将会导致富氮产率和氮气回收率下降．本文提出的变压渗透过程能够得到比稳态渗透更高的富氮纯度，但富氮产率和回收率要低．关键词空气分离；膜；变压渗透；稳态；非稳态分类号TQ028．8膜气体分离已经广泛应用于石油、食品、化学、态渗透空气分离制氮实验，研究了变压渗透操作参药品、农业等领域，如制氢、富氧富氮、脱湿、脱二氧数对

3、富氮气体平均纯度、流量和回收率的影响，并对化碳等．通常，膜气体分离是在稳态方式下进行，除稳态和非稳态渗透的分离性能进行了比较．了在启动时，膜分离器的进气压力和渗透侧压力均1实验装置及内容保持不变，且气体渗透速率和纯度也不随时间变化．早在1971年，Paul[1_提出了一种用来提高分离选择1．1实验装置性的过渡渗透方式，采用脉冲进料的方式对其分离根据变压膜渗透机理，建立了如图1所示的实性能进行了理论计算，结果显示脉冲膜分离能得到验装置．比稳态渗透高得多的选择性能，但是气体产量会大幅下降．1991年，Beckma

4、n和Shelekhin[2J采用脉冲进料方式，在厚度为147m的PVTMS膜上实验研究了He／C02混合物分离．随后，Kao等人提出了两种与前人不同的过渡渗透操作流程，采用连续进气方式实验研究了He／CH在硅橡胶膜上的选择分离性能．Ueda等人L4J的专利提出了一种能够提高膜两侧压差以及保持快渗透，组分分压均匀的分离流程，并对该流程分离空气的性能与传统的稳态渗1～5一电磁阀；6一过滤器；7一无油压缩机；8一冷却器；9一油水透进行了比较．Feng等人[]提出采用两个膜组件分离器；10一中空纤维膜组件；11～13

5、一压力传感器；14，15一流进行变压渗透分离，主要是为了提高渗透气的压力，量计；16。17一测氧仪；18，19一流量调节阀；20一PLc；21一计算机；考察膜分离与变压吸附分离的整合潜力，改进早期图1变压膜渗透空气分离实验装置的变压吸附／膜联合分离流程J．以上提出的大多Fig．1Experimentalapparatusforairseparationbypressureswing数非稳态膜渗透过程尽管在气体的分离选择性能上membranepermeation表现较好，但产品的回收率普遍较低．本文在稳态本文提

6、出的变压膜渗透过程包括三个阶段，即膜渗透的基础上提出了一种新的非稳态渗透流程．加压阶段、抽真空阶段和排空阶段．加压阶段：电磁为了考察其分离性能，分别进行了稳态渗透和非稳阀1、2开启，3、4、5关闭，原料空气经过滤器6后，收稿日期：2006-02—01修回日期：2006—06—27被无油压缩机压缩，再依次经过冷却器8和油水分作者简介：杜雄伟(1980一)，男，博士研究生；刘应书(1960一)。男离器9后供入中空纤维膜组件10的管侧．加压一教授。博士生导师北京科技大学学报第29卷段时间后，电磁阀1、2关闭，3、4

7、开启，膜组件壳侧中，改变某一个影响因素的水平时，另外两个影响因的渗透气被压缩机7抽出成为富氧气体，此过程即素固定在合适的水平保持不变．文中假设空气为氧为抽真空阶段．随后，电磁阀5打开，膜组件管侧的氮两组分混合气体，体积分数分别为21％和79％，残余气作为富氮产品气体排出，该过程即为排空阶富氮气体平均纯度是一个周期内氮气纯度的算术平段．上述三个阶段依次循环进行就形成了连续的变均值，产率指一定纯度下单位时间、单位膜面积的气压膜渗透过程体流量．实验中，电磁阀的开关采用OMRON公司的2实验结果及分析CPMIA型PL

8、C控制．膜组件的进气口、残余气出口和渗透气出口分别设置了压力传感器11、122．1稳态渗透性能(MPX2202GP，Freescale)和压力传感器13(MPX—图2和图3分别给出富氮气体产率、纯度和氮HZ6115A，Freescale)．残余气和渗透气的氧含量由气回收率随进气压力的变化关系．YHL一2型智能测氧仪测得．上述压力信号和浓度信号由数据采集卡获得后通过计算机记录保存．LML-2型湿式气体