氣體膜分離過(guò)程參數(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

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1、氣體膜分離過(guò)程參數(shù)經(jīng)濟(jì)性分析*楊東曉王志（天津大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程研究所、化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)）天津市膜科學(xué)與海水淡化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）1、主要內(nèi)容本文以錯(cuò)流模型為分析計(jì)算的基礎(chǔ)，采用S.Weller和W.A.Steiner的錯(cuò)流模型和C.W.Saltonstall的膜面積計(jì)算方法對(duì)單級(jí)氣體膜分離過(guò)程進(jìn)行分析計(jì)算，研究膜材料分離性能參數(shù)和操作條件對(duì)天然氣脫除CO2分離過(guò)程經(jīng)濟(jì)性的影響，為新型CO2分離膜材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供參考。2、文獻(xiàn)綜述天然氣脫除CO2，不僅可以提高熱值，減少運(yùn)送和儲(chǔ)藏體積

2、，而且可以減少CO2對(duì)運(yùn)送管道的腐蝕。膜分離技術(shù)因具有節(jié)能、裝置簡(jiǎn)單、操作費(fèi)用低而具有廣泛應(yīng)用的潛力。膜過(guò)程的核心是膜，膜的分離性能和分離過(guò)程的操作條件決定了膜分離過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。單級(jí)膜分離過(guò)程是氣體膜分離操作的基礎(chǔ)，更復(fù)雜的串、并聯(lián)多級(jí)操作都是在單級(jí)過(guò)程的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。單級(jí)氣體膜分離過(guò)程的效率對(duì)整個(gè)膜分離工藝[1,2]的經(jīng)濟(jì)性有重要的影響。從1950年S.Weller和W.A.Steiner以來(lái)，已有許多研究者對(duì)單級(jí)氣體膜分離過(guò)程進(jìn)行了分析，得到了很多有價(jià)值的結(jié)論。[3]1974年，ChuenY.Pan和HenryW.H

3、abgood提出用并流和逆流兩種模型進(jìn)行分析，并指出同時(shí)提高快氣和慢氣的滲透速率可以減少所需要的膜面積；如果快氣滲透速率不變，僅減小慢氣滲透速率，雖然理想分離因子α?xí)岣撸菚?huì)增加所需要的膜面積。[4]A.KeithFritzsche和JamesE.Kurz等利用S.Weller和W.A.Steiner的錯(cuò)流模型進(jìn)行分析，指出對(duì)于任意進(jìn)料組成，隨著理想分離因子α的逐漸增大，α對(duì)過(guò)程的分離效果和所需膜面積的影響逐漸減小，從函數(shù)圖形上看，α增大到一定程度后α的影響會(huì)出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)區(qū)，此后α再增加對(duì)分離過(guò)程的影響很小。作者認(rèn)為開(kāi)*

4、通訊作者：王志，教授，博士生導(dǎo)師，wangzhi@tju.edu.cn1發(fā)超高選擇性（super-selective）的膜意義不大。[5]S.P.Nunes,et利用S.Weller和W.A.Steiner的錯(cuò)流模型進(jìn)行分析，并利用[6]C.W.Saltonstall的方法計(jì)算膜面積，指出從減少膜使用面積的角度考慮，采用分離因子相對(duì)較低的膜材料經(jīng)濟(jì)性會(huì)更好。[7]R.W.Baker根據(jù)膜組件參數(shù)對(duì)單級(jí)分離過(guò)程經(jīng)濟(jì)性的影響，把參數(shù)的取值范圍分為三個(gè)區(qū)間，即α控制區(qū)（當(dāng)α＜＜P/p（截留側(cè)與滲透?jìng)?cè)壓力比）），壓力比控制區(qū)（當(dāng)α＞

5、＞P/p），和α與壓力比共同影響區(qū)。同時(shí)指出，α或P/p相對(duì)過(guò)高都是沒(méi)有意義的。事實(shí)上，膜材料分離性能如何影響單級(jí)氣體膜分離過(guò)程，與分離要求、操作條件（如壓力比）、操作流程等因素都是有關(guān)系的。本文以膜法脫除天然氣中酸性氣體（CO2）這一具體工藝為例，對(duì)膜性能和操作條件參數(shù)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，為新型膜材料的開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)，分析的方法也對(duì)其他氣體膜分離過(guò)程經(jīng)濟(jì)性分析提供參考。3、計(jì)算與分析氣體膜分離過(guò)程的費(fèi)用主要包括設(shè)備成本和操作費(fèi)用兩個(gè)方面。分離所需膜材料的成本，設(shè)備的占地面積，壓力設(shè)備成本構(gòu)成了單級(jí)過(guò)程設(shè)備成本的主要部分。操作費(fèi)

6、用主要是指分離操作的能耗，此外，關(guān)鍵組分的損失也可以算在操作費(fèi)用中。[1,2]經(jīng)過(guò)分析比較采用S.Weller和W.A.Steiner的錯(cuò)流模型和C.W.[6]Saltonstall的膜面積計(jì)算方法進(jìn)行分析計(jì)算。本文計(jì)算的天然氣處理操作的基本情況為，363天然氣進(jìn)料流量：QF=11.57m/s(~35.31MMSCFD或10m(STP)/day);進(jìn)料組成：90%methane，10%CO2（mol%）;操作壓力：進(jìn)料側(cè)P=5MPa(~725psia)，滲透?jìng)?cè)p=0.12Mpa(~17.4psia)；要求產(chǎn)品氣組成：CO2含

7、量≤2%。本文計(jì)算所舉例子中的膜的參數(shù)為：膜分離層厚度：100nm（0.1μm）;-1132CH4滲透系數(shù)：4.5×10cm(STP).cm/cm.s.cmHg（0.45Barrer）；2-1032CO2滲透系數(shù)：1.125×10cm(STP).cm/cm.s.cmHg（11.25Barrer）；理想分離因子：25；92單位長(zhǎng)度膜組件有效膜面積：5.836×10m/m;單級(jí)過(guò)程分析分離要求為：將組成為90%CH4，10%CO2（mol%）的進(jìn)料氣體處理，得到組成為CO2含量≤2%的產(chǎn)品氣。以下的分析均是以完成該分離任務(wù)為目標(biāo)

8、進(jìn)行的。a.膜面積A膜面積與膜滲透速率的關(guān)系如圖-1所示，Ra是快氣的滲透速率，Rb是慢氣的滲透速率。由圖中可以隨著Ra和Rb的增加，完成分離任務(wù)所要求的膜面積逐漸減小。對(duì)于慢氣滲透速率Rb一定的條件下，膜使用面積與快氣滲透速率Rb的關(guān)系以及慢氣滲透速率Rb一定的條件下，膜面積與快氣滲透速