專利名稱：一種氣液膜接觸器及應(yīng)用其的混合氣體分離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及膜分離技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種氣液膜接觸器及應(yīng)用其的混合氣體分離方法。
背景技術(shù)：
混合氣包括工業(yè)生產(chǎn)中各種工藝氣流和煙道氣等，例如天然氣、合成氣、煉廠氣、Claus尾氣、電廠尾氣和煙道氣，這些混合氣體中含有各種有害的雜質(zhì)氣體，最常見的雜質(zhì)氣體有H2S、SO2和CO2等酸性氣體以及VOCs，這些氣流被進(jìn)一步加工或排放之前，必須進(jìn)行凈化處理，除去其中有害的雜質(zhì)氣體(例如酸性氣體和VOCs等)，以滿足后續(xù)工段的要求或環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。膜接觸器是一種新型氣體分離裝置，其具有穩(wěn)定的傳質(zhì)界面、高比表面積、高傳質(zhì)效率，能耗低，裝置體積小和操作彈性大等優(yōu)勢。其作為一種先進(jìn)的分離裝置被廣泛地應(yīng)用于化學(xué)工程、環(huán)境工程、食品工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域。在當(dāng)前能源日益緊張，環(huán)境日趨嚴(yán)峻的形勢下，高效節(jié)能已成為各國技術(shù)發(fā)展的主題。因此膜接觸器的開發(fā)受到各國的·高度重視。膜接觸器由于其在傳質(zhì)面積、傳質(zhì)效率，操作靈活性、裝置的大小等方面具有突出的優(yōu)勢，受到世界各國研究者的高度重視，被認(rèn)為具有很大應(yīng)用潛力和有望替代傳統(tǒng)的氣體吸收器(如塔器等)的技術(shù)之一。目前開發(fā)的具有實(shí)用性的膜接觸器，包括中空纖維膜組件和平板膜組件，前者的結(jié)構(gòu)有平流式和錯(cuò)流式兩種，后者有螺旋式等。平流式特點(diǎn)是氣液兩相的流動(dòng)方向是平行的，分為并流和逆流，這種組件制造方便，價(jià)格較低，缺點(diǎn)是填充的中空纖維分布密度不均勻，影響殼程流體的均勻分布。錯(cuò)流式特點(diǎn)是氣液兩相的流動(dòng)方向是交叉的，交叉流的獲得可采用直接錯(cuò)流形式和折流板強(qiáng)制形式，錯(cuò)流式中空纖維膜組件的優(yōu)點(diǎn)是中空纖維分布較均勻，錯(cuò)流使流體速度流動(dòng)方向與纖維表面垂直，從而加強(qiáng)了傳質(zhì)效率，其缺點(diǎn)是組裝困難，造價(jià)較高。螺旋卷式膜組件是將做好的平板膜密封成膜袋，在兩膜袋間襯以網(wǎng)狀間隔材料并緊密地卷繞在多孔中心管上制成。螺旋卷式膜組件的結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積的有效膜面積較大，制作工藝相對(duì)比較簡單，安裝和操作也比較方便。適合在低流速，低壓力下操作。但由于不易清洗，對(duì)原料的預(yù)處理要求較高。中空纖維膜組件能夠提供高填充密度，耐壓性能好，大的比表面面積，結(jié)構(gòu)緊湊，制作方便等優(yōu)點(diǎn)，因此，應(yīng)用性高于其它組件。HofT等人開發(fā)了錯(cuò)流式中空纖維膜組件，研究了其吸收CO2的過程，測定了傳質(zhì)通量，一個(gè)二維擴(kuò)散-反應(yīng)模型可以預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果；Dind0re等人測定了中空纖維膜接觸器殼側(cè)擴(kuò)散系數(shù)，為膜組件的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。日本UBE公司、CHUB公司和NIPPON公司等均開發(fā)了中空纖維膜組件，其主要應(yīng)用于煙道氣中CO2的回收。挪威Kvamer公司開發(fā)了一種用于分離天然氣中CO2的膜吸收法工藝，該工藝可以應(yīng)用平板式和中空纖維膜組件。美國專利(USP7318854B2)提出一個(gè)選擇性分離混合氣中CO2的膜系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用中空纖維膜接觸器。國內(nèi)浙江大學(xué)、天津大學(xué)、北京化工大學(xué)和南京信息工程大學(xué)等高校在膜接觸器應(yīng)用方面開展了較多的研究。膜接觸器本質(zhì)上是一個(gè)分離系統(tǒng)，其高效性涉及膜材料和膜接觸器結(jié)構(gòu)，其中膜接觸器結(jié)構(gòu)是高效節(jié)能的關(guān)鍵，也是提高市場競爭力的基礎(chǔ)。因此開發(fā)高效節(jié)能的膜接觸器具有特別重要的意義。目前，用于分離混合氣的膜接觸器存在中空纖維分布密度不均勻，傳質(zhì)效率不穩(wěn)定，組裝困難，造價(jià)較高等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)目前氣液膜接觸器傳質(zhì)效率不穩(wěn)定，組裝困難，造價(jià)高的問題提供一種氣液膜接觸器及應(yīng)用其的混合氣體分離方法，
一種多通道氣液膜接觸器，包括長方形框體，固定于框體上下表面之間的氣腔板一，所述氣腔板一將框體內(nèi)腔分隔為氣腔與液腔；所述氣腔的頂面同側(cè)成對(duì)開設(shè)有氣體接口，所述液腔的相對(duì)外側(cè)面成對(duì)開設(shè)有液體接口，還包括另一氣腔板二，將氣腔分隔為兩個(gè)單獨(dú)的子氣腔，所述成對(duì)的氣體接口分別與不同的子氣腔相通；還包括有中空纖維膜，所述中空纖維膜固定于膜絲支撐管內(nèi)，所述中空纖維膜兩端頭沿框體長邊分別固定于不同子氣腔的氣腔板一上，所述膜絲支撐管的水平段浸于液腔內(nèi)。 本發(fā)明提供的氣液膜接觸器呈現(xiàn)管殼式長方形框架結(jié)構(gòu)，設(shè)置在膜絲支撐管內(nèi)的中空纖維膜為管程，走氣體，長方形框架為殼程，走液體，其長邊為有效的殼程長度。氣體通過中空纖維膜，由一個(gè)子氣腔進(jìn)入同側(cè)的另一個(gè)子氣腔，在這個(gè)過程中，借助液體，實(shí)現(xiàn)混合氣體的分離。全部分離過程僅在一個(gè)長方形框架結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)。作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述框體上下表面之間平行設(shè)置有兩塊氣腔板一，所述框體內(nèi)腔由上至下依次分隔為，上氣腔、液腔、下氣腔，所述上氣腔與下氣腔中設(shè)置的氣腔板二分別將其分隔為兩個(gè)子氣腔。從而在框體的上下兩側(cè)可以同時(shí)通入氣體，兩側(cè)氣體的流向可以一致，也可以不一致，從而與液體流向配合，實(shí)現(xiàn)雙順流、雙逆流，或者一個(gè)順流一個(gè)逆流，不僅提高了分離效率，而且實(shí)現(xiàn)了多通道、多選擇性的分離。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述液腔的相對(duì)外側(cè)面成對(duì)開設(shè)有至少兩對(duì)液體接口，所述液體接口形成相互垂直的液體通路。也就是說，在提供與中空纖維膜平行的液體流向的基礎(chǔ)上，還提供了與中空纖維膜垂直的液體流向，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)流的可能性。作為一種優(yōu)選，本發(fā)明公開了所述中空纖維膜為采用聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)或者聚乙烯(PE)的中空纖維膜，所述框體為采用PVC或聚氟類材料的框體。作為一種優(yōu)選，本發(fā)明公開了所述長方形框體的長寬高比例為(8-12) : I. 5:1，其中高大于或者等于10cm，所述氣腔高度為總高度的1/10 - 1/8。長方形的長寬高比例，特別是長寬比例對(duì)于混合氣體的分離效率影響較大，因此本發(fā)明人在綜合考慮分離效率與中空纖維膜自身有效性的基礎(chǔ)上，給出了(8-12) :1. 5:1的優(yōu)選比例。再進(jìn)一步的，所述的中空纖維膜絲排列間隔為O. 5-2cm。實(shí)現(xiàn)了中空纖維膜絲與液體之間的有效接觸，提聞了傳質(zhì)效率。作為更進(jìn)一步地優(yōu)選，所述中空纖維膜絲在液腔內(nèi)以框體上下對(duì)稱面為中心面對(duì)稱分布，所述中空纖維膜絲的水平段長度不小于框體長度的45-65%。從而保證了中空纖維膜絲的有效長度，由于氣液傳質(zhì)發(fā)生在有效長度上，所以進(jìn)一步提高了氣液膜接觸器的分離效果。
同時(shí)，本發(fā)明在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步公開了一種其在混合氣體分離中的應(yīng)用方法，包括以下步驟
(1)按照上述的氣液膜接觸器搭建分離裝置；
(2)選擇氣體接口，形成氣體流程的操作模式；所述氣體流程的操作模式為
(2-1)氣體從氣液膜接觸器一側(cè)的一個(gè)氣體接口進(jìn)入一個(gè)子氣腔，然后經(jīng)過中空纖維膜絲的水平段部分，進(jìn)入另一個(gè)同側(cè)子氣腔，并從同側(cè)的另一個(gè)氣體接口流出，完成氣液膜接觸器的氣體流程；
或
(2-2)氣體以相同方向或者相反方向，同時(shí)從氣液膜接觸器的兩側(cè)分別由一個(gè)氣體接口進(jìn)入，然后經(jīng)過中空纖維膜絲的水平段部分，從該側(cè)的另一個(gè)氣體接口流出，完成氣液膜接觸器的氣體流程；·
(3)選擇液體接口，形成液體流程的操作模式；
液體從氣液膜接觸器一側(cè)的一個(gè)液體接口進(jìn)入液腔，然后從氣液膜接觸器相對(duì)側(cè)的一個(gè)液體接口流出，完成液體流程；
(4)通入氣體及液體，以順流、逆流或者錯(cuò)流的方式完成混合氣體分離。本發(fā)明所提供的氣液膜接觸器中，氣液流程表述為氣體從膜接觸器一側(cè)的一個(gè)氣體接口(I)進(jìn)入一個(gè)氣腔，然后在支撐管進(jìn)口進(jìn)入膜絲，到達(dá)膜絲的有效長度(液腔膜絲部分)，氣體在此通過膜孔擴(kuò)散進(jìn)入液腔溶液中，發(fā)生傳質(zhì)，未擴(kuò)散至液腔的氣體沿膜絲內(nèi)腔流入膜接觸器同側(cè)的一個(gè)氣腔，再從同側(cè)的另一個(gè)氣體接口( I’)流出，完成膜接觸器一側(cè)的氣體流程；或者同時(shí)在膜接觸器另一側(cè)氣體同時(shí)按同樣的流程從該側(cè)的一個(gè)氣體接口
(II)進(jìn)入，從該側(cè)的另一個(gè)氣體接口(II’)流出，同樣完成該側(cè)的氣體流程；兩側(cè)的氣體流程同時(shí)進(jìn)行，可以是順流(同一方向I — I’，II — II’或者I’ 一 I，II’ 一 II)操作，也可以是逆流(逆向I — I’，II’ 一 II或者I’ 一 I，II — II’)操作。液體從膜接觸器一側(cè)的一個(gè)液體接口(與氣體流程相平行的方向)進(jìn)入液腔，吸收從膜絲擴(kuò)散過來的氣體，然后從膜接觸器另一側(cè)的一個(gè)液體接口(Iir)流出，完成液體流程，此時(shí)與氣體形成平流或逆流操作?；蛘咭后w從膜接觸器一側(cè)的一個(gè)液體接口(與氣體流程相垂直的方向)進(jìn)入液腔，吸收從膜絲擴(kuò)散過來的氣體，然后從膜接觸器另一側(cè)的一個(gè)液體接口流出，完成液體流程，此時(shí)與氣體形成錯(cuò)流操作。流向的操作模式有多種選擇，可根據(jù)工藝的要求，到達(dá)高效節(jié)能的目的。氣液接口的管徑和分布不限定，滿足接口流體通量等于總流體流量，管口分布均勻到達(dá)流體分布均勻。本發(fā)明提出一種用于分離混合氣體的多通道氣液膜接觸器，可廣泛地應(yīng)用于化學(xué)工程、環(huán)境工程、食品工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域，特別用于分離C02、SO2, H2S, NH3和VOCs及其它等氣體，可有效地避免中空纖維分布密度不均勻、殼程流體不均勻等缺點(diǎn)，優(yōu)于現(xiàn)有的中空纖維膜接觸器，分離效率提高20-38%。通過本發(fā)明所公開技術(shù)方案，在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了多通道、多選擇、填充密度高、裝置結(jié)構(gòu)緊湊、組裝及清理方便的優(yōu)化。在分離效果上實(shí)現(xiàn)了傳質(zhì)效率高、分離成本低等優(yōu)化。


圖I為本發(fā)明用于分離混合氣體的多通道氣液膜接觸器外觀總圖。圖2為本發(fā)明用于分離混合氣體的多通道氣液膜接觸器俯視圖 圖3為本發(fā)明用于分離混合氣體的多通道氣液膜接觸器正視圖
圖4為本發(fā)明用于分離混合氣體的多通道氣液膜接觸器側(cè)視圖 圖5為本發(fā)明用于分離混合氣體的多通道氣液膜接觸器仰視圖 圖6為本發(fā)明用于分離混合氣體的多通道氣液膜接觸器氣腔部分平面剖 視圖 圖7為本發(fā)明用于分離混合氣體的多通道氣液膜接觸器液腔部分平面剖視圖 圖8為本發(fā)明用于分離混合氣體的多通道氣液膜接觸器立面剖視圖 其中
I-氣腔、2-液腔、3-膜絲支撐管。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。需要說明的是，下面描述中使用的詞語“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是幅圖中的方向，詞語“內(nèi)”和“外”分別指的是朝向或遠(yuǎn)離特定部件幾何中心的方向。實(shí)施例I 氣液膜接觸器結(jié)構(gòu)說明
如圖I至圖8所示，一種多通道氣液膜接觸器，包括長方形框體如圖I中的長方體結(jié)構(gòu)，固定于框體上下表面之間的氣腔板一在圖中不意為Dl層板,所述氣腔板一Dl將框體內(nèi)腔分隔為氣腔I與液腔2 ;所述氣腔I的頂面同側(cè)成對(duì)開設(shè)有氣體接口 I及I ’，所述液腔2的相對(duì)外側(cè)面成對(duì)開設(shè)有液體接口III及III’，還包括另一氣腔板二 D2，將氣腔I分隔為兩個(gè)單獨(dú)的子氣腔，所述成對(duì)的氣體接口分別與不同的子氣腔相通，也就是說氣體接口 I與左側(cè)的子氣腔連通，氣體接口 I ’與右側(cè)的子氣腔相連通；還包括有中空纖維膜，所述中空纖維膜固定于膜絲支撐管3內(nèi)，所述中空纖維膜兩端頭沿框體長邊分別固定于不同子氣腔的氣腔板一上，所述膜絲支撐管3的水平段浸于液腔2內(nèi)。由于中空纖維膜裝置在膜絲支撐管3內(nèi)，所以在圖中僅以膜絲支撐管3表示中空纖維膜的位置。在本實(shí)施例中，特別優(yōu)化地所述框體上下表面之間平行設(shè)置有兩塊氣腔板一 Dl，所述框體內(nèi)腔由上至下依次分隔為，上氣腔、液腔、下氣腔，所述上氣腔與下氣腔中設(shè)置的氣腔板二 D2分別將其分隔為兩個(gè)子氣腔。優(yōu)選地，所述液腔的相對(duì)外側(cè)面成對(duì)開設(shè)有至少兩對(duì)液體接口，所述液體接口形成相互垂直的液體通路，在圖中以IV與IV’表示與氣體通路相垂直的液體通路。優(yōu)選地，所述中空纖維膜為采用聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)或者聚乙烯(PE)的中空纖維膜，所述框體為采用PVC或聚氟類材料的框體。實(shí)施例2
根據(jù)不同的分離情況，選用不同長方體尺寸，并配以適合材質(zhì)的中空纖維膜絲，將其按照優(yōu)選的分離方式，設(shè)置間隔及有效長度，即水平長度，并進(jìn)行測試。實(shí)例2-1
參照?qǐng)DI 一 8所示，一種用于分離混合氣體的多通道氣液膜接觸器，其結(jié)構(gòu)L = 100cm, W = 15cm,H= 10cm,氣腔D= I. 25cm,中空纖維PP膜絲排列間隔為0. 5cm,最短的膜絲有效長度為50% L0
操作流程混合氣組成N2/C02，壓力O. IMPa, CO2摩爾分率25%，流速I. 5L/min ;液體(吸收劑)30%MEA，流速300mL/min。I)氣液流程順流操作(I — IMl — II’);液體流程III — III’，與氣體形成逆流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高28%。2)氣液流程順流操作(I — IMI — II’);液體流程III’一 III，與氣體形成順流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高21%。3)氣液流程順逆流操作(I — IMr — ii);液體流程in — in’或in’ 一 111，與氣體形成逆順流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高25%。4)氣體流程順流操作(I — I’，
II— II’)或逆流操作(I — I’，II’ 一 II);液體流程IV—IV’或IV’ 一IV，與氣體形成錯(cuò)流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高36%。實(shí)例2-2
參照?qǐng)DI 一 8所示，一種用于分離混合氣體的多通道氣液膜接觸器，其結(jié)構(gòu)L = 120cm, W = 22. 5cm, H = 15cm,氣腔D = I. 5cm,中空纖維PTFE膜絲排列間隔為Icm,最短的膜絲有效長度為65% L0 操作流程混合氣組成N2/C02，壓力O. IMPa, CO2摩爾分率25%，流速2L/min ;液體(吸收劑)30%MEA，流速400mL/min。I)氣液流程順流操作(I — Γ，II — II’)；液體流程
III— III’，與氣體形成逆流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高30%。2)氣液流程順流操作(I - IMI - II’);液體流程III’一 III，與氣體形成順流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高22%。3)氣液流程順逆流操作(I —I’，II’ 一 II);液體流程III — III’或III’ 一 III，與氣體形成逆順流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高27%。4)氣體流程順流操作(I — I’，
II— II’)或逆流操作(I — I’，II’ 一 II);液體流程IV—IV’或IV’ 一IV，與氣體形成錯(cuò)流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高37%。實(shí)例2-3
參照?qǐng)DI 一 8所示，一種用于分離混合氣體的多通道氣液膜接觸器，其結(jié)構(gòu)L = 240cm, W = 30cm, H = 20cm，氣腔D = 2. 2cm,中空纖維PP膜絲排列間隔為2cm，最短的膜絲有效長度為45% L0操作流程混合氣組成N2/C02，壓力O. IMPa, CO2摩爾分率25%，流速2. 5L/min ;液體(吸收劑)30%MEA，流速500mL/min。I)氣液流程順流操作(I — IMl — II’);液體流程
III— III’，與氣體形成逆流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高30%。2)氣液流程順流操作(I — IMI — II’);液體流程III’一 III，與氣體形成順流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高24%。3)氣液流程順逆流操作(I — IMr — ii);液體流程in — in’或in’ 一 111，與氣體形成逆順流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高28%。4)氣體流程順流操作(I — I’，II — II’)或逆流操作(I — I’，II’ 一 II);液體流程IV—IV’或IV’ 一IV，與氣體形成錯(cuò)流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高38%。實(shí)例2-4
參照?qǐng)DI 一 8所示，一種用于分離混合氣體的多通道氣液膜接觸器，其結(jié)構(gòu)L = 360cm, W = 45cm, H = 30cm,氣腔D = 3cm,中空纖維PVDF膜絲排列間隔為I. 5cm,最短的膜絲有效長度為50% L0
操作流程混合氣組成N2/S02，壓力O. IMPa, SO2摩爾分率O. 05%,流速2L/min ;液體(吸收劑)30%胺基檸檬酸復(fù)合溶液，流速600mL/min。I)氣液流程順流操作(I — I’，
II— II’);液體流程III — III’，與氣體形成逆流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高32%。2)氣液流程順流操作(I — I’，II — II’);液體流程III’一 III，與氣體形成順流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高25%。3)氣液流程順逆流操作(I — IMr ^ ii);液體流程in — in’或in’一 πι，與氣體形成逆順流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高29%。4)氣體流程順流操作(I — I’，II — II’)或逆流操作(I — I’，II’ 一 II);液體流程 IV— IV’ 或 IV’ 一 IV，與氣體形成錯(cuò)流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高37%。實(shí)例2-5
參照?qǐng)DI 一 8所示，一種用于分離混合氣體的多通道氣液膜接觸器，其結(jié)構(gòu)L = 300cm, W = 37. 5cm, H = 25cm,氣腔D = 2. 8cm,中空纖維PP膜絲排列間隔為O. 8cm,最短的膜絲有效長度為60% L0 操作流程混合氣組成N2/H2S，壓力O. IMPa, H2S摩爾分率O. 1%，流速2L/min ;液體(吸收劑)30%MDEA，流速400mL/min。I)氣液流程順流操作(I — I’，II — II，)；液體流程
III— III’，與氣體形成逆流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高26%。2)氣液流程順流操作(I — IMI — II’);液體流程III’一 III，與氣體形成順流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高22%。3)氣液流程順逆流操作(I — I’，II’ 一 II);液體流程III — III’或III’ 一 III，與氣體形成逆順流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高25%。4)氣體流程順流操作(I — I’，
II— II’)或逆流操作(I — I’，II’ 一 II);液體流程IV—IV’或IV’ 一IV，與氣體形成錯(cuò)流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高36%。實(shí)例2-6
參照?qǐng)DI 一 8所示，一種用于分離混合氣體的多通道氣液膜接觸器，其結(jié)構(gòu)L = 450cm, W = 60cm, H = 40cm,氣腔D = 3cm,中空纖維PVDF膜絲排列間隔為I. 2cm,最短的膜絲有效長度為50% L0操作流程混合氣組成N2/NH3，壓力O. IMPa, NH3摩爾分率5%，流速2L/min ;液體(吸收劑)10%H2S04，流速400mL/min。I)氣液流程順流操作(I — I’，II — II’)；液體流程
III— III’，與氣體形成逆流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高25%。2)氣液流程順流操作(I — IMI — II’);液體流程III’一 III，與氣體形成順流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高20%。3)氣液流程順逆流操作(I — I’，II’ 一 II);液體流程III — III’或III’ 一 III，與氣體形成逆順流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高23%。4)氣體流程順流操作(I — I’，
II— II’)或逆流操作(I — I’，II’ 一 II);液體流程IV—IV’或IV’ 一IV，與氣體形成錯(cuò)流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高33%。實(shí)例2-7
參照?qǐng)DI 一 8所示，一種用于分離混合氣體的多通道氣液膜接觸器，其結(jié)構(gòu)L = 100cm, W = 15cm,H= 10cm,氣腔D= I. 25cm,中空纖維PTFE膜絲排列間隔為0. 5cm,最短的膜絲有效長度為45% L0
操作流程混合氣組成N2/苯，壓力O. IMPa,苯摩爾分率O. 02%,流速lL/min ;液體(吸收劑)50%嗎啉，流速200mL/min。I)氣液流程順流操作(I — I’，II — II’)；液體流程
III— III’，與氣體形成逆流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高23%。2)氣液流程順流操作(I — IMI — II’);液體流程III’一 III，與氣體形成順流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高20%。3)氣液流程順逆流操作(I — I’，II’ 一 II);液體流程III — III’或III’ 一 III，與氣體形成逆順流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高21%。4)氣體流程順流操作(I — I’，II — II’)或逆流操作(I — I’，II’ 一 II);液體流程IV—IV’或IV’ 一IV，與氣體形成錯(cuò)流，此時(shí)與現(xiàn)有同規(guī)模的中空纖維膜接觸器相比較，分率效率提高28%。工藝評(píng)價(jià)結(jié)果如下
結(jié)果表明，本發(fā)明提出的一種用于分離混合氣體的多通道氣液膜接觸器能夠有效地提 高分率效率，是一種高效膜組件。
權(quán)利要求
1.一種多通道氣液膜接觸器，其特征在于所述氣液膜接觸器包括長方形框體，固定于框體上下表面之間的氣腔板一，所述氣腔板一將框體內(nèi)腔分隔為氣腔與液腔；所述氣腔的頂面同側(cè)成對(duì)開設(shè)有氣體接口，所述液腔的相對(duì)外側(cè)面成對(duì)開設(shè)有液體接口，還包括另一氣腔板二，將氣腔分隔為兩個(gè)單獨(dú)的子氣腔，所述成對(duì)的氣體接口分別與不同的子氣腔相通；還包括有中空纖維膜，所述中空纖維膜固定于膜絲支撐管內(nèi)，所述中空纖維膜兩端頭沿框體長邊分別固定于不同子氣腔的氣腔板一上，所述膜絲支撐管的水平段浸于液腔內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣液膜接觸器，其特征在于所述框體上下表面之間平行設(shè)置有兩塊氣腔板一，所述框體內(nèi)腔由上至下依次分隔為，上氣腔、液腔、下氣腔，所述上氣腔與下氣腔中設(shè)置的氣腔板二分別將其分隔為兩個(gè)子氣腔。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的氣液膜接觸器，其特征在于所述液腔的相對(duì)外側(cè)面成對(duì)開設(shè)有至少兩對(duì)液體接口，所述液體接口形成相互垂直的液體通路。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣液膜接觸器，其特征在于所述中空纖維膜為采用聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)或者聚乙烯(PE)的中空纖維膜，所述框體為采用PVC或聚氟類材料的框體。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任意一項(xiàng)所述的氣液膜接觸器，其特征在于所述長方形框體的長寬高比例為(8-12) : I. 5:1，其中高大于或者等于10cm，所述氣腔高度為總高度的1/10 - 1/8。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任意一項(xiàng)所述的氣液膜接觸器，其特征在于所述的中空纖維膜絲排列間隔為O. 5-2cm。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣液膜接觸器，其特征在于所述中空纖維膜絲在液腔內(nèi)以框體上下對(duì)稱面為中心面對(duì)稱分布，所述中空纖維膜絲的水平段長度不小于框體長度的45-65%。
8.一種應(yīng)用權(quán)利要求I至7中任意一項(xiàng)所述的氣液膜接觸器的混合氣體分離方法，其特征在于包括以下步驟 (1)按照權(quán)利要求I至7中任意一項(xiàng)所述的氣液膜接觸器搭建分離裝置； (2)選擇氣體接口，形成氣體流程的操作模式；所述氣體流程的操作模式為 (2-1)氣體從氣液膜接觸器一側(cè)的一個(gè)氣體接口進(jìn)入一個(gè)子氣腔，然后經(jīng)過中空纖維膜絲的水平段部分，進(jìn)入另一個(gè)同側(cè)子氣腔，并從同側(cè)的另一個(gè)氣體接口流出，完成氣液膜接觸器的氣體流程； 或 (2-2)氣體以相同方向或者相反方向，同時(shí)從氣液膜接觸器的兩側(cè)分別由一個(gè)氣體接口進(jìn)入，然后經(jīng)過中空纖維膜絲的水平段部分，從該側(cè)的另一個(gè)氣體接口流出，完成氣液膜接觸器的氣體流程； (3)選擇液體接口，形成液體流程的操作模式； 液體從氣液膜接觸器一側(cè)的一個(gè)液體接口進(jìn)入液腔，然后從氣液膜接觸器相對(duì)側(cè)的一個(gè)液體接口流出，完成液體流程； (4)通入氣體及液體，以順流、逆流或者錯(cuò)流的方式完成混合氣體分離。
全文摘要
本發(fā)明涉及膜分離技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種氣液膜接觸器及應(yīng)用其的混合氣體分離方法。針對(duì)目前氣液膜接觸器傳質(zhì)效率不穩(wěn)定，組裝困難，造價(jià)高的問題提供一種氣液膜接觸器及應(yīng)用其的混合氣體分離方法,利用管殼式長方形框架結(jié)構(gòu)，由中空纖維膜和框架構(gòu)成。中空纖維膜為管程，走氣體，長方形框架為殼程，走液體，可選擇性地進(jìn)行順流、逆流、錯(cuò)流分離，有效地避免中空纖維分布密度不均勻、殼程流體不均勻等缺點(diǎn)，優(yōu)于現(xiàn)有的中空纖維膜接觸器，分離效率提高20-38%。
文檔編號(hào)B01D53/22GK102908877SQ201210391699
公開日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月16日
發(fā)明者陸建剛, 花愛春, 許正文, 承玲, 林鳳英, 樊璠 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)