气体膜分离过程参数经济性分析

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1、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CO2分离过程经济性的影响，为新型CO2分离膜材料的开发和应用提供参考。2、文献综述天然气脱除CO2，不仅可以提高热值，减少运送和储藏体积

2、，而且可以减少CO2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[1,2]的经济性有重要的影响。从1950年S.Weller和W.A.Steiner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。[3]1974年，ChuenY.Pan和HenryW.H

3、abgood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.KeithFritzsche和JamesE.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*

4、通讯作者：王志，教授，博士生导师，wangzhi@tju.edu.cn1发超高选择性（super-selective）的膜意义不大。[5]S.P.Nunes,et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。[7]R.W.Baker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＞

5、＞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（CO2）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，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

6、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。[1,2]经过分析比较采用S.Weller和W.A.Steiner的错流模型和C.W.[6]Saltonstall的膜面积计算方法进行分析计算。本文计算的天然气处理操作的基本情况为，363天然气进料流量：QF=11.57m/s(~35.31MMSCFD或10m(STP)/day);进料组成：90%methane，10%CO2（mol%）;操作压力：进料侧P=5MPa(~725psia)，渗透侧p=0.12Mpa(~17.4psia)；要求产品气组成：CO2含

7、量≤2%。本文计算所举例子中的膜的参数为：膜分离层厚度：100nm（0.1μm）;-1132CH4渗透系数：4.5×10cm(STP).cm/cm.s.cmHg（0.45Barrer）；2-1032CO2渗透系数：1.125×10cm(STP).cm/cm.s.cmHg（11.25Barrer）；理想分离因子：25；92单位长度膜组件有效膜面积：5.836×10m/m;单级过程分析分离要求为：将组成为90%CH4，10%CO2（mol%）的进料气体处理，得到组成为CO2含量≤2%的产品气。以下的分析均是以完成该分离任务为目标

8、进行的。a.膜面积A膜面积与膜渗透速率的关系如图-1所示，Ra是快气的渗透速率，Rb是慢气的渗透速率。由图中可以随着Ra和Rb的增加，完成分离任务所要求的膜面积逐渐减小。对于慢气渗透速率Rb一定的条件下，膜使用面积与快气渗透速率Rb的关系以及慢气渗透速率Rb一定的条件下，膜面积与快气渗透速