一種氣液膜接觸器及應用其的混合氣體分離方法技術

本發明專利技術涉及膜分離技術領域，特別是一種氣液膜接觸器及應用其的混合氣體分離方法。針對目前氣液膜接觸器傳質效率不穩定，組裝困難，造價高的問題提供一種氣液膜接觸器及應用其的混合氣體分離方法,利用管殼式長方形框架結構，由中空纖維膜和框架構成。中空纖維膜為管程，走氣體，長方形框架為殼程，走液體，可選擇性地進行順流、逆流、錯流分離，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，優于現有的中空纖維膜接觸器，分離效率提高20-38%。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及膜分離
，特別是。
技術介紹
混合氣包括工業生產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氣體，最常見的雜質氣體有H2S、SO2和CO2等酸性氣體以及VOCs，這些氣流被進一步加工或排放之前，必須進行凈化處理，除去其中有害的雜質氣體(例如酸性氣體和VOCs等)，以滿足后續工段的要求或環保排放標準。膜接觸器是一種新型氣體分離裝置，其具有穩定的傳質界面、高比表面積、高傳質效率，能耗低，裝置體積小和操作彈性大等優勢。其作為一種先進的分離裝置被廣泛地應用于化學工程、環境工程、食品工業和醫藥工業等領域。在當前能源日益緊張，環境日趨嚴峻的形勢下，高效節能已成為各國技術發展的主題。因此膜接觸器的開發受到各國的·高度重視。膜接觸器由于其在傳質面積、傳質效率，操作靈活性、裝置的大小等方面具有突出的優勢，受到世界各國研究者的高度重視，被認為具有很大應用潛力和有望替代傳統的氣體吸收器(如塔器等)的技術之一。目前開發的具有實用性的膜接觸器，包括中空纖維膜組件和平板膜組件，前者的結構有平流式和錯流式兩種，后者有螺旋式等。平流式特點是氣液兩相的流動方向是平行的，分為并流和逆流，這種組件制造方便，價格較低，缺點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。錯流式特點是氣液兩相的流動方向是交叉的，交叉流的獲得可采用直接錯流形式和折流板強制形式，錯流式中空纖維膜組件的優點是中空纖維分布較均勻，錯流使流體速度流動方向與纖維表面垂直，從而加強了傳質效率，其缺點是組裝困難，造價較高。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構緊湊，單位體積的有效膜面積較大，制作工藝相對比較簡單，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，對原料的預處理要求較高。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，結構緊湊，制作方便等優點，因此，應用性高于其它組件。HofT等人開發了錯流式中空纖維膜組件，研究了其吸收CO2的過程，測定了傳質通量，一個二維擴散-反應模型可以預測實驗結果；Dind0re等人測定了中空纖維膜接觸器殼側擴散系數，為膜組件的設計提供依據。日本UBE公司、CHUB公司和NIPPON公司等均開發了中空纖維膜組件，其主要應用于煙道氣中CO2的回收。挪威Kvamer公司開發了一種用于分離天然氣中CO2的膜吸收法工藝，該工藝可以應用平板式和中空纖維膜組件。美國專利(USP7318854B2)提出一個選擇性分離混合氣中CO2的膜系統，該系統采用中空纖維膜接觸器。國內浙江大學、天津大學、北京化工大學和南京信息工程大學等高校在膜接觸器應用方面開展了較多的研究。膜接觸器本質上是一個分離系統，其高效性涉及膜材料和膜接觸器結構，其中膜接觸器結構是高效節能的關鍵，也是提高市場競爭力的基礎。因此開發高效節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，傳質效率不穩定，組裝困難，造價較高等缺點。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對目前氣液膜接觸器傳質效率不穩定，組裝困難，造價高的問題提供， 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腔分隔為氣腔與液腔；所述氣腔的頂面同側成對開設有氣體接口，所述液腔的相對外側面成對開設有液體接口，還包括另一氣腔板二，將氣腔分隔為兩個單獨的子氣腔，所述成對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，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。 本專利技術提供的氣液膜接觸器呈現管殼式長方形框架結構，設置在膜絲支撐管內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，由一個子氣腔進入同側的另一個子氣腔，在這個過程中，借助液體，實現混合氣體的分離。全部分離過程僅在一個長方形框架結構中實現。作為本專利技術的改進，所述框體上下表面之間平行設置有兩塊氣腔板一，所述框體內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置的氣腔板二分別將其分隔為兩個子氣腔。從而在框體的上下兩側可以同時通入氣體，兩側氣體的流向可以一致，也可以不一致，從而與液體流向配合，實現雙順流、雙逆流，或者一個順流一個逆流，不僅提高了分離效率，而且實現了多通道、多選擇性的分離。作為本專利技術的進一步改進，所述液腔的相對外側面成對開設有至少兩對液體接口，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上，還提供了與中空纖維膜垂直的液體流向，從而同時實現了錯流的可能性。作為一種優選，本專利技術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。作為一種優選，本專利技術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，特別是長寬比例對于混合氣體的分離效率影響較大，因此本專利技術人在綜合考慮分離效率與中空纖維膜自身有效性的基礎上，給出了(8-12) :1. 5:1的優選比例。再進一步的，所述的中空纖維膜絲排列間隔為O. 5-2cm。實現了中空纖維膜絲與液體之間的有效接觸，提聞了傳質效率。作為更進一步地優選，所述中空纖維膜絲在液腔內以框體上下對稱面為中心面對稱分布，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，由于氣液傳質發生在有效長度上，所以進一步提高了氣液膜接觸器的分離效果。同時，本專利技術在上述技術方案的基礎上，進一步公開了一種其在混合氣體分離中的應用方法，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的一個氣體接口進入一個子氣腔，然后經過中空纖維膜絲的水平段部分，進入另一個同側子氣腔，并從同側的另一個氣體接口流出，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，同時從氣液膜接觸器的兩側分別由一個氣體接口進入，然后經過中空纖維膜絲的水平段部分，從該側的另一個氣體接口流出，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的一個液體接口進入液腔，然后從氣液膜接觸器相對側的一個液體接口流出，完成液體流程； (4)通入氣體及液體，以順流、逆流或者錯流的方式完成混合氣體分離。本專利技術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的一個氣體接口(I)進入一個氣腔，然后在支撐管進口進入膜絲，到達膜絲的有效長度(液腔膜絲部分)，氣體在此通過膜孔擴散進入液腔溶液中，發生傳質，未擴散至液腔的氣體沿膜絲內腔流入膜接觸器同側的一個氣腔，再從同側的另一個氣體本文檔來自技高網...

【技術保護點】
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腔分隔為氣腔與液腔；所述氣腔的頂面同側成對開設有氣體接口，所述液腔的相對外側面成對開設有液體接口，還包括另一氣腔板二，將氣腔分隔為兩個單獨的子氣腔，所述成對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，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。

【技術特征摘要】
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腔分隔為氣腔與液腔；所述氣腔的頂面同側成對開設有氣體接口，所述液腔的相對外側面成對開設有液體接口，還包括另一氣腔板二，將氣腔分隔為兩個單獨的子氣腔，所述成對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，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。2.根據權利要求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置有兩塊氣腔板一，所述框體內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置的氣腔板二分別將其分隔為兩個子氣腔。3.根據權利要求I或2所述的氣液膜接觸器，其特征在于所述液腔的相對外側面成對開設有至少兩對液體接口，所述液體接口形成相互垂直的液體通路。4.根據權利要求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.根據權利要求I至3中任意一項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1...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陸建剛，花愛春，許正文，承玲，林鳳英，樊璠，
申請(專利權)人：南京信息工程大學，
類型：發明
國別省市：