正在加载图片...
.618 北京科技大学学报 第29卷 段时间后，电磁阀1、2关闭，3、4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 氨两组分混合气体，体积分数分别为21%和79%， 残余气作为富氨产品气体排出，该过程即为排空阶 富氨气体平均纯度是一个周期内氨气纯度的算术平 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 CPM1A型PLC控制，膜组件的进气口、残余气出 2实验结果及分析 口和渗透气出口分别设置了压力传感器11、12 2.1稳态渗透性能 (MPX2202GP,Freescale)和压力传感器13(MPX- 图2和图3分别给出富氨气体产率、纯度和氨 HZ61l5A,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 0.080 信号由数据采集卡获得后通过计算机记录保存. LML一2型湿式气体流量计用来测量产品气体的累 0.075 积流量，容量为5L,精度1%.实验中所用膜组件为 0.070 Permea公司的Prism a中空纤维氧氮分离器，分离 器高0.387m,直径0.102m,有效膜面积为6.83m2. 0.065 无油空压机为280A型. 1.2实验内容及方法 0.060L 0.20 0250.300.350.40 为了考察该变压膜渗透过程的空气分离制氨性 进气压力MPa 能，分别进行了稳态渗透实验和变压膜渗透实验 图2富氮气体产率随进气压力的关系 表1为变压膜渗透实验的实验因素和水平. Fig.2 Effect of feed pressure on the productivity of nitrogenen- 表1实验因素和水平 riched gas Table 1 Experimental factors and levels 100 影响因素 82.0 一一纯度 水平 一4一问收率 98 加压时间/s 抽真空时间/s 排空时间/s 是81.5 1.0 2 96 1.5 80.5 94 2.0 2.5 5 80.0 92 3.0 6 79.5L 0.200.250.300.35 90 0.40 6 F 7 进气压力MPa 9 8 图3富氨气体纯度和氨气回收率随进气压力的关系 8 10 Fig.3 Effect of feed pressure on the average purity and recovery of nitrogen-enriched gas 稳态渗透实验可以在上述实验装置的基础上进 行简单修改来实现，具体过程在此不再重复，通常， 由图2可见，富氮气体的产率随着膜组件进气 对于膜气体分离，采用逆流流型的分离效果较 压力的增加而降低。根据压缩机的流量压力特性曲 好]，本文实验研究了进气压力分别为0.2， 线图，压力增加，空气流量降低，从而氮气流量也 0.25,0.35,0.4MPa时管侧进气逆流流型下稳态渗 下降 透的富氮气体纯度、产率和回收率随压力的变化规 从图3可以看出，随着进气压力的升高，富氨气 律.在变压膜渗透实验中，研究了加压时间、抽真空 体纯度逐渐上升，而氨气回收率不断下降，说明二者 时间和排空时间对富氨气体的平均纯度、产率和回 之间存在平衡关系，高纯度和高回收率不能同时获 收率的影响 得.由于稳态渗透分离过程的驱动力是膜两侧的 根据表1所列影响因素和水平进行实验过程 压差，提高进气压力，使得更多的氧气和氨气通过膜段时间后电磁阀1、2关闭3、4开启膜组件壳侧 的渗透气被压缩机7抽出成为富氧气体此过程即 为抽真空阶段．随后电磁阀5打开膜组件管侧的 残余气作为富氮产品气体排出该过程即为排空阶 段．上述三个阶段依次循环进行就形成了连续的变 压膜渗透过程． 实验中电磁阀的开关采用 OMRON 公司的 CPM1A 型 PLC 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、12 （MPX2202GPFreescale）和压力传感器13（MPXHZ6115AFreescale）．残余气和渗透气的氧含量由 YHL－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型湿式气体流量计用来测量产品气体的累 积流量容量为5L精度1％．实验中所用膜组件为 Permea 公司的 Prism－α中空纤维氧氮分离器分离 器高0∙387m直径0∙102m有效膜面积为6∙83m 2． 无油空压机为280A 型． 1∙2 实验内容及方法 为了考察该变压膜渗透过程的空气分离制氮性 能分别进行了稳态渗透实验和变压膜渗透实验． 表1为变压膜渗透实验的实验因素和水平． 表1 实验因素和水平 Table1 Experimental factors and levels 水平 影响因素 加压时间／s 抽真空时间／s 排空时间／s 1 1∙0 3 2 2 1∙5 4 3 3 2∙0 6 4 4 2∙5 5 5 5 3∙0 7 6 6 － 8 7 7 － 9 8 8 － 10 9 稳态渗透实验可以在上述实验装置的基础上进 行简单修改来实现具体过程在此不再重复．通常 对于膜气体分离采用逆流流型的分离效果较 好［7－9］．本文实验研究了进气压力分别为 0∙2 0∙250∙350∙4MPa 时管侧进气逆流流型下稳态渗 透的富氮气体纯度、产率和回收率随压力的变化规 律．在变压膜渗透实验中研究了加压时间、抽真空 时间和排空时间对富氮气体的平均纯度、产率和回 收率的影响． 根据表1所列影响因素和水平进行实验过程 中改变某一个影响因素的水平时另外两个影响因 素固定在合适的水平保持不变．文中假设空气为氧 氮两组分混合气体体积分数分别为21％和79％ 富氮气体平均纯度是一个周期内氮气纯度的算术平 均值产率指一定纯度下单位时间、单位膜面积的气 体流量． 2 实验结果及分析 2∙1 稳态渗透性能 图2和图3分别给出富氮气体产率、纯度和氮 气回收率随进气压力的变化关系． 图2 富氮气体产率随进气压力的关系 Fig．2 Effect of feed pressure on the productivity of nitrogen-enriched gas 图3 富氮气体纯度和氮气回收率随进气压力的关系 Fig．3 Effect of feed pressure on the average purity and recovery of nitrogen-enriched gas 由图2可见富氮气体的产率随着膜组件进气 压力的增加而降低．根据压缩机的流量压力特性曲 线图压力增加空气流量降低从而氮气流量也 下降． 从图3可以看出随着进气压力的升高富氮气 体纯度逐渐上升而氮气回收率不断下降说明二者 之间存在平衡关系高纯度和高回收率不能同时获 得［9］．由于稳态渗透分离过程的驱动力是膜两侧的 压差提高进气压力使得更多的氧气和氮气通过膜 ·618· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷