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D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.06.038 第29卷第6期 北京科技大学学报 Vol.29 No.6 2007年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2007 变压膜渗透空气分离制氮 杜雄伟刘应书 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要在稳态膜渗透的基础上提出了一种新的非稳态渗透流程·该流程是一种循环操作过程，每一周期包含加压、抽真空 以及排空三个阶段：实验研究了加压时间、抽真空时间和排空时间对空气分离制氨的产品平均纯度、产率和回收率的影响，并 与稳态渗透实验结果进行了比较。结果表明，随着加压时间的延长，富氨气体的平均纯度、产率以及氨气回收率均会上升：延 长抽真空时间可以提高富氯气体平均纯度，但会降低富氯产率和氨气回收率；适当延长排空时间可以提高富氨气体平均纯 度、产率和氨气回收率，但排空时间过长将会导致富氨产率和氨气回收率下降。本文提出的变压渗透过程能够得到比稳态渗 透更高的富氨纯度，但富氮产率和回收率要低 关键词空气分离：膜：变压渗透：稳态：非稳态 分类号TQ028.8 膜气体分离已经广泛应用于石油、食品、化学、 态渗透空气分离制氮实验，研究了变压渗透操作参 药品、农业等领域，如制氢、富氧富氮、脱湿、脱二氧 数对富氨气体平均纯度、流量和回收率的影响，并对 化碳等，通常，膜气体分离是在稳态方式下进行，除 稳态和非稳态渗透的分离性能进行了比较， 了在启动时，膜分离器的进气压力和渗透侧压力均 1 保持不变，且气体渗透速率和纯度也不随时间变化， 实验装置及内容 早在1971年，Paml山提出了一种用来提高分离选择 1.1实验装置 性的过渡渗透方式，采用脉冲进料的方式对其分离 根据变压膜渗透机理，建立了如图1所示的实 性能进行了理论计算，结果显示脉冲膜分离能得到 验装置， 比稳态渗透高得多的选择性能，但是气体产量会大 残余气 幅下降.l991年，Beckman和Shelekhin☑采用脉冲 进料方式，在厚度为147m的PVT MS膜上实验研 究了He/CO2混合物分离，随后，Kao等人[3]提出了 两种与前人不同的过渡渗透操作流程，采用连续进 气方式实验研究了He/CH:在硅橡胶膜上的选择分 离性能.Ueda等人[臼的专利提出了一种能够提高 原料气 2 膜两侧压差以及保持快渗透，组分分压均匀的分离 流程，并对该流程分离空气的性能与传统的稳态渗 1~5一电磁阀：6一过滤器；7一无油压缩机：8一冷却器：9一油水 透进行了比较.Feng等人可提出采用两个膜组件 分离器：10-中空纤维膜组件：11~13-压力传感器：14,15一流 进行变压渗透分离，主要是为了提高渗透气的压力， 量计：16,17一测氧仪：18,19一流量调节阀：20一PLC:21一计算 考察膜分离与变压吸附分离的整合潜力，改进早期 机： 图1变压膜渗透空气分离实验装置 的变压吸附/膜联合分离流程].以上提出的大多 Fig.I Experimental apparatus for air separation by pressure swing 数非稳态膜渗透过程尽管在气体的分离选择性能上 membrane permeation 表现较好，但产品的回收率普遍较低，本文在稳态 膜渗透的基础上提出了一种新的非稳态渗透流程， 本文提出的变压膜渗透过程包括三个阶段，即 为了考察其分离性能，分别进行了稳态渗透和非稳 加压阶段、抽真空阶段和排空阶段，加压阶段：电磁 阀1、2开启，3、4、5关闭，原料空气经过滤器6后， 收稿日期：2006-02-01修回日期：2006-06-27 被无油压缩机压缩，再依次经过冷却器8和油水分 作者简介：杜雄伟(1980一)，男，博士研究生：刘应书(1960一)，男， 离器9后供入中空纤维膜组件10的管侧，加压一 教授，博士生导师变压膜渗透空气分离制氮 杜雄伟 刘应书 北京科技大学机械工程学院北京100083 摘 要 在稳态膜渗透的基础上提出了一种新的非稳态渗透流程∙该流程是一种循环操作过程每一周期包含加压、抽真空 以及排空三个阶段．实验研究了加压时间、抽真空时间和排空时间对空气分离制氮的产品平均纯度、产率和回收率的影响并 与稳态渗透实验结果进行了比较．结果表明随着加压时间的延长富氮气体的平均纯度、产率以及氮气回收率均会上升；延 长抽真空时间可以提高富氮气体平均纯度但会降低富氮产率和氮气回收率；适当延长排空时间可以提高富氮气体平均纯 度、产率和氮气回收率但排空时间过长将会导致富氮产率和氮气回收率下降．本文提出的变压渗透过程能够得到比稳态渗 透更高的富氮纯度但富氮产率和回收率要低． 关键词 空气分离；膜；变压渗透；稳态；非稳态 分类号 T Q028∙8 收稿日期：2006－02－01 修回日期：2006－06－27 作者简介：杜雄伟（1980－）男博士研究生；刘应书（1960－）男 教授博士生导师 膜气体分离已经广泛应用于石油、食品、化学、 药品、农业等领域如制氢、富氧富氮、脱湿、脱二氧 化碳等．通常膜气体分离是在稳态方式下进行除 了在启动时膜分离器的进气压力和渗透侧压力均 保持不变且气体渗透速率和纯度也不随时间变化． 早在1971年Paul ［1］提出了一种用来提高分离选择 性的过渡渗透方式采用脉冲进料的方式对其分离 性能进行了理论计算结果显示脉冲膜分离能得到 比稳态渗透高得多的选择性能但是气体产量会大 幅下降．1991年Beckman 和 Shelekhin ［2］采用脉冲 进料方式在厚度为147μm 的 PVT MS 膜上实验研 究了 He／CO2 混合物分离．随后Kao 等人［3］提出了 两种与前人不同的过渡渗透操作流程采用连续进 气方式实验研究了 He／CH4 在硅橡胶膜上的选择分 离性能．Ueda 等人［4］ 的专利提出了一种能够提高 膜两侧压差以及保持快渗透组分分压均匀的分离 流程并对该流程分离空气的性能与传统的稳态渗 透进行了比较．Feng 等人［5］ 提出采用两个膜组件 进行变压渗透分离主要是为了提高渗透气的压力 考察膜分离与变压吸附分离的整合潜力改进早期 的变压吸附／膜联合分离流程［6］．以上提出的大多 数非稳态膜渗透过程尽管在气体的分离选择性能上 表现较好但产品的回收率普遍较低．本文在稳态 膜渗透的基础上提出了一种新的非稳态渗透流程． 为了考察其分离性能分别进行了稳态渗透和非稳 态渗透空气分离制氮实验研究了变压渗透操作参 数对富氮气体平均纯度、流量和回收率的影响并对 稳态和非稳态渗透的分离性能进行了比较． 1 实验装置及内容 1∙1 实验装置 根据变压膜渗透机理建立了如图1所示的实 验装置． 1～5－电磁阀；6－过滤器；7－无油压缩机；8－冷却器；9－油水 分离器；10－中空纤维膜组件；11～13－压力传感器；1415－流 量计；1617－测氧仪；1819－流量调节阀；20－PLC；21－计算 机； 图1 变压膜渗透空气分离实验装置 Fig．1 Experimental apparatus for air separation by pressure swing membrane permeation 本文提出的变压膜渗透过程包括三个阶段即 加压阶段、抽真空阶段和排空阶段．加压阶段：电磁 阀1、2开启3、4、5关闭原料空气经过滤器6后 被无油压缩机压缩再依次经过冷却器8和油水分 离器9后供入中空纤维膜组件10的管侧．加压一 第29卷 第6期 2007年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．6 Jun．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．06．038