基于螺旋卷式膜元件的多元件膜分离器及分离方法

1.本发明涉及基于螺旋卷式膜元件的多元件膜分离器及分离方法，针对气体分离特别是co2分离领域。


背景技术：

2.碳捕集利用与封存(ccus)技术是能够大幅减少发电和工业过程中化石燃料碳排放的关键技术，其发展愿景是构建低成本、低能耗、安全可靠的ccus技术体系和产业集群。在多种co2捕集技术中，膜分离技术具有能耗低、可靠性高、无二次污染、处理规模灵活等优势，近年来受到了越来越多的关注。
3.高装填密度、低压力损失和低制造成本膜分离器的设计和规模制备是膜分离技术走向应用的关键。目前工业上常用的膜分离器包括板框式、螺旋卷式、中空纤维式等类型，其中螺旋卷式膜分离器是在20世纪60年代中期，美国gulf general atomics公司在盐水局对海水淡化应用项目的资助下首先开发的。螺旋卷式膜分离器所用的平板膜易于大规模连续制备，其自身也易于规模制备且具有结构紧凑、价格低廉等优势，因此占据了大部分的市场份额，已在反渗透、纳滤等膜分离领域得到了广泛的应用。与板框式和中空纤维式膜分离器相比，螺旋卷式膜分离器因具有较高填充密度和较低压力损失的优点在气体分离特别是燃烧后co2捕获领域也具有最广阔的应用潜力。
4.膜分离器是由膜元件安装在膜壳内而构成的实用器件，在工业应用中，标准膜元件规格主要为4040型(直径4.0英寸，长度40英寸)和8040型(直径8.0英寸，长度40英寸)，有效膜面积约为10～40m2。相比之下，建设一个工业膜分离装置需要数千甚至数百万平方米的分离膜，即需要数百甚至数万个膜分离器。图1展示了常规膜分离器剖面结构示意图和膜分离器连接方式示意图，该膜分离器设有进料气接口、截留气接口和渗透气接口，膜壳内仅包含一支膜元件；在膜分离装置中，每个膜分离器的进料气接口、截留气接口和渗透气接口通过卡箍等连接装置分别连接到进料气总管、截留气总管和渗透气总管。使用仅含单支膜元件的常规膜分离器构建膜分离装置，将造成膜壳材料的大量浪费，膜分离器之间的连接组合也使得连接管线繁多、布局复杂；同时，为了方便安装，膜分离器之间空隙较大，造成空间利用率较低，最终导致设备投资和占地面积大幅增加，影响了膜技术的经济性和应用前景。此外，目前用于气体分离特别是co2捕集的工业尺寸膜分离器相关的研究和报道仍较少，也限制了膜技术的推广应用。因此通过膜分离器结构的优化设计和内部膜元件的合理排列组合，开发大膜面积、高装填密度和低压力损失的膜分离器意义重大。


技术实现要素：

5.本发明提出了基于螺旋卷式膜元件的多元件膜分离器，设计可容纳多支膜元件的膜分离器，实现了膜元件的高效组合使用。本发明所述螺旋卷式膜元件由分离膜、进气侧隔网、渗透侧隔网和集气管组成，本发明的多元件膜分离器是由多支螺旋卷式膜元件、膜壳、封头、连接件、密封圈等组成的膜分离实用器件。本发明的多元件膜分离器设有进料气接
口、截留气接口和渗透气接口，其分离过程是：待分离原料气从进料气接口流入膜分离器，然后进入膜元件内由进气侧隔网构成的进气流道；渗透速率快的气体组分在压力差的驱动下优先渗透过膜，进入由渗透侧隔网构成的渗透气流道，汇入打孔的集气管，最终作为渗透气被收集，通过渗透气接口流出膜分离器；渗透速率慢的气体组分则大部分未渗透过膜，从膜元件进气流道的另一侧流出，最终作为截留气被收集，通过截留气接口流出膜分离器。
6.本发明的技术方案如下：
7.基于螺旋卷式膜元件的多元件膜分离器，包括膜壳、螺旋卷式膜元件；膜壳两侧内分别设有挡板，用于固定螺旋卷式膜元件；膜壳内设置至少3支螺旋卷式膜元件；膜壳可与封头或另一膜壳连接，或与接管膜壳连接，接管膜壳再与封头连接；膜壳或接管膜壳设有接口，作为进料气接口或截留气接口。
8.所述膜壳与封头之间，或接管膜壳与封头之间设有开孔的管板；所述螺旋卷式膜元件的集气管连接到管板的开孔内；所述集气管、管板开孔的连接部位分别设有集气管密封圈和管板开孔密封圈。
9.所述多元件膜分离器的膜壳、接管膜壳、封头的端部设有法兰接头，膜分离器各部分通过法兰、垫片和螺栓进行可拆连接。
10.所述螺旋卷式膜元件由分离膜、进气侧隔网、渗透侧隔网和集气管组成。
11.本发明的基于螺旋卷式膜元件的多元件膜分离器方法，待分离原料气从进料气接口流入膜分离器，然后进入膜元件内由进气侧隔网构成的进气流道；渗透速率快的气体组分在压力差的驱动下优先渗透过膜，进入由渗透侧隔网构成的渗透气流道，汇入打孔的集气管，最终作为渗透气被收集，通过渗透气接口流出膜分离器；渗透速率慢的气体组分则大部分未渗透过膜，从膜元件进气流道的另一侧流出，最终作为截留气被收集，通过截留气接口流出膜分离器。
12.与图1所示的膜分离器相比，本发明设计的多元件膜分离器实现了膜元件更加紧凑的排列，减少了膜分离装置的占地面积，多元件膜分离器减少了膜壳、管道、连接管件等材料的用量，降低了设备成本和膜设备装配难度。所述多元件膜分离器具有高分离效率、低压力损失的优势，在截留气压力和渗透气压力分别为0.5和0.1mpa时可将烟气co2含量提纯到36.3％～37.0％，co2回收率高达66.9％～67.8％，调整压力可使co2含量进一步提高到51.0％，截留侧压力差仅为0.004～0.015mpa，对运行能耗的影响可以忽略。本发明可根据需要灵活地调整膜壳内膜元件数量和膜壳连接数量，实现大膜面积膜分离器的模块化快速组装，有效地解决了常规膜分离器连接管线复杂繁多、空间利用率低的问题，同时降低了设备成本，推动膜分离技术在气体分离特别是co2分离领域的应用。
附图说明
13.图1为常规膜分离器剖面结构示意图和连接方式示意图。
14.图2为本发明螺旋卷式膜元件的结构示意图。
15.图3为本发明7元件膜分离器的主视图。
16.图4为本发明7元件膜分离器的俯视图。
17.图5为本发明7元件膜分离器的剖面图。
18.图6为本发明14元件膜分离器的主视图。
19.图7为本发明14元件膜分离器的剖面图。
20.图8为本发明8元件膜分离器的剖面图。
21.图中：1、渗透气接口，2、管板，3、进料气接口，4、挡板，5、螺旋卷式膜元件，6、膜元件密封圈，7、集气管密封圈，8、管板开孔密封圈，9、集气管-管板连接件，10、封头，11、截留气接口，12、集气管，13、膜壳，14、接管膜壳，15、集气管-集气管连接件，16、进气侧隔网，17、渗透侧隔网，18、分离膜。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
23.实施例1
24.参见图3～图5所示，基于螺旋卷式膜元件的多元件膜分离器，包括膜壳(13)、管板(2)、封头(10)；所述膜壳(13)两侧分别设有挡板(4)，用于固定螺旋卷式膜元件(5)；挡板(4)和螺旋卷式膜元件(5)之间设有膜元件密封圈(6)，防止膜分离器内原料气短路而直接进入截留气；参见图2所示，所述螺旋卷式膜元件(5)由分离膜(18)、进气侧隔网(16)、渗透侧隔网(17)和集气管(12)组成，有效面积为31m2；所述膜壳(13)内安置7支螺旋卷式膜元件(5)，总有效膜面积为217m2；所述螺旋卷式膜元件(5)按图5b-b剖面图所示的方式排列在膜壳(13)内；所述膜壳(13)设有接口，作为进料气接口(3)和截留气接口(11)；所述膜壳(13)的两端与封头(10)连接；所述封头(10)设有渗透气接口(1)；所述膜壳(13)和封头(10)之间设有开孔的管板(2)；所述螺旋卷式膜元件的集气管(12)直接插到管板(2)的开孔内，用于隔离渗透气和原料气、渗透气和截留气；所述集气管(12)和管板(2)的开孔之间的连接部位设有集气管密封圈(7)，防止集气管中的渗透气泄露，同时避免进料气和截留气进入中心管和封头而污染渗透气；所述膜分离器的膜壳(13)、封头(10)的端部设有法兰接头，各部分通过法兰、垫片和螺栓进行可拆连接。
25.从多元件膜分离器的进料气接口(3)通入co2/n2/h2o混合气(25℃，co2/n2体积比为14/86，h2o含量为饱和水蒸气含量)，模拟燃煤电厂烟气co2捕集过程，截留气接口(11)处截留气压力分别维持在0.5、0.3和0.15mpa(绝对压力，下同)，渗透气接口(1)处渗透气压力分别维持在0.1、0.06和0.03mpa，测试结果请见表1。
26.实施例2
27.本实施例是在实施例1的基础上进一步优化，实现膜分离器的模块化快速组装，具体是：
28.参见图6～图7所示，基于螺旋卷式膜元件的多元件膜分离器，包括膜壳(13)、接管膜壳(14)、管板(2)和封头(10)；所述膜壳(13)两侧分别设有挡板(4)，用于固定螺旋卷式膜元件(5)；挡板(4)和螺旋卷式膜元件(5)之间设有膜元件密封圈(6)，防止膜分离器内原料气短路而直接进入截留气；参见图2所示，所述螺旋卷式膜元件(5)由分离膜(18)、进气侧隔网(16)、渗透侧隔网(17)和集气管(12)组成，有效面积为31m2；所述膜壳(13)内安置7支螺旋卷式膜元件(5)，总有效膜面积为217m2；两个膜壳(13)通过法兰接头连接在一起，两端再分别与接管膜壳(14)、管板(2)和封头(10)相连接，实现了更大膜面积膜分离器的模块化组装；两个膜壳间的集气管(12)通过集气管-集气管连接件(15)连接；集气管(12)和集气管-集气管连接件(15)之间的连接部位设有集气管密封圈(7)防止渗透气泄露，同时避免进料
气和截留气进入集气管而污染渗透气；所述膜壳(13)的另一端与接管膜壳(14)连接；所述接管膜壳(14)设有接口，作为进料气接口(3)或截留气接口(11)；所述接管膜壳(14)的另一端与封头(10)连接；所述封头(10)设有渗透气接口(1)；所述接管膜壳(14)和封头(10)之间设有开孔的管板(2)；所述集气管(12)的另一端通过集气管-管板连接件(9)插到管板(2)的开孔内，用于隔离渗透气和原料气、渗透气和截留气；所述集气管(12)和集气管-管板连接件(9)之间以及集气管-管板连接件(9)和管板(2)的开孔之间的连接部位分别设有集气管密封圈(7)和管板开孔密封圈(8)，防止集气管中的渗透气泄露，同时避免进料气和截留气进入中心管和封头而污染渗透气；所述膜分离器的膜壳(13)、接管膜壳(14)、封头(10)的端部设有法兰接头，各部分通过法兰、垫片和螺栓进行可拆连接。两个膜壳连接组成的可容纳14支螺旋卷式膜元件的膜分离器的有效膜面积为434m2。
29.从多元件膜分离器的进料气接口(3)通入co2/n2/h2o混合气(25℃，co2/n2体积比为14/86，h2o含量为饱和水蒸气含量)，模拟燃煤电厂烟气co2捕集过程，截留气接口(11)处截留气压力维持在0.5mpa，渗透气接口(1)处渗透气压力为0.1mpa，测试结果请见表1。
30.实施例3
31.本实施例是在实施例2的基础上进行调整，具体是：
32.参见图8所示，所述螺旋卷式膜元件(5)的有效膜面积为25m2；所述膜壳(13)内安置4支螺旋卷式膜元件(5)，总有效膜面积为100m2。两个膜壳连接组成的可容纳8支螺旋卷式膜元件的膜分离器的有效膜面积为200m2。
33.从多元件膜分离器的进料气接口(3)通入co2/n2/h2o混合气(25℃，co2/n2体积比为14/86，h2o含量为饱和水蒸气含量)，模拟燃煤电厂烟气co2捕集过程，截留气接口(11)处截留气压力维持在0.5mpa，渗透气接口(1)处渗透气压力为0.1mpa，测试结果请见表1。
34.测试数据及结论
35.以上实例中针对本发明涉及的多元件膜分离器，考察了不同截留气压力、渗透气压力和螺旋卷式膜元件数量等条件下的实验结果分别如下表所示。
36.表1实施例1-3本发明多元件膜分离器在不同条件下的实验结果
[0037][0038][0039]
注：1截留侧压力差＝进料气压力－截留气压力；
[0040]2co2回收率＝渗透气流量
×
渗透气co2含量/(进料气流量
×
进料气co2含量)。
[0041]
由表1可知，本发明设计的多元件膜分离器展现出了良好的分离结果，在0.5mpa截留气压力下，实施例1提出的7元件膜分离器处理125nm3/h的进料气，co2回收率高达67.8％；逐渐将降低压力，co2回收率降低但渗透气co2含量提高，在0.3mpa截留气压力下，7元件膜分离器的co2回收率降低到50.6％，渗透气co2含量提高到44.5％；进一步降低截留气压力至0.15mpa，渗透气co2含量提高到51.0％。实例1所示实验结果证明本发明设计的多元件膜分离器在不同操作压力均具有良好的分离性能，适用于不同的分离任务。在0.5mpa截留气压力下，实施例2提出的14元件膜分离器处理250nm3/h的进料气，保证了单位膜面积的处理量与实施例1保持一致(即每平方米的分离膜平均处理0.576nm3进料气)，co2回收率为66.9％，与实施例1的co2回收率相比降低了1.3％，渗透气co2含量略有提高；实施例1提出的7元件膜分离器的截留侧压力差仅为0.004mpa，实施例2提出的14元件膜分离器的截留侧压力差虽然提高到了0.015mpa，但也仅占进料气压力的2.9％，对运行能耗的影响可以忽略。另外，实施例2和实施例3均为两个膜壳连接组成的膜分离器，实施例2和实施例3的实验结果基本一致。以上结果证明了本发明设计的多元件膜分离器具有高分离效率、低压力损失的优势以及模块化组装的可行性。
[0042]
本发明公开和提出的方案及装置，本领域研究人员可通过借鉴本文内容，适当改变参数实现，尽管本发明的方法和设备已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和设备进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域研究人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。