中空纖維氣體分離技術(shù)

不同的氣體分離技術(shù)

目前成熟的氣體分離技術(shù)可歸為物理手段和化學(xué)手段兩大類，其中物理手段的通用性更強(qiáng)。氣體分離的物理方法從原理上可歸為以下三類：變壓吸附技術(shù)、低溫技術(shù)和中空纖維膜分離技術(shù)。

以空氣中的氧、氮分離為例，（1）變壓吸附技術(shù)是通過(guò)特定規(guī)格的吸附劑將分子直徑不同的氮?dú)夂脱鯕夥珠_(kāi)。在吸附過(guò)程中，氧氣被吸附劑吸收而氮?dú)饪梢宰杂赏ㄟ^(guò)，通過(guò)高轉(zhuǎn)速球閥將原料空氣等量等時(shí)長(zhǎng)地分配給兩個(gè)相同的吸附罐進(jìn)行交替工作，從而實(shí)現(xiàn)氮?dú)獾纳a(chǎn)。

（2）低溫分離技術(shù)是利用氣體自身的物理屬性，在低溫環(huán)境中氧氣、氮?dú)獾囊夯瘻囟炔煌瑥亩鴮?shí)現(xiàn)不同氣體組分的分離。這種技術(shù)適用于多種液態(tài)工業(yè)氣體產(chǎn)品的生產(chǎn)，包括氧氣、氮?dú)狻⒛蕷狻⒍趸嫉鹊取?

20世紀(jì)80年代后期，隨著高分子材料的突破和創(chuàng)新，一系列可對(duì)不同氣體分子實(shí)現(xiàn)選擇性溶解滲透的材料被應(yīng)用到空氣分離行業(yè)，形成了（3）中空纖維膜分離技術(shù)。以制氮?dú)膺^(guò)程為例，加壓空氣中的氧氣和氮?dú)庠跉怏w分離膜中的滲透速率的不同，物理活性更為活躍的氧氣透過(guò)膜材料溢出，而氮?dú)饪稍谀?nèi)側(cè)富集。這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了氣體組分的常溫、連續(xù)分離，且設(shè)備體積小、靜止運(yùn)轉(zhuǎn)，移動(dòng)性和可靠性都較其他技術(shù)更高。

中空纖維膜氣體分離技術(shù)的原理

三種氣體分離技術(shù)比較：用于空氣中的氧、氮分離

低溫分離技術(shù)

變壓吸附技術(shù)

膜分離技術(shù)

氣體分離媒介

制冷劑膨脹

吸附劑

中空纖維膜

基本原理

熱交換

吸附劑吸收氧氣釋放氮?dú)猓柡秃笮柙偕?

氧氮?dú)怏w分子因滲透速率不同而自然分離

氮?dú)饧兌?

雜質(zhì)小于1ppm

95-99.9995%

95-99.9%

氮?dú)饴饵c(diǎn)

—

＜-40℃

＜-60℃

氣量

通常大于5，000Nm3/h

通常小于1，000Nm3/h

通常10至10，000Nm3/h

輸出連續(xù)性

—

不連續(xù)

連續(xù)

設(shè)備啟動(dòng)時(shí)間

12-24 小時(shí)

小于20分鐘

小于3 分鐘

設(shè)備尺寸

大

中等

小

設(shè)備投資

高

低

中等

操作維護(hù)成本

很高

一般

低

設(shè)備移動(dòng)性

移動(dòng)困難

移動(dòng)困難

移動(dòng)性好

供氣穩(wěn)定性

—

中等

高

膜分離技術(shù)的歷史

20世紀(jì)80年代，美國(guó)、日本一些知名化學(xué)公司的科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出可用于空氣分離的高分子復(fù)合材料。經(jīng)過(guò)多年的后續(xù)研發(fā)和應(yīng)用推廣，與頭發(fā)纖維粗細(xì)相當(dāng)?shù)闹锌绽w維膜材料被排列成纖維束，應(yīng)用于空氣分離等各種作業(yè)，在工業(yè)、能源、航天、軍事等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。中空纖維膜分離技術(shù)于20世紀(jì)80年代末、90年代初實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

凱德實(shí)業(yè)是中國(guó)最早引入并成功應(yīng)用膜分離技術(shù)的踐行者，公司于1993年生產(chǎn)的膜分離工業(yè)制氮機(jī)是國(guó)內(nèi)最早的膜分離氣體分離產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由1993年至2012年，凱德實(shí)業(yè)向世界范圍內(nèi)的油氣田氮?dú)庥脩籼峁┝水a(chǎn)能累計(jì)超過(guò)160，000立方米/小時(shí)的膜分離設(shè)備（以95%氮?dú)庥?jì)算），向工業(yè)氮?dú)庥脩籼峁┝水a(chǎn)能累計(jì)超過(guò)12，000立方米/小時(shí)的膜分離設(shè)備（以99%氮?dú)庥?jì)算），相當(dāng)于建成了一座24小時(shí)在世界各地連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的移動(dòng)式巨型工廠！

中空纖維

快氣與慢氣

上百萬(wàn)根中空膜纖維排列在一起形成束狀，稱之為膜組。不同氣體分子透過(guò)膜組材料的滲透速率不同。以氧、氮分離為例，空氣經(jīng)加壓由膜組一端流入；氧氣比氮?dú)獾臐B透速度快，可稱為“快氣”，在壓力下透過(guò)膜材料快速滲透并從膜組外側(cè)溢出；“慢氣”氮?dú)庠谀げ牧仙系臐B透率很小，可在膜組內(nèi)側(cè)富集并從另一端排出，這樣兩種氣體實(shí)現(xiàn)了分離。

“快氣”和“慢氣”是相對(duì)而言的，多種氣體組分可以通過(guò)膜技術(shù)進(jìn)行分離，例如二氧化碳與甲烷（膜分離技術(shù)用于沼氣提純）、氫氣與甲烷等等。