专利名称：一种膜吸收气体处理装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种膜法气体吸收处理方法以及处理装置。
技术背景在气体吸收领域，用空气吹脱法是一种传统的方法。空气从侧面送入并 移向塔的中心部分，然后用安装在塔上部的通风机将空气从塔的中心排出， 此法操作简单，可靠性高，但能耗高，设备占地体积大。合成氨厂在生产过程中副产大量低浓度废氨水，采用加碱工艺，使固定 氨分解成挥发氨再由蒸汽汽提。该工艺简单，效果好，没二次污染，缺点是 能耗大，处理成本较高。尽管几十年来这些传统的接触设备一直是化学工业的支柱，然而它们的 一个主要缺点是两流体完全混合接触，因此导致了接触的两种流体的相互依 赖性，而且有些接触设备还会产生液泛、雾沫夹带、沟流、鼓泡等现象。膜分离是一种新型的化工分离技术，近三十年来，膜分离技术发展迅速， 己成为解决当代能源、资源和环境污染问题的重要的高新技术及可持续发展 技术。在气体吸收领域，用膜作为气液两相接触介质开发一种新型膜集成分 离过程-膜吸收过程，该过程将膜技术与传统的吸收过程相祸合，克服了传 统吸收过程中所存在的夹带、液泛等操作条件的限制。在膜吸收过程中，气 相和吸收液在膜的两侧流动，并通过膜的微孔进行间接接触，两相流量均可 以任意调节，扩大了两相操作范围。膜吸收过程膜本身没有分离功能，但它能在两个互不混溶相之间产生非 分散接触并目提供了更大的接触面积，是一种全新的、更加有效的接触传质 方法，从而使这类过程较常规的分散相接触器更具优越性。此外，膜吸收具有其它的一些优点(1) 用于液一液萃取时不要求两相间存在密度差；(2) 用于气体吸收时，吸收和分离在组件内同时完成；(3) 易于放大以及处理容量的灵活性；(4) 可实现无菌操作；(5) 能提高某些平衡反应的转化率。膜吸收过程可用含氨废水的处理为例来描述。如图1所示，其原理为 疏水性微孔膜把含氨废水和H2S04吸收液分隔于膜两侧，通过调节废水的PH 值，使废水中离子态的NH4+转变为分子态的挥发性NH3。在膜两侧冊3的浓度 差的推动下，废水中的NH3在废水一微孔膜界面汽化挥发。气态的N仏沿膜微 孔向膜的另一側扩散，在吸收液一微孔膜界面上为H2S04吸收，并反应生成不 挥发的(NH》2S(X而被回收。如上所述，氨在废水和吸收液中有着不同的存在形式通过PH调节，在 废水中是以分子态的挥发性NH3形式存在，而在吸收液中则是以离子态的NH4+ 形式存在。这种特征使得废水中的氨能通过存在形式的转换不断向吸收液传 递，直到吸收液中的H2S04全部为氨中和为止，从而可在吸收液中获得高度浓 缩的氨的化合物。1984年，E.L.Cussler首次提出膜吸收的概念并利用疏水性聚丙烯膜研 究了中空纤维膜组件内伴随有化学反应的气液传质。实验测定了 NaOH， H2S04 或胺的水溶液在吸收H2S, S02， NH3和C02过程中的总传质系数，结果发现对于 快反应体系(如H2S，S02, NH3)，总传质速率仅受膜阻力的影响，但对于慢反 应体系(如C02 )，总传质阻力与其在液相中的传质阻力有关。但对所有的体 系而言，由于膜接触器内的装填密度较高，导致体积传质速率比传统的除气 装置要提高IO倍左右。20余年来，该技术得到了研究者的广泛关注。如利用聚丙烯中空纤维膜 组件进行了氨/水分离和影响分离效果的各种因索的研究，选用硫酸作为吸收 液，氨水泵入中空纤维膜内侧，酸吸收液在膜外侧循环流动。结果表明分 离过程中的传质系数主要取决于原料液氨一侧，它与原料液流速的三分之一 次方成正比，而与吸收酸液浓度、原料液的入口压力和浓度无关，在所有工 艺条件中，温度对传质过程的影响最显著;氨水流速的增加，传质系数增大而 氨的脱除率下降;氨的浓度、酸吸收液的浓度、流速对传质过程影响较小。用 硫酸作吸收液的膜吸收法脱氨率大于99. 9°/。，并且可以回收较高纯度的疏酸氨; 而用高浓度(浓度大于8W的盐酸作吸收剂，由于盐酸的挥发性，容易在膜孔 中生成氯化氨晶体，从而导致疏水性微孔膜的亲水化趋势。溶质分离传质过程主要由三步组成，如图2所示。图2是疏水性多孔膜 气体吸收传质机理示意图，图中，Pa表示气体主体組分A分压；Pa"表示膜 气相侧组分A分压，^表示膜液相侧气体组分分压；CA:表示液相主体浓度;CAi 表示与气相PAi成平衡的液相中组分浓度。在图2中，溶质由原料相主体扩散一側；由另一侧膜壁扩散到接受相主体。在 有化学反应存在的分离过程中，所不同的是吸收质扩散到相接触界面后，与 吸收剂或吸收剂中的某个组分发生化学反应，反应后的产物或部分反应物和 产物一起向吸收剂主体扩散。对于解吸过程，传质方向相反。总的传质阻力 包括料液相阻力，膜阻力和接受相阻力。膜吸收应用研究基本上是把传统的吸收过程用膜过程加以实现，膜所体 现的优势主要在分相和提供相对较大的相接触面。膜吸收过程未能大规模工 业应用主要的瓶颈来自于膜材料本身，目前的膜吸收过程在实际应用中存在几个问题(1) 膜的引入增加了体系的传质阻力，特别是当膜孔充液体时；(2) 壳程流体分布的不均匀性影响传质效率；(3) 膜污染的存在(虽然较之压力驱动膜过程要小)；(4) 膜的寿命；(5) 长期运行使疏水膜的亲水化倾向；(6) 临界突破压力的问题。图3显示了传统膜组件结构示意图。如图3所示，管程流体从管程流体 进口 33进入膜组件，从管程流体出口 36流出，壳程流体从壳程流体进口 35 进入膜组件，从壳程流体出口 34流出膜组件。膜组件内设置有中空纤维31 以及密封胶32。"平行流，，组件的特征是管程与壳程的流体以并流或逆流的形式平行流 动。这种组件形式突出的优点是制造工艺简单，造价较低，因此它也是工业 上最常用的。但由于在平行流组件中纤维通常是不均匀装填的，这容易导致 壳程流体的不均匀分布，进而影响传质效率。在膜吸收的操作过程中，气液两相之间保持一定的压差以形成稳定的传 质界面，两相间的压差仅在于防止两相间的渗透，膜吸收过程的主要推动力 是两相间的活度差，而不是两相间的压差，压差对化学位差的贡献远远小于 活度差对化学位差的贡献，所以膜吸收过程的传质系数基本不受两相压差的 影响，这是与以压差为推动力气体膜分离过程不同的。 发明内容本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种气体吸收分离的装置 以及方法。通过本发明取得如下效果1、 传质机理为压差驱动，负压抽吸或正压压缩空气吹扫，传质效率提高。2、 双阀渗漏液分离机构，解决了长期困扰的疏水膜在使用当中的膜渗 漏问题。3、 带有曝气管的浸没式疏水膜过滤组件，无需对原液进行复杂的预过 滤处理、膜接触面积大。通过曝气管鼓气搅动，使反应池中被处理液体与疏 水膜丝均匀接触，减小浓差极化与温差极化作用，同时，利用气泡摩擦摆动 效果，控制膜污染。
图l是现有技术中膜吸收原理示意图； 图2是疏水性多孔膜气体吸收传质机理示意图； 图3是传统膜组件结构示意图； 图4是本发明膜吸收装置示意图； 图5A是本发明膜组件膜丝倒U型浇铸结构示意图； 图5B是本发明膜组件膜丝U型浇铸结构示意图； 图5C是本发明膜组件膜丝直型两端浇铸结构示意图； 图6是本发明膜吸收装置中双阀排出机构示意图。
具体实施方式
如图4，本发明的膜吸收装置包括反应池2，设置在反应池2上的料液 进口 1、空气入口 9，设置在反应池2中的浸没式疏水中空纤维膜气液分离器 3，设置在分离器3下部的控制膜污染的穿孔曝气管4,设置在反应池外部的 吸收液容器5，在吸收液容器出口 5后面设置负压泵6，其采用负压抽吸，将 被吸收气体导入吸收液容器5中进行吸收收集。或者，通过穿孔曝气管4鼓 入压缩空气，将被吸收气体吹扫透过膜，进入吸收液容器5中进行吸收收集。 在压缩空气吹扫时，装置中不需要负压泵6。反应池2中固形物则从低位排出口 7排出膜吸收装置。 负压泵6可以是真空泵，也可以是利用水泵输送流体时产生的负压。 气液分离器3中的膜为聚偏氟乙烯中空纤维疏水膜，内径0. 2—3. Omm, 壁厚0. 05—l.Omm，膜蒸发器多支并列组成一级，多极串联构成一组。反应池2中设有空气曝气管4,其有三个作用 一是通过鼓气搅动，使反 应池2中被处理液体与疏水膜丝均匀接触，减小浓差极化与温差极化作用；二是利用气泡摩擦摆动效果，控制膜污染；三是利用气浮提升作用，使悬浮 物上浮，从上浮污染物排放口 8溢流出蒸发器，或在反应池2封闭状态下， 鼓入正压压缩空气，将被吸收气体通过膜带出反应液，进入吸收液。当固形物杂质在反应池2中含量较多时，停止曝气，使固形物在重力作 用下，自然下沉，从低位出口7排出。疏水膜的膜组件结构形式可以为U型、倒U型、直型，如图5A-5B所示。 图5A是本发明膜組件膜丝倒U型浇铸结构示意图；图5B是本发明膜组件膜 丝U型浇铸结构示意图；图5C是本发明膜组件膜丝直型两端浇铸结构示意图。由于疏水膜的空气透过性好，为了控制膜污染，可以从空气入口 9通入 低压压缩空气，对膜进行空气内压反冲冲击清洗。作为气液分离可以采用聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯等疏水性膜材料， 膜结构形式可以采用中空纤维膜、平板膜、管式膜组件，本发明优选聚偏氟 乙烯中空纤维膜组件作为气液分离器。才艮据处理量的不同，可以将多个膜组 件并联或同时串联使用。本发明设计了新的膜吸收过程，将具有一定温度的反应原液与疏水性多 孔膜接触，被吸收的气体在鼓入的压缩空气或膜透过侧负压的驱动下，以气 态方式穿过多孔膜，进入吸收液容器被吸收收集。透过膜的渗漏液则被图6 所示的双阀排出膜吸收装置。图6显示了图4中的排7jc机构10。如图6所示， 在被吸收气体管路的低位，连接有双阀排水机构10。上述双阀排水机构10 包括上部阀门11和下部阀门13。设备工作时，阀门11常开，阀门13常闭， 这样，由于疏水膜的渗漏产生的直接透过液由于重力的作用自动进入容器12 中，当容器12中存有一定量的渗漏液时，关闭阀门11,打开阀门13，将容 器12中的渗漏液排出系统，然后，再次关闭阀门13，打开阀门11，收集疏 水膜的渗漏液。本发明的特点为1、 传质机理为压差驱动以往膜吸收传质机理为利用被吸收气体的分压差，属于气体分子扩散机 理，本发明机理为压差驱动，压差可以为正压差或负压差。优点压力驱动 下气体流动速度高于溶质在分压差下的自然扩散速度，传质效率提高。2、 双阀渗漏液分离釆用双阀排出机构，解决了长期困扰的疏水膜在使用当中的膜渗漏问题。3、 带有曝气管的浸没式疏水膜过滤组件通常膜吸收是采用内压式中空纤维膜，原液流经中空纤维膜内侧，由于 中空纤维膜内径不大，使得中空纤维膜管内流道容易堵塞，因此对原水预处 理要求高。本发明采用浸没式外压中空纤维疏水膜作为气液分离器，将外压 中空纤维疏水膜直接浸没于原液反应池中，优点是无需对原液进行复杂的预 过滤处理、膜接触面积大。通常膜吸收是采用柱式膜组件，本发明采用浸没 一体式， 一方面，设备紧凑、结构简单，另一方面，可以有效控制膜污染， 易清洗(可以采用容易控制且清洗效果好的空气清洗)、不易在膜表面结垢， 污染物容易利用重力自然下沉收集、悬浮杂质容易利用气浮提升作用上浮排出。空气曝气管有三个作用 一是通过鼓气搅动，使反应池2中被处理液体 与疏水膜丝均匀接触，减小浓差极化与温差极化作用；二是利用气泡摩擦摆 动效果，控制膜污染；三是利用气浮提升作用，使悬浮物上浮，从出口 8溢 流出蒸发器，或在反应池2封闭状态下，鼓入正压压缩空气，将被吸收气体 通过膜带出反应液，进入吸收液。通常膜吸收是采用柱式膜组件，本发明采用浸没一体式， 一方面，设备 紧凑、结构简单，另一方面，可以有效控制膜污染，易清洗(可以釆用容易 控制且清洗效果好的空气清洗)、不易在膜表面结垢，污染物容易利用重力自 然下沉收集、悬浮杂质容易利用气浮提升作用上浮排出。本发明的系统适用于化工挥发性物料分离。如氨水回收，含氨溶液加碱氨化后，鼓入压缩空气，压缩空气与氨气一 起，在压力驱动下，透过疏水性分离膜，再进入酸液进行吸收。如氨水回收，含氨溶液加碱氨化后，在膜的透过側负压抽吸，在压力驱 动下，透过疏水性分离膜，再进入酸液进行吸收。如溴素提取回收，含溴溶液加酸溴化后，鼓入压缩空气，压缩空气与溴 气一起，在压力驱动下，透过疏水性分离膜，再进入石咸液进行吸收。如溴素提取回收，含溴溶液加酸溴化后，在膜的透过側负压抽吸，在压 力驱动下，透过疏水性分离膜，再进入碱液进行吸收。
权利要求
1、一种膜吸收气体处理装置，其特征在于，包括反应池(2)；设置在反应池(2)上的料液进口(1)；设置在反应池(2)中的浸没式疏水膜气液分离器(3)，进行气液分离；设置在分离器(3)下部的穿孔曝气管(4)；设置在反应池外部的吸收液容器(5)，对气体进行收集。
2、 根据权利要求1所述的膜吸收气体处理装置，其特征在于 在吸收液容器出口 (5)后面设置有负压泵(6)。
3、 根据权利要求l所述的膜吸收气体处理装置，其特征在于 在反应池(2)上还设置有压缩空气入口 (9)，用于对膜进行空气冲击清洗。
4、 根据权利要求l所述的膜吸收气体处理装置，其特征在于 气液分离器(3)中的膜为聚偏氟乙烯中空纤维疏水膜，内径0. 2—3. Omm，壁厚0. 05 — 1.0mm,膜蒸发器多支并列组成一级，多极串联构成一组。
5、 根据权利要求1所述的膜吸收气体处理装置，其特征在于 反应池(2)上部设置浮污染物排放口 (8)，利用穿孔曝气管(4)排放气体气浮提升作用，使悬浮物上浮并从上浮污染物排放口 (8)溢流出蒸发器； 反应池(2)下部设置低位排出口 (7)，反应池(2)中固形物则从低位 排出口 (7)排出膜吸收装置。
6、 根据权利要求l所述的膜吸收气体处理装置，其特征在于 在被吸收气体管路的低位，连接有双阀排水机构(10); 上述双阀排水^L构(10 )包括上部阀门(11)和下部阀门(13 )，以及设置在上下部阀门之间的容器(12);设备工作时，上部阀门(11)常开，下部阀门(13)常闭，由于疏水膜 的渗漏产生的直接透过液由于重力的作用自动进入容器(12)中，当容器(12) 中存有一定量的渗漏液时，关闭阀门(11)，打开阀门(13)，将容器(12) 中的渗漏液排出系统，然后，再次关闭阀门(13),打开阀门(11)，收集疏 水膜的渗漏液。
7、 一种膜吸收气体处理方法，其特征在于将具有一定温度的原液从料液进口 (1)中排放到反应池(2)中，使其与浸没式膜气液分离器(3)中的疏水性多孔膜接触；被吸收气体在通过鼓入的压缩空气或膜透过侧负压的驱动下，以气态方 式穿过多孔膜，在膜的另一侧被脱除和吸收收集。
8、 根据权利要求7所述膜吸收气体处理方法，其特征在于 采用负压抽吸，将被吸收气体导入吸收液容器(5)中进行吸收收集。
9、 根据权利要求7所述膜吸收气体处理方法，其特征在于 通过穿孔曝气管(4)鼓入压缩空气，将被吸收气体吹扫透过膜，进入吸收液容器(5)中进^f亍吸收收集。
10、 根据权利要求7所述膜吸收气体处理方法，其特征在于 通过鼓入压缩空气的方式，控制膜污染、使膜丝接触的原液温度与浓度均匀、并为气体传递提供驱动压力。
全文摘要
本发明提供一种气体吸收分离的膜装置和方法。将具有一定温度的原液与疏水性多孔膜接触，被吸收气体在鼓入的压缩空气或膜透过侧负压的驱动下，以气态方式穿过多孔膜，在膜的另一侧被脱除和吸收收集。采用浸没式疏水性中空纤维膜组件。采用曝气管鼓入压缩空气的方式，控制膜污染、使膜丝接触的原液温度与浓度均匀、为气体传递提供驱动压力。采用双阀机构解决膜吸收过程中膜渗漏问题。
文档编号B01D53/18GK101327393SQ20071005769
公开日2008年12月24日 申请日期2007年6月20日 优先权日2007年6月20日
发明者吕晓龙 申请人:天津工业大学