专利名称：一种膜法气体分离的装置和方法
技术领域：
本发明涉及膜法气体分离领域，具体涉及一种不对称静电场耦合膜法气体分离的装置和方法，增加传质推动力，提高渗透速率和分离效果。
背景技术：
气体膜分离技术于20世纪70年代已开始商业应用。该技术的主要特点是无相变，能耗低，装置规模根据处理量的要求可大可小，比较灵活，而且设备简单，操作方便，运行可靠性高。在膜法气体分离的过程中，气体在与膜接触时溶解于膜，并在化学位梯度的推动下，在膜中向另一侧扩散，到膜的另一侧时气体从膜中解吸出来，实现了气体从膜一侧向另一侧的传质。气体透过膜的快慢与气体分子的质量、几何形状、极性等及膜的性质都有关系。有些气体和膜有较强的亲和能力，较易溶解于膜中(如水蒸汽分子在亲水性的膜中)， 而有些气体则较难溶解于膜中；溶解在膜中的气体，有些可以较快的速度在膜中扩散(如直径较小的气体分子)，而有些则以较慢的速度扩散。由于溶解度及扩散速率上的差别，有些气体分子能较快地透过膜(习惯上称为“快气”)，有些气体分子透过膜较慢(称为“慢气”)，“快气”与“慢气”在透过侧的比例将比在原料侧的比例高，于是在透过侧形成了“快气”的富集，从而实现气体分离。一般，气体在膜表面的溶解和解吸过程都能较快地达到平衡，而气体在膜内的扩散过程较慢，是气体透过膜的速率控制步骤。由于气体在膜内扩散的传质推动力仅是化学位梯度，气体通过膜的渗透速率的绝对值较低，在实际应用中要求膜面积相当大，影响膜法气体分离的推广应用。中国专利 CN1379697A、CN1994536A、CN101104537A、CN101596406A、CN101721914A、 CN101716465A等公开了利用静电场作用于膜分离过程。CN1379697A公开了利用静电场改变悬浮颗粒的表面电荷，减少生物膜的形成，提高膜分离性能；CN101104537A公开了在电场作用下形成强氧化源氧化分解水中的有机物；CN101721914A公开了在膜过滤中通过电场作用，使带电荷的有机物或颗粒发生电泳迁移、电凝聚等作用，减少带电荷有机物或颗粒造成的浓差极化与膜污染；CN101716465A、CN101596406A公开了在直流电场作用下，使带电的分子或微粒产生背离或者透过膜面的电泳运动，抑制在膜面的浓差极化和膜污染； CN1994536A公开了利用电场作用于多组分多糖膜分离过程，减少浓差极化和膜污染，提高分离性能。检索国内外的研究，还没有通过附加静电力作为传质推动力提高膜法气体分离的渗透速率的报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，在膜法气体分离原有技术的基础上，提供了一种不对称静电场耦合膜法气体分离的装置和方法，增加了传质推动力，提高渗透速率和离效果。
根据本发明的一个方面，提供了一种不对称静电场耦合膜法气体分离的装置。在一个实施例中，装置包括原料室、渗透室、膜和电极，所述电极能够产生不对称静电场。根据本发明提供的装置，优选所述不对称静电场由平板电极和针状电极产生，优选对所述电极施加的电压为IO1 IO4伏。根据本发明提供的装置，所述平板电极位于原料室一侧(可以在原料室的内部或外部)，可以为石墨、不锈钢、钛、钼或镀钌的不锈钢、钛等。针状电极位于渗透室一侧(可以在渗透室的内部或外部)，可具有与平板电极同样的材质。进入原料室的原料气体中的极性气体，在化学位梯度和所述不对称静电场形成的电位梯度作用下，能以比仅靠化学位梯度作为推动力时更快的速度透过膜并从渗透室流出，渗余气体从原料室流出。根据本发明提供的装置，根据分离气体的不同，平板电极和针状电极的位置可以互换，即平板电极位于渗透室一侧(可以在渗透室的内部或外部)，针状电极位于原料室一侧(可以在原料室的内部或外部)。根据本发明提供的装置，膜法气体分离过程是在不对称的静电场的作用下完成的。气体分子可分为两类非极性分子和极性分子。非极性分子的结构对称，在无外电场作用下，正负电荷的重心重合，偶极距为零，如C2H6、C2H4、ch4、H2等及所有的单质气体。极性分子的结构不对称，在无外电场作用下，正负电荷的重心不重合，它们之间有一定的距离， 具有固有偶极距，如H20、H2S, CO、SO2等。极性分子在没有外加电场时，由于分子的无规则热运动，排列是紊乱的。在外电场作用下，非极性分子和极性分子的正负电荷重心会被沿电场方向拉开，使分子发生变形并产生一个附加的偶极，这个过程即分子的极化，这个偶极即诱导偶极，其强度大小和电场强度及分子的变形极化率成正比。在实际可以得到的电场中， 非极性分子的诱导偶极距比极性分子的偶极距小，受电场力作用相对较弱。极性分子在外电场作用下发生转动，趋向于沿着外电场方向进行有序排列，外电场越强，排列越整齐。在勻强电场下，当取向完毕，即电场能量变至最小时，达到平衡，作用力为零，偶极子不会产生平动。当附加一个不对称静电场时，空间各处电场不均勻，偶极子在电场力的作用下向电场强的方向迁移，这种由电位梯度导致的动力学现象称为电迁移传质。电迁移速率与电场强度、分子极性及分子质量等有关，非极性分子可以认为基本没有电迁移，仍然以无规则热运动为主。当把膜法气体分离的体系置于不对称静电场中，膜的原料室一侧为场强较弱的一侧，渗透室一侧为场强较强的一侧。一方面，与传统膜法气体分离相同，气体组分由高浓度的原料室一侧向低浓度的渗透室一侧扩散传质，推动力为化学位梯度；另一方面，电场力的作用引起向电场变为最大的方向的电迁移传质，推动力为电位梯度。将这种不对称静电场和膜法气体分离的协同过程称为“不对称静电场耦合膜法气体分离”。若极性气体和非极性气体进行分离，而极性气体为“快气”时，则附加上不对称静电场后，则“快气”的渗透速率将更快，从而在透过室一侧将使“快气”更快的富集。有些个别体系是极性气体为“慢气”(如 H2/CO体系)，此时不对称静电场可以反向施加，即原料室一侧为针状电极，透过室一侧为平板电极，不对称静电场施加给极性分子的作用力阻止其透过膜，此时“慢气”透过膜的通量会比没有施加电场时更小，从而更有利于提高分离系数。根据本发明提供的装置，在一个实施例中，渗透室内为真空，将扩散进入渗透室的气体抽走，以维持渗透室内较低的渗透气浓度。渗透室内渗透气体的流动方向可以与原料气体的流动方向相同，也可与原料气体的流动方向不同。
根据本发明提供的装置，所述膜为致密膜，包括均质气体分离膜和复合气体分离膜。根据分离不同气体体系的需要，可以采用任何适宜的已知的气体分离膜。根据本发明提供的装置，不对称静电场耦合膜法气体分离装置还可包括加热或保温装置，使膜法气体分离过程的操作温度维持在一定的范围，优选的膜法气体分离的操作温度范围为5 95°C。如膜可以承受，温度也可更高。根据本发明提供的装置，还可包含与其他装置相连的连接管道。根据本发明的另一方面，提供了一种不对称静电场耦合膜法气体分离的方法，包括原料气体被引入原料室；引入所述原料室的原料气体中的极性气体在化学位梯度和不对称静电场形成的电位梯度双重作用下在膜中以比仅靠化学位梯度作为推动力时更快的速率透过膜，进入渗透室，渗余气体分子从原料室流出；进入渗透室的渗透气体从渗透室流出ο根据本发明提供的方法，在一个实施例中，不对称静电场是由平板电极和针状电极产生的。优选向所述电极施加的直流电压为IO1 IO4伏。根据本发明提供的方法，所述膜法气体分离的操作温度范围为5 95°C。如膜可以承受，温度也可更高。根据本发明提供的方法，所述膜为致密膜，包括均质气体分离膜和复合气体分离膜。根据分离不同气体体系的需要，可以采用任何适宜的已知的气体分离膜。根据本发明提供的装置和方法，相比传统膜法气体分离过程仅有化学位梯度一个推动力而言，本发明中有两个推动力，即化学位梯度和电位梯度。传质速率是扩散速率和电迁移速率的叠加。非极性分子或极性弱的分子由于受静电场的作用很弱，静电场的有无对其传质基本无影响；而极性强的分子在附加不对称静电场后的传质速率要比无电场时快， 并且传质速率的提高与在静电场中的偶极距有关，因此可以提高气体分离的速度。根据本发明提供的装置和方法，可应用于任何含极性与非极性气体分子的膜法气体分离，也可用于极性相差较大气体分子的膜法气体分离领域，尤其可用于天然气脱湿及脱硫、空气脱湿、有机气体脱湿、烟道气脱硫等。本发明的优点在于突破了传统的膜法气体分离仅有一个传质推动力(即化学位梯度)的模式，提出通过耦合一个不对称静电场附加另一个传质推动力(即电位梯度)的观点从而提高不同极性分子的分离，通过两个推动力的叠加，使渗透速率以及分离效果在溶解-扩散分离的基础上进一步强化。由于现代材料工业和电工技术的发展使静电电源的制造成本大大降低，实现耦合场的设备造价低。通过本发明提供的装置和方法，能够提高渗透速率和分离效果，具有广泛的适用性和良好的实用性。
附图提供用来便于对本公开内容的理解，其构成说明书的一部分但并不构成对本公开内容任何方面的限制。在附图中图1以剖面图的形式显示了一个实例的膜法气体分离装置。
具体实施例方式实施例1
如图1所示，一个示例性的不对称静电场耦合膜法气体分离装置10，包括原料室7 和渗透室8，平板膜9。在一个实施例中，原料室7包含原料气体的进口 1和出口 2，室内为常压，温度25°C。在原料室7中设有平板电极4，为阴极；在渗透室8内设有针状电极5，为阳极。在平板电极4和针状电极5之间加上直流电压产生不对称静电场，不对称静电场的电压为2000伏。渗透室8内为负压，压力为1. 7kPa。原料气体中包含饱和水蒸气6-2和甲烷6-1，气流流速为0. 6L/min,由进口 1进入原料室7，与交联的聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯/聚丙烯腈复合平板膜9的膜面接触。在不对称电场的电位梯度和化学位梯度的作用下，原料气体中的极性气体分子水蒸气6-2扩散透过平板膜9，在渗透室8内的膜面上解吸，水蒸气6-2被抽走，从出口 3流出。在此过程中， 会有极少量的甲烷透过膜进入渗透室。气体的流动方向如图1中箭头所示。水蒸汽的渗透方向如图1中横向的箭头所示。水蒸气的渗透速率为8. 12X IO-3Cm3(STP)/(cm2, s. cmHg), 甲烷的渗透速率约 1. 13X KT6Cm3(STP)/(cm2, s. cmHg)。对比例原料气体同实施例，原料室、渗透室、膜的设置同实施例，与实施例不同之处是没有给电极施加直流电压，所得到的水蒸气的渗透速率为4. 08X lO-W(STP)/(cm2, s. cmHg)，甲烷的渗透速率约 1. 11 X 10"6cm3(STP)/(cm2, s. cmHg)。结果以上数据可以得知，通过附加不对称静电场，极性气体分子水蒸气的渗透速率增大一倍，而非极性气体分子甲烷的渗透速率基本没变，可以使甲烷和水蒸气得到更快速的分离。最后应说明的是以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明， 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本技术领域的普通技术人员来说， 其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种膜法气体分离的装置，包括原料室、渗透室、膜和电极，其特征在于，所述电极能产生不对称静电场。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电极包括平板电极和针状电极，所述平板电极位于所述原料室一侧，所述针状电极位于所述渗透室一侧。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，原料气体中的极性气体分子，在化学位梯度和所述不对称静电场形成的电位梯度作用下，能以比仅靠化学位梯度作为推动力时更快的速度透过膜。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平板电极位于所述渗透室一侧，所述针状电极位于所述原料室一侧。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，对所述电极施加的直流电压为IO1 IO4伏。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述膜法气体分离的操作温度为5 95°C。
7.一种膜法气体分离的方法，包括将包含极性气体分子的原料气体引入原料室；所述极性气体分子在化学位梯度和所述不对称静电场形成的电位梯度的作用下以比仅存在化学位梯度时更快的速度扩散通过膜，成为渗透气并从渗透室流出；渗余气体从所述原料室流出。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述不对称静电场由平板电极和针状电极产生。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，向所述电极施加的直流电压为IO1 IO4伏。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述膜法气体分离的操作温度为5 95 °C。
全文摘要
本发明涉及一种不对称静电场耦合膜法气体分离的装置，包括原料室、渗透室、膜和电极，电极能够产生不对称静电场。所述电极包括平板电极和针状电极。向所述电极施加的直流电压为101～104伏。含极性气体分子的原料气体进入所述原料室，在化学位梯度和不对称静电场的电位梯度的双重作用下以比仅存在化学位梯度时更快的速度扩散透过膜，成为渗透气并从渗透室流出，而渗余气体则从原料室流出，从而使原料气体得到分离。本发明还涉及一种不对称静电场耦合膜法气体分离的方法。
文档编号B01D53/22GK102274677SQ20111003555
公开日2011年12月14日 申请日期2011年2月10日 优先权日2011年2月10日
发明者杜润红 申请人:天津工业大学