一种膜组件及其在膜接触器气体分离中的应用

技术领域

本申请涉及一种膜组件及其在膜接触器气体分离中的应用，属于膜技术领域。

背景技术

膜接触器是近年来发展起来的一种新型分离技术，耦合了膜分离和传统吸收过程的各自优势，是不通过气液两相直接接触而实现相间传质的过程。与传统吸收塔等直接接触设备不同，膜接触器过程采用疏水微孔膜充当两相间的界面，将气相和吸收剂液相分开，利用微孔膜上的微孔结构进行传质。膜接触器技术具有很多优势，如更高的接触传质比表面积、较小的设备高度和体积、更加灵活的操作性、结构紧凑和模块化设计，且不存在起泡、夹带以及液泛等弊端，在气体分离领域具有很好的应用前景。

目前的膜接触器气体分离研究主要集中于酸性气体吸收脱除，如天然气脱碳、生物沼气净化等过程。膜组件是实现膜接触器技术实际应用的基础，目前膜接触器过程用膜组件主要借鉴了传统超滤、微滤膜分离过程的平直柱式形式，即一个内部装有膜丝的壳体，壳体有四个接口，分别为第一相流体的入口和出口以及第二相流体的入口和出口。但传统超滤、微滤为压力驱动膜过程，即待分离体系分成两种组分，过程不涉及两相间的传质。因此，传统平直式的微滤、超滤组件用于膜接触器过程时，存在壳程内流体与膜丝平行流动、缺乏扰动和涡流、膜接触器过程的传质效率较差等缺点。为了促进传质效果，吸收剂的用量通常较传统吸收塔等直接接触设备更高，这也导致了操作能耗高等问题。

此外，吸收了酸性气体的吸收剂需要在离开膜组件后进行再生，然后再返回膜组件进行吸收操作。如果能在同一组件内实现酸性气体吸收和吸收剂再生，不仅可以简化工艺流程，降低投资成本，同时可以减少吸收剂流速和用量，降低操作成本，会具有更广泛的应用潜力。

发明内容

为了解决上述问题，本申请公开了一种膜组件及其在膜接触器气体分离中的应用，涉及膜分离领域。膜组件中气相和液相始终呈垂直错流流动，区别于传统平直式组件的平行流动形式，传质效果良好；可在同一组件内实现气体吸收和吸收剂再生过程，简化工艺流程；液相吸收剂用量小，可以在低循环流速下操作，节省过程能耗。本发明膜组件可用于膜接触器气体分离，如烟道气脱碳、生物沼气净化等。

本申请的一个方面，提供一种膜组件，所述膜组件包括壳体部、中空纤维疏水膜和液体分布器；

所述壳体部包括流体入口I、流体出口I、流体入口III、流体出口III；

所述中空纤维疏水膜包括安装于壳体部内部的中空纤维疏水膜I；

所述中空纤维疏水膜I的两端分别与流体入口I、流体出口I连接，形成流体通路I；

所述液体分布器分别与流体入口III、流体入口III连通，形成流体通路III；

所述流体通路I与流体通路III垂直。

可选地，所述中空纤维疏水微孔膜的材质选自聚丙烯、聚四氟乙烯、表面疏水改性的聚丙烯、表面疏水改性的聚四氟乙烯中的至少一种；

所述中空纤维疏水微孔膜的膜孔隙率30～70％，平均孔径为0.02～0.5μm。

可选地，所述中空纤维疏水微孔膜的膜孔隙率上限可独立选自55％、60％、65％、70％；下限可独立选自30％、35％、40％、45％；

可选地，所述中空纤维疏水微孔膜的平均孔径上限可独立选自0.35μm、0.4μm、0.45μm、0.5μm；下限可独立选自0.02μm、0.1μm、0.15μm、0.2μm。

可选地，所述膜组件还包括耐压框架；

所述中空纤维疏水微孔膜密封固定在耐压框架上；

所述密封通过密封胶或密封件实现；

可选地，所述密封胶选自环氧树脂、聚氨酯中的至少一种。

可选地，所述中空纤维疏水膜含有若干根平行铺设的中空纤维疏水膜I。

可选地，所述壳体部还包括流体入口II、流体出口II；

所述中空纤维疏水膜还包括中空纤维疏水膜II；

所述中空纤维疏水膜II的两端分别与流体入口II、流体出口II连接，形成流体通路II；

所述流体通路II与流体通路III垂直。

可选地，所述壳体部包括I、II、III、IV、V和VI六个面，其中I面和VI面相对，分别设置流体入口I、流体出口I；II面和V面相对，分别设置流体入口II、流体出口II；III面和IV面相对，分别设置流体入口III、流体出口III。

可选地，所述中空纤维疏水膜含有若干根平行铺设的中空纤维疏水膜I和若干根平行铺设的中空纤维疏水膜II；

可选地，所述中空纤维疏水膜I与所述中空纤维疏水膜II之间按照分层铺设或交叉铺设的铺设方式铺设；

可选地，所述中空纤维疏水膜I与所述中空纤维疏水膜II之间按照交叉铺设的铺设方式铺设。

本申请的另一个方面，提供一种膜接触器，所述膜接触器包括上述的膜组件，包括流体通路I与流体通路III。

本申请的又一个方面，提供一种膜接触器，所述膜接触器包括上述的膜组件，包括流体通路I、流体通路II与流体通路III。

本申请的再一个方面，提供一种膜接触器或/和膜组件在气体分离中的应用，所述膜接触器选自上述的膜接触器，包括流体通路I与流体通路III；

所述膜组件选自上述的膜组件，包括流体通路I与流体通路III。

可选地，所述膜接触器和/或膜组件中，所述流体通路I流通待分离原料气相；

所述流体通路III流通液体吸收剂相。

可选地，所述待分离原料气相为含有CO

可选地，所述含有CO

所述液体吸收剂相为具有可逆吸收-解吸CO

可选地，所述液体吸收剂相选自水、碳酸丙烯酯、N-甲基二乙醇胺水溶液中的至少一种。

可选地，所述应用过程中，所述流体通路III中的液体压力比流体通路I高0.2～2.0bar；即液体吸收剂相的操作压力比分离原料气相高0.2～2.0bar。

可选地，所述液体吸收剂相的操作压力比分离原料气相高的上限可独立选自1.2bar、1.4bar、1.6bar、1.8bar、2bar；下限可独立选自0.2bar、0.4bar、0.6bar、0.8bar、1bar。

本申请的另一个方面，提供一种膜接触器或/和膜组件在气体分离中的应用，所述膜接触器选自上述的膜接触器，包括流体通路I、流体通路II与流体通路III；

所述膜组件选自上述的膜组件，包括流体通路I、流体通路II与流体通路III。

可选地，所述膜接触器和/或膜组件中，所述流体通路I流通待分离原料气相；

所述流体通路II流通用于吸收剂再生的吹扫气相；

所述流体通路III流通液体吸收剂相。

可选地，所述待分离原料气相为含有CO

可选地，所述含有CO

所述用于吸收剂再生的吹扫气相为不含CO

所述液体吸收剂相为具有可逆吸收-解吸CO

可选地，所述吸收剂再生的吹扫气相选自氮气、空气中的至少一种；

所述液体吸收剂相选自水、碳酸丙烯酯、N-甲基二乙醇胺水溶液中的至少一种。

可选地，所述应用过程中，所述流体通路III中的液体压力比流体通路I和流体通路II高0.2～2.0bar；即液体吸收剂相的操作压力比分离原料气相和吹扫气相高0.2～2.0bar。

可选地，所述液体吸收剂相的操作压力比分离原料气相和吹扫气相高的上限可独立选自1.2bar、1.4bar、1.6bar、1.8bar、2bar；下限可独立选自0.2bar、0.4bar、0.6bar、0.8bar、1bar。

作为其中一种具体的实施方法，所述的膜组件呈长方体结构，主要由中空纤维膜、密封胶、耐压框架、液体分布器以及六个接口等部分组成。膜组件内含两组相互垂直的中空纤维疏水膜，构成四个流体接口，用于膜接触器气体分离时分别走待分离原料气和吸收剂再生用吹扫气，而剩余两个流体接口走液体吸收剂相。

所述膜组件长方体结构六个面分别命名为I、II、III、IV、V和VI，其中I和VI相对、II和V相对、III和IV相对，每个面上设计有一个流体接口；

所述I-VI方向和II-V上分别均匀布置两组相互垂直的中空纤维疏水膜；

所述两组相互垂直的中空纤维疏水膜上下(左右)分层铺设或上下(左右)交叉铺设，优选相互交叉铺设；

所述中空纤维膜在I、II、VI和V面框架处用密封胶粘接密封；

所述液体分布器位于设计了液体流体接口的两个面处，即III和IV面；

所述膜组件内布置中空纤维疏水膜的I-VI流体接口走待分离原料气、II-V流体接口走吸收剂再生用吹扫气，而未布置中空纤维疏水膜的III-IV流体接口走液体吸收剂相。

本申请能产生的有益效果包括：

(1)膜组件中气相和液相始终呈垂直错流流动，区别于传统平直式组件的平行流动形式，传质效果良好；

(2)可在同一组件内实现气体吸收和吸收剂再生过程，简化工艺流程；

(3)液相吸收剂用量小，可以在低循环流速下操作，节省过程能耗。

附图说明

图1为本发明膜组件打开封头时的结构示意图；

图2为本发明膜组件未打开封头时的结构示意图；

图3为本发明膜组件打开气相封头时的结构示意图；

图4为本发明膜组件打开液相封头时的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。

下面结合附图对本发明进行进一步说明。下文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。

根据本申请的一种实施方式，具体地，膜组件长方体结构I、II、III、IV、V和VI六个面中I和VI相对、II和V相对、III和IV相对，每个面上设计有一个流体接口；I-VI方向和II-V上分别均匀布置两组相互垂直的中空纤维疏水膜，中空纤维疏水膜上下(左右)分层铺设或上下(左右)交叉铺设，优选相互交叉铺设；中空纤维疏水微孔膜材质为聚丙烯、聚四氟乙烯或表面疏水改性的聚丙烯、聚四氟乙烯，膜孔隙率30～70％，平均孔径为0.02～0.5μm；中空纤维膜在I、II、VI和V面框架处用环氧树脂或聚氨酯粘接密封；设计了液体流体接口的III和IV面带有液体分布器；膜接触器气体分离应用时，布置中空纤维疏水膜的I-VI流体接口走待分离原料气、II-V流体接口走吸收剂再生用吹扫气，而未布置中空纤维疏水膜的III-IV流体接口走液体吸收剂相；其中待分离原料气为含有CO

实施例1

如图1～图4所示，一种膜组件，呈长方体结构，包括中空纤维膜、密封胶、耐压框架、液体分布器以及六个接口等部分。I、VI面分别设置流体入口I、流体出口I；II、V面分别设置流体入口II、流体出口II；I-VI方向和II-V上分别均匀布置相互垂直的中空纤维疏水膜，中空纤维疏水膜上下交叉铺设(在图中仅画出了最上一层的示意结构)；III和IV面分别设置流体入口III、流体入口III；III和IV面设计有液体分布器。

在本实施例中，I和VI面的尺寸为50cm×30cm、II和V面的尺寸为50cm×30cm、III和IV面的尺寸为50cm×50cm；I-VI方向和II-V上布置的中空纤维疏水膜材质为聚四氟乙烯，膜内外径为0.4mm/0.8mm，孔隙率55％，平均孔径为0.15μm，根数分别为50000根；中空纤维膜在I、II、VI和V面框架处用环氧树脂粘接密封，密封深度3cm。

实施例2

实施例1制备的膜组件用于生物沼气脱碳处理，待净化生物沼气的压力为8.0bar，流量为5Nm

在本实施例中，膜组件可将生物沼气中的CO

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。