氣體膜分離技術在甲醇生產中的應用

王波

摘? ? 要：甲醇是重要的化工原料，可以生產出多種下游產品。氣體膜分離技術具有技術先進、工藝流程簡單、配套設備少、占用現場空間小，經濟效益顯著特點。

關鍵詞：甲醇;生產;氣體膜分離;回收率

一、氣體膜分離技術綜述

氣體膜分離原理：不同氣體在高分子膜中的滲透速率不同，在壓力的推動下低濃度的氣體通過膜后富集到高濃度的過程。

滲透速率用J=D·S/d（cm3 /cm2.s.cmHg）表示，它是表征氣體透過膜的難易程度的一個物理量，J值越大，則表示某一組份氣體越容易透過膜.從J=D·S/d來看，J值和膜的厚度d成反比，和D·S乘積成正比。氣體分子的大小、氣體和膜本身的特性以及操作的溫度和壓力都對D和S產生影響。

J值一般規律是：

1）一些小分子氣體（H2，He）比大分子氣體（CH4，C2H6）易于透過，其主要原因是由于小分子氣體的D值較大。

2）一些極性氣體分子（H2O，H2S，SO2，CO2）比非極性分子（O2，N2，CH4）易于透過，其主要原因是因為極性氣體分子在一些高分子膜內的溶解度較大（即S值較大）所致。

分離系數α：分離系數標志著高分子膜的選擇分離性能αA/B= JA/JB。J和α是衡量各種高分子膜的氣體分離性能的主要參數。

二、甲醇生產與應用

甲醇生產有焦爐氣轉化、煤炭氣化、天然氣轉化制成合成氣，其中的有效組分co、co2、H2經過除雜，合成器再經過高壓精餾制得甲醇。甲醇生產是催化劑作用下復雜的，可逆的反應。主反應有：

CO + 2H2? ?CH3OH + 102.5 kJ/mol

CO2+3H2? CH3OH + H2O + 59.6 kJ/mol

在甲醇反應中氫碳比為2：1，一般認為加過量氫氣量有利于甲醇合成。

甲醇是重要的化工原料有著廣泛的應用。甲醇傳統下游產品有甲醛，醋酸，二甲醚，MTBE。甲醛是粘合劑的主要成分，如酚醛樹脂、脲醛樹脂等。甲醇的新型下游可以制備丙烯、烯烴、可以作為甲醇燃料、也可以制備氫氣。

三、工業應用實例

某化工廠內甲醇裝置馳放氣最大量9345.28Nm3/h（組分：H2、CO、CO2、CH4、N2、AR、CH3OH、H2O;正常壓力6.71MPa（G）;正常溫度39℃;），通過膜分離裝置將其中的氫氣提濃回收，膜分離的滲透氣和尾氣分別送往下游工藝單元。膜分離裝置的工藝流程可以分為兩個基本過程。

3.1原料氣的預處理

由界區外送來的原料氣，先經過氣液分離器，去除來氣中含有的液滴。之后為避免露點范圍的介質以液態狀態進入膜系統，將氣液分離器出口氣體經u型管換熱器加熱到61℃左右，以使其達到最佳分離效果，之后進入膜分離器組。

3.2膜分離提氫過程

經預處理的原料氣，進入膜分離器組。膜分離器內部裝填有中空纖維膜絲組件。在中空纖維絲內外側壓差作用下，氫氣以較快的速率透過纖維膜絲，在纖維芯側得到富氫產品，稱為滲透氣;擴散速率較慢的組分則滯留在原料側，稱為非滲透氣或尾氣。

在正常工況下，經膜分離器組提濃的滲透氫氣，壓力為3.1MPa（G），送去下游裝置使用。非滲透氣（也稱尾氣）經減壓至0.35 MPa （G）送出。

3.3主要設備

膜分離裝置占地面積約10米x4米x4米由以下設備組成：

（1）氣液分離器

氣液分離器1臺，用來分離原料氣中的霧沫夾帶。氣液分離器內填充CY型不銹鋼絲網波紋填料，填料層高度200mm。氣液分離器設有液位計。氣液分離器底部設有手動閥，需要定時排液。分離后的氣體從頂部排出進入加熱器。

（2）加熱器

加熱器1臺，為u型管式換熱器。加熱介質為0.5 MPa、158℃的飽和蒸汽，原料氣走管程，蒸汽走殼程，原料氣被加熱到60℃左右。溫度通過調節閥調節蒸汽用量。

（3）膜分離器

膜分離器是由膜殼和膜芯組合而成。膜殼是金屬制成的壓力容器，膜芯是由數以萬計的中空纖維管組成。原料氣由分離器下端側口進入沿纖維束外表面向上流動，氣體接觸到中空纖維膜時便進行溶解、擴散、解析過程。

四、結論

某廠的甲醇裝置弛放氣氣量9345NM3/h，通過膜分離裝置對氫氣進行回收，通過模擬計算物料平衡表如下：

從表中數據可以得出結論：膜分離設備氫氣回收率達到91.15%，將氫氣的濃度也提高到了90.46%，將回收的氫氣返回原料氣中從而達到增產甲醇的目的，高效利用了弛放氣中的氫氣，經濟效益顯著。

參考文獻：

[1]曲文凱. 基于膜分離技術的甲醇精制過程模擬與優化[D].青島科技大學，2014

[2]盛于藍，沈海晶.膜分離技術在甲醇裝置的應用[J].化學工程師，2006（09）：41-42