膜空分制氮膜组气流分配与汇集技术问题探讨

杨顺成，张康，王建兵

（上海船舶设备研究所，上海200031）

膜空分制氮膜组气流分配与汇集技术问题探讨

杨顺成，张康，王建兵

（上海船舶设备研究所，上海200031）

膜组的气流分配与汇集方式的选择对膜空分制氮机的设计非常重要。分析和比较了膜组的几种连接方式，重点阐述了膜组并联时的气流分配与汇集技术方面的问题，讨论了膜组的性能差异和总气进出位置对其并联效果的影响，最后建议建立一个具有一定规模的测验平台，用试验确定最佳的膜组连接方式、安放顺序和总气进出口位置以及劣性能膜组氮出口之限制管径大小等，使整个膜组的效能最大化和制氮效果最优，为膜组气流分配和汇集方式的选择提供依据。

中空纤维膜；空分；膜组；气流分配与汇集；连接方式；并联

中空纤维膜空分技术自上世纪80年代以来获得了飞速发展，其原理主要是利用空气中氮和氧等气体对同一膜的渗透速率的不同而实现氮跟氧等气体的分离制取氮或富氧的。膜的最小使用单元是具有一定产氮容量的膜组，不同的制造厂家，生产的膜组的外形尺寸、产氮容量不一样，温压特性也不一样，但在允许的范围内，它们的产氮容量（纯度一定）或纯度（产氮容量一定）对于温压都是增函数关系［1］。每套制氮机需选用若干个膜组，使用膜组都会遇到怎么连接、气管路怎么布局的问题，归根到底就是其气流分配与汇集技术方面的问题，这会牵涉到管路中气流温压的分布与变化，从而会影响到制氮机的使用效果，所以有必要在此进行探讨。

1　膜组的连接方式与比较

在设计和制造膜空分制氮机时，膜组的连接方式一般而言有三种即并联、串联和混联，并联就是将若干膜组水平或垂直放置，共压缩空气进气管、共氮气出气管和共富氧出气管；串联则是将膜组的进气口跟另一根的N2出口相连接，仅共富氧出气管；而混联是两组及以上的并联或串联再串联或并联，串联和并联可看成是特殊的最简单的混联。按空间位置关系并联又分平面并联和立体并联，前者即在一个平面上将若干膜组水平或垂直放置成排并联起来，而后者将膜组在空间成圆周对称或均匀布置而并联起来，或者几组平面并联再并联（如膜组很多时）。文献［2］对膜组的使用效果跟其连接方式的关系展开过初步研究，对复合膜（PERMEA产品），发现效果跟产氮纯度有关系：在N2纯度为95.5%时，串联条件下产N2效果无论是产N2量还是N2回收率都不及并联的，但当纯度达到97%时，情况发生了变化：比如，在气压0.95MPa，气温60℃时，串联产N2量增加了6.5%,而回收率增大了20.7%，效果比较明显；在N2纯度达到99%时，串联产N2量在同样工况下增加了23%,而回收率增大了19.9%，效果更加显著，考虑到膜组的使用效果受温度的影响很大［1］，串联时温差大，后一根膜组的工作气温较前一根的低很多，对结果会造成较大误差，若忽略温差影响，相同条件下串联的使用效果比并联的要提高30%。但对于均质膜（原GENERON产品），尽管N2纯度已高达99%，串联的使用效果仍比不上并联的，直到N2纯度已达99.9%时，二者的使用效果才相同，也就是说其串联已失去实际意义。从实用的角度若所采用的膜组的的性能受温度影响大，那么串联时后端的膜组一般无法达到其正常的工况条件，所以在对N2纯度要求不高时，采用串联的效果反而不如并联的；可就温度对其性能影响很小的膜组而言，在使用时串联就不存在上述问题，如原荷兰AQUILO公司的膜组，工作温度为25℃左右，技术性能几乎不受温度的影响。至于多根膜组的连接，还必须考虑到膜组的进出端接口大小，若串联的根数过多，就会增大气压力的路径损失，这样也无法使后端膜组达到正常的工况条件，因此采用串连时须综合考虑温压降对使用效果的影响。上述问题的前提条件是使用的同种膜组性能几乎一样，若当同种膜组性能差异（主要指额定工况下的产氮量）较大时，上述的结论就不一定成立，膜组数量不多时串联可能是较好选择，尤其是2至3根时；当数量很多时，混联是最佳选择：先把所有膜组分成优劣两组，优者跟优者并联，劣者跟劣者并联,然后再串联，一般而言，劣者在前，优者在后。总之串联的气流分配与汇集技术较并联的简单，但管路连接复杂，并联的则相反，而混联介于二者之间。

2　膜组工作气流稳定性与背压关系

膜组的空分制N2过程是动态的，具体体现在膜组在工作时，温度稳定需要一段时间，刚开始时，生产的N2浓度低于设定值，是废N2而流向废N2管道排空，这时的背压近乎大气压很稳定，待N2浓度等于或大于设定值时，合标N2流向储氮罐（一般都设置了储氮罐），罐中压力即膜组的背压随着时间逐渐升高，文献［3］对产N2过程的稳定性与背压的关系进行了试验研究，发现在背压小于0.5MPa时，N2纯度和流量不受背压影响，但当背压等于或大于0.5MPa以后，背压越高，影响越明显，背压达到0.7MPa以后，效果很显著，背压每升高0.05MPa，产N2纯度升高0.2%，同时产N2流量逐渐变小；在相同的进气压力和产N2纯度下，有背压与没背压的产N2流量相差不是太明显，综合比较，有高背压的情况产N2流量稍大一些。从自控的角度，背压的有无与大小无关重要，尽管背压越高（在一定范围），产N2纯度也越高，但对预定的设计目标而言毫无意义，甚至有害，因为这时不能满足对N2流量的实际需求。

可见在设计膜组气流分配与汇集时，须考虑到背压这一因素对制N2过程稳定性和效率的影响。

3　膜组并联时的气流分配与汇集

在设计和制造膜空分制N2装置时，一般都是将空分膜组并联起来使用，这主要是考虑到易于实现膜组工作时温度均匀分布，能使各膜组的富氧汇集与管道布置简化，更能方便膜组的维护与更换；从理论上膜组立体并联最为理想，但膜组富氧汇集管道复杂，维护更换很不方便，特别是占的空间大，所以这种并联一般不采用，除非是膜组很多（几十根）且外形尺寸也大,采用几组平面并联后再成排并联。尽管有些膜组在产N2纯度比较高时串联的效果比并联的高，但考虑到膜组内压缩空气温压降的影响，在布置上膜组数量受到限制，所以在设计时往往采用宁多用膜组并联而致成本增加的方式使设计简化，正是这样这种平面并联被广泛采用。

3.1气流分配与汇集的理想模型与实际问题

首先，假定所选用膜组的性能都是一样的，无差异。并联使用时，理想的气流分配与汇集状况是：各膜组的进气端压力几乎一样，各N2出气端压力也几乎一样，总的在某一N2纯度的产氮流量几乎是膜组在这一纯度时对应产氮流量的膜组根数的倍数，工况变化时各膜组的性能变化也几乎一样。

实践中，要达到接近这种理想模型，需要对管路进行特殊设计，以四根膜组并联为例（已知：进气流量150m3·h-1；进气气压1.3MPa；进气管内径22mm；管道的粗糙度为0.15mm，且假定温度为20℃），进气有两种方式，如图1所示，首先划分管段，进行编号，划分管段的原则是以流量在该段内不变为准。利用静压复得法进行计算［4］，其对应结果分别列入表1、2。

图1　进气与管段划分Fig.1 Air influx and pipe partition

表1　对应图1（a）管段参数与压损Tab.1 Parameters and pressure loss of pipe section corresponding to fig.1（a）

表2　对应图1（b）管段参数与压损Tab.2 parameters and pressure loss of pipe section corresponding to fig.1（b）

并联管路应阻力相等,为了能达到设计所需要的流量分配，须保证各支管路阻力相等,所以在设计并联管路时，须调整各支管路的阻力，使阻力相等。由此可见在实际中4根膜组并联采用如图2所示的气流分配与汇集型式比较合理。

图2　气流分配与汇集比较合理的型式Fig.2 more reasonable styles of gas flow distribution and influx

在实际应用中要接近其理想模型比较困难，因为还受到下述因素的制约：空间大小、加热温度（大部分空分膜对进气温度变化较敏感）与温降、管道中的气压大小、所采用管道的管臂粗糙度、膜组的数量、阀件的大小与操作方式以及富氧收集方式等。这些因素给整个空分膜制氮装置的合理设计带来诸多不便，往往需要在管路设计布局时作较大的变动，从而很可能会导致气流分配与汇集时各支气管中的气流量发生变化。

3.2膜组间有差异时的并联

在工程应用中，即使购买的是同一批同型号的膜组，其性能也有差异，且差异有大有小，这是常态，要完全一样不太可能。文献［5］中曾用如图3所示的平面并联试验管路（图中：I1、I2、…、I6：压缩空气进气端；O1、O2、…、O6：N2出气端；f1h1、f2h2、…、f8h8：8个膜组安装位置，间距均匀；M1、M2、M3：膜组）和图4所示的立体并联试验管路就膜组间差异对其并联效果的影响进行过试验研究。研究表明，立体的并联效果还比不上紧凑型布局平面并联的，立体并联时产氮浓度越高，膜组间性能差异越大，这时并联的实际效果离理想的越远。事实上也证明了这种立体并联并没有多大实际意义。另外平面并联时膜组性能优者受到劣者的抑制，差异越大，抑制越严重，要使实际结果接近或达到理想值，那么必须采用调节阀或者使劣者的出氮口管径缩小，而将劣者的产N2浓度进行限制，但正如前所述，膜组的背压也必须限制，因为背压超过0.5MPa时会引起产氮浓度和流量的变化，影响到产N2效果。

3.3总气进出位置不同时的并联

膜组性能都均匀、无差异时，平面并联采用如图2（a）所示的气流分配与汇集型式比较合理，只要进气分配总管和N2汇集总管管径满足一定尺寸，管路布局与连接就都比较简单，制N2效果能接近理想值，这时的总气进出位置在对角线上（如果总管管径过小，上述结论就不成立）。但如果膜组性能都不均匀且差异大时，那么上述这种连接，效果就不是理想的了，文献［5］中曾用如图3所示的平面并联试验管路就总气进出位置对其并联效果的影响进行过试验研究，研究表明，从局部来看，产N2效果的优劣难以按总气进出位置和膜组的布局来判断，总气进出位置变化了，但在某几个浓度时总的产N2量没有变化，而对于每根膜组而言其产N2浓度和流量都变化了，即各膜组对整体制N2效果的贡献度发生了改变。另外在某几个浓度时，总气进出位置变化使效果变好，而对其它浓度则使效果变差。一个共同的现象是总气进出位置变化都会导致各膜组的产N2浓度发生改变，即其各自的产N2流量也发生变化，最终的结果是总产N2量有的变化，有的则不变。

图3　平面并联试验管路结构Fig.3 Planar parallel connection test pipeline structure

图4　立体并联试验管路结构Fig.4 dimensional parallel connection test pipeline structure

总气进出位置相对于平行放置的膜组成对角的安放方式对某几个产N2纯度而言效果比较理想，但对其余浓度的则比较差。

3.4膜组安放位置与顺序

在进行总气进出位置对其并联效果的影响试验研究中，改变3根膜组的排列顺序和其膜组间距，观察其制N2效果。试验表明，膜优劣的安放顺序对整个膜组制N2效果影响的程度主要跟产N2纯度和气流速度有关系，在某一产N2纯度和气流速度范围内，其影响是正面的；一般将最优的膜组放在接近进出气口效果好些，另外膜组的安放间距越小制N2效果越好。

4　结论与建议

（1）对某些膜组，制N2效果跟膜组的连接方式有关，在产N2纯度比较高且膜组根数不多时，串联的效果优于并联的，但当数量很多时，混联是最佳选择：先把所有膜组分成优劣两组，优者跟优者并联，劣者跟劣者并联,然后再串联；

（2）膜组的背压超过一定值时会影响到制N2过程的稳定性，这时产N2纯度会提高，但产N2流量会降低；

（3）总气进出位置和膜优劣的安放顺序对整个膜组效能影响的程度主要跟产N2纯度和气流速度有关系，在某一产N2纯度和气流速度范围内，其影响是正面的；

（4）总气进出位置相对于平行放置的膜组成对角的安放方式对某几个产N2纯度而言效果比较理想，但对其余的可能很差；

（5）一般将最优的膜组放在接近进出气口效果好些，膜组的安放间距越小制N2效果越好。

建议在设计和制造膜空分制氮机时，一定要先对每根膜组进行性能测试，然后对试验数据进行分析和归纳，对膜组性能优劣分类；最好是建立一个具有一定规模的测验平台，既可改变膜组的连接方式和安放位置，也可改变总的进气口和出气口的位置以及每根膜组N2出口管径大小，这样可试验确定最佳的膜组连接方式、安放顺序和总气进出口位置以及劣性能膜组氮出口之限制管径大小，使整个膜组的制N2效果最优，达到节能、减少成本和膜组效能最大化的目的，为膜空分制氮机的膜组气流分配和汇集方式的选择提供依据。

［1］杨顺成.液货船、化学品船防爆系统关键设备——膜空分制氮装置的研制［J］.舰船科学技术,1996,150（6）：84-89.

［2］杨顺成.空分膜组件的使用效果与其联结方式间的关系［J］.膜科学与技术,2001,21（5）：45-47.

［3］杨顺成.膜空分制氮过程稳定性影响因素研究［J］.膜科学与技术,2004,24（6）：70-72.

［4］罗庆,李百战译.供热、通风、空调和制冷工程［M］.重庆：重庆大学出版社,2008.

［5］杨顺成.膜间差异和总气进出位置对其并联效果之影响［J］.膜科学与技术,2013,33（6）：83-86.

Discussions on theway of gas flow distribution and influx ofmembranemodules in amembrane airseparating nitrogen-generator

YANG Shun-cheng，ZHANG Kang，WANG Jian-bing
（Shanghai Marine Equipment Research Institute，Shanghai 200031，China）

It is very important to choose the ways of gas flow distribution and influx ofmembrane modules when designing amembrane air-separating nitrogen-generator.The paper analyzed and compared several connectingways ofmembranemodules，set forth emphatically the questions about the technica of gas flow distribution and influx ofmodules at parallel connection and discussed the influences of capacity difference ofmodules and total influx&efflux location upon results of parallel connection，finally suggested to build a large test platform which could be used to ascertain the optimal connectingway and location sequence and total influx&efflux location and the restrained diameters of nitrogen pipe of the inferiormoduleswith experiments，maximize the efficiency ofwhole modules and supply gists for the choice of the ways of gas flow distribution and influx.

hollow fibermembrane；air separating；membranemodule；gas flow distribution and influx；connecting way；parallel connection

TQ028.2；TQ051.8+93

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20160980

2016-05-12

杨顺成（1966-），男，湖南会同人，高级工程师，硕士，在上海船舶设备研究所工作，研究方向：惰气防爆。