气体膜分离技术在甲醇生产中的应用

王波

摘    要：甲醇是重要的化工原料，可以生产出多种下游产品。气体膜分离技术具有技术先进、工艺流程简单、配套设备少、占用现场空间小，经济效益显著特点。

关键词：甲醇;生产;气体膜分离;回收率

一、气体膜分离技术综述

气体膜分离原理：不同气体在高分子膜中的渗透速率不同，在压力的推动下低浓度的气体通过膜后富集到高浓度的过程。

渗透速率用J=D·S/d（cm3 /cm2.s.cmHg）表示，它是表征气体透过膜的难易程度的一个物理量，J值越大，则表示某一组份气体越容易透过膜.从J=D·S/d来看，J值和膜的厚度d成反比，和D·S乘积成正比。气体分子的大小、气体和膜本身的特性以及操作的温度和压力都对D和S产生影响。

J值一般规律是：

1）一些小分子气体（H2，He）比大分子气体（CH4，C2H6）易于透过，其主要原因是由于小分子气体的D值较大。

2）一些极性气体分子（H2O，H2S，SO2，CO2）比非极性分子（O2，N2，CH4）易于透过，其主要原因是因为极性气体分子在一些高分子膜内的溶解度较大（即S值较大）所致。

分离系数α：分离系数标志着高分子膜的选择分离性能αA/B= JA/JB。J和α是衡量各种高分子膜的气体分离性能的主要参数。

二、甲醇生产与应用

甲醇生产有焦炉气转化、煤炭气化、天然气转化制成合成气，其中的有效组分co、co2、H2经过除杂，合成器再经过高压精馏制得甲醇。甲醇生产是催化剂作用下复杂的，可逆的反应。主反应有：

CO + 2H2   CH3OH + 102.5 kJ/mol

CO2+3H2  CH3OH + H2O + 59.6 kJ/mol

在甲醇反应中氢碳比为2：1，一般认为加过量氢气量有利于甲醇合成。

甲醇是重要的化工原料有着广泛的应用。甲醇传统下游产品有甲醛，醋酸，二甲醚，MTBE。甲醛是粘合剂的主要成分，如酚醛树脂、脲醛树脂等。甲醇的新型下游可以制备丙烯、烯烃、可以作为甲醇燃料、也可以制备氢气。

三、工业应用实例

某化工厂内甲醇装置驰放气最大量9345.28Nm3/h（组分：H2、CO、CO2、CH4、N2、AR、CH3OH、H2O;正常压力6.71MPa（G）;正常温度39℃;），通过膜分离装置将其中的氢气提浓回收，膜分离的渗透气和尾气分别送往下游工艺单元。膜分离装置的工艺流程可以分为两个基本过程。

3.1原料气的预处理

由界区外送来的原料气，先经过气液分离器，去除来气中含有的液滴。之后为避免露点范围的介质以液态状态进入膜系统，将气液分离器出口气体经u型管换热器加热到61℃左右，以使其达到最佳分离效果，之后进入膜分离器组。

3.2膜分离提氢过程

经预处理的原料气，进入膜分离器组。膜分离器内部装填有中空纤维膜丝组件。在中空纤维丝内外侧压差作用下，氢气以较快的速率透过纤维膜丝，在纤维芯侧得到富氢产品，称为渗透气;扩散速率较慢的组分则滞留在原料侧，称为非渗透气或尾气。

在正常工況下，经膜分离器组提浓的渗透氢气，压力为3.1MPa（G），送去下游装置使用。非渗透气（也称尾气）经减压至0.35 MPa （G）送出。

3.3主要设备

膜分离装置占地面积约10米x4米x4米由以下设备组成：

（1）气液分离器

气液分离器1台，用来分离原料气中的雾沫夹带。气液分离器内填充CY型不锈钢丝网波纹填料，填料层高度200mm。气液分离器设有液位计。气液分离器底部设有手动阀，需要定时排液。分离后的气体从顶部排出进入加热器。

（2）加热器

加热器1台，为u型管式换热器。加热介质为0.5 MPa、158℃的饱和蒸汽，原料气走管程，蒸汽走壳程，原料气被加热到60℃左右。温度通过调节阀调节蒸汽用量。

（3）膜分离器

膜分离器是由膜壳和膜芯组合而成。膜壳是金属制成的压力容器，膜芯是由数以万计的中空纤维管组成。原料气由分离器下端侧口进入沿纤维束外表面向上流动，气体接触到中空纤维膜时便进行溶解、扩散、解析过程。

四、结论

某厂的甲醇装置弛放气气量9345NM3/h，通过膜分离装置对氢气进行回收，通过模拟计算物料平衡表如下：

从表中数据可以得出结论：膜分离设备氢气回收率达到91.15%，将氢气的浓度也提高到了90.46%，将回收的氢气返回原料气中从而达到增产甲醇的目的，高效利用了弛放气中的氢气，经济效益显著。

参考文献：

[1]曲文凯. 基于膜分离技术的甲醇精制过程模拟与优化[D].青岛科技大学，2014

[2]盛于蓝，沈海晶.膜分离技术在甲醇装置的应用[J].化学工程师，2006（09）：41-42