膜空分船用制氮原理及关键技术
随着石油化工工业的发展, 液化气和化学品的运输需求日益增加, 我国在建造液化气运输船和化学品船已经处于世界前列。根据国际海事组织(IMO) 对承载危险性货品的安全保护规定, 惰性气体系统(IGS) 是必需的安全装备。一般所使用的燃烧式惰性气体系统的氧含量和其它气体的含量以及颗粒等都不能满足液货船和化学品船的要求, 而使用中空纤维膜渗透法船用制氮装置, 无火种、本质安全、操作简单、维护保养方便、使用寿命长、能耗低。这种利用渗透膜从空气中制取氮气的方法在国内外都是一项高新技术,国外在80年代初就已研制出中空纤维渗透膜制氮的船用氮气系统。 国内该船用制氮技术也趋于成熟。90年代, 我国依靠进口全套设备研制膜空分船用制氮装置, 通过原理样机的试验研究, 掌握渗透膜组件各参数与技术性能的关系, 以及各参数之间的关系,为今天设计液货船、化学品船的膜空分船用制氮系统提供了很重要技术数据和理论依据。下边就聊聊膜空分船用制氮原理及关键技术。
船用膜空分制氮就是利用空气中的各种气体对同一种有机膜的扩散系数或渗透率的不同, 实现将氮与氧等其它气体分离以致氮气纯化,如图1。氮和氧在膜中的扩散性质,用扩散系数、溶解度和渗透率来表示。按膜的结构,固体膜分为多孔膜和非多孔(均匀)膜, 前者的渗透机理为气体分子经膜的微孔呈努森流(分子流) 穿过膜, 后者的则为先接触,后吸附、溶解、扩散脱溶逸出。显然,空气中空纤维膜应为非多孔膜, 因为, 多孔膜对空气中氮、氧的分离系数近似于其分子量平方根之比的倒数,而氮和氧的分子量(28和32)很接近,几乎无法实现氧、氮分离。所以尽管中空纤维膜( 进口的还是协作单位新研制的)的基材是采用多孔性的聚矾,但纤维管的外表面涂层为非多孔性的, 对氧和氮具有较强的选择性, 从理论上, 一般要求氧和氮的分离系数为10左右,分离效果才比较理想【1.2】。氮和氧渗透中空纤维膜任意位置截面积的总通量为【3】:
从式（1）可知，膜结构尺寸一定时, 氮或氧的通量与DAB和CA1-CA2成正比。一般来讲, 温度对于膜扩散系数的影响服从下式, 即
式(1)和(2)表明,通量NA与温度T近似于指数关系。依据亨利定律,溶解度与压力成正比, 因而CA1一CA2与压力成近似的线性递增关系,氧通过纤维管壁的渗透量与膜的外表面积及管长有关, 膜结构尺寸一定时, 氧的渗透通量与管内氧的流量有关。同样,对于氮气也是如此,一般膜的氧气DAB比氮气的DAB大几倍,虽然CA1一CA2项氧相应值比氮的小, 但DABx(CA1-CA2)项,氧和氮的相应值在一定的压力、流量和温度范围内既接近又相差较大, 从而可获得不同纯度的氮和氧回收率,并可用压力、温度和流速来实现对氮流量、纯度和回收率的控制,以满足需要。
研制样机前, 须先完成渗透膜组件的试验研究和选型。主要包括膜前空气预处理技术, 膜面积、气体压力、流量、氮气纯度、回收率、加热温度、除湿性能诸参数间的关系以及这些参数与装置技术性能的关系, 膜组件串联、并联的比较以及与单根膜组件之间的关系( 即联接方式对装置技术性能的影响)。
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