一種提純生物甲烷的膜吸收裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提純生物甲烷的膜吸收裝置和方法，其中提純生物甲烷的膜吸收裝置包括至少兩個(gè)串聯(lián)在一起的膜吸收單元，膜吸收單元包括具有內(nèi)腔的吸收器，吸收器內(nèi)腔的上部設(shè)有噴淋器，吸收器頂部位于噴淋器上方設(shè)有出氣口，吸收器內(nèi)腔位于噴淋器和儲(chǔ)液槽之間設(shè)有中空纖維膜，中空纖維膜為多孔疏水性高分子聚合物制成的空心管，吸收器位于噴淋器和儲(chǔ)液槽之間的壁面上設(shè)有進(jìn)氣腔，中空纖維膜的一端與進(jìn)氣腔連通、另一端密封安裝在吸收器壁面上。利用噴淋器向中空纖維膜上噴灑吸收液，在中空纖維膜外表面上形成一層液膜，形成具有氣液接觸吸收、鼓泡吸收及顯著增大的氣液接觸面積和吸收傳質(zhì)系數(shù)特征的膜吸收過程，可有效降低操作壓力。
【專利說明】一種提純生物甲烷的膜吸收裝置和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提純生物甲烷的膜吸收裝置和方法，可用于分離生物甲烷中的甲烷和二氧化碳，屬于生物甲烷提純【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]生物甲烷是指從沼氣、垃圾填埋氣等有機(jī)質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的富含甲烷的氣體中，提純獲得的具有高甲烷濃度的燃?xì)狻Ｔ趯?shí)際應(yīng)用中，通常將生物甲烷作為天然氣的補(bǔ)充或替代燃料，因此也經(jīng)常將其稱為生物天然氣。由于生物甲烷來自于有機(jī)物的生物厭氧降解過程，具有碳循環(huán)特性，屬于可再生能源，具有較好的發(fā)展和應(yīng)用前景。
[0003]從沼氣、垃圾填埋氣中提純生物甲烷的主要工作是分離甲烷和二氧化碳?，F(xiàn)有技術(shù)分離甲烷和二氧化碳常用的有三種方法，分別是吸收法、吸附法和膜分離法。這三種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但存在一個(gè)共性問題，需要相對較高的操作壓力，例如吸收法的操作壓力在3?5bar，而膜分離法則往往需要在1bar以上。這些操作壓力要求就需要事先將氣體采用壓縮機(jī)增壓，這就導(dǎo)致提純生物甲烷的能耗成本偏高。因此，降低提純生物甲烷的操作壓力成為該領(lǐng)域的發(fā)展方向。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種能降低提純生物甲烷的操作壓力的提純生物甲烷的膜吸收裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)提純生物甲烷操作壓力高導(dǎo)致能耗成本高的技術(shù)問題。同時(shí)，本發(fā)明還提供利用該膜吸收裝置進(jìn)行提純生物甲烷的方法。
[0005]本發(fā)明的提純生物甲烷的膜吸收裝置采用如下技術(shù)方案:一種提純生物甲烷的膜吸收裝置，其包括至少兩個(gè)串聯(lián)在一起的膜吸收單元，膜吸收單元包括具有內(nèi)腔的吸收器，吸收器內(nèi)腔的底部為儲(chǔ)液槽，吸收器內(nèi)腔的上部的噴淋器，噴淋器上連接有進(jìn)液口，儲(chǔ)液槽上連接有排液口，吸收器頂部位于噴淋器上方的位置開設(shè)有出氣口，吸收器內(nèi)腔位于噴淋器和儲(chǔ)液槽之間設(shè)有中空纖維膜，中空纖維膜為多孔疏水性高分子聚合物制成的空心管，吸收器位于噴淋器和儲(chǔ)液槽之間的壁面上設(shè)有進(jìn)氣腔，進(jìn)氣腔上設(shè)有位于吸收器外部的進(jìn)氣口，中空纖維膜的一端與進(jìn)氣腔連通、另一端為密封安裝在吸收器壁面上的盲管。
[0006]相鄰兩個(gè)膜吸收單元中，前一個(gè)膜吸收單元的出氣口與后一個(gè)膜吸收單元的進(jìn)氣口之間連通有氣體連接管，前一個(gè)膜吸收單元的排液口與后一個(gè)膜吸收單元的進(jìn)液口之間連通有液體連接管。
[0007]所述中空纖維膜采用聚偏氟乙烯roVF或者聚四氟乙烯PFTE或者聚丙烯PP高分子聚合物制成。
[0008]所述中空纖維膜的內(nèi)徑為0.2?2.0mm、壁厚為0.1?0.5mm，中空纖維膜表面上微孔的平均孔徑為0.1?2.0 μ m、孔隙率大于50%，相鄰兩中空纖維膜的布置間距為中空纖維膜外徑的0.5?2.5倍之間，相鄰的上下兩層中空纖維膜交錯(cuò)布置。
[0009]所述中空纖維膜安裝在吸收器壁面上的一端設(shè)有用于密封中空纖維膜的封頭，所述噴淋器為噴淋管或者霧化噴頭或者盤式分布器或者槽式分布器或者蓮蓬頭。
[0010]本發(fā)明的提純生物甲烷的方法采用如下技術(shù)方案:一種提純生物甲烷的方法，其包括以下步驟:利用噴淋器向中空纖維膜上噴灑吸收液，在中空纖維膜外表面上形成一層液膜，同時(shí)向中空纖維膜內(nèi)通入待提純的生物甲烷氣體，氣體穿過中空纖維膜壁面上的微孔與液膜進(jìn)行接觸吸收，液膜在中空纖維膜的外表面及微孔中與氣體進(jìn)行氣液接觸并形成微鼓泡。
[0011]控制噴淋器的噴淋密度為1~15點(diǎn)/cm2，氣體的進(jìn)氣壓力為10~50kPa。
[0012]采用風(fēng)機(jī)程序控制或者氣囊激勵(lì)或者水封式激勵(lì)的方式，對進(jìn)氣氣流施加I?20Hz的壓力波動(dòng)，壓力波動(dòng)值在I?1kPa之間。這樣能在中空纖維膜微孔上的氣液界面上形成小壓力波動(dòng)幅度的氣流變化，進(jìn)一步提高氣液吸收傳質(zhì)效果。
[0013]所述吸收液為氫氧化鈉、氫氧化鉀、碳酸鉀、一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、甲基二乙醇胺水溶液中的一種或兩種及兩種以上。
[0014]將反應(yīng)后的吸收液收集起來經(jīng)再生處理后，作為進(jìn)液重新進(jìn)入噴淋器進(jìn)行循環(huán)工作。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明將吸收法與膜分離法相結(jié)合，開發(fā)了一種提純生物甲烷的膜吸收裝置和方法，采用具有高氣體滲透通量的多孔疏水性中空纖維膜，在中空纖維膜的外表面形成吸收液液膜，將原料氣增加至微正壓后就可通過中空纖維膜的內(nèi)部流經(jīng)中空纖維膜的微孔與吸收液液膜相接觸進(jìn)行氣體吸收，并進(jìn)一步形成微小氣泡界面下的鼓泡吸收。由于中空纖維膜中具有大量的微孔，所以極大地增大了氣液接觸面積，使得吸收傳質(zhì)速率相對于傳統(tǒng)的填料吸收過程得以顯著提高，另外在鼓泡吸收下進(jìn)一步增大了氣液接觸面積，而且通過鼓泡對氣相和液相流體的擾動(dòng)，提高了吸收傳質(zhì)系數(shù)。因此，通過基于多孔中空纖維膜介質(zhì)，形成了具有氣液接觸吸收、鼓泡吸收以及顯著增大的氣液接觸面積和吸收傳質(zhì)系數(shù)特征的膜吸收過程，由于上述特征大大提升了氣液吸收速率，使得在滿足甲烷提純要求的前提下，可有效降低操作壓力，實(shí)驗(yàn)研宄證明可將甲烷/ 二氧化碳分離操作壓力降低至10?50kPa。本發(fā)明有效的降低了提純生物甲烷的操作壓力，解決了現(xiàn)有技術(shù)提純生物甲烷操作壓力高導(dǎo)致能耗成本高的技術(shù)問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明提純生物甲烷的膜吸收裝置的一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是圖1中膜吸收單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是圖2的剖視圖；
圖4是本發(fā)明提純生物甲烷的膜吸收裝置的另一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0018]本發(fā)明提純生物甲烷的膜吸收裝置的一種實(shí)施例如下:
本實(shí)施例的提純生物甲烷的膜吸收裝置的結(jié)構(gòu)如圖1至圖3所示包括兩個(gè)串聯(lián)在一起的膜吸收單元1，膜吸收單元I包括具有內(nèi)腔的吸收器，吸收器內(nèi)腔的底部為儲(chǔ)液槽12，吸收器內(nèi)腔的上部的噴淋器11，噴淋器11上連接有進(jìn)液口 17，儲(chǔ)液槽12上連接有排液口 18，吸收器頂部位于噴淋器上方的位置開設(shè)有出氣口 16，吸收器內(nèi)腔位于噴淋器11和儲(chǔ)液槽12之間設(shè)有中空纖維膜12，中空纖維膜13為多孔疏水性高分子聚合物制成的空心管，所述中空纖維膜13的內(nèi)徑為0.2?2.0_、壁厚為0.1?0.5mm,中空纖維膜表面上微孔的平均孔徑為0.1?2.0 μ m、孔隙率大于50%，相鄰兩中空纖維膜的布置間距為中空纖維膜外徑的0.5?2.5倍之間，相鄰的上下兩層中空纖維膜交錯(cuò)布置。
[0019]吸收器位于噴淋器11和儲(chǔ)液槽12之間的壁面上設(shè)有進(jìn)氣腔14，進(jìn)氣腔14上設(shè)有位于吸收器外部的進(jìn)氣口 15，中空纖維膜13的一端與進(jìn)氣腔14連通、另一端密封安裝在吸收器壁面上，所述中空纖維膜13安裝在吸收器壁面上的一端設(shè)有用于密封中空纖維膜的封頭，從而使中空纖維膜成為盲管，中空纖維膜與進(jìn)氣腔連通的一端上設(shè)有將吸收器內(nèi)腔和進(jìn)氣腔隔開的樹脂密封段。
[0020]本實(shí)施例中兩個(gè)膜吸收單元采用水平布置的串聯(lián)方式，后一個(gè)膜吸收單元位于前一個(gè)膜吸收單元的一側(cè)，前一個(gè)膜吸收單元I的出氣口 16與后一個(gè)膜吸收單元I的進(jìn)氣口15之間連通有氣體連接管，前一個(gè)膜吸收單元的I排液口 18與后一個(gè)膜吸收單元I的進(jìn)液口 17之間連通有液體連接管。本實(shí)施例中，氣體流動(dòng)與液體流動(dòng)是同向的，即來氣和新鮮吸收液都是在前一個(gè)膜吸收單元中進(jìn)入，然后順序進(jìn)入串聯(lián)的后一個(gè)膜吸收單元中，氣體和液體一同從最后一個(gè)膜吸收單元中排出。
[0021]本實(shí)施例在使用時(shí)，利用噴淋器向中空纖維膜上噴灑吸收液，吸收液在中空纖維膜的外表面形成吸收液液膜，將待提純的生物甲烷原料氣增加至微正壓后通入進(jìn)氣腔，原料氣就可通過中空纖維膜的內(nèi)部流經(jīng)中空纖維膜的微孔與吸收液液膜相接觸進(jìn)行氣體吸收，并進(jìn)一步形成微小氣泡界面下的鼓泡吸收。由于中空纖維膜中具有大量的微孔，所以極大地增大了氣液接觸面積，使得吸收傳質(zhì)速率相對于傳統(tǒng)的填料吸收過程得以顯著提高，另外在鼓泡吸收下進(jìn)一步增大了氣液接觸面積，而且通過鼓泡對氣相和液相流體的擾動(dòng)，提高了吸收傳質(zhì)系數(shù)。因此，通過基于多孔中空纖維膜介質(zhì)，形成了具有氣液接觸吸收、鼓泡吸收以及顯著增大的氣液接觸面積和吸收傳質(zhì)系數(shù)特征的膜吸收過程，大大提升了氣液吸收速率，使得在滿足甲烷提純要求的前提下，可有效降低操作壓力。
[0022]本發(fā)明在具體實(shí)施時(shí)，中空纖維膜可以采用聚偏氟乙烯PDVF或者聚四氟乙烯PFTE或者聚丙烯PP等多孔疏水性高分子聚合物制成；噴淋器可以采用噴淋管或者霧化噴頭或者盤式分布器或者槽式分布器或者蓮蓬頭。
[0023]在本發(fā)明提純生物甲烷的膜吸收裝置的其它實(shí)施例中，中空纖維膜的尺寸、表面微孔的孔徑大小等參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際靈活選用；各中空纖維膜的排列方式、間距可以根據(jù)實(shí)際靈活設(shè)置。
[0024]在本發(fā)明提純生物甲烷的膜吸收裝置的其它實(shí)施例中，兩個(gè)膜吸收單元還采用如圖4所示的垂直布置的串聯(lián)方式，后一個(gè)膜吸收單元位于前一個(gè)膜吸收單元上方的位置，前一個(gè)膜吸收單元I的出氣口 16與后一個(gè)膜吸收單元I的進(jìn)氣口 15之間連通有氣體連接管，前一個(gè)膜吸收單元的I排液口 18與后一個(gè)膜吸收單元I的進(jìn)液口 17之間連通有液體連接管。
[0025]在本發(fā)明提純生物甲烷的膜吸收裝置的其它實(shí)施例中，可以根據(jù)實(shí)際需要決定膜吸收單元的數(shù)量，膜吸收單元可以是三個(gè)或三個(gè)以上的任意值，相鄰兩膜吸收單元中，前一個(gè)膜吸收單元的出氣口與后一個(gè)膜吸收單元的進(jìn)氣口之間連通有氣體連接管，前一個(gè)膜吸收單元的排液口與后一個(gè)膜吸收單元的進(jìn)液口之間連通有液體連接管。
[0026]在本發(fā)明提純生物甲烷的膜吸收裝置的其它實(shí)施例中，氣體流動(dòng)與液體流動(dòng)還可以是反向的，即來氣進(jìn)入前一個(gè)膜吸收單元，然后順序進(jìn)入后續(xù)的膜吸收單元中，并從最后一個(gè)膜吸收單元排出；而吸收液則從最后一個(gè)膜吸收單元中進(jìn)入，然后順序向前流過各個(gè)膜吸收單元裝置并從第一個(gè)膜吸收單元排出。
[0027]在本發(fā)明提純生物甲烷的膜吸收裝置的其它實(shí)施例中，還可以省略液體連接管，而新鮮吸收液則分別從噴淋器進(jìn)入到各個(gè)膜吸收單元中，最終各個(gè)膜吸收單元的儲(chǔ)液槽中排液直接去再生處理。
[0028]本發(fā)明提純生物甲烷的膜吸收方法的一種實(shí)施例如下:
本實(shí)施例提純生物甲烷的膜吸收方法包括以下步驟:利用噴淋器向中空纖維膜上噴灑吸收液，吸收液為氫氧化鈉、氫氧化鉀、碳酸鉀、一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、甲基二乙醇胺水溶液中的一種或兩種及兩種以上，控制噴淋器的噴淋密度為1~15點(diǎn)/cm2，吸收液在中空纖維膜外表面上形成一層液膜，同時(shí)向中空纖維膜內(nèi)通入待提純的生物甲烷氣體，氣體的進(jìn)氣壓力為10~50kPa，采用風(fēng)機(jī)程序控制或者氣囊激勵(lì)或者水封式激勵(lì)的方式，對進(jìn)氣氣流施加I?20Hz的壓力波動(dòng)，壓力波動(dòng)值在I?1kPa之間，這樣能在中空纖維膜微孔上的氣液界面上形成小壓力波動(dòng)幅度的氣流變化，進(jìn)一步提高氣液吸收傳質(zhì)效果。氣體穿過中空纖維膜壁面上的微孔與液膜進(jìn)行接觸吸收，液膜在中空纖維膜的外表面及微孔中與氣體進(jìn)行氣液接觸并形成微鼓泡。
[0029]由于中空纖維膜中具有大量的微孔，所以極大地增大了氣液接觸面積，使得吸收傳質(zhì)速率相對于傳統(tǒng)的填料吸收過程得以顯著提高，另外在鼓泡吸收下進(jìn)一步增大了氣液接觸面積，而且通過鼓泡對氣相和液相流體的擾動(dòng)，提高了吸收傳質(zhì)系數(shù)。因此，通過基于多孔中空纖維膜介質(zhì)，形成了具有氣液接觸吸收、鼓泡吸收以及顯著增大的氣液接觸面積和吸收傳質(zhì)系數(shù)特征的膜吸收過程，因此利用本實(shí)施例的方法可大大提升了氣液吸收速率，使得在滿足甲烷提純要求的前提下，可有效降低操作壓力，實(shí)驗(yàn)研宄證明可將甲烷/ 二氧化碳分離操作壓力降低至10?50kPa。
[0030]作為本發(fā)明提純生物甲烷的膜吸收方法一種優(yōu)選的實(shí)施例，還可以將反應(yīng)后的吸收液收集起來經(jīng)再生處理后，作為進(jìn)液重新進(jìn)入噴淋器進(jìn)行循環(huán)工作。再生處理方式可以采用常規(guī)的脫碳液再生方法，如加熱、減壓等操作。
【權(quán)利要求】
1.一種提純生物甲烷的膜吸收裝置，其特征在于:其包括至少兩個(gè)串聯(lián)在一起的膜吸收單元(1)，膜吸收單元(1)包括具有內(nèi)腔的吸收器，吸收器內(nèi)腔的底部為儲(chǔ)液槽(12)，吸收器內(nèi)腔的上部的噴淋器(11)，噴淋器(11)上連接有進(jìn)液口( 17)，儲(chǔ)液槽(12)上連接有排液口( 18)，吸收器頂部位于噴淋器(11)上方的位置開設(shè)有出氣口( 16)，吸收器內(nèi)腔位于噴淋器(11)和儲(chǔ)液槽(12)之間設(shè)有中空纖維膜(13)，中空纖維膜(13)為多孔疏水性高分子聚合物制成的空心管，吸收器位于噴淋器(11)和儲(chǔ)液槽(12)之間的壁面上設(shè)有進(jìn)氣腔(14)，進(jìn)氣腔(14)上設(shè)有位于吸收器外部的進(jìn)氣口( 15)，中空纖維膜(13)的一端與進(jìn)氣腔(14)連通、另一端為密封安裝在吸收器壁面上的盲管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提純生物甲烷的膜吸收裝置，其特征在于:相鄰兩個(gè)膜吸收單元中，前一個(gè)膜吸收單元的出氣口(16)與后一個(gè)膜吸收單元的進(jìn)氣口(15)之間連通有氣體連接管(2)，前一個(gè)膜吸收單元的排液口( 18)與后一個(gè)膜吸收單元的進(jìn)液口( 17)之間連通有液體連接管(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提純生物甲烷的膜吸收裝置，其特征在于:所述中空纖維膜(13)采用聚偏氟乙烯roVF或者聚四氟乙烯PFTE或者聚丙烯PP高分子聚合物制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提純生物甲烷的膜吸收裝置，其特征在于:所述中空纖維膜(13)的內(nèi)徑為0.2?2.0mm、壁厚為0.1?0.5mm，中空纖維膜表面上微孔的平均孔徑為0.1?2.0 μm、孔隙率大于50%，相鄰兩中空纖維膜的布置間距為中空纖維膜外徑的0.5?2.5倍之間，相鄰的上下兩層中空纖維膜交錯(cuò)布置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1~4任意一項(xiàng)所述的提純生物甲烷的膜吸收裝置，其特征在于:所述中空纖維膜(13)安裝在吸收器壁面上的一端設(shè)有用于密封中空纖維膜的封頭，所述噴淋器(11)為噴淋管或者霧化噴頭或者盤式分布器或者槽式分布器或者蓮蓬頭。
6.—種提純生物甲烷的方法，其特征在于，其包括以下步驟:利用噴淋器向中空纖維膜上噴灑吸收液，在中空纖維膜外表面上形成一層液膜，同時(shí)向中空纖維膜內(nèi)通入待提純的生物甲烷氣體，氣體穿過中空纖維膜壁面上的微孔與液膜進(jìn)行接觸吸收，液膜在中空纖維膜的外表面及微孔中與氣體進(jìn)行氣液接觸并形成微鼓泡。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的提純生物甲烷的方法，其特征在于:控制噴淋器的噴淋密度為1~15點(diǎn)/cm2，氣體的進(jìn)氣壓力為10~50kPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的提純生物甲烷的方法，其特征在于:采用風(fēng)機(jī)程序控制或者氣囊激勵(lì)或者水封式激勵(lì)的方式，對進(jìn)氣氣流施加1?20Hz的壓力波動(dòng)，壓力波動(dòng)值在1?lOkPa之間ο
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的提純生物甲烷的方法，其特征在于:所述吸收液為氫氧化鈉、氫氧化鉀、碳酸鉀、一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、甲基二乙醇胺水溶液中的一種或兩種及兩種以上。
10.根據(jù)權(quán)利要求6~9任意一項(xiàng)所述的提純生物甲烷的方法，其特征在于:將反應(yīng)后的吸收液收集起來經(jīng)再生處理后，作為進(jìn)液重新進(jìn)入噴淋器進(jìn)行循環(huán)工作。
【文檔編號(hào)】B01D53/22GK104437006SQ201410584527
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月28日
【發(fā)明者】陳澤智, 龔惠娟, 王昶, 樊楊梅 申請人:南京大學(xué)