膜基吸收恶臭气体H_2S的实验研究.pdf

膜基吸收恶臭气体H2S 的实验研究 李晓婷 江西宜春学院生命科学与资源环境学院, 江西 宜春 336000 摘要 选甲基二乙醇胺溶液为吸收剂, 聚丙烯中空纤维膜作接触器, 通过单因素实验研究膜基吸收恶臭气体 H2S 的影 响因素。 结果表明, 吸收剂浓度对脱硫率影响明显, 适当的吸收剂浓度是保证脱硫率的关键因素; 进气速率增大可以 提高传质系数、增强传质, 但脱硫率降低; 提高进气压力可以提高脱硫率, 但不如吸收剂浓度影响大; 吸收剂循环使用 对脱硫率影响较大, 应在满足出气要求的前提下 , 合理控制循环次数和循环比例。 对含 H2S 347 mg m3的进气, 实验得 到的适宜的脱硫条件为 进气流速0. 35 m3 h、压力0. 1MPa, 吸收剂流量0. 40 m3 h、浓度3 mol L。 在该条件下, 单级膜组 件脱硫率稳定在 96以上。 关键词 甲基二乙醇胺; 聚丙烯中空纤维膜; 单因素实验; 脱硫率; 传质系数 EXPERIMENTAL STUDY ON H2S REMOVAL FROM NATURAL GAS BY MEMBRANE-BASED ABSORPTION Li Xiaoting Life Science The mass transfer coefficient improved with increasing inlet gas rates, but the efficiency decreased; Enhancing inlet gas pressure was in favour of improving desulfuration efficiency, but it s effect was much smaller than absorbent concentration;Recycling absorbent had a obvious impact on desulfuration efficiency, so cycles and cycle ratio should be controlled in a reasonable scope, in order to meet requirements of product gas.For inlet gas H2S content 347 mg m3, the optimal operation conditionswere as follows absorbent flow 0. 30 m3 h, concentration 3 mol L and inlet gas flow rate 0. 35 m3 h, pressure 0. 1 MPa. Under such conditions, the efficiency of H2S rmovalwas beyond 96 through single -stage membrane module. Keywords MDEA; hollow polypropylene fiber membrane; single factor test;desulfuration efficiency ; mass transfer coefficient 0 引言 H2S 是恶臭气体的主要成分之一 ,它不仅对环境 造成污染 ,而且直接危害人体健康 。膜基吸收是膜技 术与气体吸收技术相结合的新型杂化膜过程 [ 1] 。本 质上微孔膜材料只是提供了一个气液传质的场所 ,它 本身不参与组分的分离作用 [ 2] ; 但与传统吸收塔相 比,膜接触器提供了更大的传质比表面积 ,可以有效 防止鼓泡、 液泛、雾沫夹带、沟流等现象的发生 ,并且 可以实现气液流速和两相压力的宽范围独立操 作 [ 3- 6] 。从 20 世纪 70 年代起, 膜接触器的研究在各 国得到了广泛的开展 ,并已在许多领域成功应用。挪 威的Kvaemer 公司在 1998 年开始建立膜基吸收器脱 除天然气中 CO2的工厂,在 2001年已投入使用 [ 7] 。 为探索膜基吸收法脱除恶臭气体H2S 的可行性, 选聚丙烯中空纤维膜组件为接触器 ,MDEA 溶液作吸 收剂, 在室温25 ℃条件下进行脱硫实验分析 , 考察了 进气流量、气相压力 、吸收剂流量和液相压力等各因 素对H2S 脱除率及传质系数的影响 。实验工艺参数 范围 进 气流速为 0. 10 ～ 0. 45 m 3 h; 进气 压力为 0. 04～ 0. 11MPa ; 吸收剂流量为 0. 15～ 0. 50 m 3 h。 1 实验部分 1. 1 材料 55 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 用聚丙烯中空纤维膜制成膜组件, 其结构和相关 参数如表 1 所示 。 气 源选 用南 京特 种厂 提供 的 H2S 含量 为 347 mg m 3的 N 2气体; MDEA 试剂 , 市场采购 分析 纯 ,配制成不同浓度的水溶液。气体采样中 H2S 含 量用 WKL-201型微库仑测硫仪测定 。 表 1 微孔膜参数 膜材料 纤维直径 μ m 内径外径 膜孔径 μ m 有效工作 长度 m 膜孔隙 率 纤维 根数 膜面 积 m2 膜组件 直径 mm 聚丙烯4005000 . 01～ 0. 10. 936012 00010100 1. 2 流程 气瓶 2 中的混合气经减压阀 3 减压后进入换热 器4 预热,经采样 、 计量后进入中空纤维管程 6,由于 膜为疏水膜 ,气相压力小于液相压力, 气体在膜孔与 吸收剂相接触, 其中 H2S 气体不断被流经接触器壳程 的吸收剂吸收, 吸收剂从液相储罐 8 泵入接触器的壳 程,吸收 H2S 气体, 然后回到液相储罐 9。为防止发 生沟流和短路, 造成脱硫率下降,进气走管程 ,吸收剂 走壳程。各仪表显示稳定后 15 min 进行采样分析。 1氮气瓶; 2H2S 混合气瓶; 3减压阀; 4换热罐; 5流量计; 6HFPPM 膜组件; 7碱泵; 8, 9吸收剂罐; 10产品气罐; T 温度计; P 压力计; S采样点。 图 1 实验装置流程 1. 3 方法 由于 H2S 具有高剧毒性和腐蚀性 ,要保证装置的 密闭性 ,取样时利用一些医疗用引流袋 , 进行一定处 理,用橡皮管套在取样口进行取样 。取样后橡皮管一 端用夹子夹持, 把注射器小心从橡皮管中插入 ,稍微 用力挤引流袋, 使气体进入注射器, 插入微库仑仪进 样口 ,进行分析 。样品测试分析后 ,余气到室外烧掉, 以免污染大气或造成危害 。 1. 4 原理 膜接触器的传质性能用脱硫效率和总传质系数 作为评价指标。H2S 脱除率定义为式 1 , 混合气H2S 总传质系数 K 由式 2 计算得到。 ηz Qoxo-Qixi Qoxo 1 1 K 1 kg 1 km 1 HAkl 2 式中 Qo、Qi 进气 、 出气流量 ,m 3 h ; xo、xi 进气 、 出气 H2S 浓度,mg m 3 ; ηz 脱硫率; kg、 km、kl 分别表示 H2S 组分在气相、膜中和 液相中的传质系数 , mol m 2 s MPa ; HA 组分 H2S 的溶解度系数 。 2 实验结果与讨论 2. 1 吸收剂浓度对脱硫率的影响 在 ρ H2S347 mg m 3 , 吸收剂流量0. 40 m 3 h, 进气速率一定的条件下, 随着吸收剂浓度的提高, 脱 硫率呈明显上升趋势 ,如图 2 所示。这是因为 MDEA 与H2S 的反应发生在气液两相膜接触表面 ,吸收剂浓 度的提高, 使得化学吸收反应因子增强 , 液相分传质 系数增大, 引起总传质系数的增大。同时吸收剂浓度 提高 ,也使得在膜孔内与吸收剂接触的H2S 吸收速率 上升, 因而导致脱硫效率提高。如图 2 显示, 当吸收 剂浓度增大到一定值 3 mol L 时, 脱硫率达 96以 上,继续增加吸收剂浓度对脱硫率影响不大。 图 2 吸收剂浓度对脱硫率的影响 2. 2 进气速率对脱硫率与传质系数的影响 调节进气压力为0. 1MPa , 吸收剂流量和浓度分 别为0. 4 m 3 h 、3 mol L时 , 考察进气速率化对脱硫率 与传质系数的影响。图 3 所示 , 随着进气速率的增 大,脱硫率连续降低, 而 H2S 传质系数逐渐增大。可 解释为 ,随着进气速率的增大, 气体在膜组件内的停 留时间变短 ,H2S 未被充分吸收就排出组件, 因而脱 56 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 硫率降低。同时 ,进气速率的增大, 使气相阻力层变 薄,气相传质系数增大,因而使 H2S 总传质系数增大 。 图 3 进气速率对脱硫率及传质系数的影响 2. 3 进气压力对脱硫率的影响 在其他实验参数不变的条件下 ,分别调节进气流 速为0. 15 m h和0. 25 m h, 考察进气压力变化对脱硫 率的影响, 结果如图 4 所示 。可以看出 ,随着进气压 力的增大 ,脱硫率连续提高。当进气压力为0. 05MPa 时,脱硫率分别为0. 961和 0. 968,而进气压力增加到 0. 10 MPa时, 脱硫率上升到 0. 985 和 0. 996。可见, 进 气压力变化对脱硫率也是一个不可忽略的影响因素。 图 4 进气压力对脱硫率的影响 2. 4 循环使用吸收剂对脱硫效率的影响 为降低再生成本 ,使MDEA 吸收剂潜力得到充分 发挥 ,实验采样吸收剂流量为0. 30 m 3 h, 其他操作参 数不变,考察吸收剂循环利用对脱硫效率的影响。由 图5 可看出 ,吸收剂循环利用后,H2S 的脱除率降低, 可以解释为溶液随着循环利用次数的增加,吸收剂中 未反应的MDEA 浓度降低 ,对H2S 吸收速度小于新鲜 或利用次数少的溶液中H2S 消耗速度 ,从而导致脱硫 率降低 。值得注意的是, 同样循环次数条件下 ,随进 气流量的增大, 脱硫率下降梯度呈明显增大趋势。所 以,为满足产品气净化要求,特别是进气量较大时 ,要 合理控制吸收剂循环次数和循环比例。 图 5 吸收剂循环对脱硫率的影响 3 结论 1 增大液相吸收剂的浓度有利于 H2S 的脱除 ,可 以提高脱硫率; 进气速率和H2S 浓度的增加使得传质 系数增大, 但是 H2S 的待脱除量也增加 , 实验结果表 明H2S 的脱除率降低。 2 随着吸收剂循环利用次数的增加 ,H2S 脱除率 连续降低; 并随进气流量的增大, 脱硫率下降梯度呈 明显增大趋势。 3 实验工况条件下, 对含 H2S 347 mg m 3的进气, 聚丙烯微孔膜基单级脱硫率可达 99以上, 产品气 含硫可脱至5 mg m 3以下。 参考文献 [ 1] 袁力, 王志. 膜吸收技术及其在脱除酸性气体中的应用研 究[ J] . 膜科学与技术, 2002, 22 4 55-59. [ 2] 张秀莉, 张卫东, 张泽廷, 等. 中空纤维多孔膜气体吸收传质性 能研究[ J] . 北京化工大学学报, 2004, 31 3 4 -7. [ 3] Bhide B D, Voskericyan A, Stern S A . Hybrid process for the removal of acid gases from natural gas[ J] . Membrane Science, 1998, 14 6 27 -49. [ 4] Wang Dongliang , Teo W K , Li K. Selective removal of trace H2S from gas streams containing CO2using hollow fiber membrane modules contractors[ J] .Separation and purification Technology.2004 35 125-131. [ 5] 樊智锋, 刘广春, 王志, 等. 脱除 CO2的膜吸收过程研究[ J] . 膜 科学与技术, 2005 5 34-39. [ 6] Majumdar S, Sengupta A , Cha J S,et al.Simultaneous SO2 NO separation from flue gas in a contained liquid membrane perneator[ J] . Ind Eng Chem Res, 1994 33 667 -675. [ 7] 黄冬兰, 王金渠, 贺高红, 等. 膜接触器的研究进展[ J] . 膜科学 与技术, 2005,25 1 63 -68. 作者通信处 李晓婷 336000 江西省宜春市 江西宜春学院生命 科学与资源环境学院 2008- 03-06 收稿 57 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期