膜空分制氮膜組氣流分配與匯集技術(shù)問(wèn)題探討

楊順成，張康，王建兵

（上海船舶設(shè)備研究所，上海200031）

膜空分制氮膜組氣流分配與匯集技術(shù)問(wèn)題探討

楊順成，張康，王建兵

（上海船舶設(shè)備研究所，上海200031）

膜組的氣流分配與匯集方式的選擇對(duì)膜空分制氮機(jī)的設(shè)計(jì)非常重要。分析和比較了膜組的幾種連接方式，重點(diǎn)闡述了膜組并聯(lián)時(shí)的氣流分配與匯集技術(shù)方面的問(wèn)題，討論了膜組的性能差異和總氣進(jìn)出位置對(duì)其并聯(lián)效果的影響，最后建議建立一個(gè)具有一定規(guī)模的測(cè)驗(yàn)平臺(tái)，用試驗(yàn)確定最佳的膜組連接方式、安放順序和總氣進(jìn)出口位置以及劣性能膜組氮出口之限制管徑大小等，使整個(gè)膜組的效能最大化和制氮效果最優(yōu)，為膜組氣流分配和匯集方式的選擇提供依據(jù)。

中空纖維膜；空分；膜組；氣流分配與匯集；連接方式；并聯(lián)

中空纖維膜空分技術(shù)自上世紀(jì)80年代以來(lái)獲得了飛速發(fā)展，其原理主要是利用空氣中氮和氧等氣體對(duì)同一膜的滲透速率的不同而實(shí)現(xiàn)氮跟氧等氣體的分離制取氮或富氧的。膜的最小使用單元是具有一定產(chǎn)氮容量的膜組，不同的制造廠家，生產(chǎn)的膜組的外形尺寸、產(chǎn)氮容量不一樣，溫壓特性也不一樣，但在允許的范圍內(nèi)，它們的產(chǎn)氮容量（純度一定）或純度（產(chǎn)氮容量一定）對(duì)于溫壓都是增函數(shù)關(guān)系［1］。每套制氮機(jī)需選用若干個(gè)膜組，使用膜組都會(huì)遇到怎么連接、氣管路怎么布局的問(wèn)題，歸根到底就是其氣流分配與匯集技術(shù)方面的問(wèn)題，這會(huì)牽涉到管路中氣流溫壓的分布與變化，從而會(huì)影響到制氮機(jī)的使用效果，所以有必要在此進(jìn)行探討。

1　膜組的連接方式與比較

在設(shè)計(jì)和制造膜空分制氮機(jī)時(shí)，膜組的連接方式一般而言有三種即并聯(lián)、串聯(lián)和混聯(lián)，并聯(lián)就是將若干膜組水平或垂直放置，共壓縮空氣進(jìn)氣管、共氮?dú)獬鰵夤芎凸哺谎醭鰵夤?；串?lián)則是將膜組的進(jìn)氣口跟另一根的N2出口相連接，僅共富氧出氣管；而混聯(lián)是兩組及以上的并聯(lián)或串聯(lián)再串聯(lián)或并聯(lián)，串聯(lián)和并聯(lián)可看成是特殊的最簡(jiǎn)單的混聯(lián)。按空間位置關(guān)系并聯(lián)又分平面并聯(lián)和立體并聯(lián)，前者即在一個(gè)平面上將若干膜組水平或垂直放置成排并聯(lián)起來(lái)，而后者將膜組在空間成圓周對(duì)稱或均勻布置而并聯(lián)起來(lái)，或者幾組平面并聯(lián)再并聯(lián)（如膜組很多時(shí)）。文獻(xiàn)［2］對(duì)膜組的使用效果跟其連接方式的關(guān)系展開過(guò)初步研究，對(duì)復(fù)合膜（PERMEA產(chǎn)品），發(fā)現(xiàn)效果跟產(chǎn)氮純度有關(guān)系：在N2純度為95.5%時(shí)，串聯(lián)條件下產(chǎn)N2效果無(wú)論是產(chǎn)N2量還是N2回收率都不及并聯(lián)的，但當(dāng)純度達(dá)到97%時(shí)，情況發(fā)生了變化：比如，在氣壓0.95MPa，氣溫60℃時(shí)，串聯(lián)產(chǎn)N2量增加了6.5%,而回收率增大了20.7%，效果比較明顯；在N2純度達(dá)到99%時(shí)，串聯(lián)產(chǎn)N2量在同樣工況下增加了23%,而回收率增大了19.9%，效果更加顯著，考慮到膜組的使用效果受溫度的影響很大［1］，串聯(lián)時(shí)溫差大，后一根膜組的工作氣溫較前一根的低很多，對(duì)結(jié)果會(huì)造成較大誤差，若忽略溫差影響，相同條件下串聯(lián)的使用效果比并聯(lián)的要提高30%。但對(duì)于均質(zhì)膜（原GENERON產(chǎn)品），盡管N2純度已高達(dá)99%，串聯(lián)的使用效果仍比不上并聯(lián)的，直到N2純度已達(dá)99.9%時(shí)，二者的使用效果才相同，也就是說(shuō)其串聯(lián)已失去實(shí)際意義。從實(shí)用的角度若所采用的膜組的的性能受溫度影響大，那么串聯(lián)時(shí)后端的膜組一般無(wú)法達(dá)到其正常的工況條件，所以在對(duì)N2純度要求不高時(shí)，采用串聯(lián)的效果反而不如并聯(lián)的；可就溫度對(duì)其性能影響很小的膜組而言，在使用時(shí)串聯(lián)就不存在上述問(wèn)題，如原荷蘭AQUILO公司的膜組，工作溫度為25℃左右，技術(shù)性能幾乎不受溫度的影響。至于多根膜組的連接，還必須考慮到膜組的進(jìn)出端接口大小，若串聯(lián)的根數(shù)過(guò)多，就會(huì)增大氣壓力的路徑損失，這樣也無(wú)法使后端膜組達(dá)到正常的工況條件，因此采用串連時(shí)須綜合考慮溫壓降對(duì)使用效果的影響。上述問(wèn)題的前提條件是使用的同種膜組性能幾乎一樣，若當(dāng)同種膜組性能差異（主要指額定工況下的產(chǎn)氮量）較大時(shí)，上述的結(jié)論就不一定成立，膜組數(shù)量不多時(shí)串聯(lián)可能是較好選擇，尤其是2至3根時(shí)；當(dāng)數(shù)量很多時(shí)，混聯(lián)是最佳選擇：先把所有膜組分成優(yōu)劣兩組，優(yōu)者跟優(yōu)者并聯(lián)，劣者跟劣者并聯(lián),然后再串聯(lián)，一般而言，劣者在前，優(yōu)者在后?？傊?lián)的氣流分配與匯集技術(shù)較并聯(lián)的簡(jiǎn)單，但管路連接復(fù)雜，并聯(lián)的則相反，而混聯(lián)介于二者之間。

2　膜組工作氣流穩(wěn)定性與背壓關(guān)系

膜組的空分制N2過(guò)程是動(dòng)態(tài)的，具體體現(xiàn)在膜組在工作時(shí)，溫度穩(wěn)定需要一段時(shí)間，剛開始時(shí)，生產(chǎn)的N2濃度低于設(shè)定值，是廢N2而流向廢N2管道排空，這時(shí)的背壓近乎大氣壓很穩(wěn)定，待N2濃度等于或大于設(shè)定值時(shí)，合標(biāo)N2流向儲(chǔ)氮罐（一般都設(shè)置了儲(chǔ)氮罐），罐中壓力即膜組的背壓隨著時(shí)間逐漸升高，文獻(xiàn)［3］對(duì)產(chǎn)N2過(guò)程的穩(wěn)定性與背壓的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在背壓小于0.5MPa時(shí)，N2純度和流量不受背壓影響，但當(dāng)背壓等于或大于0.5MPa以后，背壓越高，影響越明顯，背壓達(dá)到0.7MPa以后，效果很顯著，背壓每升高0.05MPa，產(chǎn)N2純度升高0.2%，同時(shí)產(chǎn)N2流量逐漸變小；在相同的進(jìn)氣壓力和產(chǎn)N2純度下，有背壓與沒背壓的產(chǎn)N2流量相差不是太明顯，綜合比較，有高背壓的情況產(chǎn)N2流量稍大一些。從自控的角度，背壓的有無(wú)與大小無(wú)關(guān)重要，盡管背壓越高（在一定范圍），產(chǎn)N2純度也越高，但對(duì)預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)而言毫無(wú)意義，甚至有害，因?yàn)檫@時(shí)不能滿足對(duì)N2流量的實(shí)際需求。

可見在設(shè)計(jì)膜組氣流分配與匯集時(shí)，須考慮到背壓這一因素對(duì)制N2過(guò)程穩(wěn)定性和效率的影響。

3　膜組并聯(lián)時(shí)的氣流分配與匯集

在設(shè)計(jì)和制造膜空分制N2裝置時(shí)，一般都是將空分膜組并聯(lián)起來(lái)使用，這主要是考慮到易于實(shí)現(xiàn)膜組工作時(shí)溫度均勻分布，能使各膜組的富氧匯集與管道布置簡(jiǎn)化，更能方便膜組的維護(hù)與更換；從理論上膜組立體并聯(lián)最為理想，但膜組富氧匯集管道復(fù)雜，維護(hù)更換很不方便，特別是占的空間大，所以這種并聯(lián)一般不采用，除非是膜組很多（幾十根）且外形尺寸也大,采用幾組平面并聯(lián)后再成排并聯(lián)。盡管有些膜組在產(chǎn)N2純度比較高時(shí)串聯(lián)的效果比并聯(lián)的高，但考慮到膜組內(nèi)壓縮空氣溫壓降的影響，在布置上膜組數(shù)量受到限制，所以在設(shè)計(jì)時(shí)往往采用寧多用膜組并聯(lián)而致成本增加的方式使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，正是這樣這種平面并聯(lián)被廣泛采用。

3.1氣流分配與匯集的理想模型與實(shí)際問(wèn)題

首先，假定所選用膜組的性能都是一樣的，無(wú)差異。并聯(lián)使用時(shí)，理想的氣流分配與匯集狀況是：各膜組的進(jìn)氣端壓力幾乎一樣，各N2出氣端壓力也幾乎一樣，總的在某一N2純度的產(chǎn)氮流量幾乎是膜組在這一純度時(shí)對(duì)應(yīng)產(chǎn)氮流量的膜組根數(shù)的倍數(shù)，工況變化時(shí)各膜組的性能變化也幾乎一樣。

實(shí)踐中，要達(dá)到接近這種理想模型，需要對(duì)管路進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以四根膜組并聯(lián)為例（已知：進(jìn)氣流量150m3·h-1；進(jìn)氣氣壓1.3MPa；進(jìn)氣管內(nèi)徑22mm；管道的粗糙度為0.15mm，且假定溫度為20℃），進(jìn)氣有兩種方式，如圖1所示，首先劃分管段，進(jìn)行編號(hào)，劃分管段的原則是以流量在該段內(nèi)不變?yōu)闇?zhǔn)。利用靜壓復(fù)得法進(jìn)行計(jì)算［4］，其對(duì)應(yīng)結(jié)果分別列入表1、2。

圖1　進(jìn)氣與管段劃分Fig.1 Air influx and pipe partition

表1　對(duì)應(yīng)圖1（a）管段參數(shù)與壓損Tab.1 Parameters and pressure loss of pipe section corresponding to fig.1（a）

表2　對(duì)應(yīng)圖1（b）管段參數(shù)與壓損Tab.2 parameters and pressure loss of pipe section corresponding to fig.1（b）

并聯(lián)管路應(yīng)阻力相等,為了能達(dá)到設(shè)計(jì)所需要的流量分配，須保證各支管路阻力相等,所以在設(shè)計(jì)并聯(lián)管路時(shí)，須調(diào)整各支管路的阻力，使阻力相等。由此可見在實(shí)際中4根膜組并聯(lián)采用如圖2所示的氣流分配與匯集型式比較合理。

圖2　氣流分配與匯集比較合理的型式Fig.2 more reasonable styles of gas flow distribution and influx

在實(shí)際應(yīng)用中要接近其理想模型比較困難，因?yàn)檫€受到下述因素的制約：空間大小、加熱溫度（大部分空分膜對(duì)進(jìn)氣溫度變化較敏感）與溫降、管道中的氣壓大小、所采用管道的管臂粗糙度、膜組的數(shù)量、閥件的大小與操作方式以及富氧收集方式等。這些因素給整個(gè)空分膜制氮裝置的合理設(shè)計(jì)帶來(lái)諸多不便，往往需要在管路設(shè)計(jì)布局時(shí)作較大的變動(dòng)，從而很可能會(huì)導(dǎo)致氣流分配與匯集時(shí)各支氣管中的氣流量發(fā)生變化。

3.2膜組間有差異時(shí)的并聯(lián)

在工程應(yīng)用中，即使購(gòu)買的是同一批同型號(hào)的膜組，其性能也有差異，且差異有大有小，這是常態(tài)，要完全一樣不太可能。文獻(xiàn)［5］中曾用如圖3所示的平面并聯(lián)試驗(yàn)管路（圖中：I1、I2、…、I6：壓縮空氣進(jìn)氣端；O1、O2、…、O6：N2出氣端；f1h1、f2h2、…、f8h8：8個(gè)膜組安裝位置，間距均勻；M1、M2、M3：膜組）和圖4所示的立體并聯(lián)試驗(yàn)管路就膜組間差異對(duì)其并聯(lián)效果的影響進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)研究。研究表明，立體的并聯(lián)效果還比不上緊湊型布局平面并聯(lián)的，立體并聯(lián)時(shí)產(chǎn)氮濃度越高，膜組間性能差異越大，這時(shí)并聯(lián)的實(shí)際效果離理想的越遠(yuǎn)。事實(shí)上也證明了這種立體并聯(lián)并沒有多大實(shí)際意義。另外平面并聯(lián)時(shí)膜組性能優(yōu)者受到劣者的抑制，差異越大，抑制越嚴(yán)重，要使實(shí)際結(jié)果接近或達(dá)到理想值，那么必須采用調(diào)節(jié)閥或者使劣者的出氮口管徑縮小，而將劣者的產(chǎn)N2濃度進(jìn)行限制，但正如前所述，膜組的背壓也必須限制，因?yàn)楸硥撼^(guò)0.5MPa時(shí)會(huì)引起產(chǎn)氮濃度和流量的變化，影響到產(chǎn)N2效果。

3.3總氣進(jìn)出位置不同時(shí)的并聯(lián)

膜組性能都均勻、無(wú)差異時(shí)，平面并聯(lián)采用如圖2（a）所示的氣流分配與匯集型式比較合理，只要進(jìn)氣分配總管和N2匯集總管管徑滿足一定尺寸，管路布局與連接就都比較簡(jiǎn)單，制N2效果能接近理想值，這時(shí)的總氣進(jìn)出位置在對(duì)角線上（如果總管管徑過(guò)小，上述結(jié)論就不成立）。但如果膜組性能都不均勻且差異大時(shí)，那么上述這種連接，效果就不是理想的了，文獻(xiàn)［5］中曾用如圖3所示的平面并聯(lián)試驗(yàn)管路就總氣進(jìn)出位置對(duì)其并聯(lián)效果的影響進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)研究，研究表明，從局部來(lái)看，產(chǎn)N2效果的優(yōu)劣難以按總氣進(jìn)出位置和膜組的布局來(lái)判斷，總氣進(jìn)出位置變化了，但在某幾個(gè)濃度時(shí)總的產(chǎn)N2量沒有變化，而對(duì)于每根膜組而言其產(chǎn)N2濃度和流量都變化了，即各膜組對(duì)整體制N2效果的貢獻(xiàn)度發(fā)生了改變。另外在某幾個(gè)濃度時(shí)，總氣進(jìn)出位置變化使效果變好，而對(duì)其它濃度則使效果變差。一個(gè)共同的現(xiàn)象是總氣進(jìn)出位置變化都會(huì)導(dǎo)致各膜組的產(chǎn)N2濃度發(fā)生改變，即其各自的產(chǎn)N2流量也發(fā)生變化，最終的結(jié)果是總產(chǎn)N2量有的變化，有的則不變。

圖3　平面并聯(lián)試驗(yàn)管路結(jié)構(gòu)Fig.3 Planar parallel connection test pipeline structure

圖4　立體并聯(lián)試驗(yàn)管路結(jié)構(gòu)Fig.4 dimensional parallel connection test pipeline structure

總氣進(jìn)出位置相對(duì)于平行放置的膜組成對(duì)角的安放方式對(duì)某幾個(gè)產(chǎn)N2純度而言效果比較理想，但對(duì)其余濃度的則比較差。

3.4膜組安放位置與順序

在進(jìn)行總氣進(jìn)出位置對(duì)其并聯(lián)效果的影響試驗(yàn)研究中，改變3根膜組的排列順序和其膜組間距，觀察其制N2效果。試驗(yàn)表明，膜優(yōu)劣的安放順序?qū)φ麄€(gè)膜組制N2效果影響的程度主要跟產(chǎn)N2純度和氣流速度有關(guān)系，在某一產(chǎn)N2純度和氣流速度范圍內(nèi)，其影響是正面的；一般將最優(yōu)的膜組放在接近進(jìn)出氣口效果好些，另外膜組的安放間距越小制N2效果越好。

4　結(jié)論與建議

（1）對(duì)某些膜組，制N2效果跟膜組的連接方式有關(guān)，在產(chǎn)N2純度比較高且膜組根數(shù)不多時(shí)，串聯(lián)的效果優(yōu)于并聯(lián)的，但當(dāng)數(shù)量很多時(shí)，混聯(lián)是最佳選擇：先把所有膜組分成優(yōu)劣兩組，優(yōu)者跟優(yōu)者并聯(lián)，劣者跟劣者并聯(lián),然后再串聯(lián)；

（2）膜組的背壓超過(guò)一定值時(shí)會(huì)影響到制N2過(guò)程的穩(wěn)定性，這時(shí)產(chǎn)N2純度會(huì)提高，但產(chǎn)N2流量會(huì)降低；

（3）總氣進(jìn)出位置和膜優(yōu)劣的安放順序?qū)φ麄€(gè)膜組效能影響的程度主要跟產(chǎn)N2純度和氣流速度有關(guān)系，在某一產(chǎn)N2純度和氣流速度范圍內(nèi)，其影響是正面的；

（4）總氣進(jìn)出位置相對(duì)于平行放置的膜組成對(duì)角的安放方式對(duì)某幾個(gè)產(chǎn)N2純度而言效果比較理想，但對(duì)其余的可能很差；

（5）一般將最優(yōu)的膜組放在接近進(jìn)出氣口效果好些，膜組的安放間距越小制N2效果越好。

建議在設(shè)計(jì)和制造膜空分制氮機(jī)時(shí)，一定要先對(duì)每根膜組進(jìn)行性能測(cè)試，然后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和歸納，對(duì)膜組性能優(yōu)劣分類；最好是建立一個(gè)具有一定規(guī)模的測(cè)驗(yàn)平臺(tái)，既可改變膜組的連接方式和安放位置，也可改變總的進(jìn)氣口和出氣口的位置以及每根膜組N2出口管徑大小，這樣可試驗(yàn)確定最佳的膜組連接方式、安放順序和總氣進(jìn)出口位置以及劣性能膜組氮出口之限制管徑大小，使整個(gè)膜組的制N2效果最優(yōu)，達(dá)到節(jié)能、減少成本和膜組效能最大化的目的，為膜空分制氮機(jī)的膜組氣流分配和匯集方式的選擇提供依據(jù)。

［1］楊順成.液貨船、化學(xué)品船防爆系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備——膜空分制氮裝置的研制［J］.艦船科學(xué)技術(shù),1996,150（6）：84-89.

［2］楊順成.空分膜組件的使用效果與其聯(lián)結(jié)方式間的關(guān)系［J］.膜科學(xué)與技術(shù),2001,21（5）：45-47.

［3］楊順成.膜空分制氮過(guò)程穩(wěn)定性影響因素研究［J］.膜科學(xué)與技術(shù),2004,24（6）：70-72.

［4］羅慶,李百戰(zhàn)譯.供熱、通風(fēng)、空調(diào)和制冷工程［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社,2008.

［5］楊順成.膜間差異和總氣進(jìn)出位置對(duì)其并聯(lián)效果之影響［J］.膜科學(xué)與技術(shù),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

楊順成（1966-），男，湖南會(huì)同人，高級(jí)工程師，碩士，在上海船舶設(shè)備研究所工作，研究方向：惰氣防爆。