[发明专利]一种膜分离脱除变换气中二氧化碳的工艺方法

说明书

技术领域

本发明属于工艺气体脱碳技术领域，涉及一种采用促进传递膜组件脱除变换气中二氧化碳的工艺方法。

背景技术

随着工业化步伐的加快，人类大规模地使用煤、石油、天然气等含碳化合物燃料，这类燃料燃烧后产生的二氧化碳排放入大气，致使大气中二氧化碳的浓度逐年增加。作为一种主要的温室气体，二氧化碳的无限制排放势必对全球生态系统、农业、水资源和海洋等产生深远的影响。另一方面，二氧化碳也是一种重要的化工原料，是制造尿素、干冰、碳酸氢氨、灭火剂、食品添加剂等重要原材料。如果能将排放的二氧化碳脱除加以回收，那么既可以减少碳排放缓解气候变暖，又可以治理工业废气带来的环境污染。

在合成氨生产过程中，无论使用煤、石油还是天然气为原料，何种工艺流程，都首先要把含碳化石燃料汽化，制备合成气，主要方程如下：

                                                

然后通过水煤气变换反应制氢，反应方程如下：

 

其中，水煤气变换过程中产生大量二氧化碳，CO₂不仅对氨合成催化剂有很强的毒性，还会生成易结晶的碳酸氢铵堵塞管道和设备。因此，在合成气进入氨合成塔之前，需将CO₂加以脱除。如何高效脱除变换气中的CO₂，变废为宝，实现其综合回收利用至关重要。

目前，用于变换气中CO₂脱除的方法主要有溶液吸收法、变压吸附法、膜分离法等。溶液吸收法是变换气脱碳最常用的方法，主要工艺有NHD法(CN200310115809.0, CN201120029962.1)、热钾碱法(CN201010196672.6)、MDEA法(CN200610162058.1)、低温甲醇洗法(CN201020694183.9)等，溶液吸收法属于湿法脱碳技术，所使用的溶剂大多有毒、腐蚀性强、有一定挥发性，势必对环境造成一定的影响，另一方面该类方法具有操作和维修费用高、工艺流程复杂及劳动强度大等特点。变压吸附法是近年来研究较多的脱碳技术之一，CN01108691、CN01108692.0、CN01108694.7、CN91107278.0、CN200310104007.X、CN201110051384.6等均相继报道了变压吸附技术分离、提纯变换气中的CO₂，相比于湿法脱碳，变压吸附属于干法脱碳技术，相比于湿法具有劳动强度小、维修费用低等优点，消除了溶剂毒性，然而当吸附压力较高时，变压吸附的投资和综合运行费用高，总体没有优势。

膜分离法也是一种干法脱碳技术，是利用气体中各组分在膜中透过速率的差异而实现的气体分离过程，各种膜过程具有不同的机理，适用于不同的对象和要求。其共同特点是工艺流程短、设备少、经济性好、操作方便、开停车灵活；一般无相变、分离系数大、动力及传动设备少、占地面积小、维修方便，无“三废”、无二次污染，系统放大简单，可大规模集成等优点。在变换气处理领域，CN200610012944.6、CN201110034922.0均提到采用膜分离法提纯变换气中的H₂，采用的分离膜一般为氢膜。然而，变换气中H₂是主要成分，CO₂的含量一般在30%以下，脱除大部分的H₂显然没有脱除较少含量的CO₂经济。之所以大部分的膜分离过程无法适用于变换气脱碳，是因为这些分离膜对H₂也同时具有透过性，造成CO₂/H₂无法分离。

促进传递膜是近年来研发的一种分离机制区别于传统膜分离过程的新型膜材料，它是利用分离膜中的固定或移动载体，即官能团如-NH₂、-COOH等与CO₂分子发生可逆反应，从而实现CO₂选择性透过的功能，相关化学反应如下：

 

氢气由于不能与官能团发生反应所以透过性较差，这样就可以实现CO₂和H₂的分离。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气体膜脱除变换气中二氧化碳的工艺方法。

本发明膜分离脱除变换气中二氧化碳的工艺方法，其特征是变换气经预处理步骤后，进入膜分离器，经二级膜分离过程，将变换气中的二氧化碳脱除，在渗透侧可得到高浓度的二氧化碳，截留侧为富氢气体，工艺步骤如下:包括经预处理工序和膜分离系工序；