[发明专利]基于富氮性能数据的膜组件中空纤维膜丝装填数确定方法

说明书

本发明提供一种基于富氮性能数据的膜组件中空纤维膜丝装填数确定方法，首先采用n根膜丝制作膜组件小样；然后通过富氮性能实验测试S1制作的膜组件小样的空分性能，获取膜组件小样在不同氮气纯度条件下的氮气产率和氮气回收率；然后计算该中空纤维膜组件小样的空气进气流速、氮气渗透流速和氧气渗透流速，得到相应的氮气、氧气渗透流速后分别计算得到待测算膜组件在相同实验条件下相较于膜组件小样的氧气渗透流速之比和氮气渗透流速之比；最后计算待测算膜组件膜丝装填根数。解决了因中空纤维膜组件渗透速率无法测量，造成开展相关理论研究和实验研究困难的问题，适用于采用相同材质制成的一系列中空纤维膜组件的膜丝装填数量的计算。

技术领域

本发明涉及一种基于富氮性能测试数据的膜组件中空纤维膜丝装填根数的确定方法。

背景技术

气体膜分离技术的基本原理是混合气体中各组分在压力推动下透过膜的渗透速率不同从而实现各组分之间的分离。气体分离膜材料通常包括有机膜和无机膜两大类，其中有机膜由高分子聚合物制备而成，主要包括聚酰亚胺(PI)、乙酸纤维素(CA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚砜(PS)、聚碳酸酯(PC)、聚苯醚(PPO)等。大多数高分子聚合物膜都存在渗透性和选择性互为制约的关系，因此研究开发出兼顾高渗透性和高选择性的新型高分子膜材料已成为目前气体分离膜技术研究的热点。

膜组件是应用膜材料分离物质的基本单元，通常由膜元件(膜材料)和外壳(容器)组成。工业上常用膜组件的形式主要有平板式、圆管式、螺旋卷式和中空纤维式四种。其中大部分的气体分离膜组件均成型于中空纤维式，接近或少于20％的成型于螺旋卷式。

渗透性和选择性是评价气体分离膜性能的两个重要指标。评价渗透性和选择性的物理量分别为渗透系数(P)和分离系数(α_ij)。渗透系数的定义为单位驱动压力(或逸度)下某气体组分的稳态气体通量，其中压力(或逸度)差通过膜的致密层厚度进行归一化，其数学表达式如式(1-1)：

式中：P_i是气体组分i的渗透系数，常用单位是Barrer，10^-10cm³(STP)·cm/(cm²·s·cmHg)；Δp_i是组分i在膜高压侧与低压侧的压力差，cm Hg；δ是膜厚度，cm；j_i是组分i的渗透通量，即单位膜面积中气体组分i的体积流速，cm³(STP)/(cm²·s)；

P_i是气体分离过程中描述致密膜气体透过性能的参数，是一定压力和温度下的膜-分离气体体系的特性常数，由分离气体和膜材料的性质所决定。

对于非对称膜和复合膜，致密皮层厚度难以准确计算和测定，膜的气体渗透性能不便于用渗透系数P来描述，而使用渗透速率J。在实际应用中，为评价某气体组分i在特定膜组件(如中空纤维膜组)中的渗透速率，通常根据公式(1-2)来测量：

式中下标i代指某气体，如O₂或N₂；P为膜的渗透系数，只与膜材料和气体的性质有关；δ为膜厚度，cm；Q_i为标准状况下气体的体积流速，cm³/s；△P为渗透压差，Pa；A为膜面积，cm²；t为测试时间，s；q_i为测试时间内气体组分的渗透体积，cm³；n为膜组件的中空纤维膜根数；d为膜组件单根中空纤维膜直径，cm；l为膜组件的每根中空纤维膜的长度，cm；J_i为气体渗透速率，GPU；1GPU＝7.051(10^-13cm³/(cm²·Pa·s))。