应用膜技术的经济效益

     《中国化工报》报道，在不到40年的时间里，膜技术之所以能够在中国及世界范围内推广使用，不仅是由于这种高效、节能、环保的高新技术在很多方面优于传统技术，而且也因为膜技术的推广使用给化工、石化、石油等行业带来了相当可观的社会效益及经济效益。
    合成氨弛放气中氢气的回收
    工业上氨是由氢气和氮气在高温高压下催化合成的。由于反应过程进行不完全，生成的合成氨含量仅为14％左右，所以未反应的气体必须返回人料口以提高收率。但返回的气体中含有一些惰性气体(如氩气和未反应的甲烷)，如不及时放掉则会在反应器内积累而影响反应，因此需要弛放尾气以控制惰性气体的浓度。但是这种弛放气中含有大量的氢气，作燃料烧掉会有较大的经济损失；若采用传统的变压吸附法回收，则工艺流程复杂，设备投资费用大，氢回收率低，成本高。美国孟山都公司采用prism膜技术回收氢，取得很好的经济效益。例如对于30万吨每年合成氨装置，采用膜法从弛放气中回收氢气，每年可多生产1．5万吨合成氨，每年可增收300万美元。目前世界上几乎所有30万吨每年以上的合成氨装置均采用膜法氢回收技术。我国于1983年引进了prism氢气分离回收装置，用于14套大化肥装置上，每套装置可增产4％，经济效益达200万～270万美元每年。
    富氧空气制备
    氧和氮是除硫酸以外的工业生产量最大的化学品，其原料是空气。空气中含有约78％的氮气和21％的氧气，采用传统的变压吸附法和深冷分离法可将氧气和氮气分离，但工艺流程复杂，设备投资大，成本高。20世纪80年代出现的膜法分离空气技术，能将氧气从21％富集到45％，将氮气从78％富集到99．9％。膜法分离空气设备紧凑，操作方便，能耗低，在中小规模时经济上占有优势。例如生产35％的富氧空气装置，膜装置的费用和耗电量分别比变压吸附装置低50％和35％。膜产富氧空气10t／d装置的操作费用为28美元／吨，而变压吸附的为42美元／吨。南化集团一套年产4万吨硫酸的焙烧工段，原来用普通空气焙烧硫酸铁矿，后改用富氧空气焙烧，取得了令人满意的结果。最终转化率达到99．6％，缩短了焙烧时间，总投资减少了400万元，每年硫酸的操作成本减少了82万元，使投资回收期相对缩短了1．1年。
    合成气H₂／CO比例调节
    合成气H₂／CO可以合成许多化工产品，例如醋酸、乙二醇、乙醇、乙醛、乙烯、甲醇等，但各自所需的H₂／CO比例不同。合成气比例调节的传统方法，是通过深冷分离或变压吸附法先将高压合成气减至低压分离成CO和H₂，然后按比例调节，再加压进行合成反应，故能耗很大。而采用膜法，可在高压下直接通过控制膜面积调制成所需要的H₂／CO比，然后直接合成，而不需额外消耗压缩能量。采用膜法的成本仅为变压吸附法的1／2，国外该技术已实现工业化。
    天然气去除酸性气体
    天然气主要的化工应用是制备合成气。但是在天然气转换成合成气之前必须先去除酸性气体(H₂S、C0₂等)，以免使转化催化剂中毒。天然气在输送之前也必须先去除酸性气体，以防上管路、设备被腐蚀。常用的去除酸性气体方法有氨吸收法和膜分离法。用膜分离法在较大的酸性气体浓度范围内和气体流量范围内都比氨法经济，而且设备紧凑，处理后天然气压力几乎不下降，给后处理提供很大方便。美国Allied—Signal公司采用高效支撑液膜技术去除天然气中的酸性气体已获成功，对于规模在170MSCFD的气体处理装置，每年可节能(2．2～4．4)× 1012BTU(1BTU=252卡)，即可节省500万～1000万美元。
    有机物的分离和精制
    化学工业中，有机物的分离和精制一般是通过精馏来实现的。因为精馏是相变过程，能耗极高，化工厂和石化厂中约有 70％的能量都消耗在分离过程上。而采用渗透汽化膜分离法不但能耗低、污染小，而且分离效率高，还特别适宜一般方法难以解决的近沸点、恒沸点混合物及同分异构体的分离。例如95％的乙醇利5％的水是恒沸物，要脱水制造100％的无水乙醇是困难的，能耗极高。采用共沸蒸馏法能耗为626kcal／l，与汽油低温混合法为200ktal／l、分子筛法为 365kcal／l，加盐萃取精馏法为181ktal／l。而采用渗透汽化膜法能耗很低，仪需28kcal／l：又如，将87％的异丙醇浓缩至99．7％，川渗透汽化膜法的成本仅为共沸蒸馏法的 65％。一般来说，渗透汽化法的能耗仅为蒸馏法的1／3～1／2，整个生产装置总投资为传统方法的40％～80%。
    烯烃／烷烃分离
    通常从烷径中分离烯烃是通过吸附或蒸馏来实现的，能耗很高。美国能源部资助 BP公司开发了用高效支撑液膜技术来分离丙烯／丙烷，目前中试已获得成功。由于高效液膜可以在较高分离系数条件下不发生相变就将烯径／烷烃分离，因而节能和降低操作赞用效果十分显著。采用DP公司的膜技术，可以从70％丙烯含量的炼厂气中生产纯度达99．7％以上的丙烯产品。采用此法，建设规模为日产；10吨化学纯丙烯的装置，每年可节省1500亿BTU，节省投资50％，节省操作费用50％。建立日产8吨聚合级的丙烯装置，每年可节省5000亿BTU，节省投资17％～23％，节省操作费用8％。
    海水淡化
    与传统的海水淡化采用的蒸馏法相比，用反渗透法使海水淡化所需的占地面积、建设时间和运行成本分别为蒸馏法的1／2、1／3 和1／4～1／2。因而反渗透法已成为海水淡化的主要方法，在世界范围内获得广泛应用。制造1吨淡水的操作费用，多级闪蒸和高温多效蒸馏法为1．59～2．11美元，低温多效蒸馏为1．02～1．61美元，而反渗透法仅为0．26～0．52美元。制造1吨淡水的能耗，蒸馏法为15千瓦时，而反渗透法仅为 7千瓦时。