清华大学学报(自然科学版)

作者：程安迪, 刘世帅, 吴雪梅, 姜晓滨, 贺高红, 王璠, 杜国栋, 肖武

单位：1. 大连理工大学 精细化工国家重点实验室, 膜科学与技术研究开发中心, 大连 116024;<br>2. 大连欧科膜技术工程有限公司, 大连 116041

关键词：氦气,膜分离,电化学氢泵,响应面法,Aspen HYSYS

基金：国家自然科学基金重大项目(22141001);国家基金委创新研究群体项目(22021005);国家重点研发项目(2019YFE0119200;2021YFC2901300);山东省重点研发计划项目(2022CXGC010303)\r\n

深冷精馏的氦气富集工艺存在能耗高、投资大,催化氧化法脱氢会引入新杂质(O2、H2O等)的问题,因此提出基于膜分离耦合电化学氢泵的脱氮单元尾气提氦工艺。二级膜分离富集氦气,电化学氢泵分离氢气/氦气,一步实现高效脱氢提氦和氢气资源化利用。基于课题组自主开发的膜分离和电化学氢泵单元模块,利用Aspen HYSYS对耦合工艺进行了建模及数据分析,并结合灵敏度分析法和响应面法对工艺关键参数进行了优化。最优工艺条件是第1、2级膜面积分别为4 759.5和435.3 m2,第1、2级膜进料绝对压强分别为6 010.3和4 352.5 kPa,第1、2级电化学氢泵的膜电极面积分别为39和17 m2,施加电势均为1 V。该条件下,产品氦气摩尔含量为99.99%,总回收率为95.67%,同时副产燃料电池车用标准的氢气。经济评价结果表明,在考虑氢气副产品附加值的条件下,耦合工艺高纯氦气生产成本为标准状态下125.47元/m3,动态投资回收期为2.09 a,内部收益率为79%,具有显著的经济优势。

来源：2023年第5期

《清华大学学报(自然科学版)》期刊编辑部

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