膜分离耦合电化学氢泵提氦工艺设计与优化

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

来源：清华大学学报, 2023, 63(05): 704-713.

DOI：10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.040

• 氦气
• 膜分离
• 电化学氢泵
• 响应面法
• Aspen HYSYS

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。

• 单位
  大连理工大学; 精细化工国家重点实验室