專利名稱：干燥、高純氮生產(chǎn)方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到空氣的低溫分離，更確切地說(shuō)，它涉及到供入低溫空氣分離系統(tǒng)空氣的預(yù)處理。
很多化學(xué)工藝過(guò)程，精煉廠，金屬制造和其它工業(yè)上的應(yīng)用都需要氮和氧，已經(jīng)知道的通過(guò)空氣分離低溫蒸餾過(guò)程和各系統(tǒng)生產(chǎn)氮和/或氧的各種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于用來(lái)從空氣產(chǎn)生氮和/或氧，或者用于從高純氣體中清除氮?dú)?。在每個(gè)低溫應(yīng)用中，高凝固點(diǎn)雜質(zhì)，在低溫下將以另一種方式凝固與主要?dú)怏w發(fā)生分離，它必須從壓縮的原料氣流中除去。這樣的雜質(zhì)一般是通過(guò)公知技術(shù)的致冷/吸附工藝結(jié)合將其去除。在空氣分離操作中，這個(gè)預(yù)先清除任務(wù)可利用一個(gè)蓄冷器和冷端凝膠收集器結(jié)合，或者一個(gè)機(jī)械空氣冷凝器/沸石分子篩吸收器結(jié)合。在以前的這種過(guò)程單元中，實(shí)際上所有的雜質(zhì)當(dāng)原料空氣與低溫廢物進(jìn)行熱交換和產(chǎn)生氣體流時(shí)被冷凝原料出空氣。然而，不幸的是，蓄冷器單元的本身沖洗需要與空氣供入量相關(guān)的大量沖洗氣流。結(jié)果，這種清潔循環(huán)的空氣之回收產(chǎn)生不希望有的限制。蓄冷器同樣要求大的閥門(mén)，它必須周期性的打開(kāi)和關(guān)閉，切換空氣供應(yīng)和廢的沖洗氣流通路。閥門(mén)經(jīng)常位于低溫系統(tǒng)的絕熱冷箱部分內(nèi)，使其維修困難，此外，為了有效地起作用，蓄冷器凝膠收集器的結(jié)合必須在低溫下操作，并且這樣在工廠啟動(dòng)期間要求有一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的冷卻時(shí)間。
與回轉(zhuǎn)熱交換器和凝膠收集器結(jié)合對(duì)比，機(jī)械冷凝器/吸附物單元結(jié)合，實(shí)際上如美國(guó)專利4375367已經(jīng)公開(kāi)的，可以在幾分鐘內(nèi)啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)提供一個(gè)清潔的、干燥的原料空氣流，該機(jī)械冷卻器將空氣溫度從壓縮器后冷卻器的大約80°F到大約115°F的溫度減少到大約40°F。這在較高溫度下飽和的空氣通過(guò)冷凝失去了大部分?jǐn)y帶水量，這樣減少了輸入到吸附單元水的濃度。典型的吸附操作是用一對(duì)壓力容器來(lái)進(jìn)行。一個(gè)床用作吸收目的，當(dāng)另一個(gè)承擔(dān)再生目的，這兩個(gè)壓力容積充滿一種吸附劑物質(zhì)例如釩土，沸石分子篩或者硅膠，它們清除剩余的水蒸汽，二氧化碳和/或其它來(lái)自供入空氣流的雜質(zhì)。吸附劑床通常在接近環(huán)境壓力由一種無(wú)雜質(zhì)氣流還原，或者是低溫廢物或干燥空氣的一部分，它們可以被加熱而改善它的解吸能力。通過(guò)機(jī)械冷凝器的運(yùn)行增加它們的吸附能力。減少注入水的濃度，顯著地改善了吸附床的性能，并且運(yùn)行中所需要的清潔流和能量減少了。由于需要避免在管道壁上結(jié)冰，機(jī)械冷凝器被限定到一個(gè)最小大約38°F產(chǎn)生露點(diǎn)。這種冷凝器同樣必須附帶通過(guò)水份分離器去清除從原料空氣形成的凝結(jié)水，并且去保護(hù)吸附劑床不致于有過(guò)多水份。在這樣的操作中，使用的機(jī)械冷凝器在投資和動(dòng)力要求方面趨向于昂貴，尤其是對(duì)于小工廠。此外，一般認(rèn)為這樣的冷凝器要求昂貴的維修費(fèi)。
根據(jù)這些因素，在這個(gè)技術(shù)中，參考上文，要求有一個(gè)消除或者改變部件，特別是機(jī)械冷凝器和水份分離器功能的新方法和系統(tǒng)，以便更經(jīng)濟(jì)地提供清潔，干燥的空氣給低溫氣體分離單元。一種有意義的研究考慮是使用薄膜系統(tǒng)，它可有選擇地從原料空氣中滲透水。一些眾所周知的材料具有選擇性滲水的能力，而空氣或其它氣體，構(gòu)成滲透性低成分，被作為非滲透性氣體回收。使用這種物質(zhì)的一個(gè)薄膜系統(tǒng)將替代機(jī)械冷凝器的作用。眾所周知這樣的薄膜系統(tǒng)將相對(duì)的簡(jiǎn)單和容易去操作和維修。然而，當(dāng)這樣的薄膜系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，從原料流中去除水份的需要大量有價(jià)值成品氣體聯(lián)合滲透。這樣薄膜系統(tǒng)的運(yùn)行與通過(guò)使用機(jī)械冷凝器達(dá)到的露點(diǎn)水平相比，效果少大約為10%到20%。其結(jié)果，這樣的環(huán)境將減少整個(gè)過(guò)程可能達(dá)到的回收水平，增加過(guò)程的動(dòng)力要求。并且，從經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)看一般是不吸引人的。盡管這樣的因素阻止薄膜干燥系統(tǒng)以替代機(jī)械冷凝器或者所述蓄冷器和凝膠收集器結(jié)合，薄膜干燥系統(tǒng)新的用法，改善了整個(gè)方法和系統(tǒng)，減少了對(duì)目前使用的技術(shù)的要求，代表了一個(gè)理想的先進(jìn)的技術(shù)。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一個(gè)用于生產(chǎn)干燥氮和/氧制品的改進(jìn)的方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)改進(jìn)的用于氣體分離的并希望用薄膜系統(tǒng)從原料氣體中除去水份的方法或系統(tǒng)。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是在整個(gè)使用一個(gè)低溫空氣分離以回收干燥氮?dú)夂?或氧氣的方法和系統(tǒng)中提供一個(gè)能夠達(dá)到提高干燥效率的薄膜干燥系統(tǒng)。
記住這些和其它目的，本發(fā)明在下文中將詳細(xì)進(jìn)行敘述，它的新穎特性在附加的權(quán)利要求中將被特別的指出。
一個(gè)薄膜干燥系統(tǒng)被用來(lái)結(jié)合于一個(gè)吸附單元-低溫氣體分離單元系統(tǒng)，從而達(dá)到所需求的生產(chǎn)干燥氮?dú)夂?或氧制品。這個(gè)薄膜干燥器最好以逆流方式運(yùn)行和在它的低壓滲透?jìng)?cè)回流，自低溫單元的廢氣被用來(lái)作為沖洗氣體。因此，薄膜所要求的面積減少，要求的制成品的回收明顯的提高。
參照附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)敘述，其中

圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的流程圖，其中低溫原料氣體分離系統(tǒng)的廢氣被用作干燥供入低溫系統(tǒng)氣體的薄膜系統(tǒng)中的沖清氣體;和圖2是一個(gè)實(shí)施例流程圖，其中沖洗氣體在低溫系統(tǒng)中從吸附床預(yù)凈化器中分離出來(lái)，用作原料氣體薄膜干燥系統(tǒng)的沖洗氣體。
本發(fā)明的目的在于既能從供入空氣中分離出所要求的水份又能不減少整個(gè)過(guò)程和系統(tǒng)的回收量到不能接受的水平的條件下，通過(guò)一個(gè)原料空氣干燥薄膜系統(tǒng)與一個(gè)下游低溫吸附空氣分離系統(tǒng)組合來(lái)完成的。這樣的條件有利于組合的分離方法和系統(tǒng)，如使用特殊薄膜里成分清除水份的選擇性，及薄膜束，在薄膜干燥的系統(tǒng)中以逆流情況下來(lái)設(shè)計(jì)。這使得在干燥運(yùn)行期間，氮和/或氧以干燥的形式回收，且能使所述產(chǎn)品損失最小。
在本發(fā)明的實(shí)施中，從低溫空氣分離系統(tǒng)來(lái)的廢氣在所述低溫系統(tǒng)逆流地用作薄膜干燥器系統(tǒng)和吸附系統(tǒng)的沖洗氣體。本發(fā)明由于干燥運(yùn)行的要求，可得到一個(gè)干燥，高純氦和/或氧制品流，而所要求的制品損失最少。本發(fā)明的所有過(guò)程和系統(tǒng)參照附圖加以圖解。涉及到用于在本發(fā)明的實(shí)踐中所有低溫系統(tǒng)進(jìn)一步說(shuō)明，并且為達(dá)到干燥供入空氣的組合薄膜系統(tǒng)被提供在下面。
在圖1中，原料空氣通過(guò)管道1到空氣壓縮機(jī)2，從這里濕的壓縮空氣通過(guò)管道3到薄膜材料干燥器系統(tǒng)4中。在所述薄膜系統(tǒng)4中，水選擇性滲透和穿過(guò)薄膜材料通過(guò)管道5作為廢氣而從系統(tǒng)中被排出。原料空氣從薄膜干燥器系統(tǒng)4中以干燥形式作為不滲透或者殘留氣體回收，通過(guò)管道6通到吸附系統(tǒng)7中，系統(tǒng)7在所述的供入空氣通到低溫空氣分離系統(tǒng)之前被用于從干燥原料空氣中清除雜質(zhì)。吸附系統(tǒng)7，正如所示的，包括兩個(gè)吸附材料床，即床8和9，一個(gè)床一般用于吸附目的，而另一個(gè)床用作再生。干燥、純凈的原料氣體通過(guò)所述吸附器7從管道10到低溫分離系統(tǒng)11，在這里，所要的干燥、高純的成品氣通過(guò)管道12而得到回收。一個(gè)干燥廢氣流從所述低溫系統(tǒng)通過(guò)管道13排出。干燥廢氣流的一部分，如氧或氮通過(guò)管道14經(jīng)過(guò)吸附系統(tǒng)7，即通過(guò)床8和9，作為床用干燥吸附清潔氣而再生該床。一個(gè)吸附劑廢氣流通過(guò)管道15從吸附系統(tǒng)7排出，所述廢氣流包含吸附劑沖洗氣體和它在再生期間從吸附劑床吸附的雜質(zhì)。從低溫空氣分離系統(tǒng)11來(lái)的剩下的干燥廢氣部分，通過(guò)管道16低壓下，被導(dǎo)入到薄膜干燥系統(tǒng)4用作所述薄膜系統(tǒng)滲透?jìng)?cè)的干燥沖洗氣體，所述干燥沖洗氣體被用于促進(jìn)清除薄膜表面滲透廢氣，并且同所述滲透氣體一起，通過(guò)管5被排出。
本發(fā)明的實(shí)施例示于圖1，用于降低對(duì)傳統(tǒng)的預(yù)純低溫空氣分離工廠壓縮空氣流中的水和二氧化碳進(jìn)行清除的冷凝器/吸附劑床結(jié)合體的一部分冷凝器的要求。冷凝器的這種降低要求是所希望的。如上面所指出的，因?yàn)樗谕顿Y和動(dòng)力兩者都是昂貴的。并且公知的是要求昂貴的維修。相反，用在本發(fā)明中的薄膜干燥系統(tǒng)，眾所周知在性質(zhì)上非常簡(jiǎn)單和便宜，并且不需要昂貴的維修費(fèi)。而本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例，薄膜系統(tǒng)同吸附-低溫空氣分離系統(tǒng)組合，大大于優(yōu)傳統(tǒng)預(yù)純凈低溫空氣分離系統(tǒng)，這個(gè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展同樣是所希望的。本發(fā)明圖1實(shí)施例的一個(gè)限制是滲透沖洗氣體要求用于薄膜干燥系統(tǒng)，其中一般大約10-20%的原料空氣用到所述薄膜干燥器系統(tǒng)中，需要附加10-15%用于沖洗預(yù)純潔器吸附系統(tǒng)。相應(yīng)地，系統(tǒng)的整個(gè)沖洗要求相對(duì)較大，大約20-35%時(shí)，不可避免大量的廢氣產(chǎn)生，在低溫空氣分離系統(tǒng)中氮和氧的高回收率很難達(dá)到。
在圖2所示的實(shí)施例中，論述減少系統(tǒng)需要的整個(gè)沖洗要求。在這個(gè)實(shí)施例中，在管道20中空氣被壓縮進(jìn)空氣壓縮機(jī)21，隨著壓縮空氣被通過(guò)管22到聚結(jié)劑單元23，從這里水通過(guò)管道24被除去。這樣處理的壓縮的空氣流通過(guò)管道25到第一級(jí)薄膜干燥器26，兩級(jí)薄膜干燥器系統(tǒng)的第一部分，仍然存在于原料空氣中的大部分水，在第一級(jí)干燥器中通過(guò)干燥沖洗氣流在滲透?jìng)?cè)逆流被除去，如下文表示的那樣。部分干燥的壓縮原料空氣如非滲透氣體一樣，從第一階段薄膜干燥器26通過(guò)管道27到第二階段薄膜干燥器28，在那里殘留的水份被清除，以便干燥原料空氣在那里作為非滲透氣流被通入管道29到預(yù)凈化器吸收系統(tǒng)30，在通入低溫空氣分離系統(tǒng)前，進(jìn)行凈化。吸附系統(tǒng)30如所示那樣包含兩個(gè)吸附床，就是床31和床32，應(yīng)當(dāng)這樣理解，一個(gè)這樣的床將一般用于干燥供入氣體的凈化作用，而另一個(gè)床用作再生。離開(kāi)吸附系統(tǒng)30的干燥、純凈的原料空氣通過(guò)管道33到低溫空分系統(tǒng)34，從那里所希望的干燥、高純氮或氧制品通過(guò)管道35被回收。低溫系統(tǒng)34干燥廢氣通過(guò)管道36排出，在熱交換器37中加熱，通過(guò)管道38送到預(yù)凈化器吸收系統(tǒng)30，作為沖洗氣體用于無(wú)論那一個(gè)床的再生，也就是床31或床32在任何給定時(shí)間正進(jìn)行的再生。既然實(shí)際上所有存在于原料空氣中所有的水在薄膜干燥器系統(tǒng)中被清除，離開(kāi)預(yù)凈化器吸收系統(tǒng)30的用過(guò)的沖洗氣體將相對(duì)較干燥，盡管它包含別的雜質(zhì)，例如二氧化碳和碳?xì)浠衔?。該用過(guò)的沖洗氣體由管道39到通入第一階段薄膜干燥器26中用于薄膜滲透?jìng)?cè)的沖洗氣體。所述沖洗氣體，與穿過(guò)所述薄膜干燥器26滲透的水蒸汽一起通過(guò)管道40作為廢物排放。這種薄膜干燥器26再循環(huán)沖洗氣體的流過(guò)有利于攜帶所述滲透水離開(kāi)所述滲透?jìng)?cè)薄膜表面，以便在薄膜干燥器26中保持一個(gè)穿過(guò)薄膜干燥器26的高驅(qū)動(dòng)力去維持希望的通到所述薄膜干燥器26中供入空氣流的水分清除。
在圖2的實(shí)施例中，為了使原料空氣的干燥達(dá)到高于在第一階段薄膜干燥器26所達(dá)到的水平，使用第二階段薄膜干燥28。為了在這個(gè)干燥器中進(jìn)行沖洗，來(lái)自低溫過(guò)程的任何可利用的干燥、低壓氣流，例如從低溫系統(tǒng)34來(lái)的廢氣，高純氮和氧制品氣體，膨脹的供入空氣或類似物，或從預(yù)凈化器吸附系統(tǒng)30來(lái)的廢氣，均能用作干燥沖洗氣體，在圖2中所示出，低溫系統(tǒng)34的一部分廢氣通過(guò)管道41到第二階段薄膜干燥器28在那里作為沖洗氣體。這樣的沖洗氣體更方便的帶走來(lái)自薄膜滲透?jìng)?cè)薄膜的表面滲透水，而維持一個(gè)穿過(guò)薄膜28的高驅(qū)動(dòng)力保持通到所述薄膜28供入空氣流的所需的附加的干燥。沖洗氣體，和附加的滲透水一起，通過(guò)管道42從薄膜干燥器中而排出。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將贊賞這種可依據(jù)在任何特殊干燥高純氮和/或氧產(chǎn)品運(yùn)行中的供入空氣干燥度的要求，對(duì)第二階段薄膜干燥器28的隨意的使用。當(dāng)它被使用時(shí)，如圖2實(shí)施例，因?yàn)閺脑峡諝庠诘谝浑A段薄膜干燥劑系統(tǒng)中已清除掉大部分水。第二階段薄膜干燥器28一般較小并要求比第一附段薄膜干燥器26更少的沖洗氣體。
在圖2實(shí)施例中將能看到其優(yōu)點(diǎn)，與圖1的實(shí)施例比較，它能使過(guò)程的整個(gè)沖洗要求降低，這樣，如果整個(gè)薄膜干燥器沖洗要求量是20%，而預(yù)凈化器吸附系統(tǒng)30沖洗要求量是15%。那么，在這個(gè)實(shí)施例中，用于預(yù)凈化作用要求的沖洗氣體量低于5%，事實(shí)上薄膜干燥器中所有的水份的清除也同樣大大地減少了預(yù)凈化器吸附系統(tǒng)包含有水份。這隨后，也大大地減少預(yù)凈化器再生的熱能要求，使能壓縮機(jī)廢熱用于預(yù)凈化器再生也許成為可能。
由于水在預(yù)凈化器中是一種很強(qiáng)的吸附物，從預(yù)凈化器中原料氣體除掉大部分水份能夠提高吸附劑對(duì)應(yīng)于其它要求去除的物質(zhì)吸附特性，例如二氧化碳，碳?xì)浠衔锖皖愃莆?。從而看到這將能導(dǎo)致所要求的對(duì)預(yù)凈化器運(yùn)行的改善。應(yīng)當(dāng)注意到適合于去掉水的薄膜干燥器一般同樣對(duì)應(yīng)于選擇用于去除二氧化碳。例如二氧化碳的去除同樣減少下游吸附單元的負(fù)荷。
同樣應(yīng)該注意到，實(shí)際上在預(yù)凈化器中水的吸附是放熱的，并且產(chǎn)生大量的熱。這就引起了離開(kāi)預(yù)凈化器空氣溫度的上升，其中，其次增加了低溫系統(tǒng)的冷凍負(fù)荷。在預(yù)吸附系統(tǒng)中吸附期間，由于使用薄膜干燥器系統(tǒng)去除水分預(yù)凈化器中將大大減少產(chǎn)生的熱，這樣有利于下游低溫過(guò)程。
因此，在本發(fā)明中，將能看到薄膜干燥器系統(tǒng)能夠有效地和預(yù)凈化器組合的吸收-低溫空氣分離器系統(tǒng)，它用一個(gè)大大優(yōu)于常規(guī)使用在現(xiàn)有技術(shù)中的傳統(tǒng)方法的先進(jìn)方式，在所述吸附-低溫系統(tǒng)中干燥原料空氣。通過(guò)薄膜滲透?jìng)?cè)沖洗氣體的使用來(lái)提高該薄膜干燥器系統(tǒng)運(yùn)行。用來(lái)自吸附-低溫系統(tǒng)的干燥廢氣，或者一部分、來(lái)自低溫空氣分離系統(tǒng)的干燥的高純氮制品流被送到薄膜干燥器系統(tǒng)中，用作所述要求的沖洗氣體。
從壓縮的原料空氣，氮流或類似物中有選擇地去掉水份的某些薄膜是已知的。不幸的是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如美國(guó)專利No.4783201已經(jīng)公開(kāi)的，當(dāng)用正交流動(dòng)滲透的方法運(yùn)行時(shí)，這樣的薄膜面積減少。例如，在150磅/英寸2的運(yùn)行壓強(qiáng)下，為達(dá)到一個(gè)在相對(duì)適當(dāng)壓力的-40°F露點(diǎn)，滲透氣與供入氣體流之比，大約為30%。顯然，這種正交流動(dòng)薄膜單元的產(chǎn)品氣體的回收非常低，并且整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力和干燥器面積要求異常高。然而，為了在本發(fā)明中體現(xiàn)組合系統(tǒng)的效益，薄膜干燥器系統(tǒng)最好以逆流方式運(yùn)行。利用干燥的沖洗氣體逆流送到薄膜的滲透?jìng)?cè)方便地從所述滲透?jìng)?cè)帶走水份并為去掉的水份而維持一個(gè)穿過(guò)薄膜的高驅(qū)動(dòng)力。這個(gè)過(guò)程的特點(diǎn)用于減少所要求的薄膜面積和必須達(dá)到一個(gè)給定產(chǎn)品露點(diǎn)，也就是干燥的水平下，產(chǎn)品滲透損失。在本發(fā)明的最好實(shí)施例中，希望保持產(chǎn)品由于來(lái)自原料空氣所述氮和氧的聯(lián)合滲透損失少于總產(chǎn)品流的1%，最好少于0.5%。
應(yīng)當(dāng)這樣理解，用于干燥器薄膜系統(tǒng)的薄膜應(yīng)是一個(gè)對(duì)于水比氮和氧具有更高的選擇性。就是說(shuō)，水份滲透必須比空氣更多更快。水/空氣分離系數(shù)至少必須是50，為了有利于從原料空氣中去除水份，最好大于1000。如上面所指出的。這樣的干燥器薄膜系統(tǒng)將同樣也具有一個(gè)范圍大約10到200的二氧化碳/空氣分離系數(shù)。此外，薄膜結(jié)構(gòu)對(duì)于氮和氧必須具有相對(duì)低的可滲透率。醋酸纖維素是滿足這種標(biāo)準(zhǔn)的一種較好的薄膜分離物質(zhì)。應(yīng)當(dāng)認(rèn)為別的其它物質(zhì)也能使用。例如乙基纖維素，硅橡膠，聚氨酯，聚酰胺，聚苯乙烯和其它類似物。如在此處公開(kāi)的和權(quán)利要求書(shū)所要求的，與一個(gè)壓力變動(dòng)吸附系統(tǒng)和低溫空氣分離系統(tǒng)組合一起。具有理想的薄膜結(jié)構(gòu)的薄膜物質(zhì)的薄膜干燥器系統(tǒng)。最好是如上所述的以逆流方式運(yùn)行。用于一個(gè)空心纖維薄膜結(jié)構(gòu)或者其它適當(dāng)?shù)谋∧そY(jié)構(gòu)。例如已普通用于商業(yè)實(shí)際中的螺旋纏繞薄膜，提供正交流動(dòng)型方式流的束狀設(shè)計(jì)。在正交流動(dòng)運(yùn)行中，薄膜的滲透?jìng)?cè)的滲透氣體的流動(dòng)方向與薄膜的供入側(cè)的原料氣體流成直角。例如，在應(yīng)用空心纖維束并使供入氣體的通道位于空心纖維薄膜外側(cè)中，纖維孔中的滲透流動(dòng)方向通常與通過(guò)空心纖維的外表面的供入流成直角。同樣地，原料氣體通過(guò)空心纖維孔的由里向外的通道中，滲透氣體通常從空心纖維表面通常與空心纖維孔內(nèi)的原料流的方向成直角的方向通過(guò)并隨后，在外殼內(nèi)，在滲透氣體排泄裝置的方向通過(guò)，如同歐洲專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)No0226431，1987，6，24所公開(kāi)的那樣。逆流流態(tài)可通過(guò)將空心纖維束靠近所述束沿著縱向的整個(gè)外層表面，除了靠近所述束的一端的周?chē)糠植话?，包上不能滲透的障礙物而產(chǎn)生。這使得供入氣體或者滲透氣體，按照要求的方式運(yùn)行，即由里向外或由外向內(nèi)以逆流方式在空心纖維外側(cè)平行于滲透氣體或空心纖維孔中的原料氣體的流動(dòng)方向通過(guò)。空心纖維束外部的原料氣體，例如，產(chǎn)生與纖維束中心軸的平行流動(dòng)，而不是垂直流動(dòng)。應(yīng)當(dāng)知道，薄膜纖維可以平行于束中心軸的直線安置，或者用其它辦法，環(huán)繞中心軸以螺旋構(gòu)造纏繞成。不管怎樣，不可滲透障礙物材料可以用不滲透膜來(lái)覆蓋，例如，聚偏乙烯或類似物?？梢蕴娲模豢蓾B透性障礙物可以是一種不可滲透性覆蓋物，例如由無(wú)害溶劑中生成聚硅氧烷，或者裝在薄膜束外面的一種收縮外殼并收縮到所述的束狀。不可滲透性障礙物因此包住了空心纖維或者別的薄膜束，如在所述公開(kāi)物公開(kāi)的，在那里有個(gè)開(kāi)口，允許氣體進(jìn)入或者離開(kāi)，以便使液體真正沿著大體上平行于纖維束軸的方向流動(dòng)，為了達(dá)到這個(gè)發(fā)明目的，原料空氣流和正如上述所指出的那樣，由提供的沖洗氣同通過(guò)薄膜干燥器系統(tǒng)中薄膜物質(zhì)滲透出的水份一起組成的滲透氣體的流動(dòng)形態(tài)應(yīng)是一種逆流流動(dòng)。
應(yīng)當(dāng)注意到，薄膜干燥運(yùn)行在本技術(shù)中一般是使用一個(gè)厚纖維薄膜來(lái)完成的。這個(gè)厚纖維的薄膜厚度也是壁的厚度，和一個(gè)不對(duì)稱的薄膜的表面部分，或者一個(gè)復(fù)合薄膜的分離層比，它是非常大的。對(duì)于這一厚纖維，必須有一個(gè)大的壁厚以達(dá)到一個(gè)顯著的承壓能力。這樣，厚纖維具有一個(gè)非常低的滲透率并為了氮制品的充分干燥，要求使用一個(gè)非常大的表面積。相反，不對(duì)稱或復(fù)合薄膜具有非常薄的薄膜分離層，對(duì)于發(fā)明目的來(lái)說(shuō)，優(yōu)于厚薄膜，對(duì)具有相對(duì)多的實(shí)質(zhì)的滲透部分薄膜的最薄部分提供機(jī)械強(qiáng)度和支撐決定薄膜分離特性。因此，需要很少的表面積，用不對(duì)稱的或復(fù)合薄膜比厚的均勻的薄膜要好。因?yàn)橥ㄟ^(guò)使用不對(duì)稱或復(fù)合薄膜而不用厚薄膜能得到固有的優(yōu)良的滲透性，當(dāng)涉及到補(bǔ)充空氣的干燥時(shí)，在本發(fā)明的最好實(shí)施例中，進(jìn)一步提高不對(duì)稱和復(fù)合薄膜所要求的運(yùn)行性能，以便使這種薄膜在正交流動(dòng)運(yùn)行中產(chǎn)生的有價(jià)值供入空氣的聯(lián)合滲透損失明顯減少。
應(yīng)當(dāng)理解到，用于本發(fā)明的目的低溫空氣分離系統(tǒng)可以是任何通過(guò)空氣的低溫凈化能產(chǎn)生合乎需要量的高純氮和/或氧的任何傳統(tǒng)的、商業(yè)的可用的系統(tǒng)。低溫空氣分離系統(tǒng)的細(xì)節(jié)不是本發(fā)明的本質(zhì)部分，本發(fā)明涉及到低溫系統(tǒng)同一個(gè)薄膜干燥器系統(tǒng)和一個(gè)普通預(yù)凈化器吸附系統(tǒng)的組合。這樣的低溫空氣分離技術(shù)的代表例子被公開(kāi)在美國(guó)Cheung專利4448545，Pahade等美國(guó)專利4453957和Cheung美國(guó)專利4594085。同樣，在本發(fā)明的實(shí)踐中應(yīng)用的預(yù)凈化器吸附系統(tǒng)包括在本技術(shù)中任何已知的希望的吸附系統(tǒng)并能在干燥原料空氣流通到低溫空氣分離系統(tǒng)之前能從中分離出不希望有的雜質(zhì)。使用的預(yù)凈化器吸附系統(tǒng)可以是任何能方便地從干燥的供入空氣流中去掉二氧化碳和/或其它雜質(zhì)，包括殘留水，的商業(yè)上可利用系統(tǒng)。吸附系統(tǒng)一般是操作的壓力變動(dòng)的吸附系統(tǒng)，以便在升壓條件下從原料空氣中選擇地吸收所述雜質(zhì)和在較低壓力下解附所述雜質(zhì)，例如，接近環(huán)境壓力，用于從系統(tǒng)中去掉雜質(zhì)。典型的這樣的壓力系統(tǒng)使用一對(duì)吸收床，一個(gè)床用于吸收目的而另一個(gè)床是用于再生的。在所述床中應(yīng)用的典型的吸收材料包括氧化鋁、沸石分子篩或硅膠。另一方面，這種系統(tǒng)可以熱波動(dòng)吸附循環(huán)運(yùn)行，在這里所要求的吸附在低溫下進(jìn)行，解附是在高溫下完成的。
為完成本發(fā)明的目的，沖洗比率，也就是回流沖洗氣體/非滲透?jìng)?cè)供入空氣流之比，至少為10%，但是最好大約為20%或更高，以保持希望要求的面積，產(chǎn)品損失和反擴(kuò)散到最小程度。沖洗比率在原料空氣壓力相對(duì)低時(shí)，比壓力較高時(shí)要求更大。
在本發(fā)明實(shí)踐的圖解例子中，低溫空氣分離系統(tǒng)適用于生產(chǎn)50噸干燥、高純氮。由于基本在傳統(tǒng)預(yù)凈化的低溫系統(tǒng)中的空氣的氮回收一般大約為52%，大約原料空氣流的48%作為低壓廢物，低溫系統(tǒng)在供入空氣壓力為91磅/英寸2，空氣溫度115°F下，廢氣壓力為18磅/英寸2時(shí)，能夠方便地運(yùn)行。在一個(gè)傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，能便利地使一個(gè)后冷卻器露點(diǎn)溫度為115°F，冷凝器制品空氣露點(diǎn)溫度為40°F，和吸附劑制品空氣露點(diǎn)溫度為-100°F。用于這個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)傳統(tǒng)的機(jī)械冷凝器價(jià)值近30000美元并消耗大約10KW的電力。在這個(gè)冷凝器和水份分離器中空氣壓降大約2磅/英寸2。如圖1實(shí)施例中，在本發(fā)明的實(shí)踐中，冷凝器是希望用一個(gè)具有氧/氮分離因子5.9，水/空氣分離因子為1000或更大的一個(gè)薄膜干燥器系統(tǒng)來(lái)替代。薄膜干燥系統(tǒng)最好由繞或螺旋形狀的空心纖維薄膜組成，并用一個(gè)聚偏乙烯不滲透障礙物去包覆薄膜器產(chǎn)生一個(gè)逆流動(dòng)流態(tài)來(lái)操作。為了減少在干燥運(yùn)行期間由于滲透造成壓縮空氣量的損失，及效果的下降，也就是薄膜的滲透/供入流比率保持很低。然而，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，如上面指出的那樣，如果達(dá)到了所要求的干燥，由于要求去除水而產(chǎn)生一部分實(shí)際運(yùn)行效果下降是不可避免的。因此，為了加強(qiáng)干燥，由于氧和氮聯(lián)合滲透，干燥效果的下降減小，即不大于5%，最好小于原料空氣的0.5%。如上所述在特殊運(yùn)行條件下和薄膜特性使用的干燥回流沖洗比率大約為18-20%，薄膜干燥器系統(tǒng)被發(fā)現(xiàn)在資金和動(dòng)力花費(fèi)上大大減少并有其它利益，提供的所述干燥流量沖洗率至少能達(dá)到18%的水平。
薄膜干燥器系統(tǒng)的一個(gè)附加優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)入到吸附-低溫系統(tǒng)的空氣露點(diǎn)不限制為40°F。根據(jù)所使用的沖洗比率和薄膜特性，提供一個(gè)給定的薄膜面積能夠用于各種空氣量。除了使用增加的薄膜面積以外，能夠通過(guò)使用更多的沖洗氣體，或者帶有高的分離水特性的薄膜，減少干燥空氣的殘存水的濃度。而在預(yù)凈化器吸附系統(tǒng)中必須由吸附劑床減少必須去掉的蒸汽量以減少了任何殘存水的含量。因此，增加了所述系統(tǒng)的容量并減少?zèng)_洗氣體和它們的能量要求。最合理的薄膜干燥器露點(diǎn)將被認(rèn)為取決于在薄膜干燥系統(tǒng)及在預(yù)凈化器吸附系統(tǒng)中去掉水的相對(duì)投資。
應(yīng)當(dāng)這樣來(lái)認(rèn)識(shí)，在此敘述的，只要不脫離本發(fā)明的范圍，在過(guò)程和系統(tǒng)的細(xì)節(jié)上各種變化和修改定作為附加權(quán)利要求提出的。因此非對(duì)稱或復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)能使用在本發(fā)明的干燥器薄膜系統(tǒng)中。而厚薄膜通常用于產(chǎn)品干燥。因?yàn)樵谏衔囊呀?jīng)指出了它的局限性，這種厚薄膜并不是最好的，雖然它在本發(fā)明的實(shí)際中可以使用。
在本發(fā)明的實(shí)踐中使用的滲透薄膜通常使用組裝的薄膜束。典型地是位于在外殼內(nèi)形成薄膜塊而組成一個(gè)薄膜系統(tǒng)的主要單元。一個(gè)薄膜系統(tǒng)可以包括一個(gè)單模塊或者多個(gè)這種模塊，按照平行或者串連排列。這種薄膜模塊可用以方便的空心纖維形式，或以螺旋纏繞形式，編成平板，或者其它要求的薄膜構(gòu)形的薄膜束來(lái)制成。薄膜模塊制成有一個(gè)原料空氣側(cè)，和一個(gè)對(duì)側(cè)，滲透氣體出口側(cè)。對(duì)于空心纖維薄膜，供入側(cè)能夠既是用于由里向外流運(yùn)行的孔側(cè)。也可以是由于由外向內(nèi)流運(yùn)行空心纖維的外部。該裝置用于將原料空氣引入系統(tǒng)并將滲透和非滲透的氣體回收。
如上面所指出的，在本發(fā)明中應(yīng)用的沖洗氣體應(yīng)是一種干燥或相對(duì)干燥氣體，此處指的是來(lái)自氣源的。如在此處所用的，一種相對(duì)干燥沖洗氣體是一種具有水份分壓但不超過(guò)干燥的原料空氣流中的水份分壓。更可取的是，所述沖洗氣體水份壓分將少于在所述流中水份分壓的一半，不管上面已公開(kāi)的沖洗氣體源如何，通常都是這樣。
我們能夠看到，用于干燥供入空氣通到空氣吸附-低溫空氣分離系統(tǒng)用于干燥高純氮的生產(chǎn)之前，薄膜為它提供了一個(gè)高度理想的過(guò)程和系統(tǒng)。通過(guò)用適宜的薄膜系統(tǒng)完成干燥，可以避免用更昂貴的冷凝器去掉水份。通過(guò)薄膜干燥器系統(tǒng)與低溫空氣分離系統(tǒng)和預(yù)凈化器吸附系統(tǒng)結(jié)合的過(guò)程氣流，用相對(duì)干燥沖洗氣體能方便地完成薄膜干燥劑系統(tǒng)的滲透?jìng)?cè)低壓沖洗。通過(guò)使用一個(gè)束裝裝置，以便建立一個(gè)逆流流動(dòng)形態(tài)，最好的干燥運(yùn)行的實(shí)施例能夠在加強(qiáng)干燥原料空氣回收的情況下實(shí)現(xiàn)，避免在正交滲透運(yùn)行中出現(xiàn)壓縮空氣大量的聯(lián)合滲透。
權(quán)利要求
1.一種用于從空氣中生產(chǎn)干燥、高純度氮和/或氧的改進(jìn)系統(tǒng)，包括(a)一個(gè)能有選擇地將存于濕原料空氣中的水滲透出來(lái)的薄膜干燥系統(tǒng)；(b)一個(gè)能有選擇地將來(lái)自所述薄膜干燥系統(tǒng)的作為非滲透氣體引出的干燥的原料空氣中所含的二氧化碳、殘存水分和其它雜質(zhì)吸附的預(yù)凈化吸附系統(tǒng)；(c)一個(gè)用于低溫空氣凈化，并生產(chǎn)干燥、高純度氮和/或氧產(chǎn)品氣以及干燥廢氣的低溫空氣分離系統(tǒng)；(d)用于將相對(duì)干燥的沖洗氣體輸?shù)奖∧じ稍锵到y(tǒng)的低壓滲透?jìng)?cè)，以更方便地從薄膜表面帶走水蒸汽并維持將穿過(guò)薄膜的原料空氣中水蒸汽清除的驅(qū)動(dòng)力以提高該處水的分離的管路裝置，所述相對(duì)干燥沖洗氣體包括低溫空氣分離系統(tǒng)和/或預(yù)凈化吸附系統(tǒng)或環(huán)境空氣的廢氣或產(chǎn)品氣，從而在薄膜干燥器系統(tǒng)滲透?jìng)?cè)的沖洗氣流供應(yīng)有利于以最小的原料空氣損失清除水分。
2.如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其中所述薄膜干燥器系統(tǒng)包括適于使?jié)B透氣體通常逆流地平行于濕原料空氣流方向的薄膜束。
3.如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其中所述薄膜干燥器的干燥沖洗氣體包括有來(lái)自所述低溫空分系統(tǒng)的廢氣。
4.如權(quán)利要求3所述系統(tǒng)，還包括將一部分來(lái)自所述低溫空分系統(tǒng)的廢氣作為沖洗氣體輸?shù)剿鲱A(yù)凈化器吸附系統(tǒng)的導(dǎo)管裝置。
5.如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，還包括將所述低溫空分系統(tǒng)的廢氣作為沖洗氣體輸?shù)剿鲱A(yù)凈化器吸附系統(tǒng)的導(dǎo)管裝置，來(lái)自所述預(yù)凈化器吸附系統(tǒng)的廢氣組成薄膜干燥器系統(tǒng)的沖洗氣體。
6.如權(quán)利要求5所述裝置，其中所述薄膜干燥器系統(tǒng)包括一個(gè)兩級(jí)薄膜系統(tǒng)，所述預(yù)凈化器吸附系統(tǒng)的廢氣被輸?shù)剿霰∧は到y(tǒng)作為第一級(jí)的沖洗氣體。
7.如權(quán)利要求6所述系統(tǒng)，還包括將來(lái)自所述低溫空分系統(tǒng)的廢氣或成品氣及膨脹空氣作為沖洗氣體輸?shù)剿霰∧は到y(tǒng)的第二級(jí)的導(dǎo)管裝置。
8.如權(quán)利要求5所述系統(tǒng)，其中所述薄膜干燥器系統(tǒng)包括適于使?jié)B透氣體逆流地平行于濕原料空氣流方向流動(dòng)的薄膜束。
9.一個(gè)用于從空氣中生產(chǎn)干燥、高純度氮和/或氧的改進(jìn)方法，包括(a)將濕原料空氣輸?shù)揭粋€(gè)能有選擇性地滲透水的薄膜干燥器系統(tǒng)中;(b)將來(lái)自所述薄膜干燥器系統(tǒng)的作為非滲透氣體引出的已干燥過(guò)的原料空氣輸?shù)揭粋€(gè)能有選擇地吸收干燥原料空氣中所含二氧化碳、殘存水分和其它雜質(zhì)的預(yù)凈化器吸附系統(tǒng)。(C)將所述預(yù)凈化吸附系統(tǒng)的干燥，預(yù)凈化原料空氣輸?shù)揭粋€(gè)用于低溫空氣凈化，并生產(chǎn)干燥、高純度氮制品氣，以及干燥的含氧廢氣的低溫空分系統(tǒng);(d)回收所述低溫空分系統(tǒng)的干燥、高純度氧產(chǎn)品氣;(e)將相對(duì)干燥的沖洗氣體輸?shù)奖∧じ稍锲飨到y(tǒng)的低壓滲透?jìng)?cè)，以方便地從薄膜表面帶走水蒸汽并維持穿過(guò)薄膜的原料空氣流水分的清除的驅(qū)動(dòng)力以提高該處水分分離，所述相對(duì)干燥沖洗氣體包括來(lái)自低溫空分系統(tǒng)和/或預(yù)凈化器吸附系統(tǒng)或環(huán)境的廢氣或產(chǎn)品氣，在薄膜干燥器系統(tǒng)的滲透?jìng)?cè)提供沖洗氣體可以以最小的原料空氣損失提高水分的清除。
10.如權(quán)利要求9所述方法，其中所述薄膜干燥器系統(tǒng)包括適于使?jié)B透氣流逆流地沿與濕原料空氣流平行方向流過(guò)的薄膜束。
11.如權(quán)利要求9所述方法，其中薄膜干燥器系統(tǒng)的干燥沖洗氣包含來(lái)自低溫空分系統(tǒng)的廢氣。
12.如權(quán)利要求11所述方法，還包括將低溫空分系統(tǒng)的一部分廢氣作為沖洗氣輸?shù)剿鲱A(yù)凈化器吸附系統(tǒng)。
13.如權(quán)利要求9所述方法，還包括將低溫空分系統(tǒng)的廢氣作為沖洗氣輸?shù)剿鲱A(yù)凈化器吸附系統(tǒng)，來(lái)自所述預(yù)凈化器吸附系統(tǒng)的廢氣組成薄膜干燥器系統(tǒng)的沖洗氣體。
14.如權(quán)利要求13所述方法，其中所述薄膜干燥器系統(tǒng)包括一個(gè)兩級(jí)薄膜系統(tǒng)，其中將預(yù)凈化器吸附系統(tǒng)的廢氣作為沖洗氣體輸?shù)剿霰∧は到y(tǒng)的第一級(jí)。
15.如權(quán)利要求14所述方法，還包括將來(lái)自低溫空分系統(tǒng)的廢氣或成品氣以膨脹空氣作為沖洗氣體輸?shù)剿霰∧は到y(tǒng)的第二級(jí)。
16.如權(quán)利要求15所述方法，其中來(lái)自低溫空分系統(tǒng)的廢氣作為沖洗氣體輸送到所述薄膜系統(tǒng)的第二級(jí)。
17.如權(quán)利要求13所述方法，其中所述薄膜干燥器系統(tǒng)包含有適于使?jié)B透氣流逆流地平行于濕原料空氣流方向通過(guò)的薄膜束。
全文摘要
空氣被輸?shù)揭粋€(gè)用于生產(chǎn)干燥，高純度氮和/或氧的預(yù)凈化器系統(tǒng)/空氣分離系統(tǒng)的聯(lián)合系統(tǒng)中，在薄膜干燥器中干燥，其最佳特征在于是逆流通道的。通過(guò)在薄膜干燥器的滲透?jìng)?cè)使用了沖洗氣體，加強(qiáng)了干燥，沖洗氣體可以是吸附系統(tǒng)或低溫空氣分離系統(tǒng)的產(chǎn)品氣或廢氣、干燥的原料空氣或環(huán)境空氣。
文檔編號(hào)C01B13/02GK1048683SQ9010439
公開(kāi)日1991年1月23日 申請(qǐng)日期1990年5月11日 優(yōu)先權(quán)日1989年5月12日
發(fā)明者拉維·普拉薩德, 奧斯卡·維廉·哈斯, 叢海理 申請(qǐng)人:聯(lián)合碳化工業(yè)氣體技術(shù)公司