專利名稱：多級(jí)串聯(lián)吹掃的氣體膜分離法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制備高純氣體的滲透膜系統(tǒng)。
目前采用膜分離法進(jìn)行各種各樣的氣體分離，一般來(lái)說(shuō)，在這些分離方法中，引入一股進(jìn)料，使其與膜表面接觸，其中易滲透的組分(如空氣分離情況下的氧氣)在低壓側(cè)回收，而不易滲透的組分(如空氣進(jìn)料中的氮?dú)?作為非滲透物流在接近進(jìn)料的壓力下予以收集。
目前制造的膜系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)易得，這類膜系統(tǒng)能使進(jìn)料組分之一在低純度范圍內(nèi)富集，提供一種富集的非滲透物流。然而，在市場(chǎng)上卻需要高純度的氣體。
除此之外，在許多情況下，由于制造困難，膜顯示出小小的缺點(diǎn)，如微漏或流量偏離理想狀態(tài)，從而膜組件不象沒(méi)有這類缺點(diǎn)時(shí)的好。而且，當(dāng)制備的氣體純度增加時(shí)，與理想性能的偏差變得更大，從而難以以較低的成本制備高純度的氣體。
滿足市場(chǎng)需求的傳統(tǒng)制備高純氣的系統(tǒng)為壓力旋轉(zhuǎn)吸收裝置(PSA)或制冷裝置或既采用膜又采用PSA的混合裝置，或與反應(yīng)器相聯(lián)的膜或PSA，例如，殘留在氮?dú)鉂B透(或非滲透)物中的氧氣與氫氣反應(yīng)生成水，該水必須除去。然而，這類混合系統(tǒng)太復(fù)雜和昂貴，不如膜系統(tǒng)簡(jiǎn)單。
為了改進(jìn)膜系統(tǒng)，建議采用兩組膜組件。
例如，建議采用簡(jiǎn)單串聯(lián)的方法，第一級(jí)非滲透物流作為第二級(jí)滲透器的進(jìn)料物流，這類系統(tǒng)以

圖1表示，在美國(guó)專利4，894，068中公開(kāi)了這類系統(tǒng)。
也建議采用循環(huán)串聯(lián)法，其中第二級(jí)滲透物流在壓縮步驟前與第一級(jí)進(jìn)料物流混合，這類系統(tǒng)以圖2表示，在美國(guó)專利4，180，388;4，180，552;和4，119，417中公開(kāi)了這類系統(tǒng)。
另一方面，在文獻(xiàn)中公開(kāi)了用于回收滲透物流的其它多級(jí)法，如連續(xù)塔法、提餾法(stripperprocess)和并聯(lián)法。
圖1的簡(jiǎn)單串聯(lián)法未利用第二級(jí)的滲透物流，與進(jìn)料空氣或與第一級(jí)滲透物流相比，這種氣體富集了不易滲透的氣體。簡(jiǎn)單串聯(lián)法當(dāng)用于制備高純氮?dú)鈺r(shí)(如美國(guó)專利4，894，068)，因其高的能耗，從經(jīng)濟(jì)的角度僅限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模少量生產(chǎn)。
循環(huán)串聯(lián)法通過(guò)在壓縮前使?jié)B透物流與進(jìn)料物流混合，以高的能耗來(lái)利用滲透物流，并增加了復(fù)雜性。
因此，對(duì)制備高純度的非滲透物流的膜法仍存在一種需求，該法能減少所需投資和能耗，具體地說(shuō)，對(duì)大規(guī)模制備高純度的非滲透物流的膜法仍存在著一種需求。
因此，本發(fā)明的一種目的為提供一種制備高純度氣體的膜法。
本發(fā)明的另一目的為提供一種制備高純度氣體的膜法，該法要求降低投資和操作能耗。
本發(fā)明再一具體目的為提供一種制備高純氮?dú)?如99%或更純)的膜法，優(yōu)選的是，它作為非滲透氣體從串聯(lián)膜系統(tǒng)的最后一級(jí)予以回收。
因此，通過(guò)采用兩個(gè)或多個(gè)膜件的組合來(lái)制備氣體、特別是高純度的氣體的方法可達(dá)到上述目的和其它目的，根據(jù)下述專利公開(kāi)這些目的會(huì)變得顯而易見(jiàn)，該方法包括a)收集第N級(jí)非滲透物流并作為第N+1級(jí)的進(jìn)料物流;
b)收集第N+1級(jí)滲透物流并使其進(jìn)入第N級(jí)滲透物流，并且c)收集第一級(jí)滲透物流和最后一級(jí)的非滲透物流。
圖1表示傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單串聯(lián)法，其中第一級(jí)非滲透物流為第二級(jí)滲透器的進(jìn)料;
圖2表示傳統(tǒng)的循環(huán)串聯(lián)法，其中第二級(jí)的滲透物流與第一級(jí)的進(jìn)料在壓縮步驟之前混合;
圖3表示本發(fā)明的膜系統(tǒng)，其中滲透物流以吹掃逆流方式進(jìn)入第一級(jí)膜組件的一個(gè)滲透物中，以便利用富集氣體而不浪費(fèi)能量來(lái)再壓縮富集氣體。
圖4表示在典型的中空纖維管束中的流型。
圖5以圖形方式表示傳統(tǒng)系統(tǒng)作為氮?dú)饧兌鹊暮瘮?shù)的膜性能和回收率。
圖6以圖形方式表示本發(fā)明的膜系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)在作為氮?dú)饧兌群瘮?shù)的膜性能或回收率方面的對(duì)比。
圖7表示根據(jù)本發(fā)明，采用低性能的管束作為第一級(jí)，以及高性能的管束作為第二級(jí)。
圖8表示根據(jù)本發(fā)明采用差別級(jí)溫。
圖9表示根據(jù)本發(fā)明在第二級(jí)與第一級(jí)之間滲透?jìng)?cè)采用壓縮機(jī)。
本發(fā)明提供了一種多級(jí)膜系統(tǒng)，其中滲透?jìng)?cè)物流以吹掃逆流方式進(jìn)入第一級(jí)膜組件的滲透?jìng)?cè)，以便利用富集的氣體，從而避免浪費(fèi)能量來(lái)壓縮富集氣體，本發(fā)明在制備高純度的非滲透物流時(shí)十分有利，因?yàn)榭赏瑫r(shí)降低投資和能耗，本發(fā)明特別適于大規(guī)模地制備高純氮?dú)狻?br> 膜系統(tǒng)能選擇性地從含易滲透和不易滲透的氣體中分離更易滲透的組份。產(chǎn)生這一結(jié)果的膜可為技術(shù)人員熟知的任何類型的化學(xué)組成，如聚酰亞胺、聚酰胺、聚碳酸酯、聚硅氧烷、聚烯烴、聚砜和纖維素醋酸酯，或無(wú)機(jī)膜，如陶瓷、玻璃或碳，這些膜通常采用對(duì)稱的或非對(duì)稱的或混合的中空纖維或?yàn)槁菪隣畹墓苁?spiralwoundbundles)的形式排列。
而且，已開(kāi)發(fā)出了不同類型的管束和組件構(gòu)造，這里滲透的和非滲透的物流可以是并流、逆流或錯(cuò)流或其組合。然而，無(wú)論采用怎樣的固有膜性質(zhì)，全逆流流型是理論上最優(yōu)流型，而膜性能通常受與這種流型任何偏差的影響，當(dāng)生產(chǎn)高純氣體產(chǎn)物時(shí)，這種偏差反而對(duì)膜性能有更大的影響。
然而，事實(shí)上極難在膜的滲透?jìng)?cè)和非滲透?jìng)?cè)產(chǎn)生這種理想的類型。在中空纖維管的情況下，纖維外的流型常常與理想狀態(tài)有較大差距，特別是當(dāng)?shù)蛪簼B透?jìng)?cè)為纖維外時(shí)。
因此，在管束的產(chǎn)品末端(這里滲透物流最少)很可能發(fā)生軸向混合，這意味著在這一領(lǐng)域觀察不到理想的逆流流型，這一現(xiàn)象在A.G.Narinsky的文章中進(jìn)行了詳盡的描述，該文章為“采用非對(duì)稱膜進(jìn)行氣體分離時(shí)的理想流模型的應(yīng)用條件”，《膜科學(xué)雜志》，1991年，第55卷，333-347頁(yè)。
無(wú)論采用什么樣的流型，膜組件的高純性能常常受到當(dāng)今制造技術(shù)能力的限制，將成千上萬(wàn)只中空纖維管組裝在一起而不會(huì)有任何滲漏或破裂是很困難的?？陀^上講，膜組件的性能(如回收率)可用圖5來(lái)圖示描述。
一般來(lái)說(shuō)，本發(fā)明要求組合使用幾個(gè)膜組件，包括串聯(lián)系統(tǒng)本身的并聯(lián)組合，以便利用在逆流流型中由每一組件產(chǎn)生的所有物流，來(lái)增強(qiáng)其它組件的性能，同時(shí)亦限制了任一管束的任何缺陷的影響，根據(jù)本發(fā)明，組件的大小和化學(xué)組成可以相同或不同。
一般來(lái)說(shuō)，推薦的方法為采用兩個(gè)或多個(gè)膜組件的多級(jí)法，其中第N級(jí)的非滲透物流收集起來(lái)作為第N+1級(jí)的進(jìn)料，第N+1級(jí)滲透的物流收集起來(lái)，進(jìn)入第N級(jí)的滲透物流中，優(yōu)選的是以逆流吹掃的方式，并收集第一級(jí)滲透產(chǎn)物和最后一級(jí)的非滲透產(chǎn)物。
即，本發(fā)明是通過(guò)組合使用兩個(gè)或多個(gè)膜組件來(lái)實(shí)施的(1)收集第N級(jí)的非滲透物流，并將這一收集的物流作為第N+1級(jí)(即隨后的一級(jí))的進(jìn)料;(2)收集第N+1級(jí)的滲透物流，并使其進(jìn)入第N級(jí)(即前一級(jí))滲透物流中，優(yōu)選的是以逆流吹掃的方式;和(3)收集第一級(jí)的滲透產(chǎn)物和最后一級(jí)的非滲透產(chǎn)物。
根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方案，第N級(jí)的非滲透物流可用作第N+1級(jí)和/或N+2級(jí)等的進(jìn)料，值得注意的是，在實(shí)際操作中，在第N級(jí)、第N+1級(jí)和第N+2級(jí)等之間通常有較小的壓降，這意味著第N級(jí)非滲透?jìng)?cè)或進(jìn)料側(cè)的壓力比任何隨后級(jí)進(jìn)料側(cè)的壓力都高，如第N+1級(jí)或第N+2級(jí)。
恰恰相反，吹掃第N-1級(jí)滲透?jìng)?cè)的第N級(jí)滲透物可用來(lái)吹掃第N-1和/或N-2級(jí)等。這就意味著第N級(jí)滲透物的壓力常常比至少第1至N-1級(jí)滲透物之一高，以便能吹掃膜的滲透?jìng)?cè)。這也意味著第N級(jí)非滲透?jìng)?cè)與滲透?jìng)?cè)之間的壓降比第N+1級(jí)高。
采用帶吹掃物流的串聯(lián)系統(tǒng)(用下一級(jí)滲透物對(duì)本級(jí)滲透物進(jìn)行吹掃)，與以并聯(lián)或不帶吹掃的或循環(huán)的串聯(lián)操作的N個(gè)類似分離器性能相比，或與相當(dāng)于N個(gè)小分離器的總面積的一個(gè)大分離器的性能相比，可增加其操作性能。通過(guò)收集或均勻化第N+1級(jí)的滲透物流，并用它作為第N級(jí)的吹掃氣，第N+1級(jí)管束上任何缺陷(如非理想流型或微漏)比非串聯(lián)法或不帶滲透吹掃氣時(shí)串聯(lián)法的影響小得多。
根據(jù)本發(fā)明，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)本串聯(lián)吹掃多級(jí)系統(tǒng)在能耗和所需膜面積兩方面均比單級(jí)和其它多級(jí)系統(tǒng)有很大的改進(jìn)。例如，簡(jiǎn)單的串聯(lián)系統(tǒng)與簡(jiǎn)單的并聯(lián)相比，為滿足給定的要求，雖降低了能耗，但要求耗費(fèi)較大面積，而串聯(lián)循環(huán)法可節(jié)省面積和能量，然而，本發(fā)明的串聯(lián)吹掃系統(tǒng)比所有其它系統(tǒng)需要的面積更小，而且，在使用本發(fā)明的串聯(lián)吹掃系統(tǒng)時(shí)，能耗也有所減少。
根據(jù)本發(fā)明，制備的高純氣體優(yōu)選的是氮?dú)?，而進(jìn)料可為空氣或氧氣與氮?dú)獾幕旌衔?，然而，進(jìn)入第一級(jí)的氣體優(yōu)選的是空氣。
膜可排列成任何形式，如對(duì)稱的中空纖維、非對(duì)稱的中空纖維或螺旋管束。
而且，不同級(jí)的膜最好由不同性能的管束組成，如第一級(jí)可用低性能的管束，而最后一級(jí)膜可采用高性能的管束，而且，第一級(jí)可在互不相同的溫度下操作，如第一級(jí)膜可在比另一級(jí)膜高的溫度下操作，如最后一級(jí)膜。
根據(jù)本發(fā)明，從至少一級(jí)膜滲透出的物流可在進(jìn)入至少前一級(jí)膜件之前進(jìn)行壓縮。
本發(fā)明也提供一種從氣體混合物制備氣體的串聯(lián)一吹掃法，該法組合使用兩種膜。該法要求(a)給第一級(jí)膜件進(jìn)料側(cè)供給一種氣體混合物;
b)收集第一級(jí)膜的非滲透物流，將該非滲透物流作為第二級(jí)膜的進(jìn)料;
c)收集第二級(jí)膜的滲透物流，將該物流加到第一級(jí)膜的滲透物流中;
d)收集第一級(jí)膜的滲透物流和第二級(jí)膜的非滲透物流。
根據(jù)這一方法，制備的氣體優(yōu)選的是氮?dú)猓M(jìn)料氣體混合物優(yōu)選的是空氣或氧氣和氮?dú)獾幕旌衔铩?br> 而且，采用逆流吹掃的方式將第二級(jí)膜的滲透流加入第一級(jí)膜的滲透流中是有利的;而且如果第二級(jí)膜的滲透物的壓力高于第一級(jí)膜滲透物的壓力也是有利的;再且，如果第一級(jí)膜的壓降高于第二級(jí)膜壓降也是有利的。
一般來(lái)說(shuō)，本發(fā)明也提供一種串聯(lián)一吹掃法，其中m個(gè)膜組合起來(lái)使用，其中在第N級(jí)至少有一滲透物流，其中1≤N＜m加入第p級(jí)的至少一種滲透物流中，其中1＜p≤n本發(fā)明也提供一種氮?dú)獍l(fā)生器，該發(fā)生器有兩個(gè)或多個(gè)膜組件組合使用，它包括a)收集第N級(jí)非滲透物流并將它用作第N+1級(jí)進(jìn)料的設(shè)備;
b)收集第N+1級(jí)滲透物流并采用逆流吹掃的方法將它加入第N級(jí)滲透物流中的設(shè)備，和c)收集第一級(jí)的滲透物和最后一級(jí)的非滲透物的設(shè)備。
最好是這樣使用氮?dú)獍l(fā)生器將氧氣和氮?dú)獾幕旌衔锛尤氲谝患?jí)膜中，在第一級(jí)膜的滲透?jìng)?cè)回收或放空氧氣富集的氣體混合物，并在最后一級(jí)膜的進(jìn)料側(cè)回收氮?dú)狻?br> 氮?dú)獍l(fā)生器較好的是也含有加熱設(shè)備，以便能加熱至少一級(jí)膜組件;和/或冷卻設(shè)備，以便能冷卻至少一級(jí)膜組件。
根據(jù)本發(fā)明，通常采用兩個(gè)或多個(gè)膜步驟，最常用的是采用兩個(gè)或三個(gè)膜步驟，然而，如有必要的話，可采用三個(gè)以上的膜步驟。
再則，第一級(jí)滲透物和最后一級(jí)非滲透物作為產(chǎn)品氣予以回收或收集。
本發(fā)明也涉及從空氣制備氮?dú)獾拇?lián)吹掃方法，該方法采用多級(jí)膜組件，每級(jí)含有大量的中空纖維膜，至少該多級(jí)膜組件之一含有吹掃入口，以便往中空纖維膜的外表面軸向注入吹掃氣，該方法包括a)使壓縮空氣進(jìn)入第N級(jí)膜組件，所述組件適宜于選擇性地滲透氧氣，且不滲透氮?dú)?
b)維持中空纖維膜孔表面和外表面之間的壓差;
c)使所產(chǎn)生的非滲透氣體軸向通過(guò)中空纖維膜孔并流出中空纖維膜的末端，并離開(kāi)第N級(jí)膜級(jí)膜組件;
d)使所述非滲透氣體進(jìn)入第N+1級(jí)膜組件，所述的N+1級(jí)膜組件適于選擇性地滲透氧氣且不滲透氮?dú)?
e)使非滲透的氣體軸向流過(guò)中空纖維膜孔，并從中空纖維膜末端流出，離開(kāi)所述的N+1級(jí)膜組件;
f)收集膜組件最后一級(jí)的氮?dú)?
g)從第N+1、N+2等的至少之一收集至少一部分滲透物流，使所述滲透物流進(jìn)入前面的第N級(jí)膜組件的吹掃入口，在中空纖維膜的外表面軸向注入吹掃氣，優(yōu)選的是與非滲透氣逆流，該吹掃氣與從中空纖維膜滲透出的氣體混合，形成滲透氣物流;并且h)放空或往一個(gè)前面級(jí)的另一吹掃入口加入至少一部分所述滲透物流。
本發(fā)明也涉及一種用于從空氣制備氮?dú)獾拇?lián)吹掃發(fā)生器，所述發(fā)生器包括至少第一級(jí)和第二級(jí)膜組件，分別記為N和N+1，每一組件均有大量的中空纖維膜，其中至少第二級(jí)膜組件(N+1)有一吹掃出口，以便將所述第二級(jí)(N+1)中來(lái)的滲透物流吹掃氣沿中空纖維的外表面軸向注入第一級(jí)膜組件(N)的吹掃氣入口。
優(yōu)選地，該發(fā)生器能往第一級(jí)膜組件中加入氧氣和氮?dú)獾幕旌衔铮厥栈蚍趴赵诘谝患?jí)膜的滲透?jìng)?cè)上富集氧氣的氣體混合物并在最后一級(jí)膜的進(jìn)料側(cè)回收氮?dú)狻?br> 本發(fā)明的串聯(lián)吹掃發(fā)生器也可有加熱設(shè)備和/或冷卻設(shè)備，以便加熱至少一個(gè)膜級(jí)和/或冷卻至少一個(gè)膜級(jí)。
優(yōu)選地，所述發(fā)生器包括控制加熱和/或冷卻設(shè)備的溫度的設(shè)備和/或至少一個(gè)膜組件，所述控制為連續(xù)的或非連續(xù)的。
通過(guò)控制至少一個(gè)膜級(jí)(加熱和/或冷卻)的溫度，可根據(jù)用戶的要求(無(wú)論是需要連續(xù)改變還是不定時(shí)變化)來(lái)控制氮?dú)饬骱?或氮?dú)饬鞯募兌?，接著將與溫度有關(guān)的信息輸送到控制裝置(如PID型控制器)，該裝置控制進(jìn)入空氣的流量，以便控制氮?dú)獾牧髁炕虻獨(dú)獾募兌然騼烧呔刂啤?br> 雖然本發(fā)明用于從空氣或氮?dú)夂脱鯕獾幕旌衔镏蟹蛛x氮?dú)馐怯欣?，本發(fā)明利用合適的膜(如用一種組分比其它組分更易滲透的膜)可用于任何類型的氣體混合物。
現(xiàn)在將對(duì)所提供的附圖作更詳細(xì)的描述，圖1、2和3在前面已描述過(guò)。
在圖1-3中，下面的縮寫和其定義為F＝進(jìn)料，F(xiàn)1＝進(jìn)料1，F(xiàn)2＝進(jìn)料2，N＝非滲透，p＝滲透，R＝循環(huán)，以及S＝吹掃。
圖4表示在中空纖維束中理想的逆流流型。
圖5表示對(duì)傳統(tǒng)的膜系統(tǒng)而言，作為氮?dú)饧兌群瘮?shù)的膜性能或回收率，特別是對(duì)氮?dú)舛?，圖5表明，對(duì)高純氣體來(lái)說(shuō)，纖維束的缺陷控制了膜性能，然而，對(duì)較低純度的氣體來(lái)說(shuō)，纖維束的缺陷降低膜性能，但不是致命的。
圖6表示本發(fā)明的膜系統(tǒng)和傳統(tǒng)膜系統(tǒng)在作為氮?dú)饧兌鹊暮瘮?shù)的膜性能或回收率方面的比較。具體地說(shuō)，圖6表明在采用傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)計(jì)時(shí)，纖維束缺陷即使在僅中等氣體純度時(shí)亦控制膜性能，然而，在采用本發(fā)明時(shí)，纖維束缺陷僅在較高氣體純度時(shí)控制膜性能，即通過(guò)采用本發(fā)明，膜性能的降低僅在較高氣體純度時(shí)才開(kāi)始觀察到，往下便無(wú)多大影響。
圖7表示根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)維持最優(yōu)性能時(shí)，既采用低平均性能、亦采用高平均性能的纖維束。
根據(jù)本發(fā)明，可以認(rèn)為比以前多的纖維束是合適的。這可通過(guò)采用低性能纖維束作為第一級(jí)和高性能纖維束作為第二級(jí)來(lái)完成，這既能提供最大的纖維束用途，亦能提供優(yōu)良的總體性能。
這里所用術(shù)語(yǔ)“低性能纖維束”通常指與生產(chǎn)率和/或空氣流量的標(biāo)準(zhǔn)值的偏差大于10%，術(shù)語(yǔ)“高性能纖維束”通常指與生產(chǎn)率和/或空氣流量的標(biāo)準(zhǔn)值的偏差小于10%。
圖8表示根據(jù)本發(fā)明采用有差別的級(jí)間溫度。一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)聚合物膜隨溫度升高選擇性下降而生產(chǎn)率增加。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)使第一級(jí)和第二級(jí)的操作溫度各不相同(如在第一級(jí)上有一加熱器或在第二級(jí)上有一冷卻器)，可從這兩級(jí)獲益并獲得總體優(yōu)化的性能，可改變每一級(jí)的溫度以獲得最優(yōu)性能，然而，對(duì)串聯(lián)法來(lái)說(shuō)，通常要求最后一級(jí)在盡可能高的選擇性下操作，而第一級(jí)在盡可能高的生產(chǎn)率下操作是重要的，一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)聚合物膜隨溫度升高選擇性降低而生產(chǎn)率增加。
一般來(lái)說(shuō)，本發(fā)明較有利的是在-20℃到90℃下操作，然而，優(yōu)選的是+20℃至60℃，確切地說(shuō)，更優(yōu)選的是第一級(jí)在+40℃到+60℃下操作，最后一級(jí)膜在+20℃到+40℃下操作，一般來(lái)說(shuō)，優(yōu)選的是第N級(jí)操作溫度在第N-1和N+1的優(yōu)選范圍之間。
再則，為了確保最后一級(jí)的最高的選擇性，通常最后一級(jí)在+20℃到60℃下操作是有利的。
然而更為優(yōu)選的是采用下列條件選擇性第一級(jí)第N級(jí)最后一級(jí)O2/N24-6 4.5-7 5-8生產(chǎn)率200-400100-30050-100一般來(lái)說(shuō)，對(duì)制備氮?dú)舛?，本發(fā)明的操作無(wú)流速限制，然而，優(yōu)選的是采用約0.2m3/h到2，000m3/h的流速。
圖9表示根據(jù)本發(fā)明在第一和第二級(jí)之間的滲透?jìng)?cè)上采用一壓縮機(jī)，這至少有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)第一，因該滲透物含有低于21%的氧氣，可采用標(biāo)準(zhǔn)壓縮機(jī)(空氣壓縮機(jī))而不用氧氣壓縮機(jī)(當(dāng)氣體混合物的氧氣含量大于21%時(shí))，后者昂貴得多。
第二，通過(guò)在大氣壓力下操作滲透物，第二級(jí)膜的性能并不降低，這在同時(shí)需要高純度非滲透物流時(shí)(如氮?dú)?特別重要。
上述特點(diǎn)是很有用的，例如，對(duì)傳統(tǒng)的空氣分離來(lái)說(shuō)，要么需要重新壓縮滲透物流(如果該物流在常壓下)，這就要求特別昂貴的壓縮機(jī)，因?yàn)檠鯕夂看笥?1%;要么整個(gè)滲透物必須維持在高于常壓下，這就大大降低了整個(gè)膜性能，特別是在制備非滲透物(如氮?dú)?時(shí)更如此。
宏觀上，本發(fā)明的好處可用圖6表示，也可從圖6的曲線看出。
現(xiàn)在參照某些實(shí)施例來(lái)對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，這些實(shí)施例僅用于描述的目的，不是旨在限制本發(fā)明。
實(shí)施例1在下述實(shí)施例中，考慮采用聚酰亞胺膜來(lái)從空氣中分離氮?dú)?，該膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)用來(lái)制備100Nm3/h 98%純度的氮?dú)?，纖維束的缺陷用當(dāng)純度增加時(shí)纖維束的表觀選擇性的降低來(lái)表示，該纖維束并排或采用前述的多級(jí)系統(tǒng)或采用本發(fā)明的串聯(lián)一吹掃法。
所有系統(tǒng)都進(jìn)行了研究，串聯(lián)一吹掃多級(jí)系統(tǒng)在能耗方面或所需膜面積方面比單級(jí)系統(tǒng)和其它多級(jí)系統(tǒng)均有令人吃驚的改進(jìn)(表1)。下面對(duì)這些優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行描述。
并聯(lián)簡(jiǎn)單串聯(lián)循環(huán)串聯(lián)吹掃串聯(lián)面積100103.594.491.4能耗10097.688.889.9同簡(jiǎn)單并聯(lián)系統(tǒng)相比，簡(jiǎn)單串聯(lián)系統(tǒng)以需要大面積的代價(jià)換取低能耗的優(yōu)點(diǎn)，來(lái)滿足給定的要求(+3.5%的面積，-2.4%的節(jié)能)，串聯(lián)循環(huán)法既省面積(-5.6%)亦節(jié)能(-11.2%)。
從該表可以看出，本發(fā)明的串聯(lián)一吹掃系統(tǒng)所需面積比所有其它的都小(串聯(lián)吹掃系統(tǒng)的-8.6%對(duì)循環(huán)串聯(lián)的-5.6%)，而且能耗也比簡(jiǎn)單串聯(lián)降低了而與循環(huán)串聯(lián)相當(dāng)。
這一實(shí)施例表明，本發(fā)明的串聯(lián)一吹掃法在面積和能量?jī)煞矫婢惹笆鱿到y(tǒng)有較大程度的節(jié)省。
實(shí)施例2滲透纖維束的再生性常常是一主要問(wèn)題，對(duì)任何特定的聚合物來(lái)說(shuō)，如果對(duì)最終產(chǎn)物有較高的技術(shù)要求，就存在高比例的不合要求的纖維束，本發(fā)明使更多的纖維束成為可接受的纖維束，這具有明顯的制造成本上的效益，同時(shí)仍保持最佳性能。的確，通過(guò)采用低性能的纖維束作為本發(fā)明的第一級(jí)和高性能纖維束作為第二級(jí)，可獲得高的總體性能并最大限度利用制造的纖維束，這可用圖7表示。
實(shí)施例3對(duì)大多數(shù)聚合物來(lái)說(shuō)，隨溫度升高，選擇性降低而生產(chǎn)率提高，在串聯(lián)法中，最后一級(jí)在盡可能高的選擇性下操作是很重要的，而第一級(jí)的生產(chǎn)率通常更起決定性作用。
因此，本發(fā)明通過(guò)使兩級(jí)的操作溫度各不相同(如第一級(jí)上有一加熱器或在第二級(jí)上有一冷卻器)，可從兩級(jí)獲益并且獲得總的最優(yōu)性能。
實(shí)施例4在某些應(yīng)用中，可能要求采用滲透和非滲透的產(chǎn)物，在空氣分離的情況下，問(wèn)題通常是要么需要再壓縮滲透物流(如在常壓下)，這就要求特別昂貴的壓縮機(jī)，因氧氣含量高于21%;要么整個(gè)滲透物流維持在高于常壓下，這就大大降了整個(gè)膜的性能，特別是在制備非滲透物如氮?dú)鈺r(shí)。
而且，通過(guò)在兩級(jí)之間的滲透?jìng)?cè)上安裝一壓縮機(jī)，本發(fā)明至少提供兩種優(yōu)點(diǎn)當(dāng)兩級(jí)之間滲透?jìng)?cè)的氧氣含量小于21%時(shí)，可用一標(biāo)準(zhǔn)壓縮機(jī)來(lái)進(jìn)行再壓縮，而且通過(guò)在常壓下操作滲透物，第二級(jí)的性能不會(huì)受影響，當(dāng)同時(shí)需要高純度非滲透物流時(shí)，后一優(yōu)點(diǎn)特別重要。
已對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，很顯然對(duì)任一本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的情況下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行許多改動(dòng)或修正。
權(quán)利要求
1.一種從空氣制備氮?dú)獾拇?lián)吹掃法，該方法采用多級(jí)膜組件，每一組件含有大量的中空纖維膜，該多級(jí)膜組件中至少之一含有吹掃氣入口，以便能往中空纖維膜的外表面上軸向注入吹掃氣，該方法包括a)將壓縮空氣加入第N級(jí)膜組件，所述組件適于選擇性地滲透氧氣，且不滲透氮?dú)猓籦)保持中空纖維膜的孔表面與中空纖維膜外表面間的壓差；c)使產(chǎn)生的非滲透氣軸向流過(guò)中空纖維膜的孔，并流出中空纖維膜的末端，離開(kāi)第N級(jí)組件；d)使上述產(chǎn)生的非滲透氣體流入第N+1級(jí)膜組件，所述N+1級(jí)膜組件適于選擇性地滲透氧氣而不滲透氮?dú)猓籩)使非滲透氣體軸向流過(guò)中空纖維膜的孔，并從中空纖維膜的末端流出，離開(kāi)所述的N+1級(jí)膜組件；f)從最后一級(jí)膜組件收集氮?dú)?；g)從第N+1、N+2級(jí)等至少之一中收集至少一部分滲透物流，使所述滲透物流進(jìn)入前面的第N級(jí)膜組件之一的吹掃氣入口，所述的吹掃氣在中空纖維膜的外表面上軸向加入，優(yōu)選的是與非滲透氣逆流，該吹掃氣與通過(guò)中空纖維膜滲透的氣體混合，形成滲透物流；并且h)放空或?qū)⒅辽僖徊糠炙龅臐B透物流加入一個(gè)前面級(jí)的吹掃氣入口中。
2.一種從空氣制備氮?dú)獾拇?lián)吹掃法，該方法組合使用兩個(gè)膜組件，該方法包括a)將壓縮空氣混合物加入第一級(jí)膜組件(N)的進(jìn)料側(cè)，該膜組件適于選擇性滲透氧氣，而不滲透氮?dú)?b)收集所述第一級(jí)膜組件(N)的非滲透物流，使該非滲透物流通過(guò)第二級(jí)膜組件(N+1)，所述第二級(jí)膜組件(N+1)選擇性滲透氧氣，而不滲透氮?dú)?c)從第二級(jí)膜組件(N+1)收集氮?dú)?，且d)從第N+1、N+2級(jí)等至少之一中收集至少一部分滲透物流，使所述滲透物流進(jìn)入所述第一級(jí)(N)膜組件的吹掃氣入口，該吹掃氣在中空纖維束的外表面上軸向加入，優(yōu)選的是與非滲透氣體逆流。
3.權(quán)利要求1或2的串聯(lián)吹掃法，其中所述膜由選自下述類物質(zhì)的一種材料制成，該類物質(zhì)包括聚酰亞胺、聚酰胺、聚碳酸酯、聚硅氧烷、聚烯烴、聚砜、醋酸纖維素、陶瓷、玻璃和碳。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一的串聯(lián)吹掃法，其中所述膜以對(duì)稱中空纖維、非對(duì)稱中空纖維或螺旋管束的形式排列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一的串聯(lián)吹掃法，其中所述膜以對(duì)稱中空纖維、非對(duì)稱中空纖維或螺旋管束的形式排列。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一的串聯(lián)吹掃法，其中第一級(jí)膜和最后一級(jí)膜維持在這樣的溫度下，使得在第一級(jí)膜溫度高于第二級(jí)膜溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一的串聯(lián)吹掃法，其中至少有一級(jí)膜所用的聚合物不同于另一級(jí)膜的聚合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一的串聯(lián)吹掃法，其中至少有一級(jí)膜的溫度不同于另一級(jí)膜的溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8之一的串聯(lián)吹掃法，該方法進(jìn)一步包括在將至少一級(jí)膜的滲透物加入至少前一級(jí)之前，壓縮該滲透物。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9之一的串聯(lián)吹掃法，其中所制備的氮?dú)獾募兌戎辽贋?9%。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10之一的串聯(lián)吹掃法，該方法在約-20℃到90℃下操作。
12.權(quán)利要求11的串聯(lián)吹掃法，該方法在約20℃到60℃的溫度下操作。
13.權(quán)利要求12的串聯(lián)吹掃法，其中第一級(jí)膜在約+40℃到+60℃下操作，最后一級(jí)在約+20℃到+40℃下操作。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13之一的串聯(lián)吹掃法，其中采用的流速為約0.2m3/h到2，000m3/h。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-14之一的串聯(lián)吹掃法，其中第二級(jí)膜的滲透物流通過(guò)逆流吹掃加入所述第一級(jí)膜的滲透物流中。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-15之一的串聯(lián)吹掃法，其中所述的第二級(jí)膜滲透物的壓力高于第一級(jí)膜滲透物的壓力。
17.根據(jù)權(quán)利要求1-16之一的串聯(lián)吹掃法，其中所述第一級(jí)膜的壓降高于通過(guò)第二級(jí)膜的壓降。
18.根據(jù)權(quán)利要求1-17之一的串聯(lián)吹掃法，其中m個(gè)膜組合使用，其中在第N級(jí)上至少一個(gè)物流，其中1≤N＜m被送到第p級(jí)至少一個(gè)吹掃入口中，其中1＜p≤n
19.根據(jù)權(quán)利要求1-18之一的串聯(lián)吹掃法，其中將一種氧氣和氮?dú)獾幕旌衔锛尤氲谝患?jí)膜，在第一級(jí)膜的滲透?jìng)?cè)回收或放空氧氣富集的氣體混合物，并在最后一級(jí)膜的進(jìn)料側(cè)回收氮?dú)狻?br> 20.一種用于從空氣制備氮?dú)獾拇?lián)吹掃發(fā)生器，所述發(fā)生器含有至少第一和第二級(jí)膜組件，分別記為N和N+1級(jí)，每一組件含有大量的中空纖維膜，其中至少第二級(jí)膜組件(N+1)包括一吹掃氣出口，以便將所述第二級(jí)(N+1)的滲透物注入所述第一級(jí)膜組件(N)的吹掃氣入口、軸向吹到中空纖維的外表面上。
21.權(quán)利要求20的串聯(lián)吹掃發(fā)生器，該發(fā)生器能將氧氣和氮?dú)獾幕旌衔锛尤氲谝患?jí)膜，在第一級(jí)膜的滲透?jìng)?cè)回收或放空氧氣富集的氣體混合物，并在最后一級(jí)膜的進(jìn)料側(cè)回收氮?dú)狻?br> 22.權(quán)利要求20或21的串聯(lián)吹掃發(fā)生器，它還含有加熱設(shè)備，以便加熱至少一級(jí)膜組件。
23.根據(jù)權(quán)利要求20-22之一的串聯(lián)吹掃發(fā)生器，還含有冷卻設(shè)備，以便冷卻至少一級(jí)膜組件。
24.根據(jù)權(quán)利要求20-23之一的串聯(lián)吹掃發(fā)生器，還含有壓縮機(jī)設(shè)備，該設(shè)備在第N+1級(jí)吹掃氣出口和前一級(jí)的吹掃氣入口之間。
25.根據(jù)權(quán)利要求20-24中任一項(xiàng)的串聯(lián)吹掃發(fā)生器，該發(fā)生器含有加熱和冷卻設(shè)備，以便加至少一級(jí)膜并冷卻至少一級(jí)膜。
26.根據(jù)權(quán)利要求20-25中任一項(xiàng)的串聯(lián)吹掃發(fā)生器，該發(fā)生器還含有控制加熱和/或冷卻設(shè)備的溫度的設(shè)備和/或至少一級(jí)膜。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的串聯(lián)吹掃發(fā)生器，其中所述控溫設(shè)備連續(xù)控制所述溫度。
28.根據(jù)權(quán)利要求25、26或27的串聯(lián)吹掃發(fā)生器，其中根據(jù)用戶變動(dòng)的要求，通過(guò)控制溫度，來(lái)改變發(fā)生器的氮?dú)饬鳌?br> 29.根據(jù)權(quán)利要求25、26、27或28的串聯(lián)吹掃發(fā)生器，其中根據(jù)用戶變動(dòng)的要求，通過(guò)控制溫度，來(lái)改變氮?dú)鈿饬鞯募兌取?br> 全文摘要
一種通過(guò)組合使用兩個(gè)或多個(gè)膜組件來(lái)制備高純氣體的串聯(lián)吹掃法，該方法包括a)收集第N級(jí)非滲透物流并作為第N+1級(jí)的進(jìn)料；b)收集所述第N+1級(jí)的滲透物流，以逆流方式加入第N級(jí)滲透物流中；c)收集第一級(jí)的滲透物和最后一級(jí)的非滲透物。
文檔編號(hào)B01D63/02GK1083414SQ9210972
公開(kāi)日1994年3月9日 申請(qǐng)日期1992年8月24日 優(yōu)先權(quán)日1991年7月2日
發(fā)明者B·克里斯琴, M·道米尼克 申請(qǐng)人:喬治·克勞德工藝研究開(kāi)發(fā)有限公司