專利名稱：氣體膜分離的方法及設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用膜生產(chǎn)或分離氣體。
作為對傳統(tǒng)的低溫生產(chǎn)方法的補充，近年來世界各地廣泛開發(fā)了用膜生產(chǎn)氣體(尤其是氮氣)的方法，因為它具有以下優(yōu)點—供給十分安全；—生產(chǎn)成本低；—根據(jù)需要，可以以極低的成本提供適當純度的氣體。
原理是，膜兩側壓力不平衡的作用造成了膜的滲透側得到富集了最易滲透組份的低壓混合物，而膜的出口(也稱“殘留”或“阻斥”側)得到富集了不易滲透組分的壓力為進氣壓力(入口混合氣的壓力)的混合物。
因此，為了從空氣中分離出氮氣(通常稱之“雜質(zhì)”)使用了半透膜，該膜從氮氣中分離出氧氣(選擇性)的能力較強，如聚酰亞胺型膜，在滲透側能獲得富集氧氣的混合物。這類膜通常被稱為“氮氣膜”。
對于氫氣或CO的生產(chǎn)，最常采用的方法是從某些工業(yè)中產(chǎn)生的混合物中回收，該混合物用半透膜進行分離，該膜對混合氣中氫氣的分離能力較強，如聚芳酰胺型膜，在該膜的滲透側為富集了氫氣的混合物，而膜的殘留側可以是富集了烴或CO的混合物，這類膜通常被稱為“氫氣”膜。
顯然，膜的操作性能很大程度上取決于膜的操作條件，如溫度、進氣壓力、引入混合氣中在滲透側待除去組份的含量。
關于溫度，已知當膜的操作溫度增加時，往往帶來滲透性的增加，從而提高了膜分離產(chǎn)率，但膜的選擇性(如O2/N2)下降了，造成分離效率下降。通常，術語“膜或膜組件的操作溫度”應理解為取決于通過該膜的入口氣體溫度并且不時有膜組件的外部加熱系統(tǒng)或溫度維持系統(tǒng)(恒溫室)的輔助介入而達到的溫度。
因此，根據(jù)需要，為了獲得所要求的操作水平，入口氣體將被加熱升溫幾十度，或者維持在室溫，某些其它情況下該氣體被冷卻至室溫以下，有時甚至冷卻至0℃以下。
已經(jīng)知道，從空氣中生產(chǎn)氮氣的情況下，膜的“輸出”取決于在膜的出口(殘留側的)被回收的入口混合氣中氮氣的比例，膜的O2/N2選擇性代表氧氣和氮氣透過膜的滲透率之比(選擇性＝滲透率(O2)/滲透率(N2))。同樣的推理適用于“氫氣膜”，前提是該推理用分離出口來導出，因為此時要回收的是富集氫氣的滲透混合物。
因此，在使用膜組件的分離方法之前，為了生產(chǎn)高純度的氣體(如氮氣)，在使用單級分離的情況下設想出一對入口混合氣的冷卻過程，該冷卻過程也適用于多級裝置的兩分離級之間(見申請人完成的工作，尤其是文獻EP—A—521784中所公開的)。
通常這一冷卻操作是通過機械冷卻、低溫液體換熱或透平再膨脹等方式實現(xiàn)。
文獻US—A—5,306,331中提出了一種更復雜的方法，即使用雙液/氣熱交換方法來冷卻膜分離器中待分離的入口混合物
—使用分離器產(chǎn)生的低露點滲透組分通過其蒸發(fā)來冷卻第一個柱子中的貯存水。
—在第二個柱子中，使用由此冷卻的水對尚未進入分離器的入口混合氣進行冷卻。
如果這種方法代表比常用冷卻方法更有意義的方法，但是伴隨其復雜性該方法毫無疑問存在著不足要使用兩個填料冷卻塔；其中使用了水循環(huán)(包括連續(xù)供水)；需要消耗大量能量來循環(huán)這些水(泵)；在第一次熱交換過程中不可避免滲透組份中的氧溶解于水的危險；第二次熱交換階段使用同樣的水會造成入口混合物中氧氣過量。
本申請人提供了一種很有優(yōu)勢的方法(因為其既簡單又經(jīng)濟)來完成膜分離階段前的這一冷卻操作，該方法基于將噴淋水注射到從膜組件(或者當分離過程是在多級分離器中完成時，從膜組件之一)來的非常干燥滲透組份中，引起水在所述的滲透組份中全部或部分蒸發(fā)(因為還沒達到飽和點)，這一吸熱蒸發(fā)帶走了滲透組分的一部分能量，造成該滲透組份溫度下降。由此冷卻的滲透組份流隨后通過至少具有兩個通道的氣體換熱器，在這里它與待冷卻的混合氣體(來源于多級或單級分離中待分離的入口混合物，或屬于從多級裝置中的某一級產(chǎn)出的進入下一級分離器之前的殘留側混合物)進行熱交換。
如果這種噴淋水冷卻方法已經(jīng)被用于冷卻壓縮機出口處的壓縮空氣(如文獻EP—A—524435中討論的)，該方法在這里代表水蒸發(fā)現(xiàn)象，消耗能量，與膜分離技術之間極有吸引力又極有效的一種相互作用。該方法可為(尤其是多級分離中)一種或多種滲透組份在達到其水飽和狀態(tài)之前提供極大的操作余地。
另一方面，本方法的操作和投資成本大大低于上面討論的以及在膜分離領域中通常采用的方法的成本，作為“冷”源的水相對而言幾乎是不花錢的。
因此本發(fā)明的目的之一是提供一種從入口混合氣中分離氣體的改進膜分離方法。
從入口混合氣中至少分離出一種氣體的膜分離方法，即讓氣體通過串聯(lián)的一個或幾個膜分離器串聯(lián)成的組件，在每一分離器的滲透出口產(chǎn)生富集入口混合氣體中最易滲透組分的混合物，在每一分離器的殘留出口產(chǎn)生富集入口混合氣體中最不易滲透組分的混合物。處于分離器組上游的分離器產(chǎn)生的全部或部分殘留混合物進入下一個分離器，該方法的特征在于進入該分離器組的混合氣體和上游的分離器產(chǎn)生的混合氣體中的至少一種氣體混合物在通過一個至少具有兩個通道的換熱器的第一通道時得到冷卻，而在至少一個分離器的滲透出口獲得的混合氣體通過換熱器的第二通道，并且該氣體混合物進入換熱器前應已用水噴淋過。
綜上所述，根據(jù)本發(fā)明的應用之一，分離過程通過一次單級分離來實現(xiàn)，也就是說該分離器組是由一個分離器組成。入口的混合物通過交換器的一個通道，而分離器所產(chǎn)生的滲透側混合物則通過該換熱器的另一通道，并且此滲透側混合物進入換熱器前應已用水噴淋過。
根據(jù)本發(fā)明的另一應用，分離過程通過多級分離器實現(xiàn)，即分離器組至少由兩個膜分離器串聯(lián)而成。從膜分離器產(chǎn)生的全部或部分殘留混合物再進入下一級分離器。入口混合物或其它通過兩級間的殘留組分通過換熱器的一個通道，而至少由一個分離器所產(chǎn)生的滲透側混合物則通過換熱器的另一通道。該滲透側混合物進入換熱器前應已用水注射或噴淋過。
根據(jù)本發(fā)明應用之一，分離器組由兩個在不同溫度下操作的膜分離器構成。第一個分離器的操作溫度比第二個分離器的操作溫度至少高20℃，優(yōu)選至少高40℃。
在換熱器中的循環(huán)氣體可以是逆流操作或并流操作。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，膜分離方法可根據(jù)不同的設計目的應用于許多入口混合物的分離中，例如，以空氣為入口混合氣來生產(chǎn)含殘留氧的氮氣，或者從某些工業(yè)，如煉油廠，所產(chǎn)生的某些氣體介質(zhì)中分離氫氣或CO。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選應用之一，滲透側混合物或循環(huán)的混合物在換熱器的第二通道中進行從下到上的垂直循環(huán)。
在這種情況下，欲冷卻的循環(huán)氣體(入口混合物或殘留側混合物)在換熱器的第一通道內(nèi)優(yōu)選逆流操作，即從上到下操作。
另外，在被冷卻的氣體混合物于換熱器出口處的溫度下調(diào)整水進入滲透側混合物中的噴射流速是可行的和有益的。
本發(fā)明還涉及一適合實施上述方法的氣體膜分離裝置，它包括a)和分離器組相連的入口氣體源，該分離器組由一個或多個膜分離器串聯(lián)而成；b)至少具有兩個通道的換熱器；c)連接至少一個分離器滲透側出口到換熱器一個通道的氣體管路；d)將水噴射入氣體管路的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選應用之一，入口處與氣體管路相連的換熱器通道是垂直的，氣體管路與該通道的下端相連。
本發(fā)明所說的“膜分離器”是指半透膜或膜組件，如平行排列的幾個半透膜(或膜組件)，這些半透膜具有從入口氣體混合物中分離出所需氣體的優(yōu)異性能。
因此，舉例來說，可以利用聚酰亞胺半透膜的性質(zhì)從入口空氣混合物中分離出氧氣。也可以利用聚芳酰胺半透膜的性質(zhì)從煉油廠來的氣體混合物中分離出氫氣。
本發(fā)明中所述的“操作溫度”是指本申請前面所討論的概念。
正如本領域中的技術人員所顯而易見的，在上述任何情況下，入口混合物在進入第一級分離前要進行一些適于膜分離的常規(guī)處理，如脫油、過濾、干燥或將混合物調(diào)節(jié)到設定的溫度。
從下面實施例的說明可明顯地看出本發(fā)明的特點和優(yōu)勢，該實施例是通過流程圖來說明的，本發(fā)明不受這些實施例的限制。關于附圖，其中—

圖1是實施本發(fā)明的一個兩級裝置示意圖，該裝置可以從入口空氣中分離出高純度的氮。
—圖2是實施本發(fā)明的一個單級裝置示意圖。
—圖3是更詳細地實施本發(fā)明的另一種單級裝置示意圖，該裝置包括一個實現(xiàn)垂直循環(huán)的換熱器。
在圖1中可以看到有入口混合氣1進入的第一級膜分離器2，而空氣壓縮機和在氣體混合物進入分離器2前對其進行預處理的其它可能的調(diào)節(jié)裝置(如干燥、過濾、脫油或將氣體調(diào)節(jié)到設計溫度等步驟的)在這里沒有給出。
分離器2在滲透側產(chǎn)生氣體混合物4，而在殘留側產(chǎn)生氣體混合物5，本實施例中，氣體混合物5全部進入第二級分離器3，分離器3在滲透側產(chǎn)生氣體混合物6，在殘留側產(chǎn)生氣體混合物7。
圖1給出了一個適于實施本發(fā)明的裝置，通過該裝置可以從入口空氣混合物1中生產(chǎn)氮純度高的氣體混合物7。在所示的實施例中，這兩個分離器2和3類型相同，如都是聚酰亞胺型。本實施例中分離器2的操作溫度明顯高于分離器3的操作溫度。
在第二個分離器滲透側獲得的氣體混合物6(在這種情況下為富氧的)經(jīng)換熱器8的一個通道再循環(huán)至分離器2的入口，分離器2優(yōu)選在空壓機的上游。
在氣體混合物6進入換熱器6之前，噴射上噴淋水10，噴射入來自分離器3的非常干燥的滲透組分中的水蒸發(fā)，導致滲透組份6全部或部分冷卻(蒸發(fā)可以在換熱器內(nèi)繼續(xù)進行)。然后滲透組分6的換熱器8中與在另一通道內(nèi)的殘留混合物5(富含氮)進行換熱。
圖2是一個單級膜分離級15的實施例示意圖。通過組件11(包括加壓等調(diào)節(jié)步驟)的空氣混合物12再通過一個具有兩個通道的換熱器，換熱器的另一通道內(nèi)供被噴淋水10冷卻后的滲透混合物17使用，滲透混合物17在排出前或在需要富氧氣體的用戶使用前將其冷量傳給換熱器13。
圖3是更詳細地實施本發(fā)明的另一種單級裝置示意圖。該裝置包括一個實現(xiàn)垂直循環(huán)的換熱器。
由組件11調(diào)節(jié)的入口混合物12通過換熱器13的第一個通道，在另一通道內(nèi)是被噴淋水10冷卻過的滲透混合物17。水噴射是在17/21這段管路，即連接分離器15的滲透出口和換熱器第二通道入口的管路，中間的膨脹管18中進行的，該膨脹管又稱“貯存器”或緩沖器。
被冷卻的滲透混合物進入換熱器的第二通道，在這里釋放其冷量，然后經(jīng)管路20排出或應用于需要富氧氣的工作站。
如上所示，噴射入來自分離器15的非常干燥的滲透物中的水全部或部分蒸發(fā)，該蒸發(fā)過程可能在換熱器13中繼續(xù)進行。
在所示實施例中，從換熱器出口得到的入口混合物在進入分離器15前需在一水過濾單元(如凝集過濾式)進行加熱預處理。應注意的是，這個過程可以通過換熱器被“暖”入口混合物12所加熱來實現(xiàn)。
圖3表示本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例。在該實施例中，入口混合物12和滲透混合物17間的換熱過程是在換熱器13中進行的，該滲透混合物在垂直的換熱器中采取逆流操作，即從下到上流動。
圖3所描述的裝置系統(tǒng)被用于冷卻流量為1.51Nm3/h的待進入膜分離器的空氣至約23℃。該膜分離器由5個聚酰亞胺型組件構成(每個組件提供130m2的分離表面)，從而在殘留側可獲得流量為11m3/h的含有0.5％殘留氧的氮氣。
其中使用了一個換熱面積為2m2的板式換熱器。
噴淋水10在貯存器18中通過一個氣壓噴嘴進行噴射(噴射水流量為4l/h)。
在本實施各級得到的混合物特征如下入口空氣12—流量≈151Nm3/h—溫度≈40℃
—壓力≈12.2巴(絕對壓力)—相對濕度100％在換熱器13出口處的入口空氣混合物—溫度≈19℃—壓力≈12.1巴(絕對壓力)—相對濕度100％在過濾/加熱系統(tǒng)19出口處的入口空氣混合物—溫度≈23℃—壓力≈11.9巴(絕對壓力)—相對濕度＜80％在滲透出口處的滲透混合物17—流量≈108Nm3/h—溫度≈23℃—壓力≈1.05巴(絕對壓力)—相對濕度＜10％在貯存器18出口處的滲透混合物—溫度≈10℃—相對濕度100％＋水滴在熱交換器出口20處的滲透混合物—溫度≈26.5℃—壓力≈1巴(絕對壓力)—相對濕度≈51.5％本實施例說明，根據(jù)本發(fā)明，在進行膜分離前入口氣體混合物12可以得到有效而可靠的冷卻，通過利用所有系統(tǒng)的潛能可以達到精確地控溫的目的。
與膜分離過程中應用的常規(guī)冷卻方法相比，本發(fā)明所提出的方法具有所需的經(jīng)濟平衡、操作簡單而靈活的特點，而并沒使用復雜的壓力塔或其它泵設備(如上述的文獻US—A—5,306,331中使用的)，因此它提供了一種在投資及可靠性方面有吸引力的操作。
盡管本發(fā)明針對特定的實施例進行了討論，但并不應局限于此，相反在下面權利要求范圍內(nèi)，本領域的技術人員可作出顯而易見的修改和變化。
權利要求
1.從入口混合氣體(1，12)中至少分離出一種氣體的膜分離方法，即讓其通過由一個或多個膜分離器(15，2，3)串聯(lián)而成的分離器組，其中每個分離器的滲透出口產(chǎn)出富含最易滲透組分的混合物(17，4，6)，而在其殘留出口產(chǎn)出富含最不易滲透組分的混合物(16，5，7)，并且上游的分離器產(chǎn)出的全部或部分殘留側氣體進入其下一級分離器進行分離，該方法的特征在于，入口混合物和上游分離器產(chǎn)生的殘留側混合物中的至少一種(5，12)在通過一個至少具有兩個通道的換熱器(8)的第一通道時被冷卻，通過換熱器第二通道的是由至少一個分離器的出口產(chǎn)生的滲透側混合物(6)，該滲透混合物(6)在進入換熱器前應噴淋上水。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其特征在于由兩個膜分離器串聯(lián)組成分離器組，其中第一膜分離器在第一操作溫度下操作，第二膜分離器在第二操作溫度下操作，且第一操作溫度比第二操作溫度至少高20℃，優(yōu)選至少高40℃。
3.根據(jù)權利要求1或2的方法，其特征在于滲透混合物從下到上垂直地通過換熱器的第二通道。
4.根據(jù)權利要求3的方法，其特征在于被冷卻的氣體混合物以逆流的方式從上到下通過換熱器的第一通道。
5.根據(jù)權利要求1至4之一的方法，其特征在于噴射入滲透混合物中的水流量根據(jù)換熱器出口處被冷卻的氣體混合物的溫度進行調(diào)節(jié)。
6.根據(jù)權利要求1至5之一的方法，其特征在于入口混合物為空氣。
7.實施根據(jù)權利要求1至6之一的方法的氣體膜分離裝置，包括a)入口氣體源，與由單個或多個膜分離器串聯(lián)組成的分離器組相連；b)至少具有兩個通道的換熱器(8)；c)氣體管路(17/21)，連接至少一個分離器的滲透出口和換熱器的一個通道的進口；d)將噴淋水噴射入所述氣體管路的裝置(10，18)。
8.根據(jù)權利要求7的裝置，其特征在于進口和上述氣體管路相連的換熱通道是垂直的，氣體管路和該通道的下部相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及從入口混合氣體(1，12)中至少分離出一種氣體的膜分離方法，通過至少由一個膜分離器(15，2，3)構成的分離器組，每一分離器在其滲透側出口產(chǎn)生富集了入口混合氣體中最多滲透組分的混合物(17，1，6)，而在其殘留側出口產(chǎn)生富集了入口混合氣體中最不易滲透組份的混合物(16、5、7)，其特征在于入口混合物和殘留混合物中至少一種混合物在通過至少具有兩上通道的換熱器(8)的第一通道時被冷卻，從而在分離器之一的滲透出口處得到的混合物(6)通過該換熱器的第二通道，滲透混合物(6)在進入該換熱器的第二通道前已被用水(10)噴射或噴淋過。
文檔編號B01D53/22GK1128175SQ9511730
公開日1996年8月7日 申請日期1995年9月11日 優(yōu)先權日1994年9月12日
發(fā)明者F·菲里特, L·巴里 申請人:喬治·克勞德方法的研究開發(fā)空氣股份有限公司