分离气体的方法技术

本发明专利技术涉及用于将含氦气的气体混合物分离的特殊设备，尤其是气体分离膜组件的连接，和特殊方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】分离气体的方法
本专利技术涉及用于将含氦气的气体混合物分离并制备高纯度氦气的特殊方法和特殊设备，尤其是气体分离膜组件的连接。
技术介绍
从气体源获得氦气在能量方面是非常昂贵的方法并且迄今主要利用低温蒸馏操作。为了简化这种方法和至少作为能量密集性方法步骤例如低温蒸馏的部分替代，已经提出了膜技术的使用。例如，US2005/0217479A1和其中引用的现有技术中提供了利用膜技术从气流中纯化氦气的各种实例。然而，在所述方法中，仅能达到低纯度的氦气；此外，收率非常差。公知的是，可以利用气体分离膜，根据各气体的不同的渗透性(＝物质流量每单位时间，面积，压差和层厚度)将气体混合物分离。一般而言，为了制备此种气体分离膜，将塑料加工以获得中空纤维或平膜。所述膜的特征在于在膜表面处的非常薄的分离层，以致所述膜的渗透率(＝物质流量每单位时间，面积和压差)尽可能大。除了新的膜材料之外，在现有技术中还研究了膜的各种不同的连接。一系列用于将气体分离的单级或多级膜互连结构是在文献中已知的。举例来说，这里可以提及如下引用文献：Baker，IndEngChemRes，NaturalGasProcessingwithMembranes，47(2008)；BhideMemSci，Hybridprocessesfortheremovalofacidgasesfromnaturalgas，1998；Hhenar，MemSciApplicationofCardo-typepolyimide(PI)andpolyphenyleneoxide(PPO)hollow，2008；EP0603798；EP0695574；US5,753,011；EP1634946；EP0596268；US6,565,626B1；US6,168,649B1和EP0799634。所提及的方法具有缺点，即它们部分地包括多个再压缩步骤，或仅能获得高纯度的渗透物气体或仅能获得高纯度的渗余物气体。对于同时获得高纯度的渗透物气体和渗余物气体，迄今仍没有适合的膜方法。另外对于仅仅利用膜方法进行氦气纯化，迄今仍没有任何令人满意的解决方案。
技术实现思路
从这种现有技术出发，本专利技术的目的是提供用于分离和纯化含氦气的气体混合物的方法和设备，其没有或仅以降低的程度具有现有技术中的方法和设备的缺点。特别地，意于提供可以同时以高纯度制备含氦气的渗透物气体以及渗余物气体的方法和设备。在另一个特定目的中，这些方法和设备应从投资成本和操作成本方面是有利的和/或容许实现更简单的方法控制。在下一个特定目的中，意于提供可以尽可能通用的用于纯化氦气的方法/设备。特别地，应可以高效和有效地分离任何气流，不管氦含量，不管气流的组成和不管气流中其它组分的含量如何。本专利技术的另一个特别的目的是保持氦气与粗气流相比的损失尽可能低。没有明确提及的其它目的由随后的权利要求书、说明书、实施例和附图的总体关联得出。现已令人惊奇地发现，可以通过根据权利要求1的方法和根据权利要求2的设备或其从属权利要求之一的方法或设备获得渗透物(氦气流)和渗余物的纯料流，而不要求超过一个的压缩机。根据本专利技术的设备同时允许以高纯度获得氦气和渗余物料流。设备的投资成本低；它不要求额外的下游纯化工艺。因此，可以用纯的膜分离方法达到提出的目的。本专利技术因此提供权利要求书中要求保护的以及下面的说明书和实施例中更详细阐明的设备和方法。下面将详细地描述本专利技术。首先，定义一些重要的术语。由两种个体气体的渗透率的商得到用于分离的膜在这两种气体方面的“选择性”，并因此指示所述膜能多好地在所述两种组分方面分离气体混合物。“渗透物”是指在所述膜、膜组件或膜分离步骤的低压侧上产生的总料流。“渗透物气体”是指在每种情况下在膜、膜组件处或在膜分离步骤中，在渗透物料流中与相应的进入料流中相比富含的一种或多种组分。“渗余物”是指在膜、膜组件或膜分离步骤的高压侧上产生的并不穿过所述膜的总料流。“渗余物气体”是指在每种情况下在膜、膜组件处或在膜分离步骤中，在渗余物料流中与相应的进入料流中相比富含的一种或多种组分。粗气体或粗气体混合物或粗气流17是指待利用根据本专利技术的方法或本专利技术设备分离的并包含氦气作为一种组分的由至少两种气体形成的气体混合物或这种气体混合物的料流。氦气的含量可以在任何所需限度内变化，但是优选是0.01-80体积％，尤其优选0.1-20体积％，非常尤其优选1-10体积％。粗气流可以是未经处理的气流，例如来自工艺等的副产物或废气流，或者是已经被后处理而提高氦气比例的气流，例如来自低温蒸馏的气流。适合的气流的实例是其中氦气用作例如保护气氛的工艺气体。原料流5是指供给原料流分离级1的由氦气和至少一种其它组分形成的气流。这种料流可以对应于粗气流17或由压缩机压缩的粗气流。然而，在将第二渗透物料流9和/或第三渗余物料流10再循环后，原料流5由粗气流17的气体、第二渗透物料流9的那些和/或第三渗余物料流10的那些组成。原料流5优选如下产生：将料流9和10都与未压缩的粗气流17混合，或将这两者与经压缩粗气流混合，或将之一与未压缩的粗气流混合并将之一与经压缩的粗气流混合，或将料流9和/或10与粗气流17在压缩机中混合。上述变型的组合也由本专利技术涵盖。原料流分离级1是指将原料流5分离成与原料流5相比富含氦气的第一渗透物料流6和与原料流5相比贫氦气的第一渗余物料流7的膜分离级。渗余物分离级2是指膜分离级，其可以具有与原料流分离级1相同或不同的构造，用于将第一渗余物料流7分离成与第一渗余物料流7相比富含氦气的第二渗透物料流9和与第一渗余物料流7相比贫氦气的第二渗余物料流8。渗透物分离级3是指膜分离级，其可以具有与原料流分离级1和/或渗余物分离级2相同或不同的构造，用于将第一渗透物料流6分离成与第一渗透物料流6相比贫氦气的第三渗余物料流10和与第一渗透物料流6相比富含氦气的第三渗透物料流11。通过参照根据本专利技术方法的下述优选和特定实施方案，以及优选和尤其适合的实施方案以及附图和附图说明，仅仅是以举例方式更详细说明本专利技术，即本专利技术不局限于这些实施方案和应用实施例或在各个实施例内部的特征的相应组合。连同具体实施例给出和/或描述的各个特征不局限于这些实施例或与这些实施例的其余特征的组合，而是它们可以在技术可能性范围内与任何其它变型组合，即使它们在在此提供的文件材料中没有进行分开地处理。各个图和附图部分的图片中的相同的附图标记是指相同的或相似的组件或起相同或相似作用的组件。借助附图中的描绘，还使没有提供附图标记的那些特征也变得明显，不管这些特征是否在下文中被描述与否。另一方面，包含在本说明书中的但是在附图中不可见或没有描绘的特征也是本领域技术人员可容易理解的。本专利技术设备(参见，例如，附图1-3)包括至少三个膜分离级的连接。每个级由一个或多个物理气体分离组件构成，这些组件并联和/或串联连接在一个级内。对于在所述组件中用于将气体分离的推动力是相应的膜分离级中渗余物那侧和渗透物那侧之间的分压差。所述分压差可以利用布置在原料流分离级1的进料侧上的压缩机4和/或利用至少一个，优选一个或两个真空泵(附图1-3中没有示出)产生，所述真空泵优选在渗余物分离级2的渗透物那侧上在第二渗透物料流9中和/或在渗透物分离级3的渗本文档来自技高网...

【技术保护点】
将含氦气的气体分离的方法，其特征在于它在具有原料流分离级(1)、渗余物分离级(2)和渗透物分离级(3)，以及至少一个压缩机(4)和/或至少一个，优选一个或两个真空泵(15)的设备中进行，所述原料流分离级(1)将由氦气和至少一种其它组分组成的原料流(5)分离成与原料流(5)相比富含氦气的第一渗透物料流(6)，和与原料流(5)相比贫氦气的第一渗余物料流(7)，所述渗余物分离级(2)将第一渗余物料流(7)分离成与第一渗余物料流(7)相比富含氦气的第二渗透物料流(9)，和与第一渗余物料流(7)相比贫氦气的第二渗余物料流(8)，所述渗透物分离级(3)将第一渗透物料流(6)分离成与第一渗透物料流(6)相比贫氦气的第三渗余物料流(10)，和与第一渗透物料流(6)相比富含氦气的第三渗透物料流(11)，将第三渗透物料流(11)作为产物取出或进一步加工和任选地将第二渗余物料流(8)作为第一另外的产物取出或进一步加工或弃置，将第二渗透物料流(9)和第三渗余物料流(10)供给原料流(5)或弃置，不让第一渗透物料流(6)经历再压缩，在将第二渗透物料流(9)和第三渗余物料流(10)再循环时，随第二渗透物料流(9)和第三渗余物料流(10)再循环到原料流(5)中的气体体积的调控经调节以致粗气流(17)的体积的总计少于50体积％，优选5‑40体积％，非常尤其优选5‑30体积％，特别优选10‑25体积％被再循环，和在将第二渗透物料流(9)和第三渗余物料流(10)再循环时，在第二渗透物料流(9)和第三渗余物料流(10)的第一次再循环后的氦气浓度在原料流(5)中提高，在每种情况下与粗气流(17)中的浓度相比优选提高至少2％，尤其优选至少3％，尤其优选4‑10％，非常尤其优选5‑10％。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.12.27 EP 11195776.71.将含氦气的气体分离的方法，其特征在于它在具有原料流分离级(1)、渗余物分离级(2)和渗透物分离级(3)，以及至少一个压缩机(4)和/或至少一个真空泵(15)的设备中进行，所述原料流分离级(1)将由氦气和至少一种其它组分组成的原料流(5)分离成与原料流(5)相比富含氦气的第一渗透物料流(6)，和与原料流(5)相比贫氦气的第一渗余物料流(7)，所述渗余物分离级(2)将第一渗余物料流(7)分离成与第一渗余物料流(7)相比富含氦气的第二渗透物料流(9)，和与第一渗余物料流(7)相比贫氦气的第二渗余物料流(8)，所述渗透物分离级(3)将第一渗透物料流(6)分离成与第一渗透物料流(6)相比贫氦气的第三渗余物料流(10)，和与第一渗透物料流(6)相比富含氦气的第三渗透物料流(11)，将第三渗透物料流(11)作为产物取出或进一步加工，将第二渗透物料流(9)供给原料流(5)，和将第二渗余物料流(8)作为第一另外的产物取出或进一步加工或弃置，将第三渗余物料流(10)供给原料流(5)或弃置，不让第一渗透物料流(6)经历再压缩，在将第二渗透物料流(9)和任选地将第三渗余物料流(10)再循环时，随第二渗透物料流(9)和任选地随第三渗余物料流(10)再循环到原料流(5)中的气体体积的调控经调节以致粗气流(17)的体积的总计少于50体积％被再循环，和在将第二渗透物料流(9)和任选地将第三渗余物料流(10)再循环时，在第二渗透物料流(9)和任选地第三渗余物料流(10)的第一次再循环后的氦气浓度在原料流(5)中提高。2.将含氦气的气体分离的方法，其特征在于它在具有原料流分离级(1)、渗余物分离级(2)和渗透物分离级(3)，以及至少一个压缩机(4)和/或至少一个真空泵(15)的设备中进行，所述原料流分离级(1)将由氦气和至少一种其它组分组成的原料流(5)分离成与原料流(5)相比富含氦气的第一渗透物料流(6)，和与原料流(5)相比贫氦气的第一渗余物料流(7)，所述渗余物分离级(2)将第一渗余物料流(7)分离成与第一渗余物料流(7)相比富含氦气的第二渗透物料流(9)，和与第一渗余物料流(7)相比贫氦气的第二渗余物料流(8)，所述渗透物分离级(3)将第一渗透物料流(6)分离成与第一渗透物料流(6)相比贫氦气的第三渗余物料流(10)，和与第一渗透物料流(6)相比富含氦气的第三渗透物料流(11)，将第三渗透物料流(11)作为产物和将第二渗余物料流(8)作为另外的产物各自取出或进一步加工，将第二渗透物料流(9)弃置，将第三渗余物料流(10)供给原料流(5)或弃置，不让第一渗透物料流(6)经历再压缩，在将第三渗余物料流(10)再循环时，随第三渗余物料流(10)再循环到原料流(5)中的气体体积的调控经调节以致粗气流(17)的体积的总计少于50体积％被再循环，和在将第三渗余物料流(10)再循环时，在第三渗余物料流(10)的第一次再循环后的氦气浓度在原料流(5)中提高。3.用于将含氦气的气体分离的设备，其特征在于它具有原料流分离级(1)，渗余物分离级(2)和渗透物分离级(3)，以及至少一个压缩机(4)和/或至少一个真空泵(15)，所述原料流分离级(1)经设计以致它将由氦气和至少一种其它组分构成的原料流(5)分离成与原料流(5)相比富含氦气的第一渗透物料流(6)和与原料流(5)相比贫氦气的第一渗余物料流(7)，所述渗余物分离级(2)经设计以致它将所述第一渗余物料流(7)分离成与第一渗余物料流(7)相比富含氦气的第二渗透物料流(9)和与第一渗余物料流(7)相比贫氦气的第二渗余物料流(8)，所述渗透物分离级(3)经设计以致它将所述第一渗透物料流(6)分离成与第一渗透物料流(6)相比贫氦气的第三渗余物料流(10)和与第一渗透物料流(6)相比富含氦气的第三渗透物料流(11)，所述设备经设计以致所述第三渗透物料流(11)可以作为产物取出或进一步加工，所述设备经设计以致所述第二渗透物料流(9)可以供给原料流(5),所述设备经设计以致第二渗余物料流(8)可以作为另外的产物取出或进一步加工或弃置，所述设备经设计以致第三渗余物料流(10)可以供给原料流(5)或弃置，所述设备经设计满足第一渗透物料流(6)不经历再压缩，所述设备经设计以致在将第二渗透物料流(9)和任选地将第三渗余物料流(10)再循环时，随第二渗透物料流(9)和任选地随第三渗余物料流(10)再循环到原料流(5)中的气体体积的再循环经调节，以致粗气流(17)的体积的总计少于50体积％被再循环，和所述设备经设计以致在将第二渗透物料流(9)和任选地将第三渗余物料流(10)再循环时，第二渗透物料流(9)和任选地第三渗余物料流(10)的再循环经调节，以致在第二渗透物料流(9)和第三渗余物料流(10)的第一次再循环后的氦气浓度在原料流(5)中提高。4.用于将含氦气的气体分离的设备，其特征在于它具有原料流分离级(1)，渗余物分离级(2)和渗透物分离级(3)，以及至少一个压缩机(4)和/或至少一个真空泵(15)，所述原料流分离级(1)经设计以致它将由氦气和至少一种其它组分构成的原料流(5)分离成与原料流(5)相比富含氦气的第一渗透物料流(6)和与原料流(5)相比贫氦气的第一渗余物料流(7)，所述渗余物分离级(2)经设计以致它将所述第一渗余物料流(7)分离成与第一渗余物料流(7)相比富含氦气的第二渗透物料流(9)和与第一渗余物料流(7)相比贫氦气的第二渗余物料流(8)，所述渗透物分离级(3)经设计以致它将所述第一渗透物料流(6)分离成与第一渗透物料流(6)相比贫氦气的第三渗余物料流(10)和与第一渗透物料流(6)相比富含氦气的第三渗透物料流(11)，所述设备经设计以致所述第三渗透物料流(11)作为产物和第二渗余物料流(8)作为另外的产物可以各自取出或进一步加工，所述设备经设计以致所述第二渗透物料流(9)可以弃置，第三渗余物料流(10)可以供给原料流(5)或弃置，所述设备经设计满足第一渗透物料流(6)不经历再压缩，所述设备经设计以...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·巴斯特，M·温格兰克，I·W·维尔瑟恩，
申请(专利权)人：赢创纤维有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利;AT