改进的分离气体混合物的薄膜系统技术方案

从气态混合物中分离出一种纯净组分气体的方法和系统。例如可以有效地从环境空气中获取纯净氧气（纯度为６０－９０％）。所提供的系统和方法中至少用三级渗透器，但不是每级都需要一台压缩机。这就减少了能量需求，作为能量需求的函数的产品纯度也能得以提高。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及的是有效地把气体混合物分离出一种更纯组分气体的方法以及薄膜分离系统。利用中空纤维膜和薄膜组件可以使从环境空气中生产氧和氮的简单方法得到发展。在现有技术中，将空气压缩后使其沿纤维束流动。氧容易渗透，故低压渗透的是富氧气体。当氧继续向薄膜渗透时，流动的滞留气流逐步变成富氮气流。在现有的单级方法中，所用的薄膜对氧的渗透高于对氮的渗透，如果需要的产品是富氮，而其纯度又不够时，只要把滞留的富氮气流与更大的薄膜面接触，以除去额外的氧杂质。因为所剩的含氮气流处于高压下，所以不需要另外进行压缩。而富氧渗透气流处于低压。如果需要进一步处理成更纯的氧，则富氧渗透气流在它可以通过薄膜渗透进一步纯化以前必须再次压缩。需要再压缩就要求有附加能量。采用简单的单级法所获得的渗透产品的纯度受到薄膜固有分离系数的限制。由于当前可利用的薄膜的分离系数通常小于10，显然单级薄膜不能用以生产高纯氧，所以要求采用多级方法。用薄膜法从空气中生产氧作为所追求的目标至少有40年的历史。Weller和Steiner在″Enginearing Aspects of Separation of Gases″，(Chem.Eng.Progress，46(11)，P585-590)中描述了一种富集空气中氧的单级方法，但也注意到这样生产出的产品纯度受到了限制。为了克服上述问题，他们提出了一种在理论上至少能够生产浓度为91％的氧气的多级串联法。在该串联法中，第n级的供气由第n+1级的滞留气和第n-1级的渗透气组成。所有渗透气流都要有压缩机将其压力升高到滞留压力。当级数增多时，将导致不可忽略的缺陷。当然通过采用足够多的级数可以生产出所需纯度的氧气。Walawender和Stern在″Analysis of Membrane Separation ParatnetersII.Countercurrent and Concurrent Folw in a Single PermeationStage″(Separation Science，7(5)，P553-584)中进一步对各渗透模式、薄膜性能及工作条件的单级方法作了分析。现有技术对两级再循环方法的使用也有教导，在这种方法中将第二级渗透气重新循环到第一级的供气中。通过调节各级的馏份(渗透流速与供气流速之比)、各级间的面积分配和工作压力之比(进气压力和渗透压力之比)，就可以控制氧浓度。对于选择率为6的薄膜来讲，当从第二级出来的富氧渗透气的再循环速率足够大时，这种方法能够生产出纯度高于50％的氧。采用高的再循环速率和足够低的各级馏份，再循环气流中的氧相对于空气要多，这样在第一渗透级的进气中的氧浓度就增高。这种方法只要求一台压机，但压缩气体的总量随再循环气体的总量增加。Ohno等人在″Separation of Rare Gases by Membranes″(Radiochem.Radioanal.Letters 27(5-6)，P299-306)一文中描述了一种采用串联的双级方法、在该方法中将第二级的渗透气再循环到第一级的进气中。这种方法用于N2-Kr和He-Kr分离。该方法只需一台供气压缩机。Ohno等人在″Comparison of Gas Membrane Separation Cascades usingConrentional Separation Cell and Two Unit Separation Cells″(J.Nuc.Sci.Tech.，15(5)，P376-386)中对串联的双级法进行了分析，发现这种双级要比传统的双级单元经济得多。Pan等人在″Gas Separation byPermeation Part 1.Calculation Mathods and Parametric Analysis″(Can.J.Chem.Eng.，56，P197-209)一文中，专门介绍了从空气中生产氧气的双级再循环方法。Hwang等人在″Gas Separation by Continuous Membrane Column″(Separation Science and Tech.，15(4)，P1069-1090)一文中所介绍的连续式薄膜柱作为第一类例子中的一个说明了氧-氮分离。在该方法中，把分离装置分成汽提区和富集区，各区均有逆向回流。经与传统的单级法比较，要求保护的薄膜柱在于能在低压缩系数下使生产的氧的浓度大大提高，但可能要求有较大的薄膜面积。然而由Stern等人在″Recycle and MultimembranePermeators for Gas Separation″(J.Membrane Sci.，20.P25-43)一文中的分析显示，这样的连续薄膜柱不如两级再循环方法。膜柱以及新型多薄膜渗透器进行了比较。作者更感兴趣的是渗透气再缩环或滞留气再循环对产品纯度的影响。Ward等人在″Membrane Oxygen Enrichmert″(General Electric Co.)一文中对单级和两级再循环薄膜法的应用及连续薄膜柱应用与传统低温法及PSA氧源法进行了比较。该文认为薄膜法适用于小容量低纯度(＜50％的氧)的范围。为了生产纯度达90％的氧，该文认为需对薄膜技术进行改进。其他研究又把再循环薄膜渗透器应用于从空气或其他气流中分离氧的方法中。Kimura等人在″Membrane Oxygen Enrichment I.Demonstration ofMembrane Oxygen Enrichment for Natural GasCombustion″(J.Mem.Science，29，P67-77)一文中描述的是单级方法生产燃烧用的合适的富集空气(约30％氧)的实际试验。在该具体方法中，渗透采用的是真空抽吸而不是压缩进气。这很好地说明了通常单级法只能获得低纯度气体。Qiu等人在″Economic Evalution Gas Membrane Separator Designs″(Ind.Eng.Chem.Res.，28，P1670-1677)一文中对连续式薄膜柱以及从空气中生产55％氧的单级和双级再循环方法的经济性作了估计。在该估计中，发现连续式薄膜柱是最经济的。美国专利的No.4,180,388描述了一种用双级渗透系统从混合气中分离一种气体的方法。美国专利No.4,130,403公开了一种用薄膜把主要含有天然气的混合气体中的酸组分除去的方法。该法涉及两级串接薄膜，其中从第二级出来的渗透气体经压缩并在到另一个膜中进行分离以后再重新循环到第二级入口。美国专利No.4,119,417描述的是一种利用两个按顺序工作的薄膜室的薄膜气体混合物分离系统，从第二级出来的渗透气体又重新循环到前一个进气压缩机上游的某个部位。美国专利4,264,338公开的气体分离方法，采用的薄膜可选择地用来渗透混合气体中的一种气体。该方法包括多级薄膜分离，其中把第二级出来的气体混合物送到再循环级薄膜进行分离，以获得富集所需气体的渗透气体，并将该渗透气体与第二级的进气进行混合。已有技术的另一种提高氧纯度的方法是两级进气回流法。该进气回流法与四孔薄膜组件的有效利用率有关，该薄膜组件可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种把气态混合物分离出一种纯净组份气体的方法，该方法包括把进入的需纯化的气体混合物送入分离装置中，该装置包括：（ａ）第一渗透器，它包括一个把该渗透器分成第一渗透侧和第一滞留侧的第一气体分离薄膜；（ｂ）第二渗透器，它包括一个把该渗透器 分成第二渗透侧和第二滞留侧的第二气体分离薄膜；（ｃ）第三渗透器，它包括一个把该渗透器分成第三渗透侧和第三滞留侧的第三气体分离薄膜；（ｄ）第一管道，它用来把所述第二渗透侧的出气端和所述第一滞留侧的进气端连接起来，从而把所述第二渗透器出 来的气态流送入所述第一渗透器；（ｅ）第二管道，它用来把所述第一滞留侧的出气端与所述第二滞留侧的进气端连接起来，从而把所述第一渗透器出来的气态流送入所述第二渗透器；（ｆ）第三管道，它用来把所述第一滞留侧的出气端和所述第三滞留侧的进气端 连接起来，从而把所述第一渗透器中出来的气态流送入所述第三渗透器；以及（ｇ）第四管道，它用来把所述第三滞留侧的出气端和所述第一管道或所述第一滞留侧的进气端进行连接，从而把所述第三滞留侧中出来的再循环气态流送入第一管道或所述第一滞留侧的进气 端，并使所述再循环的出气流混入到流过所述第一管道的气态流中或所述第一滞留侧的进气端中；（ｈ）用于接收所述进气混合物并送入到某一部位的入口，该部位选自第一管道，第二渗透侧和第一滞留侧构成的组；和（ｉ）在所述第一滞留侧上游的压缩机； 其中所述方法还包括获得纯净组份气体，作为从第三渗透器出来的渗透气。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：R普拉萨德，
申请(专利权)人：普拉塞尔技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]