多级串联吹扫的气体膜分离法和设备制造技术

一种通过组合使用两个或多个膜组件来制备高纯气体的串联吹扫法，该方法包括：ａ）收集第Ｎ级非渗透物流并作为第Ｎ＋１级的进料；ｂ）收集所述第Ｎ＋１级的渗透物流，以逆流方式加入第Ｎ级渗透物流中；ｃ）收集第一级的渗透物和最后一级的非渗透物。（*该技术在2012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】
本专利技术涉及用于制备高纯气体的渗透膜系统。目前采用膜分离法进行各种各样的气体分离，一般来说，在这些分离方法中，引入一股进料，使其与膜表面接触，其中易渗透的组分(如空气分离情况下的氧气)在低压侧回收，而不易渗透的组分(如空气进料中的氮气)作为非渗透物流在接近进料的压力下予以收集。目前制造的膜系统经济易得，这类膜系统能使进料组分之一在低纯度范围内富集，提供一种富集的非渗透物流。然而，在市场上却需要高纯度的气体。除此之外，在许多情况下，由于制造困难，膜显示出小小的缺点，如微漏或流量偏离理想状态，从而膜组件不象没有这类缺点时的好。而且，当制备的气体纯度增加时，与理想性能的偏差变得更大，从而难以以较低的成本制备高纯度的气体。满足市场需求的传统制备高纯气的系统为压力旋转吸收装置(PSA)或制冷装置或既采用膜又采用PSA的混合装置，或与反应器相联的膜或PSA，例如，残留在氮气渗透(或非渗透)物中的氧气与氢气反应生成水，该水必须除去。然而，这类混合系统太复杂和昂贵，不如膜系统简单。为了改进膜系统，建议采用两组膜组件。例如，建议采用简单串联的方法，第一级非渗透物流作为第二级渗透器的进料物流，这类系统以附图说明图1表示，在美国专利4，894，068中公开了这类系统。也建议采用循环串联法，其中第二级渗透物流在压缩步骤前与第一级进料物流混合，这类系统以图2表示，在美国专利4，180，388;4，180，552;和4，119，417中公开了这类系统。另一方面，在文献中公开了用于回收渗透物流的其它多级法，如连续塔法、提馏法(stripperprocess)和并联法。图1的简单串联法未利用第二级的渗透物流，与进料空气或与第一级渗透物流相比，这种气体富集了不易渗透的气体。简单串联法当用于制备高纯氮气时(如美国专利4，894，068)，因其高的能耗，从经济的角度仅限于实验室规模少量生产。循环串联法通过在压缩前使渗透物流与进料物流混合，以高的能耗来利用渗透物流，并增加了复杂性。因此，对制备高纯度的非渗透物流的膜法仍存在一种需求，该法能减少所需投资和能耗，具体地说，对大规模制备高纯度的非渗透物流的膜法仍存在着一种需求。因此，本专利技术的一种目的为提供一种制备高纯度气体的膜法。本专利技术的另一目的为提供一种制备高纯度气体的膜法，该法要求降低投资和操作能耗。本专利技术再一具体目的为提供一种制备高纯氮气(如99%或更纯)的膜法，优选的是，它作为非渗透气体从串联膜系统的最后一级予以回收。因此，通过采用两个或多个膜件的组合来制备气体、特别是高纯度的气体的方法可达到上述目的和其它目的，根据下述专利公开这些目的会变得显而易见，该方法包括a)收集第N级非渗透物流并作为第N+1级的进料物流;b)收集第N+1级渗透物流并使其进入第N级渗透物流，并且c)收集第一级渗透物流和最后一级的非渗透物流。图1表示传统的简单串联法，其中第一级非渗透物流为第二级渗透器的进料;图2表示传统的循环串联法，其中第二级的渗透物流与第一级的进料在压缩步骤之前混合;图3表示本专利技术的膜系统，其中渗透物流以吹扫逆流方式进入第一级膜组件的一个渗透物中，以便利用富集气体而不浪费能量来再压缩富集气体。图4表示在典型的中空纤维管束中的流型。图5以图形方式表示传统系统作为氮气纯度的函数的膜性能和回收率。图6以图形方式表示本专利技术的膜系统和传统系统在作为氮气纯度函数的膜性能或回收率方面的对比。图7表示根据本专利技术，采用低性能的管束作为第一级，以及高性能的管束作为第二级。图8表示根据本专利技术采用差别级温。图9表示根据本专利技术在第二级与第一级之间渗透侧采用压缩机。本专利技术提供了一种多级膜系统，其中渗透侧物流以吹扫逆流方式进入第一级膜组件的渗透侧，以便利用富集的气体，从而避免浪费能量来压缩富集气体，本专利技术在制备高纯度的非渗透物流时十分有利，因为可同时降低投资和能耗，本专利技术特别适于大规模地制备高纯氮气。膜系统能选择性地从含易渗透和不易渗透的气体中分离更易渗透的组份。产生这一结果的膜可为技术人员熟知的任何类型的化学组成，如聚酰亚胺、聚酰胺、聚碳酸酯、聚硅氧烷、聚烯烃、聚砜和纤维素醋酸酯，或无机膜，如陶瓷、玻璃或碳，这些膜通常采用对称的或非对称的或混合的中空纤维或为螺旋状的管束(spiralwoundbundles)的形式排列。而且，已开发出了不同类型的管束和组件构造，这里渗透的和非渗透的物流可以是并流、逆流或错流或其组合。然而，无论采用怎样的固有膜性质，全逆流流型是理论上最优流型，而膜性能通常受与这种流型任何偏差的影响，当生产高纯气体产物时，这种偏差反而对膜性能有更大的影响。然而，事实上极难在膜的渗透侧和非渗透侧产生这种理想的类型。在中空纤维管的情况下，纤维外的流型常常与理想状态有较大差距，特别是当低压渗透侧为纤维外时。因此，在管束的产品末端(这里渗透物流最少)很可能发生轴向混合，这意味着在这一领域观察不到理想的逆流流型，这一现象在A.G.Narinsky的文章中进行了详尽的描述，该文章为“采用非对称膜进行气体分离时的理想流模型的应用条件”，《膜科学杂志》，1991年，第55卷，333-347页。无论采用什么样的流型，膜组件的高纯性能常常受到当今制造技术能力的限制，将成千上万只中空纤维管组装在一起而不会有任何渗漏或破裂是很困难的。客观上讲，膜组件的性能(如回收率)可用图5来图示描述。一般来说，本专利技术要求组合使用几个膜组件，包括串联系统本身的并联组合，以便利用在逆流流型中由每一组件产生的所有物流，来增强其它组件的性能，同时亦限制了任一管束的任何缺陷的影响，根据本专利技术，组件的大小和化学组成可以相同或不同。一般来说，推荐的方法为采用两个或多个膜组件的多级法，其中第N级的非渗透物流收集起来作为第N+1级的进料，第N+1级渗透的物流收集起来，进入第N级的渗透物流中，优选的是以逆流吹扫的方式，并收集第一级渗透产物和最后一级的非渗透产物。即，本专利技术是通过组合使用两个或多个膜组件来实施的(1)收集第N级的非渗透物流，并将这一收集的物流作为第N+1级(即随后的一级)的进料;(2)收集第N+1级的渗透物流，并使其进入第N级(即前一级)渗透物流中，优选的是以逆流吹扫的方式;和(3)收集第一级的渗透产物和最后一级的非渗透产物。根据本专利技术的各种实施方案，第N级的非渗透物流可用作第N+1级和/或N+2级等的进料，值得注意的是，在实际操作中，在第N级、第N+1级和第N+2级等之间通常有较小的压降，这意味着第N级非渗透侧或进料侧的压力比任何随后级进料侧的压力都高，如第N+1级或第N+2级。恰恰相反，吹扫第N-1级渗透侧的第N级渗透物可用来吹扫第N-1和/或N-2级等。这就意味着第N级渗透物的压力常常比至少第1至N-1级渗透物之一高，以便能吹扫膜的渗透侧。这也意味着第N级非渗透侧与渗透侧之间的压降比第N+1级高。采用带吹扫物流的串联系统(用下一级渗透物对本级渗透物进行吹扫)，与以并联或不带吹扫的或循环的串联操作的N个类似分离器性能相比，或与相当于N个小分离器的总面积的一个大分离器的性能相比，可增加其操作性能。通过收集或均匀化第N+1级的渗透物流，并用它作为第N级的吹扫气，第N+1级管束上任何缺陷(如非理想流型或微漏)比非串联法或不带渗透吹扫气时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从空气制备氮气的串联吹扫法，该方法采用多级膜组件，每一组件含有大量的中空纤维膜，该多级膜组件中至少之一含有吹扫气入口，以便能往中空纤维膜的外表面上轴向注入吹扫气，该方法包括：ａ）将压缩空气加入第Ｎ级膜组件，所述组件适于选择性地渗透氧气，且不渗透氮气；ｂ）保持中空纤维膜的孔表面与中空纤维膜外表面间的压差；ｃ）使产生的非渗透气轴向流过中空纤维膜的孔，并流出中空纤维膜的末端，离开第Ｎ级组件；ｄ）使上述产生的非渗透气体流入第Ｎ＋１级膜组件，所述Ｎ＋１级膜组件适于选择性地渗透氧气而不渗透氮气；ｅ）使非渗透气体轴向流过中空纤维膜的孔，并从中空纤维膜的末端流出，离开所述的Ｎ＋１级膜组件；ｆ）从最后一级膜组件收集氮气；ｇ）从第Ｎ＋１、Ｎ＋２级等至少之一中收集至少一部分渗透物流，使所述渗透物流进入前面的第Ｎ级膜组件之一的吹扫气入口，所述的吹扫气在中空纤维膜的外表面上轴向加入，优选的是与非渗透气逆流，该吹扫气与通过中空纤维膜渗透的气体混合，形成渗透物流；并且ｈ）放空或将至少一部分所述的渗透物流加入一个前面级的吹扫气入口中。

【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：B克里斯琴，M道米尼克，
申请(专利权)人：乔治克劳德工艺研究开发有限公司，
类型：发明
国别省市：FR[法国]