隔膜气体分离法制造技术

在膜渗透侧通过采用低真空来进行高效的膜干燥和其它气体分离。（*该技术在2012年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及隔膜气体分离，具体讲涉及采用冲洗气提高干燥操作的隔膜干燥器。在许多工业环境中必须和希望除去气流中的水分。水蒸汽是许多原料气和工艺气体中的普通杂质，它常常是作为污染物或腐蚀剂起作用，必须将之除去或降低其浓度，然后才能加以使用。例如，在气动系统中，如化学处理设备中，经常需要使用干燥空气(设备空气)。用来作为惰性气氛的气体也必须加以高度干燥，因为残留的水蒸汽可能有活性而非惰性。在其它情况下，所含的水蒸汽可以冷凝或结冰，从而抑制工艺气流的流动。因此，本领域中需要干燥气流用的有效手段。为了干燥气流传统上采用着许多不同的手段。在有些情况下，仅靠压缩气体就足以使水蒸汽冷凝为液体，将其从所说的气流中排掉。同样，冷却器和深冷阱能够以液体或固体冰形式冷凝除去水。冷凝法对一些用途来说非常适用，但是在需要极干燥的气体流时却常常不恰当。吸附法也经常用来干燥气体，因为许多吸附剂对水有强的吸附亲和力。但是，这些吸附剂很快变饱和，若需要使此干燥过程连续进行必须周期性地加以再生。在压力摇摆吸附(Pressure swing adsorption FSA)处理时，在上吸附压力下进行吸附。一些干燥的产物气体被减压后，用作对流冲洗气流，以利于低吸附压力下使水从吸附剂床中解吸。这种PFA法可以生产出极干燥的气流，但是必须将一些产品气体再循环用作冲洗气，然后从系统中以废气形式排掉。隔膜渗透法是特别引入注目的干燥方法，它与其它干燥手段相比有一些优点。众所周知，水蒸汽在许多合成的聚合物膜中有很强的渗透性。将载有水分的气体通过这种膜时，水蒸汽易于穿过膜透过，从原料气中进入渗透侧，条件是存在足够的驱动力以利于水蒸汽通过膜渗透。对于工业上适用的干燥法来说，欲加以干燥的气体必须暴露在大表面积的极薄的膜上，使膜材料中的扩散通路很短。在膜的两侧还必须具有和维持一定压差，以提供适合渗透作用的牵引力。此外，还必须建立一种能使被处理气体渐进暴露在膜额外面积上的流动方式，以便使气流中残存的水分能够继续渗透和从膜系统中除去。在包含大量的所谓复合材料或不对称空心纤维的一种渗透组件中可以方便地进行这种过程。这种渗透组件在本领域中已公知而且被逐渐广泛地用于范围日益扩大的工业气体分离工序之中。已经证实，所谓三口渗透器用于干燥低渗透性气体时有一些实质上的限制。这种三口渗透器具有一个原料气入口以及原料气中渗透部分和非渗透部分的两个单独的出口。虽然水分是高度可渗透的，但是仅当其它气体有足够的渗透作用时才能从隔膜的低压通路中有效地除去水。为了以有效的干燥器使用，这种渗透器必须以相当多级(a high Stage-cut)的方式操作，这意味着显著量的被干燥的气体也必须被渗透，因而造成干燥气体产品损失。经确定，使用四口渗透器时能够改进干燥性能，只要在空心纤维中存在着高度的径向混合作用就能达到。对于这种四口渗透器来说，将分离的干燥冲洗气流经过第四口引到空心纤维渗透侧的通路中，以便从纤维低压通路中冲洗水蒸汽。结果发现，与渗透干燥相比，冲洗干燥更有效。即使使用干燥的产品气体冲洗，此冲洗干燥法都是优良的，因为迫使产品产体渗透需要高压差或大的隔膜表面积，而采用单独的冲洗气体时此二要求均无必要。授予Prasad的第4931070号美国专利中介绍了使用以对流方式操作的四口隔膜组件作为气体干燥器。这份对比文件具体涉及氮的生产，其中将原料空气通入二级隔膜渗透器，空气中大部分氧在此设备中与氮分离。残留的杂质氧在“脱氧”单元中借助于与氢的催化反应除去。催化反应产生的水通过将湿氮气通入冷却器和液体水分离器被大部分除去。尽管如此，显著量的杂质水依然留在这样处理过的氮气流之中。残留的水分用一台隔膜干燥器除去，其渗透侧上的低压通路用空气、从第二级膜排出的干渗透气或干燥的氮气产品冲洗。虽然有这样有利的干燥方法，但是本领域中仍然希望作进一步改进，以改善实际工业操作中气体的隔膜干燥作用。使用产品气体冲洗时，当然有一定量产品气体损失在冲洗废气流之中。使用外部的干燥冲洗气源时，由于在所用冲洗气体中存在的一些非产品成分反向扩散，可能产生产品气流的一些不希望有的污染。这些因素造成了对上述隔膜干燥法最终用途上的实际限制。本专利技术的目的之一在于提供一种分离气体用改进的隔膜气体分离干燥法和系统。本专利技术的目的之二在于提供一种隔膜气体分离干燥法和系统，其中从外部冲洗气源反向扩散的杂质被减至最少。本专利技术的目的之三在于提供一种改进的隔膜干燥法和系统，其中使用产品气或外部冲洗气作冲洗气的数量减至最少。本专利技术的目的之四在于提供一种从高纯氮中除去水蒸汽用的改进的方法和系统，它们在干燥期间无产品氮气的再污染而且具有高度的产品氮回收率。针对心目中的这些和其它目的，以下将详细描述本专利技术，在后附的权利要求中特别指出其新特点。改进的气体分离作用完成如下将待分离的原料气体在等于或大于大气压的进气压力下通过一个隔膜系统，同时在所说隔膜的渗透侧于显著低于大气压的冲洗压力下通入冲洗气体。使所说的冲洗气体(不论是小部分干燥产品气体，还是外部供给的干燥气体)与原料气流以对流方式通过。以下参照附图进一步说明本专利技术，其中附附图说明图1是利用小部分干燥产品气体作为冲洗气的一种本专利技术方案的示意流程图;和附图2是利用小部分干燥氮气作为冲洗气的条件下，在隔膜一脱氧系统中产生的高纯氮气干燥用示意流程图。本专利技术目的是这样完成的基于隔膜的渗透侧上最佳化利用冲洗气来有效地利用驱动力促进通过膜的渗透作用。这种对于渗透作用的驱动力是在高压进料处或膜的非渗透侧的原料气分压与膜的低压渗透侧原料气分压的压差。通过膜的渗透作用在此二分压相等时终止。如果高压下(Phi)湿原料气流中的摩尔分数浓度是Yhi，低压下(Plo)渗透气流中水的最大浓度为Ylo则为Ylo＝(Phi/Plo)Yhi (1)如果被干燥气体的进气流速为Ff，则要从中完全除去水，膜系统的质量平衡要求废气流FwFw＝(Yhi/Ylo)Ff≥(Plo/Phi)Ff (2)此气流必须来自由隔膜渗透的干燥气体或干燥的冲洗气流。对于最好具有水对氮的极高分离系数的一些隔膜来说，将被渗过的氮量不足以提供出公式(2)所需的废气流。在无产品气渗透的个别情况下，全部废气流均来自冲洗气流Fp。因此，全部除去杂质所需的冲洗一进料比如下Fp/Ff≥Plo/Phi (3)压力和气流的影响可以结合起来定义“清洁比”如下CR＝FpPhi/FfPlo＝(Fp/Ff)(Phi/Plo) (4)理论上，完全干燥仅当CR值为1或更大时才能达到。但是，将会知道可能存在只需要部分干燥和采用较小清洁比的一些场合。反过来讲，对于彻底干燥来说，可能采用的清洁比显著大于1。因此，清洁比为1仅代表完全除去杂质的个别要求。许多其它因素与实际方法和系统的设计有关，而且对于基本上完全干燥来说通常采用的清洁比为2或更大。应当知道，在所用的冲洗气量(上面的个别要求)和采用的膜表面积之间有一种“折衷选择”应加以考虑。因此，当驱动力变得太小不足以渗透时需要大表面积。另一方面，如果所用的冲洗气量增加而且清洁比基本上大于1，则可以减小表面积。使用目的产品气体中一部分作为冲洗气时，从系统中实际上导出的产品气体是保留气体的量Fr，由下式得出Fr＝Ff-Fp (5)为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进的隔膜气体分离法，其中包括：（ａ）将原料气流通到一膜系统的非渗透侧，在原料气压下或在高于大气压下，该膜系统能选择性地使所说原料气中的快速渗透成份渗透；（ｂ）以与所说原料气流对流方式向膜系统的渗透侧通入冲洗气体，以便于从膜的表面带走所说的快速渗透成分并且保持通过膜从原料气流中除去快速渗透成分所需的驱动力，利用真空泵手段使膜的所说渗透侧保持在大约０．１～７．５ｐｓｉａ范围内的低于大气的压力下；（ｃ）从膜的非渗透侧回收产品气流；以及（ｄ）从膜的渗透侧排出冲洗气和透过膜的快速渗透成分，以便于由所说的真空泵手段在膜的渗透侧维持的真空条件增进气体分离操作的效率，从而降低总能耗。

【技术特征摘要】
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【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]