改进的膜分离系统和方法技术方案

膜系统内原料气组分的冷凝作用被有效地消除，这是通过在保温外壳内安装的膜系统，该外壳加热以使通入所述膜系统内的原料气保持过热状态。该系统内的膜组件不是逐个地保温。在该外壳内能很容易地保持一种持久，稳定的温度环境，并且在为方法优化目的而控制操作温度方面能达到有利的灵活性。全部操作能量需要量由于有利地回收原料气的压缩热以供给保温外壳内原料气的加热而降低。（*该技术在2008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】
本专利技术涉及渗透膜气体分离系统。更具体地说，它涉及防止该系统中的冷凝作用。能够选择地渗透气体混合物中一个组分的渗透膜，在技术上被认为是用于实行所要求的气体分离的一种方便的，有高度有利的方法。为了在实际工业操作中实现这种能力，膜系统必须能够达到和维持工艺过程所要求的效率程度，而没有因与膜有关的环境因素而出现未到期的检修或膜寿命不合理的降低。这种环境因素与原料气组分在膜表面上的冷凝有关。这种冷凝能导致渗透速率下降，腐蚀，增加维修並缩短膜寿命。另外，膜系统的冷凝在某些实例中还会引起所需产品流的污染。因此，由于这种冷凝作用对给定的气体分离操作一般要求有更大的膜表面积。结果，使投资和维修费用都提高而超过了没有冷凝问题的膜系统所需的费用。因此，重要的是要致力于技术上降低或消除膜系统中的冷凝作用。为此目的所使用的一个方法是使输到膜系统的原料过热，並且为了保持其过热状态，要对膜系统中的膜组件逐个进行保温。过热一般由外置热源供给，例如蒸汽或电加热器。另一个方法是采用吸附剂对原料气进行予干燥或用冷冻干燥器予干燥並冷至低于膜操作温度的露点温度。然而当这些方法用于减少或消除冷凝时，可以估计到与此有关的操作费用和投资会很高。因为予热器一般必须外置能源，对各个膜组件的保温是相当贵的，而且因维修目的而要能接近膜是困难的。同样地，就操作费用和投资而言，干燥器也是昂贵的。当膜系统冷凝问题的解决方案发展至此，有必要在技术上做进一步的改进，这改进要使冷凝作用在降低原始投资的条件下减至最低程度或消除，並且操作的费用和维修费用要低于现有技术实施中所要求的。技术上的这种改进有助于使渗透膜系统在各种工业的有用气体分离操作的使用在技术和经济上成为现实。因此本专利技术的目的是提供一种，其中排除了冷凝问题。本专利技术另一目的是提供一种膜分离系统和方法，该方法含有用于消除或减少原料气组分在膜表面上冷凝的改进装置。考虑到上述和其他目的，将在下文对本专利技术进行详细的描述。本专利技术新特征将在附加的权利要求书中加以特别指出。一种保温加热的外壳是用于对原料气提供和/或保持过热，该原料气是输入装在所述外壳中的膜系统。过热是用于防止膜材料表面上的冷凝作用。没有必要对各个膜组件进行加热，或者在输入膜系统之前对原料气予热或予干燥。由原料气压缩工艺中回收的热，用作过热是合乎要求的。参考本文附图进一步对本专利技术进行说明，其中附图说明图1是本专利技术温度控制系统实施例的示意图;图2是本专利技术最佳实施例的示意图，该实施例提供了有利的热量回收和温度控制。达到本专利技术目的是凭借在其本身的单独外壳中所安置的膜系统，该外壳保温並加热，以使输入外壳中膜系统的原料气保持所要求的过热状态。因此，包含在所述膜系统的各个膜组件不需要逐个地进行保温。在实施本专利技术时，控制冷凝的投资和操作费用可以降低。另外，在操作温度的控制和达到工艺最佳化方面，增加了灵活性。对于任何能够选择性地使原料气混合物(该混合物含有易渗透和不易渗透组分)中的易渗透组分渗透的膜结构，都可理解成适用于本专利技术。因此，复合型膜、不对称型膜或任何其它型式的膜构型都能使用。复合型一般含有一层薄的分离层，或叠加在多孔基质上的一层合适的渗透膜材料的涂层，具有决定复合结构的分离特性的分离层。从另一方面来说，不对称型膜基本上是由单一渗透膜材料组成的，该材料具有薄的致密的半渗透表面层，它能决定膜的分离特性，而不致密，多孔、非选择性的载体部分用于阻止薄表面层受压破裂。这些膜的构型可以制成多种形式，例如螺旋状卷绕、中空纤维、平片等等。为了在实际工业操作中使用，这些膜的结构一般用于膜装置中，通常是将其放在外壳内以形成膜组件，该组件含有全部膜系统的主要部件。如根据本专利技术在本文中所使用的，膜系统包含一个膜组件或多个按並联或串联操作而排列的膜组件。如上所述，膜系统被放在一个加热至过热状态的隔开的保温外壳内。该系统中的各个组件，不需要像现有技术所实施的那样要各个保温。膜组件可以制成螺旋状卷绕筒、中空纤维束，打褶的平片的膜装置以及在膜工业中一般的其它型式的膜装置。膜组件要构成能使它具有一个进料侧面和一个相反的渗透出口侧面，在常规的组件中，其外壳部分要构成能将原料气混合物带入与膜的进料侧面相接触，为了排放原料气中的非渗透部分和分开排放已通过膜的渗透气体要设置管道。当各种实用气体分离操作易于产生不希望有的冷凝问题时，本文将依据空气分离而生产富氮产品气，来说明为优化气体分离膜系统操作而所需的改进方法和系统以保持过热、稳定的温度环境，以及冷凝问题的性质。在空气分离操作中，渗透率降低，即当空气的相对湿度提高时，膜的渗透速率降低。从另一方面来说，如加热原料气以便降低其相对湿度，则空气中较易渗透的组分氧的渗透速率就增加。当渗透速率提高，则可以认为对于给定的气体分离来说，所需的膜表面积可以减少，例如，在上述空气分离的情况下，从氮气中分离氧。因此，当原料气过热较多时，直至加热到高于它的露点温度时，对于特定膜系统来说，所需的有效膜表面积可以减少，因此，与分离气体操作有关的投资费也可以减少。许多其它问题可以由膜装置中的水或其它冷凝液的积累而引起。这样，腐蚀就成为主要问题，为了使结构材料能经得住这种腐蚀和/或增加维修费用，就需要额外的投资。另外，冷凝液积累最终会带入产品气流中，结果污染了产品。在空气分离的情况下，水能在膜组件中冷凝，並带入非渗透的氮气产品气流中。然而，水蒸汽是很易渗透的。因此，如果过热，通常它应渗透过膜，与其它渗透的废产品一起从系统中排出，即在典型的空气分离操作中的富氧渗透气流。除了这种相对湿度和冷凝液影响膜性能外，膜的操作温度对膜性能也有明显的影响。因此，膜系统的单位膜表面积的生产能力和单位原料气的生产能力明显地随操作温度而变化。随着温度的提高，单位面积的生产能力增加，但单位原料气的生产能力降低。结果是，在较高的操作温度下，给定的膜表面积能生产更多的产品气体，但在这样较高的温度条件下，需要成比例的增加原料气。所需原料气的这种增加必定要求更大的空气压缩机，並且要消耗更多的能量。在较低的操作温度下，呈现相反的效果，压缩机和能量的需要量可以降低，但对给定的气体分离操作来说，需要的膜表面积就更大。当然，要适当考虑这种温度的影响，最理想的是对特定操作温度，设计的膜系统对表面积和原料气的需求是最优化的。一旦膜系统已设计出来，最重要的是使该系统在一般的工业操作过程中能保持住设计的温度。也希望根据设计的条件，在降低需要量时，具有改变系统操作温度的能力，以便更好地满足生产和/或净化的要求。本专利技术的实施提供了所要求的修正操作温度的灵活性，该温度可在设计温度和各种调节所要求的温度之间，或者在一个调节温度与另一个调节温度之间，或者甚至在这些温度与高于所述设计的温度之间修正。正如本文所公开的内容进行评价的那样，本专利技术提供了一种便利的、低费用的和有效的方法，该方法对气体分离渗透膜系统提供了一种持久的、稳定的、灵活的过热环境。对本专利技术的目的来说，一种价低的外壳或构件安置在膜系统上，该系统通常包含许多膜组件。外壳是用一般建筑结构保温材料进行保温，例如，R-11的3″或6″或其它典型的玻璃纤维或其它的合适的保温材料。外壳可理解为大到足以允许操作人员进入外壳，以维修配置在那里的膜系统。外壳可用金属板或任何其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改良的气体分离系统，包含：（ａ）一种渗透膜系统至少含有一个膜组件，它能选择性地由料气流的一种不易渗透的组分中渗透其一种易渗透的组分，所述系统包含有装置，用于将原料气流在要求的原料气压力下，输入所述膜组件的进料侧面，并在基本上是上述原 料气压力水平下分别排出作为非渗透气体的不易渗透组分，和在较低压力下的作为渗透气体的易渗透组分，为了保持膜组件内的热量，不是对单个膜组件或多个膜组件逐个进行保温；（ｂ）供热装置适于对原料气流提供足够的热量，以便使所述原料气过热至高于所述原 料气在通入渗透膜系统之前的原料气压力下的饱和温度；（ｃ）一种包围所述膜系统和所述供热装置的外壳，该外壳是保温的以控制和／或使这里的热损失降低到最低限度，以至于热损失不多于所述供热装置所提供的热量，而且使通过膜系统的原料气流保持过热状态， 因此，有效地排除了膜系统内原料气组分的冷凝和／或保持膜系统内的稳定的、均匀的控制温度，并在改变系统内温度使膜系统达到更有效、更优化的操作状态，具有有利的灵活性。。

【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：迈克尔约瑟夫肯贝尔，詹姆斯斯莫拉列克，蒂莫菲史各特范伦特，
申请(专利权)人：联合碳化公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]