气体脱水膜设备及方法技术

本发明专利技术提供了气体脱水设备及方法，该设备由未涂层的、具有可控孔隙率的非对称膜组成。膜是由聚合物材料制成的，这种膜对水汽具有高的迁移选择性，并有足够的孔隙度以提供充足的进料气渗透吹扫以吹除渗透的水汽，确保连续有效脱水状态。业已发现，不涂层非对称气体分离膜对于诸如空气、含烃气体、酸性气体以及这些气体的混合物等气体的脱水是很有效的。本发明专利技术述提供的膜具有独特的性质和特性，对气体脱水是一种有效的方法。（*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】
本专利技术涉及用于气体脱水的设备，该设备系由具有脱水能力的膜构成。另一方面，本专利技术涉及不涂层非对称气体分离膜的后处理方法，以控制孔隙度和进料气体通量流率。再一方面是，本专利技术亦涉及采用具有高的水通量和可控孔隙度的膜进行气体脱水的方法，这可促成利用一部分进料气流做为吹扫用，即，移除水蒸汽渗透分压的积累。水作为活性分子，在医药及其他化学品等诸多物质的贮存中必须予以脱除。从卫生学的观点看，脱水是必要的，原因是微生物(如霉菌)的繁殖在高湿度下非常活跃，另外人体所感受到的闷热程度不仅受高温的影响，还受高湿度的影响。此外，在包括电子工业、精密机加工工业、纺织工业、化学工艺和石油工业的诸多广泛领域中都需进行湿度控制。目前已有多种脱除水蒸汽的方法。其中之一是将气体与吸湿剂接触以除去进料气中所含的湿气。吸湿剂可以是硅胶、分子筛、生石灰、氯化钙、五氧化二磷、氯化锂和浓硫酸。在此方法中，需将用过的脱水剂进行处理或再生。因此，如果只用一台脱湿设备进行脱水，连续操作是不可能的。第二种方法是将气体进行压缩或冷却以使气体中所含的湿气冷凝从而将其脱除。此法的优点是可进行连续操作及大批量处理，其缺点是能耗较大，且难以脱水到低湿度。在新近开发的一种方法中，系利用对水汽具有选择性渗透力的膜将水汽从气体中脱除。此法包括有两种工艺过程其一是使用均匀膜，其二是使用载有吸湿剂的多孔膜。两种过程的共同优点是都可进行连续操作。使用均匀膜的过程具有较高的分离系数，但其缺点是渗透速率较低。当渗透速率较低时，可通过提高膜两侧的分压差而增加水的渗透量，分压差在膜渗透中起着推动力作用。然而实际上这是很难实现的，原因是在室温下水蒸汽的饱和蒸汽压低至约20mmHg，而膜的渗透侧的水蒸汽压力是高的，因此产生了一个不希望出现的阻止水汽附加渗透分压差。使用载有吸收剂的多孔膜的过程，其使用的膜是将诸如纸、布或无纺纤维等多孔支承体以聚乙烯醇或聚乙二醇等吸湿聚合物和/或氯化锂等吸湿剂浸渍而成的。此过程具有高渗透速率，但其缺点是当在高湿度条件下使用或搁置时，膜中所含的吸湿聚合物会吸水，从而由膜中渗出形成溶液，这就降低了膜的性能。在膜分离技术中，增加膜两侧的水蒸汽分压差的最适宜方法是减小渗透侧的压力，但这被认为是不可能的，原因是膜不具有足够的压力阻抗。实际上，在上述工艺过程中，并未采用降低压力的手段，湿气是在气体混合物和干燥气间简单交换的。使用干燥气的脱湿过程不能提供好的效率，因为若假定湿气被完全交换，当使100%相对湿度的混合气脱湿到10%以下时，就需要使用数量10倍于混合气的湿度为0%的干燥气。含有烃类的气体中若带有水也是很棘手的，因为有生成固态水化物的危险;当这些气体亦含有二氧化碳或硫化氢时，还有腐蚀的危险。诸如天然气、油田油层上的覆盖气、分离油气混合物而得到的伴生气，以及从石油提炼厂等来源得到的气体中均含有烃类，在这些气体中若含有水汽时在处理和贮存时都会遇到麻烦。必须将这些气体中的水含量减低到很小值才能进行输送或进行下一步处理，例如液化、运输或销售。在某些特殊场合，有可能通过减压或加热气体而将气体中含水的缺点克服，但这些方法仅仅适用于特殊场合。当气体需远距离输送时，上述方法是不经济的;根据市销指标，将这种气体进行销售也是显然不合适的。专门适用于油、气井口的已知脱水方法有冷却脱水、与乙二醇接触脱水、硅胶吸收脱水和分子筛脱水。所有这些方法均需庞大而昂贵的设备，尤其是气体需运输时。况且，乙二醇脱水装置还存在着重量和体积的安全问题。由于昂贵，硅胶和分子筛系统只能在某些特殊场合下考虑应用。带有无孔性分离层的渗透膜可实现自动化操作，采用这种渗透的被动系统的脱水方式提供了另一种满意的安全设施。然而，已⑾终庵直欢哪は低橙圆皇视茫蚴撬羝阜盅乖谀さ纳覆嗷峄凵撸饣崾沟盟荒茉谛枰暮陀惺涤靡庖宓乃较铝浮 一般说来，气体通过膜是借助孔进行的，所述的孔就是与膜的入口侧和出口侧连通的供流体流动的连续通道(这些孔道可能适合于也可能不适合于由Knudson流动或扩散所进行的分离)。根据膜理论的现行观点，另一种机理认为，气体通过膜是由气体和膜上物质进行相互作用而实现的。根据最新提出的这种机理，气体穿过膜的渗透作用包括气体在膜物质中的溶解和气体通过膜的扩散两个部分。现行观点认为单一气体的渗透常数等于该气体在该膜内的溶解度和扩散系数的乘积。当某种特定气体与某一特定的膜相互作用而在膜中渗透时，渗透常数是一特定值。气体的渗透速率即通过膜的通量，与渗透常数有关，但还受诸多变量的影响。这些变量包括膜厚、密度、自由体积、膜的物理特性、渗透气体通过膜的分压差以及温度等。根据本专利技术，业已发现适用于制作气体脱水膜设备包括例如本文所引用的、由Henis和Tripodi在其美国专利4，230，463中所提出的那种非对称气体分离膜(无涂层材料)。这些和其它未涂层非对称膜当进行适当的后处理而产生可控的孔隙度时可有很高的水汽通量，根据本专利技术它们很适合于脱水用。另一类不涂层膜也具有很高的水汽通量，亦适宜于气体脱水，此类膜由玻璃质的疏水聚合物组成，其中膜的第一热Tg大于主体玻璃质，疏水聚合物的第一热Tg。这类膜具有梯度密度表层，其渗透性很好，尤其是水汽的通量很大。具有梯度密度表层的膜可由下法制成将由玻璃质的疏水聚合物组成的涂布漆在Lewis酸、Lewis碱或Lewis酸-碱复合物的溶剂系统中旋压或浇注该溶剂系统能溶解这类聚合物，并可由极性凝结介质很容易分离开来，由此能得到无大孔隙的非对称膜，该膜具有高的自由体积和梯度密度表层。Kesting等人在1987年7月6日申请的美国专利申请66752(此处作为参考引入)中提供了这类具有梯度密度表层的膜。Kesting及其合作者开发了一种非对称气体分离膜，根据该专利技术，该膜在未涂层状态下具有高的水通量和足够的可控空隙度，可允许进料气体的可控部分渗透，并将膜的渗透侧的水汽吹扫掉。为了说明本专利技术，下文的术语和短语具有如下规定的意义。根据本专利技术，未涂层非对称气体分离膜和具有梯度密度表层的膜在远离多孔结构的表面之密度最大，这些膜有足够的可控空隙度以允许进料气的一部分透过并用于吹扫目的。此类分离膜在整体结构上实际是同一种物质，即，非对称分离膜本质上是化学均匀的。这些分离膜的材质表现出对水汽和其他一些快速渗透气体(相对于进料气体中的其余气体组分而言)具有选择性，因此定义为“分离膜”。分离膜的不对称性系指该类膜具有一层很薄的致密表面，此表面由一层厚的多孔基质所支承，而这两层都是由单一溶胶经相转变方法形成的。相转变方法是利用溶胶制备膜的通用方法，该方法是将溶胶转化为两个相互扩散的液相，即涂有聚合物的分散相胶粒和连续的第二个液相。此转化过程在溶胶凝固之前或与其同时进行，届时溶胶的乳状体凝结成不流动的凝胶。根据本专利技术，所使用的不涂层膜有助于将至少一种气体借助于与分离膜物质的相互作用从气相混合物中分离出来。膜的自由体积、可控孔隙度和梯度密度表层可强化这种分离作用。某种膜对给定的一对气体a和b的分离因子(αa/b)定义为该膜对这两种气体a和b的渗透常数(Pa)和(Pb)之比。分离因子亦等于厚度为l的膜对气体a和气体b的渗透率(Pa/l)和(Pb/l)之比，其中给定气体的渗透率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体脱水方法，败括：（ａ）将含有水汽的进料气与不涂层、非对称、具有可控孔隙率的膜之一侧接触，该膜由聚合物材料制成，其关于水汽对进料气的迁移选择性至少为１０００％左右，并具有足够的孔隙度以提供充分的进料气渗透吹扫，从而将膜的第二侧的渗 透水汽吹扫掉，以确保连续脱水状态；（ｂ）将进料气中所含的大部分水通过膜渗透掉；（ｃ）从装有膜的容器中将所产生的非渗透脱水气体移除。

【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：阿瑟威廉莱斯，米尔顿基思墨菲，
申请(专利权)人：珀美阿有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]