分离气体的方法技术

本发明专利技术涉及分离气体的方法,用于将气体混合物分离成两个各自纯度提高的部分的特定设备，更尤其是气体分离膜组件链。

【技术实现步骤摘要】
本申请是于2011年5月26日提交的PCT申请PCT/EP2011/058636的中国国家阶段申请,申请号为201180032140.1、题目为“分离气体的方法”的分案申请。
本专利技术涉及用于将气体混合物分离成两个各自纯度提高的部分的特定设备，更尤其是气体分离膜组件链。
技术介绍
利用气体分离膜，可以基于塑料中各气体的不同透过率(＝每单位时间、单位面积、压差和层厚度的物质流量)将气体混合物分离。一般将塑料加工而获得中空纤维或平膜。所述膜的特征在于在膜表面处的非常薄的分离层，以致所述膜的渗透率(每单位时间、单位面积和压差的物质流量)尽可能大。用膜以一次穿透可以达到的分离结果不但取决于膜的选择性而且取决于膜的高压侧和低压侧之间的压力比。压力比越大，可以达到的最大分离结果越好。在低压力比范围内，不同选择性的曲线彼此贴近(参见图1)。在这个范围中的分离结果由压力比确定。这个范围因此称为\压力限制的\。在高压力比范围内，分离结果几乎不可能仍受压力比影响。这个范围称为\选择性限制的\。用于分离气体的一系列膜连接是从文献中已知的。在Baker,IndEngChemRes,Natural Gas Processing with Membranes,47(2008))中，可找到各种已知的连接的详细列表。例如，使用具有根据图2的简单的单级膜分离步骤的甲烷(渗余物气体)和CO2(渗透物气体)的分离虽然可以在产物料流中达到高纯度(98％CH4)。然而，渗透物那侧废气流的品质在此不能受影响并具有低纯度(44％CO2)。滑差，或甲烷损失相应地大。在具有再循环的单级连接(图3)的情况下，可以轻微提高纯度。然而，据此不可以解决低渗余物气体收率和渗透物气体品质的根本问题。对于更高的渗透物纯度和保留组分的更高收率，一系列多级连接是已知的。在具有第一渗透物的再压缩和再循环的简单渗透物分级的连接(图4)中，可以改进渗透物纯度(86％)和甲烷收率。如果较好渗透的组分以提高的浓度(30％)出现，则根据图5的连接根据文献可能是有利的。产生两个富含渗透物气体的料流(82％CO2，93％CO2)和一个富含渗余物气体的料流(82％CH4)。Bhide(MemSci，Hybrid processes for the removal of acid gases from natural gas，1998)公开了从天然气除去酸性气体的三级工艺(图6)。让待处理的气流经历在上游膜中的粗纯化。引导保留在压力那侧上的预纯化天然气经过另一个膜。在渗余物那侧上形成目标产物料流，即酸性气体贫化的天然气。将渗透物那侧上富含酸性气体的料流压缩并供给另一个膜级。将这一级的渗余物压缩到上游级的压力水平并再循环到其上游。这种附加的能量和经济上的花费旨在提高甲烷收率。这种连接的缺点是压缩机的开支和富含酸性气体的料流的不足够的纯度。Chenar(MemSci Application of Cardo-type polyimide(PI)and polyphenylene oxide(PPO)hollow,2008)描述了用具有再压缩的渗透物分级的工艺(图7)。这种连接的缺点是渗余物气体的强烈受限的纯度和用于再压缩的附加开支。EP0 799 634公开了根据图8的连接。然而，缺点是油或水作为密封剂和润滑剂的附加潜在的导入，附加的高投资成本，由附加的压缩导致的能量消耗增加，和由于活动部件引起的失效可能性增加。上述方法的缺点是附加的再压缩和总体渗余物料流中渗余物气体的纯度另外明显太低和渗余物料流中渗余物气体的不足够的收率。图9示出了尤其对于沼气的处理经常提出的并也经转换的技术(Air Liquide and Harasek)。公开的是具有渗透物从第二级再循环的渗余物分级的连接。TU Eindhoven开发了具有内部分级的连接，其能够实现大于90％的甲烷纯度(参见图10)。这种连接的缺点是渗余物气体的不足够的纯度。EP 0 603 798中公开了制备氮气的多级连接。这种方法的缺点是渗透组分的不足够的纯度和使用至少两个压缩机。EP0695574公开了具有部分利用渗透物料流作为扫描料流用于产生尽可能纯的渗余物的连接。这种方法的缺点是总体渗透物的不足够的品质。US5753011公开了一种方法，其中通过渗透分级的膜分离步骤与压力变换吸附PSA的组合达到两种产物料流的高纯度。这种方法的缺点是使用昂贵的且不方便的PSA。EP1634946公开了沼气的处理方法。其中描述了从甲烷耗尽的料流热利用甲烷。缺点是高成本和气体的损失。最后，EP0596268公开了产生三种不同气体组合物的各种连接。US 6,565,626 B1和US 6,168,649 B1各自公开了具有三个膜分离级的膜分离法，其中渗余物料流和渗透物料流分别从级2和3再循环到粗气流。从现有技术获知的方法的缺点是可以达到渗透物气体的高纯度或渗余物气体的高纯度。为了同时达到渗透物气体和渗余物气体的高纯度，例如，在沼气的处理和供入天然气网络的情况下，由于对甲烷纯度的高要求和由于限制甲烷滑差而是必要的那样，不存在在没有再压缩单元或没有渗透物或渗余物料流的进一步纯化(例如渗透物料流的热后燃烧或渗余物料流的压力变换吸附)的情况下就足够的方法。
技术实现思路
从这种现有技术出发，本专利技术的目的是提供分离和纯化气体混合物的设备和方法，该设备和方法不具有现有技术的方法和设备的缺点或仅在降低的程度上具有所述缺点。更具体地说，意于提供同时以高纯度提供渗透物气体和渗余物气体的方法和设备。在另一个特定目的中，这种方法和这种设备应在投资和操作成本方面是有利的和/或能够实现更简单的方法控制。在下一个特定目的中，应为任何所需气体混合物提供尽可能可通用的方法/设备。更具体地说，应该可以分离在沼气和天然气生产中获得的，或在其它气体例如水、氢气、硫化氢存在下包含二氧化碳和甲烷的气流。本专利技术另一个特定目的是提供能够实现含甲烷粗气流的纯化，而与在相同通量下的现有技术方法相比具有减少的甲烷排放和因此具有减小的由这种强的温室效应气体引起的环境污染的方法或设备。没有明确提出的其它目的由随后的权利要求书、说明书、实施例和附图的总体关联得出。现已令人惊奇地发现，根据权利要求1的设备或从属于其的权利要求之一可以提供纯的渗透物和渗余物料流，而不要求多于一个压缩机或必须进一步通过其它方法对渗透物或渗余物料流进行纯化。本专利技术设备因此能够实现以高纯度同时获得渗透物和渗余物料流。该设备的投资成本低，它不需要任何附加的下游纯化方法就足够。因此可以用纯的膜分离法达到所提出的目的。本专利技术权利要求书因此提供分别在权利要求1-12和13-18中要求保护的，且在随后的说明书、实施例和附图11中详细限定的设备和方法。下文中将详细描述本专利技术。首先，限定一些重要的术语。各气体的渗透率的商得出分离膜在这两种气体方面的选择性，并因此给出所述膜能多好地在所述两种组分方面分离气体混合物。渗透物是指在所述膜、膜组件或膜分离步骤的低压侧上获得的总料流。渗透物气体是指在每种情况下在膜，膜组件处或在膜分离步骤中在渗透物料流中相对于相应的进入料流富集的组分。渗余物是指在膜、膜组件或膜分离步骤的高压侧上获得的并不穿过所述膜的整个料流。本文档来自技高网...

【技术保护点】
分离气体的设备，包括膜分离级(1)‑(3)，至少一个压缩机(4)和/或至少一个，优选一个或两个真空泵(15)，其中所述原料流分离级(1)将由至少两种组分组成的原料流(5)分离成第一渗透物料流(6)和第一渗余物料流(7)，所述渗余物分离级(2)将所述第一渗余物料流(7)分成供给原料流(5)的第二渗透物料流(9)，和作为产物取出的第二渗余物料流(8)，和所述渗透物分离级(3)将所述第一渗透物料流(6)分成供给原料流(5)的第三渗余物料流(10)和作为产物取出的第三渗透物料流(11)，其特征在于‑所述第一渗透物料流(6)不经历任何再压缩，‑至少在原料流分离级(1)中，但是优选在所有三个膜分离级(1)‑(3)中，使用具有至少30的混合气体选择性的气体分离膜组件，‑所述设备经配置以致在第二渗透物料流(9)中和在第三渗余物料流(10)中再循环的气体体积总计小于粗气流(17)的体积的60体积％，‑在第二渗透物料流(9)和第三渗余物料流(10)的再循环后，原料流分离级(1)的至少一种渗透物气体的浓度在原料流(5)中得到提高，优选提高至少2％，更优选提高至少3％，更优选提高3‑40％，在每种情况下与粗气流(17)中的浓度相比。...

【技术特征摘要】
2010.07.01 EP 10168121.11.分离气体的设备，包括膜分离级(1)-(3)，至少一个压缩机(4)和/或至少一个，优选一个或两个真空泵(15)，其中所述原料流分离级(1)将由至少两种组分组成的原料流(5)分离成第一渗透物料流(6)和第一渗余物料流(7)，所述渗余物分离级(2)将所述第一渗余物料流(7)分成供给原料流(5)的第二渗透物料流(9)，和作为产物取出的第二渗余物料流(8)，和所述渗透物分离级(3)将所述第一渗透物料流(6)分成供给原料流(5)的第三渗余物料流(10)和作为产物取出的第三渗透物料流(11)，其特征在于-所述第一渗透物料流(6)不经历任何再压缩，-至少在原料流分离级(1)中，但是优选在所有三个膜分离级(1)-(3)中，使用具有至少30的混合气体选择性的气体分离膜组件，-所述设备经配置以致在第二渗透物料流(9)中和在第三渗余物料流(10)中再循环的气体体积总计小于粗气流(17)的体积的60体积％，-在第二渗透物料流(9)和第三渗余物料流(10)的再循环后，原料流分离级(1)的至少一种渗透物气体的浓度在原料流(5)中得到提高，优选提高至少2％，更优选提高至少3％，更优选提高3-40％，在每种情况下与粗气流(17)中的浓度相比。2.根据权利要求1的设备，其特征在于让第二渗透物料流(9)和第三渗余物料流(10)导引到压缩机(4)的吸入侧以便再处理。3.根据权利要求1或2的设备，其特征在于使用多级压缩机(4)。4.根据权利要求3的设备，其特征在于将第二渗透物料流(9)和/或第三渗余物料流(10)在两个压缩级之间导入压缩机(4)。5.根据权利要求1-4中任一项的设备，其特征在于让所述第一渗余物料流(7)和/或第二渗余物料流(8)和/或第三渗余物料流(10)导引经过减压阀。6.根据权利要求1-5中任一项的设备，其特征在于在膜分离级(1)-(3)中的至少一个中使用具有至少35，优选至少40，更优选至少45的混合气体选择性的气体分离膜组件。7.根据权利要求1-6中任一项的设备，其特征在于膜分离级(1)-(3)中的至少一个包括多于一个并联和/或串联连接的气体分离膜组件。8.根据权利要求1-7中任一项的设备，其特征在于所述气体分离膜组件由中空纤维膜和/或平膜构成。9.根据权利要求1-8中任一项的设备，...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·昂格兰克，G·鲍姆加腾，M·普利斯克，H·勒格，
申请(专利权)人：赢创纤维有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利;AT