从气体混合物分离H2的方法技术

本发明专利技术涉及一种避免压缩机和真空而借助一系列选择性膜单元从包含H2和CH4的气体混合物分离H2，优选H2和CH4二者的方法以及一种实施所述分离的设备。所述分离的设备。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】从气体混合物分离H2的方法
[0001]氢气是有前景的能源载体，但其储存和运输是困难的。已经提出“绿氢”的运输—以及在更有限的程度上储存—可以在现有天然气(NG)管网中实现。在题为“Anforderungen，und Grenzen der Abtrennung von Wasserstoff aus Wasser
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stoff/Erdgasgemischen”的the Deutscher Verein des Gas
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und Wasserfaches e.V.(2019)的研究报告中可以找到有关该主题的广泛信息。因此并且正如所述报告所考虑的那样，使用在现有天然气网中作为与天然气的混合物大量运输的氢气对于要求不含氢气或提纯氢气的天然气的用户带来问题。因此，上述2019年报告建议借助透气膜方法从天然气组分分离氢气。
[0002]上述2019年报告从经济角度来看考虑分开使用氢气和甲烷二者，但不考虑使用其中间混合物作为单独的不同终产物。此外，所述2019年报告未考虑的分离氢气和天然气的混合物的复杂性是氢气的预期动态浓度和处理所述变化所要求的技术，因为天然气网中的氢气含量会随季节变化。具体而言，预计天然气管网中所含氢气浓度将以多达组分总浓度的0
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30mol％季节性地动态变化。因此，出现的复杂性在于压缩机是为固定操作点设计的并且完全不适合预期的动态操作，因为待压缩料流的体积将随着天然气中所含氢气的量大幅变化。因此，预计在动态氢气浓度下使用压缩机要求增加设备支出、因磨损增加的维护、增加能源使用和由于处理氢气所要求的特殊设备而增加安全问题。因此，当由混合物分离H2和CH4时需要避免在H2浓度动态变化下使用压缩机或者使其最小化。欧洲专利申请EP 2979743A1通过将氢气与压缩在地下储层中的天然气混合并储存，然后以一致质量提供而解决H2和CH4混合物的浓度变化。然而，该方法要求可以作为储层适应该需要的地质构造并且因此还提供不易在所有情况下解决的额外环境要求。因此，需要提供一种能够适应该情况的方法和装置，其中H2的动态浓度要求避免使用压缩机的系统。
[0003]甚至在动态氢气条件下，所得中间纯度氢气可以有利地与其他提纯如变压吸附(PSA)以及因此旁路甲烷化和水煤气变换操作组合用于生产提纯的H2。因此，可以通过进一步提纯所得中间纯度氢气而实现额外的经济和环境益处。在这种情况下，若需要一些压缩机进行再压缩，在避免需要蒸汽甲烷重整和水煤气变换操作—这二者是在氢气生产过程中引起显著CO2排放的工艺步骤—上投资可能是合理的。然而，当提纯中间浓度的氢气时，若可以提供更高压力的中间纯度，则这也减少进入PSA提纯所需压缩机级数。因此，即使将压缩机用于中间纯度氢气，若初始提纯可以提供足够的压力和纯度，所需的设备数量可以大幅减少。最后，不希望受理论束缚，据信使压缩机数量最小化允许该系统更好地处理氢气浓度的变化，因为不需要改变压缩机工作负荷来进行补偿，或者该需要最小化。因此，最小数量的压缩机，优选没有压缩机应以交互方式放置在通过本专利技术分离氢气和天然气的装置和方法的流动路径内。
[0004]因此，需要以工业规模将氢气和天然气不仅分离为纯氢气和甲烷，而且分离为一种或多种具有氢气和甲烷的限定混合物的料流，同时维持经济可行且环境友好的工艺。
[0005]本专利技术涉及一种从包含H2和CH4的气体混合物分离H2，优选H2和CH4二者的方法，该方法包括：
[0006](i)分离阶段，包括：
[0007](i.1)使以摩尔比n(H2):n(CH4)＝x(F1)—0<x(F1)≤0.5—包含H2和CH4的进料气流F1在跨越至少一种膜的压力比在恒定温度下作为(进料气流F1压力/渗透物气流P1压力)计算大于1下通过包含所述至少一种膜的膜单元A，其中该至少一种膜具有的H2/CH4选择性为至少10，得到：
[0008]‑
以摩尔比n(H2):n(CH4)＝x(P1)包含H2和CH4的渗透物气流P1；x(P1)>x(F1)；和
[0009]‑
以摩尔比n(H2):n(CH4)＝x(R1)包含H2和CH4的渗余物气流R1；x(R1)<x(F1)；
[0010](i.2)使渗余物气流R1作为另外的进料气流F2通过另一分离阶段，其中F2具有与R1相同的组成；
[0011](ii)另一分离阶段，包括：
[0012](ii.1)使F2在跨越至少一种膜的压力比在恒定温度下作为(进料气流F2压力/渗透物气流P2压力)计算大于1下通过包含所述至少一种膜的膜单元B，其中该至少一种膜具有的H2/CH4选择性为至少10，得到：
[0013]‑
以摩尔比n(H2):n(CH4)＝x(P2)为至少1.4包含H2和CH4的渗透物气流P2；x(P2)>x(F2)；和
[0014]‑
以摩尔比n(H2):n(CH4)＝x(R2)<0.17包含H2和CH4的渗余物气流R2；x(R2)<x(F2)；
[0015](ii.2)任选地，使渗余物气流R2作为另外的进料气流F3通过另一分离阶段(iii)，其中F3具有与R2相同的组成；
[0016](iii)任选的另一分离阶段，包括：
[0017](iii.1)使F3在跨越至少一种膜的压力比(在恒定温度下作为(进料气流F3压力/渗透物气流P3压力)计算)大于1下通过包含所述至少一种膜的另一膜单元C，其中该至少一种膜具有的H2/CH4选择性为至少10，得到：
[0018]‑
以摩尔比n(H2):n(CH4)＝x(P3)为至少0.39包含H2和CH4的渗透物气流P3；x(P3)>x(F3)；和
[0019]‑
以摩尔比n(H2):n(CH4)＝x(R3)≤0.01包含H2和CH4的渗余物气流R3。
[0020]优选在膜单元A下游不操作真空设备或压缩机；并且其中优选在得到渗透物气流和/或渗余物气流，更优选在得到渗透物气流P1和/或渗余物气体R1中在膜单元A的下游不操作真空设备或压缩机。
[0021]优选包含在膜单元A中的该至少一种膜具有的H2/CH4选择性为至少10，优选至少50，更优选至少75，更优选至少100，更优选至少150，更优选至少175，更优选至少200。
[0022]优选包含在膜单元A中的该至少一种膜具有的H2/CH4选择性在10
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2500，优选50
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2000，更优选75
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1500，更优选100
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1000，更优选150
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500，更优选175
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250，更优选200
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250范围内。
[0023]优选包含在膜单元A中的该至少一种膜选自聚合物膜、无机膜、碳膜、金属膜、质子传导陶瓷膜以及其中两种或更多种的组合(包括其中两种或更多种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种从包含H2和CH4的气体混合物分离H2，优选H2和CH4二者的方法，所述方法包括：(i)分离阶段，包括：(i.1)使以摩尔比n(H2):n(CH4)＝x(F1)—0<x(F1)≤0.5—包含H2和CH4的进料气流F1在跨越至少一种膜的压力比在恒定温度下作为(进料气流F1压力/渗透物气流P1压力)计算大于1下通过包含所述至少一种膜的膜单元A，其中所述至少一种膜具有的H2/CH4选择性为至少10，得到：
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以摩尔比n(H2):n(CH4)＝x(P1)包含H2和CH4的渗透物气流P1；x(P1)>x(F1)；和
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以摩尔比n(H2):n(CH4)＝x(R1)包含H2和CH4的渗余物气流R1；x(R1)<x(F1)；(i.2)使渗余物气流R1作为另外的进料气流F2通过另一分离阶段，其中F2具有与R1相同的组成；(ii)另一分离阶段，包括：(ii.1)使F2在跨越至少一种膜的压力比在恒定温度下作为(进料气流F2压力/渗透物气流P2压力)计算大于1下通过包含所述至少一种膜的膜单元B，其中所述至少一种膜具有的H2/CH4选择性为至少10，得到：
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以摩尔比n(H2):n(CH4)＝x(P2)为至少1.4包含H2和CH4的渗透物气流P2；x(P2)>x(F2)；和
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以摩尔比n(H2):n(CH4)＝x(R2)<0.17包含H2和CH4的渗余物气流R2；x(R2)<x(F2)；(ii.2)任选地，使渗余物气流R2作为另外的进料气流F3通过另一分离阶段(iii)，其中F3具有与R2相同的组成；(iii)任选的另一分离阶段，包括：(iii.1)使F3在跨越至少一种膜的压力比(在恒定温度下作为(进料气流F3压力/渗透物气流P3压力)计算)大于1下通过包含所述至少一种膜的另一膜单元C，其中所述至少一种膜具有的H2/CH4选择性为至少10，得到：
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以摩尔比n(H2):n(CH4)＝x(P3)为至少0.39包含H2和CH4的渗透物气流P3；x(P3)>x(F3)；和
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以摩尔比n(H2):n(CH4)＝x(R3)≤0.01包含H2和CH4的渗余物气流R3。2.权利要求1的方法，其中在得到渗透物气流和/或渗余物气流中，优选在得到渗透物气流P1和渗余物气体R1中在膜单元A的下游不操作真空设备或压缩机。3.权利要求1或2的方法，其中包含在相应膜单元A、B和/或C中的至少一种膜具有的H2/CH4选择性为至少10，优选至少50，更优选至少75，更优选至少100，更优选至少150，更优选至少175，更优选至少200。4.权利要求1
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3中任一项的方法，其中根据(i.1)横跨包含在膜单元A中的至少一种膜的压力比在恒定温度下作为(进料气流F1压力/渗透物气流P1压力)计算为至少4，优选至少7和/或优选至多15，优选至多12。5.权利要求1
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4中任一项的方法，其中摩尔比x(F1)在0.05
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0.5，优选0.1
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0.4，更优选0.15
‑
0.4，更优选0.2
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0.3范围内。6.权利要求1
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5中任一项的方法，其中进料气流F1具有在5
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100巴(abs)，更优选30
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80巴(abs)，更优选40
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75巴(abs)，更优选50
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70巴(abs)范围内的压力；以及其中进料气流F1
具有在
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30℃至60℃，优选
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15℃至50℃，更优选0
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40℃，更优选5
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35℃，更优选15
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30℃范围内的温度。7.权利要求1
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6中任一项的方法，其中摩尔比x(P1)为至少2，其中摩尔比x(P1)优选在2
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2000，更优选3
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1000，更优选4
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800，更优选5
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600，更优选7
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500，更优选9
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450，更优选14
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350，更优选19
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300范围内。8.权利要求1
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7中任一项的方法，其中渗透物气流P1具有在>1巴(abs)至50巴(abs)，更优选>1.2巴(abs)至40巴(abs)，更优选1.3
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25巴(abs)，更优选1.5
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20巴(abs)，更优选1.6
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15巴(abs)，更优选1.8
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12巴(abs)，更优选2
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8巴(abs)范围内的压力。9.权利要求1
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8中任一项的方法，其中摩尔比x(R1)为至多0.49，优选至多0.39，更优选至多0.29，更优选至多0.28；其中渗余物气流R1优选具有在29.5
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【专利技术属性】
技术研发人员：PV，
申请(专利权)人：巴斯夫欧洲公司，
类型：发明
国别省市：