三级膜气体分离方法和系统技术方案

在一三级膜系统中，通过空气分离生产高或超高纯氮气，其中，将第三级的透过循环到第二级，并且，膜表面积是在级之间进行分配，以达到高的产品回收率和好的处理性能。其它的气体分离，例如从氧中分离氩，也可以通过使用这样的三级膜系统来实现。（*该技术在2011年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是涉及从空气中生产氮气。更具体地说是制备高纯氮气的方法和系统。为生产氮气，渗透膜分离方法和系统，在空气分离操作中，逐渐地被采用。在这类操作中，使进料的空气与膜的表面接触，氧作为空气中的较易渗透组分通过膜，而氮作为空气中的不易渗透组分，作为非渗透的产品气流从膜系统排出。虽然使用膜进行气体分离的基本原理已经知道了很长时间，但是，直到现在，在膜的制备和部件制造技术的膜工艺方面，对工业性的空气和其它气体的分离的经济吸引小，没有取得进展。由于这类研究和膜工艺的固有的简单性，在膜
内，关于气体的分离，其积极性和兴趣都很高，在空气分离领域的应用值得引起注意。从空气中生产富集的氮气，已经开发出了单级的中空纤维膜法和系统。这种方法具有与膜级、加工和管路等相联系的投资费用减至最少的优点。但是，由于所要求的氮气纯度值的提高，产品的回收率降低，能量和膜面积要求增加，由此来看，从总的观点来讲，提供的单级操作不是所希望的。为了使氮产品的纯度在约94%以上，希望以两级膜法和系统代替单级操作。在两级操作中，氧作为原料空气的易选择性渗透组分，而氮作为它的不易选择性渗透组分，通常，将第二级的渗透气体进行循环。混合的渗透气体与空气相比，富集了氮气，相对于膜系统的原料空气，降低了到达这个系统的原料气的氧含量，使氮的回收率高于使用单级膜达到的值。在这种两级膜操作中，由于第二级的低压渗透物的循环返回到原料气压缩机的吸入侧，因此，不需要增加机器。这种两级膜操作说明在“Inert Gas Generation Systems for offshore platforms”中，Bearer和Graham，Energy Progress，第6卷，NO.3，1986年9月，PP.149-154，特别是P151的附图3。一般地采用的两级膜系统生产的氮气产品的纯度约为97%-约99.9%，氮气纯度为98%是这种膜操作的代表性产物。但是，在氮气纯度在99%以上时，两级膜系统将变得相当昂贵。因此，为生产在给定膜渗透压下的这样高纯度的产品，就需要较多的能量和增加膜的表面积。或者是对一给定表面积的膜系统，就要求较多的能量和增加传递的膜压。虽然可以采用两级操作生产纯度为99.99+%的氮气产品，如同单级系统也可实现一样，但是采用这样的一或二级系统的总的技术和经济的现实性由于在上述高纯度下的这类操作的高费用而减少。为了通过非常希望的膜法达到很高纯度的氮气产品，例如约99.5%以上，以使一个两级的空气分离系统与一个脱氧(deoxo)装置结合起来，其中，从空气分离膜系统中除去的氮气流中的剩余的氧与氢气或可燃性气体例如甲烷反应。这样的联合的膜/脱氧系统，由Prasad(u.s.4，931，070)公开并作了说明，它可以生产的氮气产物的纯度直到约99.95%，或更高，例如数量级达约99.999%的超高纯氮。虽然这样的联合的两级膜/脱氧系统能够生产包括超高纯氮的很高纯度的氮气产品，而使用上述的现有技术的一和两级膜系统是不能以同样可行的方式获得这类产品的，然而，为了能够以更经济和现实的基础或不使用氢气或其它可燃性气体来满足对高纯氮的日益增加的需要，希望对该技术作进一步的改进。考虑到对以优越的膜技术实现空气分离及其它气体分离的这种工业的要求和期待，已经着力开发了替代使用脱氧装置与两级膜系统的三级膜系统。在这方面，人们注意到了在所谓的串联分离方法中，以前已经采用三级或更多级膜以实现原料气混合物中的渗透物组分的富集。为此目的，通过每一膜级的渗透气体作为下一个膜级的原料气，而富集的渗透物气体例如在空气分离的情况下为氧，是从最后膜级回收的。非渗透性气体，例如氮气是每一个级回收的。不是针对提高非渗透气纯度的这种方法，描述在Operating Lines in Cascade Separation of Binary Mixtures”中，Hwang和Kammermeyer，The Canadian Journal of Chemcal Engineering，1965年2月，PP.36-37。在空气分离中，用于很高纯度氮生产的三级膜系统公开在“Nitrogen Production Using Membranes”Thompson，Prasad，Gottzmann和Real Heeren，在Belgium，Antwerp的专题讨论会上发表的论文(1989年、9月.10-15日)。上述论文的附附图说明图1示出了一级、两级和三级通过空气分离来回收氮的膜系统。在本文中描述的三级系统中，原料空气从原料压缩机通到第一级膜，在此易选择性渗透的氧气流作为废弃物排出，在此被分离的不易渗透的氮气流通到第二级。上述第二级的渗透物流循环去压缩，并将附加量的原料空气通到膜系统中。第二级的非渗透气通到第三级膜，在此，很高纯度的氮气产品作为非渗透气加以回收。第三级的含氧渗透气在加压后循环至与其余量的第一级渗透气一起通到第二级膜。三级膜系统，为生产高纯的和很高纯度的氮气(超高纯的氮气生产除外)提供了可能的所希望的与一脱氧装置连在一起使用的两膜级的替代途径。显然，希望循环进入第二级膜的第三级渗透气要求使用一附加的压缩机，以将第三级渗透气的压力升到所要求的渗透压值;以便将其循环到第二级膜。作为本领域的普通技术人员将很易理解，使用附加的第三级循环，产生的优点，例如较高的产品回收率，较小的膜面积等，在价值上必须超过提供这种第三级循环特点例如附加压缩机所产生的投资和操作费用。在本
内，真正需要和希望以经济的方式得到这些附加的优点，使得膜法固有的简单性和优点可以进一步扩大到从空气中生产高纯氮，而不需要使所采用的膜系统与一脱氧装置或任何其它的装置相结合，才能生产这种高纯的氮气。本专利技术的目的是提供一种从空气中生产高纯和更高纯氮气的膜方法和系统。本专利技术的另一个目的是提供一种通过空气分离生产高纯和很高纯氮气的利用三级或更多膜级的改进的方法和系统。本专利技术的第三个目的是提供一种用于空气分离，并生产高纯和更高纯氮，而不需与脱氧装置相结合的膜方法和系统。针对这些和其它目的，本专利技术在下文将详细描述，其新颖的特征在权利要求书中会特别指出。采用将第二级和第三级的非渗透气循环到前一加工级的三级的膜法和系统，在三级中将膜的表面积进行了分配，使整个系统的投资和操作费用减少。回收到很高纯度的氮气，而不需要采用一脱氧装置来除去氮气产品中残留的氧气。下文，参考附图详细地描述本专利技术，其中图1是描述本专利技术的三级膜系统的一个实施例的方法的流程图;图2是与二级膜系统相比较，说明本专利技术的采用最佳膜面积分配的三级膜系统中，氮气纯度对氮气回收率的影响的图表;和图3是表示本专利技术的有最佳面积分配的三级膜系统的能量和膜表面积之间关系的图表。本专利技术的目的是通过采用一三级或更多级膜法和系统实现的，它不和脱氧装置相联合，但是在第一级、第二级和第三级之间的膜面积的分配是最佳的，以便通过空气分离有效地生产超过约99%的很高纯度的氮气产品。在本专利技术的实施中，在所希望的三膜级中生产氮气，压缩空气在原料空气压力通常为约50-约300psig，一般为约150psig，在温度通常为约90°F下，通入包含上述级的膜组件。氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以高或超高纯度从含易选择性地渗透组分和不易选择性渗透组分的气体混合物中生产不易渗透组分的改进的膜方法包括：（ａ）在原料气的压力下，将原料气混合物引入至少包含三级的一膜系统的第一级，上述的膜系统能够选择性地透过易选择性地渗透组分，上述的膜系统包含的膜材料对易选择性渗透组分／不易选择性地渗透组分的分离因子为大约２－约１２，包括在上述三级中的第一级和第二级的占总的膜面积的比率在分离因子在上述范围内为较大值时，该比率较大，而在分离因子在上述范围内为较小值时，该比率较小；（ｂ）在原料气的压力下，将上述第一级的不易选择性渗透组分作为非透过气，和在比原料气的压力低的透过气压力下，将上述第一级的易选择性渗透组分作为透过气，分别地从上述的第一级中除去；（ｃ）将第一级的非透过气作为处在原料气的压力下的上述膜系统的第二级的原料气，将其通入该第二级；（ｄ）在原料气的压力下，将上述第二级的不易渗透组分作为非透过气，和在比原料气压力低的透过气压力下，将上述第二级的易渗透组分作为透过气，分别地从上述的第二级中除去；（ｅ）将第二级的上述透过气循环，与附加量的上述原料气混合物一起，通入处在原料气压力下的膜系统的第一级；（ｆ）将第二级的上述非透过气，作为上述膜系统的第三级的原料气，通入处在原料气压力下的该膜系统的第三级，而不通入一催化反应装置，使残留的透过气在该处进行催化反应；（ｇ）在原料气压力下，将上述第三级的不易选择性地渗透组分作为非透过气，和在低于上述原料气压力的透过气压力下，将它的易选择性地渗透组分作为透过气，分别地从上述的第三级除去，上述的三级膜之间的表面积分配是这样的，使在第三级透过气中易选择性渗透组分的浓度低于第一级的非透过气的而在第二级透过气中易选择性渗透组分的浓度低于引入第一级的气体中的相应浓度；（ｈ）加压上述第三级的透过气，并将其循环，以便与第一级的附加量的非透过气一起，将其通入处在原料气压力下的膜系统的第二级；和（ｉ）将第三级的非透气以高或超高纯度的气体，加以回收，而不需要对其中的残留量易选择性渗透组分，进行非膜处理来除去，由此，不易渗透组分在高的回收率下，以高或超高纯度的产品气有利地加以回收。...

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：R普拉萨德，
申请(专利权)人：联合碳化工业气体技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]