CN101898089A - 脱水系统 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种脱水系统，所述系统通过在设备工作的同时允许更换水分离膜单元来保持具有使用水分离膜的所述脱水系统的设备的利用率。所述脱水系统包括至少两个平行于待处理流体流动方向布置的使用中的水分离膜单元；这样配置所述脱水系统使得相对于所述至少两个水分离膜单元能够平行于所述待处理流体流动方向安装至少一个备用水分离膜单元，所述水分离膜单元具有用于所述待取出产物流体的监测装置；以及所述脱水系统通过根据由所述监测装置监测的所述产物流体的性质来运行所述备用水分离膜单元来保持所述产物流体的性质。

Description

脱水系统

技术领域

本发明涉及使用水分离膜的脱水系统，更具体地，本发明涉及用于适当处理水分离膜在对具有与水共沸组成的水和乙醇或丙醇的混合物进行脱水时的劣化而设计的脱水系统，下文中把所述混合物称之为待处理流体。

背景技术

乙醇作为代替石油的替代能源已经引起了关注，预计2010年的市场规模为55,000,000kL。然而，为了使用乙醇作为燃料，在对从诸如玉米的生物质来源得到的粗产物进行蒸馏和提纯之后，必须将乙醇脱水至至少99.5重量％。

为了脱水，通常是通过在蒸馏塔中对乙醇的稀水溶液进行蒸馏，从而将所述溶液浓缩至接近乙醇/水体系的共沸点，然后对其进行脱水。

有一种添加共沸剂并通过共沸蒸馏来进行脱水的脱水技术。然而，这种技术有一些缺点，例如因为需要进行三元体系的共沸蒸馏和回收共沸剂的步骤而需要大量的热能。

另外，还有一种脱水技术，其中将多个分子筛容器平行布置，并以批式方式在它们之间设置开关以进行脱水。然而，这种方法也存在分子筛容器的再生所需要的高能量消耗的问题。

因此，已经考虑使用不存在上述缺点的元件如水分离膜(日本专利申请待审公布58-21629号)。

然而，如果采用使用包括水分离膜的水分离膜单元的全蒸发(PV)，则所述水分离膜单元通常的使用寿命为约2年，且需要一年一次地更换所有水分离膜。所述水分离膜单元存在的问题是，因为在更换期间会造成设备不可避免的停工期，所以降低了使用所述单元的设备的利用率。

考虑上述情况完成了本发明，本发明的目的是提供一种脱水系统，设计所述脱水系统通过在设备运行的同时允许更换水分离膜单元来保持安装有使用水分离膜的脱水系统的设备的利用率。

发明内容

为了实现所述目的，本发明提供一种从待处理流体中分离水的脱水系统，其中所述脱水系统包括至少两个平行于待处理流体流动方向布置的使用中的水分离膜单元；配置所述脱水系统使得相对于所述至少两个水分离膜单元，能够平行于待处理流体流动方向安装至少一个备用水分离膜单元；所述脱水系统包括用于待取出产物流体的监测装置；以及所述脱水系统通过根据由所述监测装置监测的产物流体的性质来运行所述至少一个备用水分离膜单元而保持产物流体的性质。

在本发明的脱水系统中，待处理流体通常为有机水溶液。其有机组分优选为一种选自如下的有机组分：醇类如乙醇、丙醇、异丙醇和二醇；羧酸类如乙酸；醚类如二甲醚和二乙醚；醛类如乙醛；酮类如丙酮和甲乙酮；以及酯类如乙酸乙酯。

本发明脱水系统的一个实施方案包括监测整个脱水系统待取出产物流体的有机组分浓度的光密度计，作为用于产物流体的监测装置。

本发明脱水系统的另一个实施方案包括监测各个水分离膜单元待取出产物流体的有机组分浓度的光密度计，作为用于产物流体的监测装置，其中在各个水分离膜单元上安装所述光密度计。

本发明脱水系统的还一个实施方案包括监测各个水分离膜单元待取出产物流体的温度的温度计，作为用于产物流体的监测装置。

本发明提供一种脱水系统，设计所述脱水系统通过在设备运行的同时允许更换水分离膜单元来保持安装有使用水分离膜的脱水系统的设备的利用率。

附图说明

图1为显示根据本发明的脱水系统实施方案的示意图。

附图标记说明

1～5：水分离膜单元

6：进口流量计

7：出口流量计

8：出口光密度计

9、10、11、12和13：个体光密度计

具体实施方式

将通过参考其实施方案详细描述本发明的脱水系统。

图1为本发明脱水系统的实施方案。根据本实施方案的脱水系统假定用于脱水的待处理流体为粗乙醇。假定该粗乙醇为乙醇浓度为94.5重量％～94.8重量％(包含两个端值)的水溶液。换言之，认为含乙醇作为有机组分的粗乙醇为待处理流体。最终的产物流体，即产物乙醇(无水乙醇)具有的乙醇浓度为99.5重量％～99.8重量％(包含两个端值)。

根据本实施方案的脱水系统100主要由水分离膜单元1～5、进口流量计6、出口流量计7、出口光密度计8以及个体光密度计9～13组成。所述脱水系统还具有用于水分离膜单元1～5的进口阀14～18以及出口阀19～23。

水分离膜单元1～5为用于把粗乙醇分离成无水乙醇和水的单元。作为水分离膜单元组成部分的水分离膜优选是孔径为10埃以下的二氧化硅或沸石无机水分离膜。所述水分离膜还可以为碳膜。

另外，根据日本专利2808479号的无机水分离膜也是适用的。这种无机水分离膜为通过在无机多孔物体的孔内负载由含乙氧基或甲氧基的烷氧基硅烷水解得到的二氧化硅凝胶而得到的耐酸性复合材料分离膜，通过包括下列步骤1～11的制造方法能够制造所述复合材料分离膜。

下述多孔基体通常为陶瓷基体如氧化铝、二氧化硅、氧化锆或二二氧化钛，优选为具有多个在纵向上具有圆形横截面的内部管道的圆柱形基体。在下列步骤1～11中，形成无机水分离膜以覆盖这些内部管道的每一个的内壁。这就是短语“在无机多孔物体的孔内负载由含乙氧基或甲氧基的烷氧基硅烷水解得到的二氧化硅凝胶”的含义。

除了所述无机水分离膜之外，还能够使用有机膜如聚乙烯醇膜、聚酰亚胺膜以及聚酰胺膜作为水分离膜。这些有机膜还会随时间而变化且适用于本发明。

步骤1：在通过变换作为二氧化硅溶胶原料的烷氧基硅烷、水和酸催化剂的混合比而制备多种二氧化硅溶胶的制备条件中，把待负载二氧化硅溶胶的原料混合比分成两种类型：一种是用于二氧化硅溶胶1的，另一种是用于二氧化硅溶胶2的。

步骤2：水的重量对作为二氧化硅溶胶1的原料的一种的烷氧基硅烷的重量之比为0.5～2.0(包含两个端值)，而作为反应催化剂的酸催化剂的重量对烷氧基硅烷的重量之比为0.01～0.1(包含两个端值)。

步骤3：水的重量对作为二氧化硅溶胶2的原料的一种的烷氧基硅烷的重量之比为2.0～50(包含两个端值)，而作为反应催化剂的酸催化剂的重量对烷氧基硅烷的重量之比为0.01～0.5(包含两个端值)。

步骤4：尽管二氧化硅溶胶1的原料保持为沸腾状态，但是把在开始沸腾之后约25、20以及15分钟时的溶液分别定义为1-A溶液、1-B溶液以及1-C溶液。

步骤5：对所述二氧化过溶胶2的原料进行搅拌并在室温下混合30～90分钟以制造二氧化硅溶胶2。

步骤6：在把所述二氧化硅溶胶1-A溶液负载在多孔基体表面上之后，将所述多孔基体在设定为约200℃的电炉中燃烧5～15分钟(包含两个端值)，再在约300℃下燃烧5～15分钟(包含两个端值)，然后在约400℃下燃烧5～15分钟(包含两个端值)，最后在约500℃下燃烧5～15分钟(包含两个端值)。

步骤7：在其上已经负载了二氧化硅溶胶1-A溶液的多孔基体表面上进一步负载二氧化硅溶胶1-A溶液之后，重复上面步骤6的操作两次或三次。

步骤8：接下来，在其上已经负载了二氧化硅溶胶1-A溶液的多孔基体表面上进一步负载二氧化硅溶胶1-B溶液之后，进行与上面步骤6和7中相同的加工。

步骤9：接下来，在其上已经负载了二氧化硅溶胶1-B溶液的多孔基体表面上进一步负载二氧化硅溶胶1-C溶液之后，进行与上面步骤6和7中相同的加工。

步骤10：接下来，在其上已经负载了二氧化硅溶胶1-A、1-B和1-C溶液的多孔基体表面上进一步负载二氧化硅溶胶2溶液之后，将所述多孔基体在设定为约200℃的电炉中燃烧5～15分钟(包含两个端值)，再在约300℃下燃烧5～15分钟(包含两个端值)，然后在约400℃下燃烧5～15分钟(包含两个端值)，最后在约500℃下燃烧5～15分钟(包含两个端值)。

步骤11：在其上已经负载了二氧化硅溶胶2溶液的多孔基体表面上进一步负载二氧化硅溶胶2溶液之后，重复上面步骤10的操作两次或三次。

通过上面步骤1～11能够得到在其各个内部管道内负载了无机水分离膜的圆柱形多孔基体(用无机水分离膜覆盖各个内部管道)。在本发明中，使用例如这类基体作为构成各个水分离膜单元1～5的水分离膜，所述各个水分离膜单元1～5具有构成能够进行减压的容器的这类水分离膜。

通过换热器(图中未示出)将粗乙醇预热至约90℃。所述粗乙醇流经水分离膜的内部管道，因为设计所述水分离膜单元1～5使得粗乙醇通过泵(图中未示出)经由进口流量计6和进口阀14～18引入所述单元中。通过对水分离膜进行减压使得水从粗乙醇中分离。经由出口阀19～23以及随后的出口光密度计8和出口流量计7将已经从其中分离出水的乙醇取出作为产物乙醇。通过个体光密度计9～13监测水分离膜单元9～13的出口浓度。

根据本实施方案的脱水系统100例如在初始运行时仅使用水分离膜单元1～4。通过进口流量计6和出口流量计7监测流入和流出水分离膜单元1～4的总流速。出口光密度计8监测产物乙醇的乙醇浓度以确认所述浓度保持在期望设定值以上。同时，个体光密度计9～12监测水分离膜单元1～4的出口浓度。另一方面，水分离膜单元5为备用水分离膜单元，在初始运行时不运行。

随着使用水分离膜，它们通常发生劣化。当水分离膜单元1～4的任意一个的性能发生劣化时，通过如下所述技术来运行所述备用水分离膜单元5。

(1)在所述水分离膜单元1～4中，降低其性能已经劣化的单元的流速。通过由个体光密度计9～12测得的浓度来检测任何性能劣化。出口光密度计8监测产物乙醇的浓度以确认浓度在期望设定值以上。当出口流量计7显示在降低流速之后产物乙醇的流速仅能保持在设定值之下时，运行所述备用水分离膜单元5以保持产物乙醇的流速。

通过控制单元(图中未示出)能够自动进行这类控制。

另一方面，另外关闭运行最差的水分离膜单元的出口阀和进口阀，以停止运行所述单元。然后，用新的水分离膜单元更换已经停止运行的水分离膜单元。将更换后的水分离膜单元准备就绪作为新的备用水分离膜单元。通过进行上述步骤而不用停止其运行就能保持脱水系统的性能。

(2)上面(1)中所述的技术还使得可以勿需诸如降低劣化单元流速的任何控制，就能运行备用水分离膜单元5并停止运行性能已经劣化的水分离膜单元来进行单元的更换。

(3)在初始运行时，还可以适当降低水分离膜单元1～4的流速而不用把流速提高到极限，且可以根据水分离膜单元性能的变化来控制总的出口流速。

还可以以年度为单位开始运行备用水分离膜单元，例如可以更换任意一个未安装个体光密度计9～13的其它水分离膜单元。如果使用图1作为实例，约每2年一次停止水分离膜单元1～4并全部更换。

实际上，一年一次地开始运行新的备用水分离膜单元并更换水分离膜单元是没有问题的。在此情况下，更换的设备数为之前的一半。如果每6个月更换一次，则更换的设备数与之前的相同，因为所有运行单元数为四。在任一情况下，都不需要停止整个脱水系统的运行。

另外，使用中的水分离膜单元数和备用水分离膜单元数不限于图1中实施方案所示的数。

更具体地，如果系统包括至少两个平行于待处理流体流动方向布置的使用中的水分离膜单元，且配置系统使得相对于所述至少两个水分离膜单元，能够平行于待处理流体流动方向安装至少一个备用水分离膜单元，则能够配置所述系统作为根据本发明的脱水系统。

在根据本发明的脱水系统中，用于监测各个水分离膜单元1～5取出的产物流体的温度的温度计也能够安装在各个水分离膜单元1～5的出口和进口处(至少在出口处)，与光密度计一起或代替光密度计作为用于产物流体的监测装置。

如果使用二氧化硅膜作为水分离膜，则二氧化硅的溶解会使得所述水分离膜的性能劣化。这使得乙醇和水一起渗透穿过膜，增加了流体的潜热，并降低了出口温度。例如，如果流体通常于90℃下流入单元并在40℃下流出单元，则可能会进一步降低出口温度。在此情况下，认为温度的降低是由劣化引起的，根据需要降低流速并运行备用水分离膜单元。

另外，铁锈、粘合剂材料或固体材料可能会阻塞水分离膜的孔。这升高了出口温度。如果流体通常于40℃下流出单元，则出口温度不可能会降低至所述温度。在此情况下，认为温度的升高是由劣化引起的，根据需要降低流速并运行备用水分离膜单元。

在图1中的实施方案中，对包含乙醇作为有机组分的待处理流体进行脱水。然而，在根据本发明的脱水系统中，如果流体为有机水溶液，则待处理流体不限于这类流体。更具体地，所述有机水溶液的有机组分可以优选为一种选自如下的有机组分：醇类如乙醇、丙醇、异丙醇和乙二醇；羧酸类如乙酸；醚类如二甲醚和二乙醚；醛类如乙醛；酮类如丙酮和甲乙酮；以及酯类如乙酸乙酯。

Claims (6)

1.一种从待处理流体中分离水的脱水系统，其包括：

平行于所述待处理流体的流动方向布置的使用中的至少两个水分离膜单元；

相对于所述至少两个水分离膜单元的平行于所述待处理流体的流动方向安装的至少一个备用水分离膜单元；以及

用于待取出产物流体的监测装置；

其中所述脱水系统根据由所述监测装置监测的所述产物流体的性质来运行所述备用水分离膜单元，从而保持所述产物流体的性质。

2.如权利要求1所述的脱水系统，其中所述待处理流体为有机水溶液。

3.如权利要求2所述的脱水系统，其中所述有机水溶液的有机组分为水溶性的，且为一种选自如下的有机组分：醇类如乙醇、丙醇、异丙醇和二醇；羧酸类如乙酸；醚类如二甲醚和二乙醚；醛类如乙醛；酮类如丙酮和甲乙酮；以及酯类如乙酸乙酯。

4.如权利要求2所述的脱水系统，其包括监测待从整个脱水系统取出的产物流体的有机组分浓度的光密度计，作为用于所述产物流体的监测装置。

5.如权利要求2所述的脱水系统，其包括监测待从各个水分离膜单元取出的产物流体的有机组分浓度的光密度计，作为用于所述产物流体的监测装置，其中在各个水分离膜单元安装所述光密度计。

6.如权利要求1～3中任一项所述的脱水系统，其包括监测待从各个水分离膜单元取出的产物流体的温度的温度计，作为用于所述产物流体的监测装置。

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