CN1025656C - 改进的膜分离系统和方法 - Google Patents

Abstract

膜系统内原料气组分的冷凝作用被有效地消除，这是通过在保温外壳内安装的膜系统，该外壳加热以使通入所述膜系统内的原料气保持过热状态。该系统内的膜组件不是逐个地保温。在该外壳内能很容易地保持一种持久，稳定的温度环境，并且在为方法优化目的而控制操作温度方面能达到有利的灵活性。全部操作能量需要量由于有利地回收原料气的压缩热以供给保温外壳内原料气的加热而降低。

Description

本发明涉及渗透膜气体分离系统。更具体地说，它涉及防止该系统中的冷凝作用。

能够选择地渗透气体混合物中一个组分的渗透膜，在技术上被认为是用于实行所要求的气体分离的一种方便的，有高度有利的方法。为了在实际工业操作中实现这种能力，膜系统必须能够达到和维持工艺过程所要求的效率程度，而没有因与膜有关的环境因素而出现未到期的检修或膜寿命不合理的降低。

这种环境因素与原料气组分在膜表面上的冷凝有关。这种冷凝能导致渗透速率下降，腐蚀，增加维修并缩短膜寿命。另外，膜系统的冷凝在某些实例中还会引起所需产品流的污染。因此，由于这种冷凝作用对给定的气体分离操作一般要求有更大的膜表面积。结果，使投资和维修费用都提高而超过了没有冷凝问题的膜系统所需的费用。

因此，重要的是要致力于技术上降低或消除膜系统中的冷凝作用。为此目的所使用的一个方法是使输到膜系统的原料过热，并且为了保持其过热状态，要对膜系统中的膜组件逐个进行保温。过热一般由外置热源供给，例如蒸汽或电加热器。另一个方法是采用吸附剂对原料气进行予干燥或用冷冻干燥器予干燥并冷至低于膜操作温度的露点温度。

然而当这些方法用于减少或消除冷凝时，可以估计到与此有关的操作费用和投资会很高。因为予热器一般必须外置能源，对各个膜组件的保温是相当贵的，而且因维修目的而要能接近膜是困难的。同样地，就操作费用和投资而言，干燥器也是昂贵的。

当膜系统冷凝问题的解决方案发展至此，有必要在技术上做进一步的改进，这改进要使冷凝作用在降低原始投资的条件下减至最低程度或消除，并且操作的费用和维修费用要低于现有技术实施中所要求的。技术上的这种改进有助于使渗透膜系统在各种工业的有用气体分离操作的使用在技术和经济上成为现实。

因此本发明的目的是提供一种改进的膜分离系统和方法，其中排除了冷凝问题。

本发明另一目的是提供一种膜分离系统和方法，该方法含有用于消除或减少原料气组分在膜表面上冷凝的改进装置。

考虑到上述和其他目的，将在下文对本发明进行详细的描述。本发明新特征将在附加的权利要求书中加以特别指出。

一种保温加热的外壳是用于对原料气提供和/或保持过热，该原料气是输入装在所述外壳中的膜系统。过热是用于防止膜材料表面上的冷凝作用。没有必要对各个膜组件进行加热，或者在输入膜系统之前对原料气予热或予干燥。由原料气压缩工艺中回收的热，用作过热，用作过热是合乎要求的。

参考本文附图进一步对本发明进行说明，其中：

图1是本发明温度控制系统实施例的示意图;

图2是本发明最佳实施例的示意图，该实施例提供了有利的热量回收和温度控制。

达到本发明目的是凭借在其本身的单独外壳中所安置的膜系统，该外壳保温并加热，以使输入外壳中膜系统的原料气保持所要求的过热状态。因 此，包含在所述膜系统的各个膜组件不需要逐个地进行保温。在实施本发明时，控制冷凝的投资和操作费用可以降低。另外，在操作温度的控制和达到工艺最佳化方面，增加了灵活性。

对于任何能够选择性地使原料气混合物（该混合物含有易渗透和不易渗透组分）中的易渗透组分渗透的膜结构，都可理解成适用于本发明。因此，复合型膜不对称型膜或任何其它型式的膜构型都能使用。复合型一般含有一层薄的分离层，或叠加在多孔基质上的一层合适的渗透膜材料的涂层，具有决定复合结构的分离特性的分离层。从另一方面来说，不对称型膜基本上是由单一渗透膜材料组成的，该材料具有薄的致密的半渗透表面层，它能决定膜的分离特性，而不致密，多孔、非选择性的载体部分用于阻止薄表面层受压破裂。这些膜的构型可以制成多种形式，例如螺旋状卷绕、中空纤维、平片等等。

为了在实际工业操作中使用，这些膜的结构一般用于膜装置中，通常是将其放在外壳内以形成膜组件，该组件含有全部膜系统的主要部件。如根据本发明在本文中所使用的，膜系统包含一个膜组件或多个按并联或串联操作而排列的膜组件。如上所述，膜系统被放在一个加热至过热状态的隔开的保温外壳内。该系统中的各个组件，不需要像现有技术所实施的那样要各个保温。膜组件可以制成螺旋状卷绕筒、中空纤维束，打褶的平片的膜装置以及在膜工业中一般的其它型式的膜装置。膜组件要构成能使它具有一个进料侧面和一个相反的渗透出口侧面，在常规的组件中，其外壳部分要构成能将原料气混合物带入与膜的进料侧面相接触，为了排放原料气中的非渗透部分和分开排放已通过膜的渗透气体要设置管道。

当各种实用气体分离操作易于产生不希望有的冷凝问题时，本文将依据空气分离而生产富氮产品气，来说明为优化气体分离膜系统操作而所需的改进方法和系统以保持过热、稳定的温度环境，以及冷凝问题的性质。在空气分离操作中，渗透率降低，即当空气的相对湿度提高时，膜的渗透速率降低。从另一方面来说，如加热原料气以便降低其相对湿度，则空气中较易渗透的组分氧的渗透速率就增加。当渗透速率提高，则可以认为对于给定的气体分离来说，所需的膜表面积可以减少，例如，在上述空气分离的情况下，从氮气中分离氧。因此，当原料气过热较多时，直至加热到高于它的露点温度时，对于特定膜系统来说，所需的有效膜表面积可以减少，因此，与分离气体操作有关的投资费也可以减少。

许多其它问题可以由膜装置中的水或其它冷凝液的积累而引起。这样，腐蚀就成为主要问题，为了使结构材料能经得住这种腐蚀和/或增加维修费用，就需要额外的投资。另外，冷凝液积累最终会带入产品气流中，结果污染了产品。在空气分离的情况下，水能在膜组件中冷凝，并带入非渗透的氮气产品气流中。然而，水蒸汽是很易渗透的。因此，如果过热，通常它应渗透膜，与其它渗透的废产品一起从系统中排出，即在典型的空气分离操作中的富氧渗透气流。

除了这种相对湿度和冷凝液影响膜性能外，膜的操作温度对膜性能也有明显的影响。因此，膜系统的单位膜表面积的生产能力和单位原料气的生产能力明显地随操作温度而变化。随着温度的提高，单位面积的生产能力增加，但单位原料气的生产能力降低。结果是，在较高的操作温度下，给定的膜表面积能生产更多的产品气体，但在这样较高的温度条件下，需要成比例的增加原料气。所需原料气的这种增加必定要求更大的空气压缩机，并且要消耗更多的能量。在较低的操作温度下，呈现相反的效果，压缩机和能量的需要量可以降低，但对给定的气体分离操作来说，需要的膜表面积就更大。

当然，要适当考虑这种温度的影响，最理想的是对特定操作温度，设计的膜系统对表面积和原料气的需求是最优化的。一旦膜系统已设计出来，最重要的是使该系统在一般的工业操作过程中能保持住设计的温度。也希望根据设计的条件，在降低需要量时，具有改变系统操作温度的能力，以便更好地满足生产和/或净化的要求。本发明的实施提供了所要求的修正操作温度的灵活性，该温度可在设计温度和各种调节所要求的温度之间，或者在一个调节温度与另一个调节温度之间，或者甚至在这些温度与高于所述设计的温度之间修正。正如本文所公开的内容进行评价的那样，本发明提供了一种便利的、低费用的和有效的方法，该方法对气体分离渗透膜系统提供了一种持久的、稳定的、灵活的过热环境。

对本发明的目的来说，一种价低的外壳或构件安置在膜系统上，该系统通常包含许多膜组件。外壳是用一般建筑结构保温材料进行保温，例如，R-11的3″或6″或其它典型的玻璃纤维或其它的合适的保温材料。外壳可理解为大到足以允许操作人员进入外壳，以维修配置在那里的膜系统。外壳可用金属板或任何其它适当的材料来构成，并衬有上述保温材料。还包含作为外壳结构一部分的各种合适的安全部件，例如通气口，风扇和取样口等。为便于使用，外壳还应装有适当的门或类似的装置，以便于安装和维修位于外壳中的膜系统。

参照附图1，根据保温的外壳进一步说明本发明。外壳是通过外置热源，例如蒸汽、气体或电加热器来加热。在这一实例中，原料气由输入管道1而到合适的压缩机2，以压缩至所要求的原料气压力值。然后，将压缩的原料气输入管线3而到具有一般特点的合适的气体冷却区4，以便冷却到膜系统的设计操作温度以下。冷却时，原料气一般是过饱和的，即它将被其中的可冷凝的蒸汽组分饱和，也还含有游离的液滴。这样，原料空气流如果处于空气分离工艺这一点，则在低于设计操作温度时，一般会含有压缩空气和水滴。原料气从上述冷却区4在管线5输到常用的任何一种所要求类型的水分离器区6、以除去原料气流中所存在的游离水或其他液滴。分离出来的液体通过管线7从上述分离器区6除去，而原料气通过管线8从上述分离器区6流出，在这时，压缩过的、冷却的原料气流在特定的操作压力下，一般是被其所述的可冷凝的蒸汽组分所饱和，如原料空气流为水蒸汽所饱和，原料气流经由管线8输到本发明的加热保温外壳9内，所述外壳保温层一般用数字10表示，而门、通气口、风扇和用于监测气体泄漏层一般用数字10表示，而门、通气口、风扇和用于监测气体泄漏的取样口等在附图中未示出。在所说明的例子中，保温外壳9是通过安置在外壳内的加热装置11来加热，该装置接受一般用数字12表示的外部装置所提供的热量。

为了使原料气通入含有按需串联和/或并联流动槽的所述系统的各个膜组件（未示出），原料气经过上述管线8流入置于加热保温外壳9的渗透膜系统13。原料混合气中较易渗透组分，通过膜组件内的渗透膜材料，流经管线14而在膜系统的渗透出口侧排出。原料混合物中的不易渗透组分，在进料表面上由膜组件排除，或非渗透部分由其侧面通过管线15从膜系统排出。

所属技术领域的技术人员会理解原料气在保温外壳9内被加热到过热温度，即该温度高于该膜分离操作压力下的原料气饱和温度。为此目的，加入的热量必须足够过热原料气，和补偿由保温外壳损失的热量。原料气过热的热量通常应该至少是3°F，最好至少是5°F，以保证抵御不希望发生的冷凝作用。借助于加热装置11，可把热量加至保温外壳9内的环境空间，或如下述直接加热原料气。

发现本发明的实施能提供许多明显的优点，超过上述讨论的现有技术。因此，整个系统的投资与已知技术相比可以减少，在已知技术中原料气是直接过热，并且每个膜组件，例如束状的，都逐个进行保温，以保持所要求的过热条件，特别是在使用多级膜组件系统的情况下。另外，在本发明的实施中，改善了接触组件进行维修的方法，其中，与已有技术对膜组件逐个保温相比，本发明不用逐个保温组件。

与已有技术方法相比，还发现在使用本发明加热保温外壳的方法时，整个膜系统自始至终都能保持一种更加均匀的、稳定的温度状态。还发现与已有技术直接加热原料气一逐个组件的保温方法相对照，通过改变外壳范围内的整个温度，膜系统的操作温度就更易调节。因此，本发明的方法和系统，在各种操作条件下，可以有更大的灵活性以达到至今所得到的最优化的膜系统效率。

本发明的优点还适于气体分离膜系统操作时，都会受到因处理的原料气组分冷凝的不良影响。本发明实施也能有利于膜系统所需的温度控制，以优化整个工艺/膜系统操作。本发明的优点在实施例中有进一步的增加，如在下文所说明的那样，通过回收整个气体分离系统的热量，而使气体分离操作所需要的能量有利地降低。

参照附图2，可以看到，这里说明的最佳施例是应用了上文已描述，并示于图1实施例中的保温外壳。不使用外置加热装置以达到并保持保温外壳内所要求的过热条件。然而，热量是从整个气体分离系统本身回收来的，而且这样回收的热量是用于达到膜系统内的过热状态，最好是通过在保温外壳 内直接加热原料气。因此，来自管线21的原料气输入油-溢流螺旋压缩机22，由该压缩机压缩的原料气经由管线23输到常规的油分离器24。然后，这样处理过的原料气流经管线25输到冷却装置26后，并流经管线27，再到常规液体（例如水）分离器28。冷凝水或其它液体由所述分体器通过管线29而排除。然后原料气经由管线30而进入本发明的保温外壳31。用以保温外壳的保温材料一般用数字32表示。

当进入保温外壳31时，可以认为是宜于控制和/或减少那里的热损失的。管线30中的原料气通到凝聚过滤器区33，在该区存在于原料气中的所有残余油滴都被分离，并经过管线34而排除。从所述区33，原料气经由管线35输到热交换器区36，如壳式和管式交换器，原料气由来自原料气压缩机22的热油加热。气体的出口温度通常通过控制送经所述热交换器区36的油量加以控制。因此，所需要的过热程度易于调节以适应不同的露点情况或与给定的气体分离应用有关的其它因素。如上所述，不管在什么情况下，原料气将过热到高于原料气在所要求的操作压力下的饱和温度。

在所述区域36过热以后，原料气通过管线37进入保温外壳31内的渗透膜系统38的膜组件中。就包含在该系统内的各个组件来说，是以串联或并联流动方式从那里通过。如同上面所公开的那样，例如空心纤维束的组件，不是逐个地进行保温。混合原料气中不易渗透的组分，在基本上是原料气压力水平下，作为非渗透气体在该系统的进料侧面，通过管线39，从膜系统38排出。原料气中较易渗透的组分，在较低的压力下，作为渗透气体在该系统的渗透一侧面，通过管线40而单独排出。

人们将理解，从油分离器24的压缩原料气中分离出来的油，可调节流经管线41而输到所述油溢流螺旋压缩机22。在这最佳实施例中，与使用所述压缩机22有关的压缩热是被回收的，并且代替或加到外置热源中加以利用，如图1所说明的实施例那样，由于这种原因，图2中的外置热源未示出。尽管能够理解这种外置热源也能与有利地使用在该系统内所回收的压缩热一起使用。

为了从压缩机22取出压缩热，将加热的油由所述压缩机流经管线42而输入油冷却器43，冷却油由冷却器43流经管线44返回压缩机。为了本发明能利用热量的目的，管线42中的部分油能转往管线45，这样绕过上述冷却器43而进入处于保温外壳31的外部或内部的热交换器36。离开上述交换器的冷却油流经管线46与管线44中的冷却油合并，再循环到上述压缩机22。本实施例操作温度的合理控制很容易达到，通过配置在支管48上的一个合适的控制阀，以控制通到热交换器36所要求的热油量，并把流经管线48的剩余油通过管线46与来自热交换器再循环的冷油合并。可以认为上述控制阀47可根据适当的温度测定装置来操作，例如在通往膜系统38的管线37上的测量仪49，在上述温度测量仪49和控制阀47之间的一般联通装置用数字50表示。

所属技术领域的技术人员应理解在本发明的细节中，可以进行各种变化和改进，而不脱离下面所附的权利要求的发明范围。在上述空气分离的应用中，通常使用能渗透氧的渗透膜材料，氧是作为原料空气流中较易渗透的组分。因此，氮含有原料空气中的不易渗透的组分，而成为一种富氮产品气流，如果这样要求的话，将作为具有含残余氧-氮气流（与原料气流相比是富集氧的）的渗透气体的非渗透气流而回收。在本发明另一个用途中，可以使用具有相反渗透性的渗透膜材料，例如，在空气分离应用中，使渗透膜渗透氮气，而不是氧气，以氮作为原料气中较易渗透组分。所属技术领域的技术人员可以理解，本发明的改良膜分离系统和方法，一般能应用于任何要求气体分离的操作，其中原料气组分的冷滤是能按要求克服的问题和/或冷凝可能是不一定必需的操作或者要求达到一种这热、持久、稳定的温度环境，并具有所要求的温度控制能力，该能力超过采用逐个保温膜组件所得到的。由还含有甲烷、乙烷和其它烃类的废气中净化氢气是这种气体分离应用的一个例子，如同从氨净化气、二氧化碳和甲烷分离中回收氢。

如上所述，含有配置在本发明保温外壳内的膜系统的渗透膜可以是任何一种所要求的形式，一般选用中空纤维膜。可以认为，用于任何特殊气体分离用途中的膜材料，可以是任何一种合适的材料，该材料可以选择性地由含有一种不易渗透组分的气体或流体混合物中渗透一种较易渗透的组分。纤维素衍生物，例如，醋酸纤维素、醋酸丁酸纤维素 等;聚酰胺和聚酰亚胺，包括芳基聚酰胺和芳基聚酰亚胺;聚砜;聚苯乙烯等均是这类材料的代表性实例。从技术上可以了解，现有技术中有许多其它渗透膜材料是已的，并适用于各种分离操作，如上所述，如用于本发明的实施例中的膜，可以是复合膜型、不对称型、或任何其它类型的膜，只要它们在使用本发明的系统和方法的实施中对特殊气体分离是有用的并有效的。

由于有效而方便地克服了在实际工业操作中所遇到的冷凝问题，因此，本发明在有关气体分离操作的膜技术上取得了非常令人满意的进展。本发明还提供了一种令人十分满意的装置，以实现一种持久的、稳定的温度环境，进一步提高了用于气体分离的膜系统和方法的效率，因此，使渗透膜能更有效地为实践需要而服务，并为实现实用工业规模的气体分离提供了方便的装置。

Claims (27)

1、一种能消除冷凝作用的改进的气体分离方法，包括：

(a)使原料气流输入适于控制和/或降低热损失到最低限度的保温外壳内；

(b)供给所述保温外壳内以足够的热，使其中的原料气流过热至高于原料气压下的原料气饱和温度的温度；

(c)把这种过热原料气流输入配置在所述保温外壳内的渗透膜系统内；

(d)在基本上为所述原料气压力下，从膜系统和所述保温外壳中排出作为非渗透气体的不易渗透组分；

(e)在较低压力下，从膜系统和所述保温外壳中分别排出作为渗透气体的较易渗透组分。

2、权利要求1的方法，其中对保温外壳内供给热量是向保温外壳内的气体分离操作装置供外热。

3、权利要求2的方法，其中所述热量的供给是通过配置在保温外壳内的电加热装置。

4、权利要求2的方法，其中所述热量的供给是通过将蒸汽引入所述保温的外壳。

5、权利要求2的方法，其中包括压缩所述原料气流至所要求的压力水平以通入所述保温外壳。

6、权利要求5的方法，其中包括冷却所述压缩过的原料气并从中去除液滴，以使原料气在通入所述保温外壳时所要求的压力水平下基本上是饱和的。

7、权利要求1的方法，其中所述原料气包括空气，不易渗透组分包括氮气，而易渗透组分包括氧气。

8、权利要求6的方法，其中所述原料气包括空气，不易渗透组分包括氮气，而易渗透组分包括氧气。

9、权利要求1的方法，其中包括在原料气通入所述保温外壳前，将原料气流压缩至所要求的压力水平。

10、权利要求9的方法，其中使保温外壳内的原料气流过热的热量是通过配置在所述保温外壳内的热交换器所提供的。

11、权利要求10的方法，其中所述热交换装置适于直接给原料气流供热。

12、权利要求11的方法，其中通过所述热交换装置供给原料气的热量包括从压缩原料气流时所产生的压缩热中回收的热量。

13、权利要求12的方法，其中采用溢油压缩机压缩原料气，将来自压缩机的热油通入配置于保温外壳内或外壳外的所述热交换装置，以提供过热原料气所需的热量。

14、权利要求13的方法，其中包括将附加热量通入保温外壳，所述附加热量包括向气体分离工艺装置加的外热。

15、权利要求13的方法，其中所述原料气包括空气，不易渗透组分包括氮气，而易渗透组分包括氧气。

16、一种实施权利要求1的方法的改良的气体分离系统，包含：

（a）一种渗透膜系统，它含有至少一个能选择性地由原料气流的一种不易渗透的组分中渗透其一种易渗透组分的膜组件，所述系统包括用于将原料气流在所要求的原料气压力下，输入所述膜组件的进料侧面的装置，和分别排出在基本上是上述原料气压力水平下作为非渗透气体的不易渗透组分，和在较低压力下作为渗透气体的易渗透组分的装置，为了保持膜组件内的热量，不是对单个膜组件或多个膜组件逐个进行保温;

（b）适于对原料气流提供足够的热量，以便使所述原料气过热至高于所述原料气在通入渗透膜系统之前的原料气压力下的饱和温度的供热装置;

（c）一种包围所述膜系统和所述供热装置的外壳，该外壳是保温的以控制和/或使系统和装置的热损失降低到最低限度，以至于热损失不多于所述供热装置所提供的热量，而且使通过膜系统的原料气流保持过热状态。

17、权利要求16中所述的系统，其中所述供热装置包括一种用于向保温外壳内的气体分离操作设备供外热的装置。

18、权利要求17中所述的系统，其中所述供热装置包括安装在所述保温外壳内的电加热装置。

19、权利要求17中所述的系统，其中所述供热装置包括通入所述保温外壳内的蒸汽。

20、权利要求17中所述的系统，其中还包括将原料气流压缩至所要求的压力水平，将之输入到所述供热装置和配置在所述保温外壳内的膜系统的装置。

21、权利要求20中所述的系统，其中还包括用于冷却所述压缩过的原料气和排除其中的液滴，使所述原料气在所要求的压力水平下，输入配置在所述保温外壳内的供热装置和膜系统时，基本上处于饱和状态的装置。

22、权利要求16中所述的系统，其中还包括用于压缩所述原料气流至所要求的压力水平，以输入配置在所述保温外壳内的供热装置和膜系统。

23、权利要求22中所述的系统，其中所述供热装置包括用于向保温外壳内的原料气流供热的热交换装置。

24、权利要求23中的系统，其中所述热交换装置适于对所述原料气流直接供热。

25、权利要求24中的所述系统，其中还包括用于回收压缩原料气流时产生的压缩热，并且将所述热量输入位于所述保温外壳内的热交换装置的装置。

26、权利要求25中所述的系统，其中所述压缩机装置包括一种溢油压缩机装置，同时包括用于将所述压缩机装置内加热的油输入配置于保温外壳内或外壳外的所述热交换装置的管道装置。

27、权利要求26中所述的系统，其中还包括用于调节通入所述热交换装置的热油量的控制装置。

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