CN1038652C - 膜法气体分离器组用于气体置换时的操作方法 - Google Patents

Abstract

一种膜法气体分离器组用于气体置换时的操作方法，其特征在于：开始置换时，2～20根分离器并联为一段使用，流经被置换设备的置换气排入大气，以获得较大流量，纯度较低的富氮气；在置换后期，将分离器组分为两段串联使用，流经被置换设备的置换气被引到压缩机进口并循环使用，同时压缩机进口补充空气，以获得较高浓度的富氮气。本发明可以在不增加设备投资和操作费用的情况下，得到较高浓度的富氮气。

Description

膜法气体分离器组用于气体置换时的操作方法

本发明涉及膜法气体分离技术，特别是将膜法气体分离器组用于气体置换时的操作方法。

石化、冶金等行业中，为保证安全并防止氧化等有害化学过程的发生，广泛使用富氮空气作为设备的置换气。置换的目的不同，对置换气纯度的要求也不一样。用于石化设备的置换气，一般要求氮含量为99.5％或更高。

膜法富氮是气体膜分离的重要应用领域。但限于目前高分子膜的分离性能，单级富氮只适合于生产较低纯度的富氮气(≥98％)。欲使富氮浓度更高，单级分离的氮回收率将严重下降，所需膜面积迅速增大，故一般不用单级膜分离制取更高纯度富氮气。R.Prasad在U.S.Pat.5,102,432中描述了用三级膜分离从空气富氮的过程。在所述的三级膜分离器组中，他将第二级的渗透气返回到第一级的进料气中，将第三级的渗透气返回到第二级的进料气中，可提高膜分离过程的氮回收率，并得到较高纯度的富氮气。但是，欲使第三级的渗透气返回到第二级的进料气，须加压，故增加了设备投资和操作费用。此外，在气体置换开始时，不必用高浓度的富氮气，故该专利所述的多级膜分离富氮过程不适合作气体置换气气源。

本发明的目的在于提供一种操作方法，使得将膜法气体分离器组用于气体置换时，在不增加设备投资和操作费用的情况下，得到较高浓度的富氮气。

本发明提供的膜法气体分离器组用于气体置换时的操作方法，其特征在于：

——开始置换时，2～20根分离器并联为一段使用，流经被置换设备的置换气排入大气，以获得较大流量，纯度较低的富氮气(一段开放)；

——在置换后期，将分离器组分为两段串联使用，流经被置换设备的置换气被引到压缩机进口并循环使用，同时压缩机进口补充空气，以获得较高浓度的富氮气。

由于一段渗透气量较大，为充分发挥第二段分离器的作用，当进行循环置换时，第二段膜面积小于第一段膜面积。另外第二段的渗透气也可以被引到压缩机进口循环使用，这是因为第二段分离器的原料气氮浓度较高，相对于空气而言，其渗透气是富氮的，将它作为一段分离器原料气的一部分，能适当增加氮收率，降低能耗。总之，本发明提供的一段开放/两段循环置换工艺在开放置换时能提供较大流量，较低纯度(97％左右)的富氮气，使待置换设备内尽快达到95％的氮浓度；在置换后期，通过二段循环置换又能得到99.5％以上的富氮气。该置换工艺的优点在于：分离器组中各分离器在开放置换和循环置换中都充分发挥了作用。此外，从一段开放转为二段循环流程，操作简单方便，不增加压缩机功耗及其它投资、操作费用。下面通过实施例详述本发明。

实施例1：

膜分离器组由四根膜分离器组成。通过阀门1～7的适当组合，它们可方便地组成用于开放置换的一段并联流程(四根并联)，或用于循环置换的两段串联流程(三并一串)见表1：

阀门号状态阶段	1    2    3    4    5    6    7
		一段开放	开  关   开    关   开   关   开
二段循环	关  开   关    开   关   开   关

所用的分离器为中空纤维膜分离器，其分离性能和标准操作条件为：

氧渗透系数；3.5×10^-5cmu³/cm²·s·cmHg

氧/氮分离系数：3.7

原料气侧压力：0.8MPa

渗透气侧压力：0.1MPa

Φ200×3000mm分离器膜面积400M²，处理空气量110NM³/hr。

按本发明公开的一段开放/两段循环方式操作，在开放置换时，四根分离器并联，可产生97％的富氮空气135NM³/hr，可使待置换设备内氮浓度尽快达到95％。在循环置换时，三根分离器作为第一段，一根分离器作为第二段，第二段的渗透气返回压缩机进口，这样可得到99.7％富氮气40NM³/hr，或99.8％富氮气35NM³/hr。

实施例2  有待置换设备容积260M³，要求置换到氮含量99.5％。所用富氮分离器组由8根Φ200×3000mm分离器组成，每根器面积400M²。膜性能和操作条件同例1。Jo₂＝3.5×10^-5cm³/cm²·s·cmHg，O₂/N₂分离系数α＝3.7；操作条件：原料气侧压力0.8MPa，渗透气侧压力0.1MPa。

以上8根器并联可获97％富氮气260M³(STP)/hr，或99.8％富氮气64M³(STP)/hr。若直接用99.8％富氮气置换，可计算出置换时间为：

t₁＝(260/64)ln[(99.8-79)/(99.8/99.5)]＝17.3(hr)

若先用8根器并联(即一段开放置换)制取97％富氮气进行置换，则置换到95％浓度耗时

t₂＝(260/260)ln[(97-79)/(97-95)]＝2.2(hr)

再将6根器并联为第一段，2根器并为第二段进行循环置换至99.5％浓度，须耗时

t₃＝(260/80)ln[(99.8-95)/(99.8/99.5)]＝9.0(hr)

t₂+t₃＝11.2(hr)即一段开放/二段循环置换所需时间。

实施例3有待置换设备容积100M³，要求置换到氮含量97.5％。所用膜分离器组由10根Φ100×3000mm分离器组成，每根器面积100M²。膜性能Jo₂＝2×10^-5cm³/cm²·s·cmHg，O₂/N₂分离系数α＝4.5；操作条件为：原料气侧压力0.8MPa，渗透气侧压力0.1MPa。

以上条件下，10根器并联产生95％富氮气90.6M³(STP)/hr，或98％富氮气47.7M³(STP)/hr。若直接用98％富氮气置换，须耗时：

t₁＝(100/47.7)ln[(98-79)/(98/97.5)]＝7.6(hr)

若用本专利申请书公开的方法，可先用10根器并联(一段)产生95％富氮气进行置换，可置换到94％，耗时：

t₂＝(100/90.6)ln[(95-79)/(95-94)]＝3.0(hr)

再将7根分离器并联组成一段，3根分器组成第二段，可获98.6％富氮气36.7M³(S TP)/hr，置换到97.5％须耗时

t₃＝(100/36.7)ln[(98.6-95)/(98.6-97.5)]＝3.2(hr)

t₂+t₃＝6.2(hr)，即一段开放/二段循环置换法所需时间。

Claims (3)

1.一种膜法气体分离器组用于气体置换时的操作方法，其特征在于：

——开始置换时，2～20根分离器并联为一段使用，流经被置换设备的置换气排入大气，以获得较大流量，纯度较低的富氮气；

——在置换后期，将分离器组分为两段串联使用，流经被置换设备的置换气被引到压缩机进口并循环使用，同时压缩机进口外充空气，以获得较高浓度的富氮气。

2.按权利要求1所述操作方法，其特征在于：其中两段分离器串联操作时，第二段的渗透气被引到压缩机进口并循环使用。

3.按权利要求1，2所述操作方法，其特征在于：当进行循环置换时，第二段膜面积小于第一段膜面积。