CN104023821A - 分离气体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于将含氦气的气体混合物分离的特殊设备，尤其是气体分离膜组件的连接，和特殊方法。

Description

分离气体的方法
技术领域
本发明涉及用于将含氦气的气体混合物分离并制备高纯度氦气的特殊方法和特殊设备，尤其是气体分离膜组件的连接。
背景技术
从气体源获得氦气在能量方面是非常昂贵的方法并且迄今主要利用低温蒸馏操作。
为了简化这种方法和至少作为能量密集性方法步骤例如低温蒸馏的部分替代，已经提出了膜技术的使用。例如，US 2005/0217479A1和其中引用的现有技术中提供了利用膜技术从气流中纯化氦气的各种实例。然而，在所述方法中，仅能达到低纯度的氦气；此外，收率非常差。
公知的是，可以利用气体分离膜，根据各气体的不同的渗透性(＝物质流量每单位时间，面积，压差和层厚度)将气体混合物分离。一般而言，为了制备此种气体分离膜，将塑料加工以获得中空纤维或平膜。所述膜的特征在于在膜表面处的非常薄的分离层，以致所述膜的渗透率(＝物质流量每单位时间，面积和压差)尽可能大。
除了新的膜材料之外，在现有技术中还研究了膜的各种不同的连接。一系列用于将气体分离的单级或多级膜互连结构是在文献中已知的。举例来说，这里可以提及如下引用文献：Baker，IndEngChemRes，Natural Gas Processing with Membranes，47(2008)；Bhide MemSci，Hybrid processes for the removal of acid gases from natural gas，1998；Hhenar，MemSci Application of Cardo-type polyimide(PI)and polyphenylene oxide(PPO)hollow，2008；EP 0 603 798；EP 0 695574；US 5,753,011；EP 1 634 946；EP 0 596 268；US 6,565,626B1；US 6,168,649 B1 和EP 0 799 634。所提及的方法具有缺点，即它们部分地包括多个再压缩步骤，或仅能获得高纯度的渗透物气体或仅能获得高纯度的渗余物气体。对于同时获得高纯度的渗透物气体和渗余物气体，迄今仍没有适合的膜方法。另外对于仅仅利用膜方法进行氦气纯化，迄今仍没有任何令人满意的解决方案。
发明内容
从这种现有技术出发，本发明的目的是提供用于分离和纯化含氦气的气体混合物的方法和设备，其没有或仅以降低的程度具有现有技术中的方法和设备的缺点。特别地，意于提供可以同时以高纯度制备含氦气的渗透物气体以及渗余物气体的方法和设备。在另一个特定目的中，这些方法和设备应从投资成本和操作成本方面是有利的和/或容许实现更简单的方法控制。
在下一个特定目的中，意于提供可以尽可能通用的用于纯化氦气的方法/设备。特别地，应可以高效和有效地分离任何气流，不管氦含量，不管气流的组成和不管气流中其它组分的含量如何。
本发明的另一个特别的目的是保持氦气与粗气流相比的损失尽可能低。
没有明确提及的其它目的由随后的权利要求书、说明书、实施例和附图的总体关联得出。
现已令人惊奇地发现，可以通过根据权利要求1的方法和根据权利要求2的设备或其从属权利要求之一的方法或设备获得渗透物(氦气流)和渗余物的纯料流，而不要求超过一个的压缩机。根据本发明的设备同时允许以高纯度获得氦气和渗余物料流。设备的投资成本低；它不要求额外的下游纯化工艺。因此，可以用纯的膜分离方法达到提出的目的。
本发明因此提供权利要求书中要求保护的以及下面的说明书和实施例中更详细阐明的设备和方法。
下面将详细地描述本发明。首先，定义一些重要的术语。
由两种个体气体的渗透率的商得到用于分离的膜在这两种气体方面的“选择性”，并因此指示所述膜能多好地在所述两种组分方面分离气体混合物。“渗透物”是指在所述膜、膜组件或膜分离步骤的低压侧上产生的总料流。
“渗透物气体”是指在每种情况下在膜、膜组件处或在膜分离步骤中，在渗透物料流中与相应的进入料流中相比富含的一种或多种组分。
“渗余物”是指在膜、膜组件或膜分离步骤的高压侧上产生的并不穿过所述膜的总料流。
“渗余物气体”是指在每种情况下在膜、膜组件处或在膜分离步骤中，在渗余物料流中与相应的进入料流中相比富含的一种或多种组分。
粗气体或粗气体混合物或粗气流17是指待利用根据本发明的方法或本发明设备分离的并包含氦气作为一种组分的由至少两种气体形成的气体混合物或这种气体混合物的料流。氦气的含量可以在任何所需限度内变化，但是优选是0.01-80体积％，尤其优选0.1-20体积％，非常尤其优选1-10体积％。粗气流可以是未经处理的气流，例如来自工艺等的副产物或废气流，或者是已经被后处理而提高氦气比例的气流，例如来自低温蒸馏的气流。适合的气流的实例是其中氦气用作例如保护气氛的工艺气体。
原料流5是指供给原料流分离级1的由氦气和至少一种其它组分形成的气流。这种料流可以对应于粗气流17或由压缩机压缩的粗气流。然而，在将第二渗透物料流9和/或第三渗余物料流10再循环后，原料流5由粗气流17的气体、第二渗透物料流9的那些和/或第三渗余物料流10的那些组成。原料流5优选如下产生：将料流9和10都与未压缩的粗气流17混合，或将这两者与经压缩粗气流混合，或将之一与未压缩的粗气流混合并将之一与经压缩的粗气流混合，或将料流9和/或10与粗气流17在压缩机中混合。上述变型的组合也由本发明涵盖。
原料流分离级1是指将原料流5分离成与原料流5相比富含氦气的第一渗透物料流6和与原料流5相比贫氦气的第一渗余物料流7的膜分离级。
渗余物分离级2是指膜分离级，其可以具有与原料流分离级1相同或不同的构造，用于将第一渗余物料流7分离成与第一渗余物料流7相比富含氦气的第二渗透物料流9和与第一渗余物料流7相比贫氦气的第二渗余物料流8。
渗透物分离级3是指膜分离级，其可以具有与原料流分离级1和/或渗余物分离级2相同或不同的构造，用于将第一渗透物料流6分离成与第一渗透物料流6相比贫氦气的第三渗余物料流10和与第一渗透物料流6相比富含氦气的第三渗透物料流11。
通过参照根据本发明方法的下述优选和特定实施方案，以及优选和尤其适合的实施方案以及附图和附图说明，仅仅是以举例方式更详细说明本发明，即本发明不局限于这些实施方案和应用实施例或在各个实施例内部的特征的相应组合。
连同具体实施例给出和/或描述的各个特征不局限于这些实施例或与这些实施例的其余特征的组合，而是它们可以在技术可能性范围内与任何其它变型组合，即使它们在在此提供的文件材料中没有进行分开地处理。
各个图和附图部分的图片中的相同的附图标记是指相同的或相似的组件或起相同或相似作用的组件。借助附图中的描绘，还使没有提供附图标记的那些特征也变得明显，不管这些特征是否在下文中被描述与否。另一方面，包含在本说明书中的但是在附图中不可见或没有描绘的特征也是本领域技术人员可容易理解的。
本发明设备(参见，例如，附图1-3)包括至少三个膜分离级的连接。每个级由一个或多个物理气体分离组件构成，这些组件并联和/或串联连接在一个级内。对于在所述组件中用于将气体分离的推动力是相应的膜分离级中渗余物那侧和渗透物那侧之间的分压差。所述分压差可以利用布置在原料流分离级1的进料侧上的压缩机4和/或利用至少一个，优选一个或两个真空泵(附图1-3中没有示出)产生，所述真空泵优选在渗余物分离级2的渗透物那侧上在第二渗透物料流9中和/或在渗透物分离级3的渗透物那侧上在第三渗透物料流11中。任选可能有利的是在膜分离级中的一个或多个中利用渗透物那侧的吹洗气流产生或提高分压差。
在本发明的一个优选的实施方案中，压缩机4使粗气体混合物或由粗气流17和第二渗透物料流9和/或第三渗余物料流10形成的气体混合物达到5-100巴的所需压力，但是优选达到5-50巴或尤其优选10-25巴的压力。将所得的原料流5导引入原料流分离级1。在原料流分离级1中，达到粗气体混合物预分离成较容易渗透的组分(渗透物气体)和较不快速渗透的组分(渗余物气体)，所述较容易渗透的组分大部分进入第一级的渗透物中，所述较不快速渗透的组分主要由膜保留并在渗余物中富集。
根据本发明的方法和/或根据本发明的设备可以在没有将材料流9和10再循环的情况下进行，特别是当纯化粗氦气时(参见实施例2)。
然而，尤其是如果粗气流17中的氦气含量非常低和/或希望第三渗透物料流11中氦气的高纯度，则根据本发明的方法和/或根据本发明的设备在一个优选的变型中特征在于：它按满足以下条件的方式进行设计：即原料流5中的氦气的浓度由于第二渗透物料流9和第三渗余物料流10的再循环而提高，优选提高至少2％，尤其优选至少3％，更尤其优选4-10％，特别优选5-10％，在每种情况下与粗气流17中的氦气浓度相比。该提高可以取决于粗气流17的组成并且在低的氦气浓度(0.01-10％)下尤其显著。通常，当粗气流17中的渗透物气体的含量在2-7％之间时，氦气浓度提高在2-10％之间，尤其优选在3-5％之间。
本发明的发明人已经发现，如果将原料流分离级1中的氦气的浓度提高，则整个工艺的在氦气和渗余物气体方面的收率提高并因此气体损失减少。在相同的级分割比(＝所述级中的渗透物料流与原料流之比)下，如果至少原料流5中氦气的浓度提高，则显著更少的氦气进入原料流分离级1的渗余物中。类似地，如果待纯化的原料流5中氦气的浓度与粗气流相比减少，则确定收率降低。因此，对于待纯化的原料流5中10％氦气的浓度的级分割比在2-30％，优选5-25％，尤其优选10-15％之间。在本发明的一个尤其优选的实施方案中，根据本发明的方法和/或根据本发明的设备因此按满足以下条件的方式设计，即在第二渗透物料流9和第三渗余物料流10再循环后，原料流5中氦气的含量大于或等于2体积％，优选大于5体积％，非常尤其为大于10体积％，基于原料流5的体积。
如已经阐明的那样，原料流5中氦气的浓度提高将原料流分离级1的效率提高，这又导致较少渗余物气体进入第一渗透物料流6。这又提高渗透物分离级3的效率并且确保这里也是较少不希望的渗余物气体进入第三渗透物料流10。
一般而言，可以说，在原料流分离级1中，氦气的优选20-100％，尤其优选30-90％，非常尤其优选40-70％从原料流5转移到渗透物中。
将原料流分离级1的渗余物，任选在利用任选存在的减压阀12的减压下或在利用第一渗余物料流7的增压下供给渗余物分离级2，在其中进行渗余物料流7的精细纯化。在渗余物分离级2的渗余物那侧上，即在第二渗余物料流8中，优选存在减压阀13，利用该减压阀可以将该体系中的压力维持并保持恒定。较难渗透的组分或渗余物气体B的含量在渗余物分离级2中进一步增加，以致组分B或渗余物气体B在第二渗余物料流8中的含量优选大于80体积％，尤其优选大于90体积％，非常尤其优选90-99.9体积％，特别优选92体积％-99.5体积％。在一个尤其优选的变型中，根据本发明的方法或根据本发明的设备的特征在于，经由第二渗余物料流8排出原料流分离级1的随粗气流17导入设备的渗余物组分的至少95体积％，优选至少97体积％，更优选至少99体积％，非常尤其优选至少99.5体积％。
对于第一渗余物料流7中5％的氦气浓度，渗余物分离级2的级分割比在2-30％，优选5-15％之间。
利用第二渗透物料流9将渗余物分离级2的含氦气的渗透物再循环，供给原料流5并再后处理(这是优选的)或将其弃置。如上面在术语"原料流"的定义中已经阐明的那样，该再循环可以根据是否使用压缩机4或甚至多级压缩机4而以不同的方式进行。在单级压缩机4的情况下，优选将第二渗透物料流9供给压缩机4的吸入侧(参见附图1)。如果使用多级压缩机，则优选将第二渗透物料流9在两个压缩级之间导入压缩机(参见附图2和3)。
利用第一渗透物料流6将原料流分离级1的已经大大富含氦气的渗透物供给渗透物分离级3。如果有必要的话，可以利用渗透物分离级3的渗余物料流，即第三渗余物料流10中的减压阀14防止所述原料流分离级1的渗透物的压力降低到环境压力(参见附图1)。这样，可以维持渗透物分离级3的推动力。渗透物分离级3优选产生具有大于50体积％，优选70-99.9体积％，尤其优选80-99体积％，特别优选85-98体积％，非常特别优选90-96体积％的氦气含量的渗透物(氦气产物料流)，该渗透物经由第三渗透物料流11从该设备排出。在一个尤其优选的实施方案中，根据本发明的设备经设计满足经由第三渗透物料流11排出原料流分离级1的随粗气流17导入设备的渗余物组分的最多50体积％，优选最多30体积％，尤其优选最多1-20体积％，非常尤其优选最多2-15体积％，特别优选4-10体积％。在另一个尤其优选的变型中，根据本发明的方法或根据本发明的设备因此特征在于经由第三渗透物料流11排出原料流分离级1的随粗气流17导入设备的氦气的至少95体积％，优选至少97体积％，更优选至少99体积％，非常尤其优选至少99.5体积％。
渗透物分离级3的级分割比在30-95％，优选50-70％之间。
将第三渗余物料流10再循环，供给原料流5并再后处理(这是优选的)或将其弃置。如上面已经阐明的那样，该再循环可以按不同的方式进行并且可以例如取决于是否使用压缩机4或甚至多级压缩机4。在单级压缩机4的情况下，优选将第三渗余物料流10供给压缩机4的吸入侧(参见附图2)。如果使用多级压缩机，则优选将第三渗余物料流10在两个压缩级之间导入压缩机(参见附图2和3)。
在一个尤其优选的实施方案中，根据本发明的方法或根据本发明的设备的特征在于，它按满足以下条件的方式设计，即在第二渗透物料流9和第三渗余物料流10中再循环的气体体积总计是粗气流17的体积的少于50体积％，优选5-40体积％，非常尤其优选5-30体积％，特别优选10-25体积％。再循环气流的量的控制可以，例如，经由膜分离级1-3中的相应的膜组件的选择或利用系统中的压力的控制和调节或利用流量进行。由此，根据本发明的方法或设备的特征在于，尽管有非常低的回流，但是原料流5中氦气浓度的增加(上面已经详细说明)得到确保。这明显地提高总体方法的效率。
优选输送第一渗透物料流6以致渗透物分离级3的进料压力(优选利用在渗透物分离级3的渗余物那侧上的减压阀14为1-30巴，优选2-20巴，尤其优选2-10巴。
如已经阐明的那样，如果使用多级压缩机4，则是尤其有利的。在这种情况下，也就可以省去渗透物分离级3的渗余物的完全卸压，因为可以在所述压缩机4的两个压缩器级之间供给渗透物分离级3的渗余物(参见附图2和3)。
因为在卸压到进料压力后渗余物分离级2将一般在选择性受限的压力范围中操作，所以可能有用的是将第二渗透物料流9仅仅卸压到多级增压单元，即多级压缩机4的较高的压力水平，因为由此减少压缩单元的操作成本，而不会明显地损害分离结果。在本发明的一个尤其优选的实施方案中，因此使用多级压缩机4并将气流9和10在每种情况下在两个压缩级之间供给这种压缩机。此种连接示于附图3中。
如已经提及的那样，根据本发明的设备可以包括一个或多个减压阀12、13或14。在一个优选的实施方案中，优选利用减压阀14确保，原料流分离级1内的压降限于1-30巴，优选2-20巴，尤其优选3-10巴。同时或备选地，优选利用减压阀13确保，原料流分离级1和渗余物分离级2内的压降限于1-100巴，优选5-80巴，尤其优选10-70巴。
根据本发明的设备或根据本发明的方法原则上可以用能够将二元气体混合物或多元气体混合物分离的所有膜实现。所使用的膜材料优选但不仅限于塑料。适合的分离活性层中的塑料尤其优选是聚酰亚胺、聚酰胺、聚砜、乙酸纤维素和衍生物、聚苯醚、聚硅氧烷、具有固有微孔性的聚合物、混合基体膜、易化运输膜、聚氧化乙烯、聚氧化丙烯、碳膜或沸石或它们的混合物。
在本发明的一个尤其优选的实施方案中，气体分离膜组件具有至少40，优选50-400，尤其优选100-350，非常尤其优选150-300的对于氦气/甲烷或对于氦气/氮气的混合气体选择性(＝经由该膜的富He材料流与贫He材料流之比)。对于氦气/甲烷，本发明另外还包括具有200-350，非常特别优选250-300的混合气体选择性的特别优选的实施方案。这些高度选择性膜具有以下优点：分离更有效且更少渗透物必须从渗余物分离级2和/或更少渗余物必须从渗透物分离级3再循环。它们的应用因此是调节根据本发明的循环料流的好的选项。另外，如果使用它们且当使用单级压缩机4时，更少气体必须双重压缩，这带来操作设备时的经济上的优点。采用这些非常选择性的膜组件，作为粗气体导入原料流分离级1的气体的仅至多30％，优选至多20％，尤其优选至多大约10％必须双重压缩，采用具有仅40的选择性的膜组件且没有其它调节措施的情况下，双重压缩是至多50％是可能的。对于具有小于40的混合气体选择性的膜，采用所给出的氦气含量范围的粗气体浓缩到产物气体中大于50％氦气是几乎不可能。上述数据是指其中供给含0.4-7％氦气和第二组分B的气体混合物(＝原料)的实验，其中组分B的多于99％存在于级2的渗余物气体中且氦气的多于50％存在于级3的渗透物料流中。
此种高选择性膜的应用因此是以显著更经济的方式进行根据本发明的方法并减少压缩机的必要尺寸和所要求的能量的优选选项。
尤其优选的膜具有以下通式的聚酰亚胺作为分离活性层的材料或作为完整膜的材料
R选自
x，y：摩尔分数，其中0<x<0.5且1>y>0.5。
非常尤其优选的膜包含这样的聚酰亚胺作为所述膜的分离活性层的材料：该聚酰亚胺包含10-90重量％，优选15-25重量％，非常尤其优选20重量％的以下单元：
和90-10重量％，优选85-75重量％，非常尤其优选80重量％的以下单元：
尤其优选的聚酰亚胺在化学文摘中以编号：CAS号9046-51-9和CAS号134119-41-8登记。
此种膜的制备描述在US 2006/0196355和WO 2011/009919中。为了避免纯粹的重复，将这两篇专利说明书的内容以全文结合到本说明书的内容中。尤其优选根据WO 2011/009919的膜，其与US2006/0196355的膜相比除更简单且更成本划算的制备之外还具有的优点是它们在根据本发明的方法中具有改进的耐性。特别地，它们具有更好的耐热性。
尤其优选的膜可以从Evonik Fibres GmbH公司以品名PolyimidP84且非常尤其作为Polyimid P84 HT获得。
根据本发明，膜优选呈中空纤维膜和/或平膜形式使用。将所述膜组装以获得组件，然后将该组件用于分离任务。可以使用的组件是在现有技术中已知的所有气体分离组件，例如但不仅限于中空纤维气体分离组件、螺旋卷绕气体分离组件、缓冲垫气体分离组件或管束气体分离组件。
根据本发明的方法/根据本发明的设备尤其具有的优点是它是纯的膜方法。
另外，采用根据本发明的方法/根据本发明的设备，可以同时产生纯的渗余物料流8和纯的渗透物料流11。
另一个优点认为是以下事实：根据本发明的方法/根据本发明的设备与已知的现有技术方法相比在设备和能量方面投入少得多的花费。
特别地，经由将根据本发明的控制再循环渗余物料流的量和增加原料流5中渗透物组分的特征以及在尤其优选的实施方案中混合气体选择性的特征进行组合，可以提供比现有技术方法优越得多的设备或方法。
如上所述，根据本发明的方法可以用于获得高纯度氦气流。然而，原则上，该方法还可以用于产生"粗氦气"。"粗氦气"是指具有50-70体积％的氦气的纯度的氦气，其可以供给其它方面的进一步加工或纯化。根据本发明的方法因此可以完全地替代常规氦气后处理设备。然而，它还可以仅替代一部分或部分步骤。它因此容许最大可能的灵活性。
气体混合物的常规氦气后处理方法例如由以下步骤构成：
a)CO2的除去，例如通过胺吸收
b)干燥，例如经由分子筛
c)烃除去，例如经由活性炭
d)氦气浓缩，例如经由分级蒸馏。
获得具有50-70体积％的纯度的"粗氦气"
e)N2和CH4分离出，例如通过冷却至-193℃
f)H2催化转化成H2O
g)任选的其它后处理步骤
这样获得具有高达99.99体积％纯度的氦气。
根据本发明的方法在这里可以尤其替代步骤d)和/或e)，而且也可以替代所提及的其它步骤。
测量方法：
为了测定混合气体选择性He/CH4或He/N2，采用在原料中的50％He和50％N2，或50％He和50％CH4的混合物在室温(23℃)下操作膜组件。在这里在各种压力(5，10，15，20巴(g(表压)))下测量渗透物和渗余物的组成。这些测量值然后可以用来计算对于总体测量压力范围(5-20巴)He和N2或CH4的透过率。这些透过率之比则对应于混合气选择性。
下面实施例旨在更详细地阐明和描述本发明，但不以任何方式限制本发明。
具体实施方式
实施例
一般初步评论
下面实施例基于模拟计算。基于包含由P84HT制成的619中空纤维膜的膜组件。实际混合气体选择性是He/N2＝175且He/CH4＝290。然而，对于模拟计算，仅把以下混合气体选择性取作基础：He/N2＝150且He/CH4＝250。
对于模拟计算，假定使用附图1所示的连接。每个膜分离级由上述组件构成。
将具有实施例中给出的组成的1m3/h粗气体混合物导入混合室，然后，任选地连同来自气流9和10的再循环气体一起，压缩至实施例中给出的压力。将冷却到20℃的压缩气体应用于原料流分离级1。利用第一渗余物料流7将这一级的渗余物供给渗余物分离级2。在渗余物分离级2的渗余物那侧上的减压阀13决定膜分离级1和2的经过的膜的驱动力。经过级1的膜的压降不进行直至环境压力，而是被渗透物分离级3的渗余物那侧上的减压阀14限制到实施例中给出的压力。再循环气流9和10的总量在下面实施例中给出。
根据本发明的实施例1："粗氦气"的制备
在混合器中制备以下物质的混合物作为粗气流：
0.4体积％He
16.1体积％N2
83.5体积％CH4。
再循环料流9和10的总量是14体积％。进料压力是20巴(a(绝对))。基于所使用的氦气的量的氦气收率是>97重量％。所获得的气流的其它组成和压力可以参见下表1。
表1：
从可比的粗气体混合物，在最接近现有技术中，即US2005/0217479，实施例4中，仅达到10体积％的氦气浓度。氦气收率是62％。这证实已经通过根据本发明的方法达到的显著技术进步。
根据本发明的实施例2：由"粗氦气"制备具有高纯度的氦气
在混合器中制备以下物质的"粗氦气混合物"作为粗气流：
50体积％He
46体积％N2
3体积％CH4
1体积％H2。
没有进行料流9和10的再循环。进料压力是16巴(a)。获得具有以下组成的产物料流11(1巴(a))：
90.2体积％He
7.7体积％N2
0.3体积％CH4
1.8体积％H2。
渗余物料流8(16巴(a))具有以下组成：
0.7体积％He
93.0体积％N2
6.3体积％CH4
0.1体积％H2。
氦气收率>99重量％。这表明，可以用根据本发明的方法以一个方法步骤并以高收率获得已经高度纯化的氦气流。
根据本发明的实施例3：具有高纯度的氦气的制备
3a)在混合器中制备以下物质的混合物作为粗气流：
3体积％He
16.1体积％N2
80.9体积％CH4。
再循环料流9和10的总量是14体积％。进料压力是20巴(a)。基于所使用的氦气的量的氦气收率>95重量％。所获得的气流的其它组成和压力可以参见下表2。
表2：
3b)在混合器中制备以下物质的混合物作为粗气流：
6体积％He
16.1体积％N2
77.9体积％CH4。
再循环料流9和10的总量是15体积％。进料压力是20巴(a)。氦气收率>97重量％。所获得的气流的其它组成和压力可以参见下表3。
表3：
这些实施例表明，可以用根据本发明的方法在没有粗氦气作为中间产物的情况下制得具有高纯度的氦气并因此可以替代传统的氦气后处理的两个步骤。
根据本发明的实施例4：由He/N2气流制备具有高纯度的氦气
在混合器中，制备以下物质的混合物：
2.7体积％He
97.3体积％N2。
再循环料流9和10的总量是20体积％。进料压力是16巴(a)。获得具有>90％氦气含量的产物料流11(1巴(a))和具有0.04体积％的氦气含量的渗余物料流8(16巴(a))。
氦气收率>99.5重量％。这表明，可以用根据本发明的方法以一个方法步骤并以高收率获得已经高度纯化的氦气流和同时获得高纯度渗余物料流。
由可比的粗气体混合物，在最接近的现有技术，即US2005/0217479，实施例3中，仅达到28体积％的氦气浓度。氦气收率是75％。渗余物料流仍然含有0.7体积％氦气。这再次证实已经经由根据本发明的方法达到的显著技术进步。采用根据本发明的方法不但可以制备已经高度富集的氦气流，而且还同时获得超高纯的N2流并因此同时获得两种可利用的产物。
附图说明：
图1：根据本发明的多个膜组件的示例性连接
图2：具有压缩机和渗透物分离级3的渗余物再循环而没有总体卸压至压缩机4的升高的压缩级中的膜组件的三级连接
图3：具有压缩机和第三级的渗余物再循环而没有总体卸压和第二级的渗透物再循环到压缩机4的升高的压缩级中的膜组件的三级连接
附图标记列表：
1:原料流分离级
2:渗余物分离级
3:渗透物分离级
4:单级或多级压缩机
5:原料流
6:第一渗透物料流
7:第一渗余物料流
8:第二渗余物料流
9:第二渗透物料流
10:第三渗余物料流
11:第三渗透物料流
12:第一渗余物料流7中的任选的减压阀
13:第二渗余物料流8中的任选的减压阀
14:第三渗余物料流10中的任选的减压阀
15:真空泵(附图中没有显示)
16:混合室(附图中没有显示)
17:粗气流

Claims (16)

1.将含氦气的气体分离的方法，其特征在于它在具有原料流分离级(1)、渗余物分离级(2)和渗透物分离级(3)，以及至少一个压缩机(4)和/或至少一个，优选一个或两个真空泵(15)的设备中进行，
所述原料流分离级(1)将由氦气和至少一种其它组分组成的原料流(5)分离成与原料流(5)相比富含氦气的第一渗透物料流(6)，和与原料流(5)相比贫氦气的第一渗余物料流(7)，
所述渗余物分离级(2)将第一渗余物料流(7)分离成与第一渗余物料流(7)相比富含氦气的第二渗透物料流(9)，和与第一渗余物料流(7)相比贫氦气的第二渗余物料流(8)，
所述渗透物分离级(3)将第一渗透物料流(6)分离成与第一渗透物料流(6)相比贫氦气的第三渗余物料流(10)，和与第一渗透物料流(6)相比富含氦气的第三渗透物料流(11)，
将第三渗透物料流(11)作为产物取出或进一步加工和任选地将第二渗余物料流(8)作为第一另外的产物取出或进一步加工或弃置，
将第二渗透物料流(9)和第三渗余物料流(10)供给原料流(5)或弃置，
不让第一渗透物料流(6)经历再压缩，
在将第二渗透物料流(9)和第三渗余物料流(10)再循环时，随第二渗透物料流(9)和第三渗余物料流(10)再循环到原料流(5)中的气体体积的调控经调节以致粗气流(17)的体积的总计少于50体积％，优选5-40体积％，非常尤其优选5-30体积％，特别优选10-25体积％被再循环，和
在将第二渗透物料流(9)和第三渗余物料流(10)再循环时，在第二渗透物料流(9)和第三渗余物料流(10)的第一次再循环后的氦气浓度在原料流(5)中提高，在每种情况下与粗气流(17)中的浓度相比优选提高至少2％，尤其优选至少3％，尤其优选4-10％，非常尤其优选5-10％。
2.用于将含氦气的气体分离的设备，其特征在于它具有原料流分离级(1)，渗余物分离级(2)和渗透物分离级(3)，以及至少一个压缩机(4)和/或至少一个，优选一个或两个真空泵(15)，
所述原料流分离级(1)经设计以致它将由氦气和至少一种其它组分构成的原料流(5)分离成与原料流(5)相比富含氦气的第一渗透物料流(6)和与原料流(5)相比贫氦气的第一渗余物料流(7)，
所述渗余物分离级(2)经设计以致它将所述第一渗余物料流(7)分离成与第一渗余物料流(7)相比富含氦气的第二渗透物料流(9)和与第一渗余物料流(7)相比贫氦气的第二渗余物料流(8)，
所述渗透物分离级(3)经设计以致它将所述第一渗透物料流(6)分离成与第一渗透物料流(6)相比贫氦气的第三渗余物料流(10)和与第一渗透物料流(6)相比富含氦气的第三渗透物料流(11)，
所述设备经设计以致所述第三渗透物料流(11)可以作为产物取出或进一步加工和任选地第二渗余物料流(8)可以作为另外的产物取出或进一步加工或弃置，
所述设备经设计以致第二渗透物料流(9)和第三渗余物料流(10)可以供给原料流(5)或弃置，
所述设备经设计满足第一渗透物料流(6)不经历再压缩，
在将第二渗透物料流(9)和第三渗余物料流(10)再循环时，随第二渗透物料流(9)和第三渗余物料流(10)再循环到原料流(5)中的气体体积的再循环经调节，以致粗气流(17)的体积的总计少于50体积％，优选5-40体积％，非常尤其优选5-30体积％，特别优选10-25体积％被再循环，和
在将第二渗透物料流(9)和第三渗余物料流(10)再循环时，第二渗透物料流(9)和第三渗余物料流(10)的再循环经调节，以致在第二渗透物料流(9)和第三渗余物料流(10)的第一次再循环后的氦气浓度在原料流(5)中提高，在每种情况下与粗气流(17)中的浓度相比优选提高至少2％，尤其优选至少3％，尤其优选4-10％，非常尤其优选5-10％。
3.根据权利要求1的方法或根据权利要求2的设备，其特征在于至少在原料流分离级(1)中，但是优选在原料流分离级(1)、渗余物分离级(2)和渗透物分离级(3)中，使用这样的气体分离膜组件，其具有至少40，优选50-400，尤其优选150-300的对于氦气/甲烷或对于氦气/氮气的混合气体选择性。
4.根据权利要求3的方法或设备，其特征在于
用于所述膜的分离活性层的材料是以下通式的聚酰亚胺
R选自
x，y：摩尔分数，其中0<x<0.5且1>y>0.5。
5.根据权利要求4的方法或设备，其特征在于作为用于所述膜的分离活性层的材料使用包含以下单元的聚酰亚胺：
10-90重量％，优选15-25重量％，非常尤其优选20重量％的以下单元：
和90-10重量％，优选85-75重量％，非常尤其优选80重量％的以下单元
6.根据上述权利要求中任一项的方法或设备，其特征在于将在压缩机(4)的吸入侧的第二渗透物料流(9)和第三渗余物料流(10)导引到进一步后处理。
7.根据上述权利要求中任一项的方法或设备，其特征在于使用多级压缩机(4)。
8.根据权利要求7的方法或设备，其特征在于将第二渗透物料流(9)和/或第三渗余物料流(10)在两个压缩级之间导入压缩机(4)。
9.根据上述权利要求中任一项的方法或设备，其特征在于将第一渗余物料流(7)和/或第二渗余物料流(8)和/或第三渗余物料流(10)导引通过减压阀。
10.根据上述权利要求中任一项的方法或设备，其特征在于膜分离级(1)-(3)中的至少一个包括多于一个的气体分离膜组件，所述气体分离膜组件并联和/或串联连接。
11.根据上述权利要求中任一项的方法或设备，其特征在于所述一个或多个气体分离膜组件由中空纤维膜和/或平膜构成。
12.根据上述权利要求中任一项的方法或设备，其特征在于用粗气流(17)导入所述设备的氦气的至少95％，优选至少97％，尤其优选至少99％，非常尤其优选至少99.5％经由第三渗透物料流(11)排出。
13.根据上述权利要求中任一项的方法或设备，其特征在于原料流分离级(1)的渗透物那侧(6)的压力，优选利用在渗透物分离级(3)的渗余物那侧的减压阀(14)，调节到1-30巴，优选2-20巴，尤其优选2-10巴。
14.根据上述权利要求中任一项的方法或设备，其特征在于所述第一和第二渗余物料流(7)和(8)的压力，优选利用第二渗余物料流(8)中的减压阀(13)，调节到1-100巴，优选5-80巴，尤其优选10-70巴。
15.根据上述权利要求中任一项的方法或设备，其特征在于用于分离任务的驱动力是各膜分离级中的渗余物那侧和渗透物那侧之间的分压差，所述分压差由原料流(5)中的压缩机和/或由第二和/或第三渗透物料流(9)和/或(11)中的真空泵(15)和/或由渗透物那侧冲洗气流产生。
16.根据权利要求14或15中任一项的方法或设备，其特征在于原料流分离级(1)的渗透物的压力与环境压力相比相等或增加，使得渗透物分离级(3)的渗余物和渗透物之间仍存在分压差并因此对于渗透物分离级(3)的渗透物处于环境压力或被施加负压的情况提供驱动力。
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