CN1040929A - 渗透膜分离系统的调低控制方法 - Google Patents

Abstract

在需求降低条件下，通过降低进料流量和降低穿过渗透膜的分压推动力而高效率地实施渗透膜工艺过程。在这种降低需求条件的过程中，充分利用了所安装的渗透膜表面积。通过降低进料流压力和/或增加渗透膜的渗透物一侧的压力来降低推动力。在所述降低需求期间，很容易达到降低产物流量和/或降低产物纯度，同时避免了渗透膜系统的开/停操作，并提高整个系统的可靠性。

Description

本发明涉及渗透膜系统。更具体讲是涉及在不同需求条件下使用此种系统。

渗透膜方法和系统在本技术领域均为已知，并正在各种各样的气体及液体分离中应用或正在考虑加以应用。在此类操作中，使进料流与渗透膜的表面相接触，并将该进料流中更易渗透的组分作为渗透物流而予以回收。而不易渗透的组分就作为非渗透物或余留物流从该渗透膜系统放出。

此种流体分离操作所固有的简便特点，促使本技术领域在实际的工业操作中扩大使用渗透膜。当然，一种渗透膜系统的选择性和透渗性必须符合一种特定用途中的总的生产要求。另外，还必须不断地提高渗透膜系统的效率，以便提高在本技术领域中所遇到操作条件下有利地应用渗透膜系统的可行性。

对于渗透膜系统的设计和总效率起重要作用的因素是完成一种给定的分离任务所需的渗透膜表面积，以及为得到所要求的产物数量和质量所需要的穿过该膜的分压差，亦即所需要的渗透性和选择性，或者分离因数。在实际渗透膜系统设计中，需要在渗透膜表面积和所述分压差之间进行最佳的折衷。因此，穿过膜的分压差（或穿过渗透膜的推动力）越大，则某一给定的分离操作所需的渗透膜表面积就越小。这时就需要应用更昂贵的泵送设备，和较高的泵操作成本，但可使渗透膜设备保持比较低的成本。反之，若使用较小的推动力，就需要更大的渗透膜表面积，因此整个系统和操作的各方面的相对成本也将随之改变。

渗透膜系统通常是按全生产能力、稳定的固定流量条件（亦即设计条件，这些设计条件在实用中并不总是充分利用的）来设计和确定最佳的性能。在不是设计条件的操作条件下，对于渗透膜表面积与分压差的关系来说，最佳操作条件的多种不同的组合都是可行的。对于渗透膜系统是合乎要求的流体分离用途，一般都不在稳定流量条件下操作。根据产物的数量和/或质量，对渗透膜系统的需求是经常会变化的。例如，根据氮气流量和/或所要求的纯度，对从空气分离渗透膜系统中所分离出来的氮气的产物的需求，在24小时期间内可有很大的变化。

在低需求期间，或在所谓的调低条件下，渗透膜系统一般有三种操作方式。第一种，不采取调低来适应对产物需求的降低。在这种情况下，进料流量和分压差保持恒定。结果，产物的质量将提高至设计水平之上，而动力需要量还保持在全设计能力水平。所以这种方式是有缺点的，因为不能实现节省动力，而所得产物的质量又超过所要求的水平。

第二种方式，改变用于分离的渗透膜面积。在需求降低的条件下，将一部分渗透膜面积停掉不用。这样就减小用以加工的进料量以适应需求的降低。此方法的缺点是与未能充分利用所提供的渗透膜面积相关联的。这个因素决定了在低于设计能力的调低条件下，在渗透膜面积与分压差之间的折衷未达到最优化。

第三种用于低需求条件的方式是，将渗透膜在设计条件下操作，并使用一个缓冲贮罐以应付需求变化的要求。当缓冲罐装满时，或是使渗透膜系统无负荷，即让进料泵空转，或是停泵以节省能量。这种方式也具有未能充分利用所安装的渗透膜面积的缺点，因为在装置空转或停工时，这些渗透膜面积完全未利用到。经常开/停式操作还具有加剧有关设备的磨损的缺点。

因此，在本技术领域中确实需要一种在调低条件下能够充分并高效率地利用所安装的渗透膜面积的分离能力的方法。这样的方法能使所安装的渗透膜系统自始至终均以最佳的效率进行操作，并能提供比上述开/停操作方式可靠性更高的操作方法。

因此，本发明的一个目的是提供一种在调低条件下操作渗透膜系统的改进方法。

本发明的另一目的是提供一种在产物需求降低的条件下能够高效率地利用所安装的渗透膜系统的全部分离能力的方法。

针对这些和其他目的，在下文中详细叙述本发明，并在权利要求书中具体指明本发明的新颖特征。

在减低需求条件下，通过降低进料流量和降低分压推动力可实现改进的调低控制，并同时在所有操作条件下均能充分利用所安装的渗透膜面积。因此在调低条件下，由于减小了设备负荷，从而能高效率地达到所要求的产物的数量及质量和提高了渗透膜装置的可靠性，并且避免了在需求变化条件下的开/停操作方式所引起的磨损加剧。

在下文中参照附图进一步叙述本发明，该图是本发明的调低控制方法的一般优选实施方案中所用的渗透膜系统的示意图。

本发明的目的可通过采用一种调低控制方法来达到，在此方法中，当需求减低时，将进料流量和穿过渗透膜的分压推动力都降低。该分压推动力是进料和渗透物流中该组分的分压的函数。可进行此种减低能量的操作，并同时不仅在设计条件下，而且在所有减低需求的操作条件下，都能充分利用所安装的渗透膜面积。在调低条件和减低负荷的情况下，由于能够恒定、稳定地操作设备，所以可达到更有效率的操作，并且可以防止因开/停操作所加剧的磨损。

本发明的调低方法是，通过指示要求低于设计条件的需求信号来开始的。这种信号可以是指示低于设计流量的产物流流量测量信号，或是同样是指示要求低于设计条件的纯度输入信号。通常在设计该渗透膜系统时，采用一台过程计算机，其程序是基于充分利用系统中已有的渗透膜面积而将渗透膜两边的操作压力比值降低至新的最佳条件。所需的压力比的降低是通过向泵送设备，例如压缩机、真空泵、液体泵等发送一种调低信号来完成的。

附图是说明实施本发明的调低控制方法的一般优选系统，参照此图，进料管路1是用来向压缩机2输送进料气，加压的进料气就从压缩机送过管路3而到达渗透膜装置4。所要的产物流，即渗透物或非渗透物气体，是通过产物管路5放出。从渗透膜装置4除掉的其他气体流（图中未示出），或是弃置，或是用于某些需要的用途。在管路5上有一台标准产物流量计，在所述流量计上附有一台常规式产物流量信号发送器，并经过配接将一种输入信号（一般用号码8表示）发送至过程计算机/控制器9。所以，产物流量计6是用来监测产物流量，发送器7是用来将过程变量信号（即与该产物流量成比例的信号）发送至过程计算机9。另外还有一个纯度调定点（由号码10表示）也作为输入所述计算机的信号，这个调定点可以根据操作中对产物纯度的要求而改变。

过程计算机9所用的程序是将一个输出信号（由号码11表示）发送至加工能力控制装置12，这个装置是通过适当的机械或电工连接（由号码13表示）来调低压缩机2，它是通过调节适当的再循环阀门、吸气阀门、可变速率马达等等，使其压力和流量条件适合于所指示的需求条件。本发明的方法是具有高度灵活性的，因为，当设计条件由于工艺用途不同、渗透膜性能改进等而变化时，该过程计算机可以很快地重新编制程序，以配合不同的或修改过的工艺用途的新设计条件。

在另一种工艺方案中，可将产物纯度用作一种工艺变量来触发渗透膜系统的调低控制。在这种情况下，要监测产物的纯度而不是监测流量，并且把与产物纯度成比例的信号发送至过程计算机/控制器9。在此情况下，该计算机的程序应编制为调整压缩机的能力和压力，以保持所要求的纯度。

本技术领域的技术人员将认识到，所要求的产物纯度常常可以是来自下游操作的可变输入信号，而该受控的渗透膜系统则为下游操作生产气体或液体产物。当该产物流量降低时，产物纯度将开始上升，同时过程计算机将感知到这种上升，并将压缩机负荷降低。但是应该注意到，由于产物纯度分析和数据收集所涉及的固有的滞后时间，所以使用产物纯度作为主测量指标时，可在某些情况下导致一定的不稳定因素。相反，即时监控产物的流量变化，是可以很容易地办到的。

下面通过应用渗透膜进行空气分离来生产氮气产物的实例来进一步说明本发明。采用一种典型的渗透膜系统，此种渗透膜材料能够将氧作为空气中更易透过的组分来进行分离，就可以明白所需的富含氮气的产物气流是作为非渗透物即余留气体来回收的。在这种情况下，富氧的渗透气体是作为一种废气气流。将进料空气压缩到高于大气压力，将非渗透的产物氮气流以略低于进料压力而从渗透膜系统中放出。一般情况下，渗透物气体以常压放出。该渗透膜系统的制造和使用是以设计条件，即所需的全能力操作为基础，并根据所需的产物流量和纯度、压力大小和所要求的分压推动力、水电气的价格例如动力费用来进行全面地最优化。

对于任何给定的穿过渗透膜的压力比，气体或其他流体分离操作是以两个关键参数为特征的，即面积因数和压缩机因数。面积因数在本实例中是生产1ncfh（每小时标准立方英尺）产物氮气所需的渗透膜表面积。压缩机因数是生产1ncfh所述产物所需进料气量。在确定给定用途的产物要求后，即可立即确定出穿过渗透膜的最佳的或所要求的压力比，和相应的面积因数和压缩机因数。

对于这些工艺变量的最优化应理解为包括在较高压缩机成本与在较高压力比下相关联的动力需用量之间的折衷的最优化，而在此种较高压力比下可以产生较大产物流量。在空气分离用途中，较大的产物流量是与较高进料压力相关联的，因为渗透物压力一般是固定在常压下。

如上所述，对于恒定产物纯度和恒定渗透膜面积的操作来说，进料压力较高时，产物流量一般也增加，而反之亦然。同样地，对于固定纯度的操作来说，当进料压力增加时，面积因数一般会降低。此外，对于固定产物纯度和固定渗透膜面积的操作来说，在进料压力较高时，则进料流量，即压缩机流量一般会增大，而反之亦然。在确定设计条件，亦即全需求条件时，要把以上这些关系考虑在内，最好的是将上述折衷关系最优化，以便达到具体渗透膜系统和给定用途的生产所要求的最优化设计条件。

在一种说明性的空气分离操作中，将一套渗透膜装置在全需求条件下达到最优化，使其在进料气压力为200psig（磅/平方英寸表压）下进行操作，并生产作为非渗透气体的98%氮气10000ncfh。若将产物需求量降低至7000ncfh，在本发明的实施中，通过将进气压力降至145psig即可保持充分地利用所提供的渗透膜面积，并同时将产物纯度基本上保持在设计纯度水平。除了降低进料气压力之外，还降低了生产7000ncfh氮气产物所需的进料空气流量。在较低进料气压力即145psig时，穿过渗透膜的渗透物气体量较少，就需要较少量的进料气来达到所要求的调低生产。在上述的调低实例中，产物需从10000ncfh调低至7000ncfh，而进料空气压力从200psig降低至145psig，结果，压缩机流量，即流过渗透膜系统的进料流量为设计全流量的72%。因此，在调低时保持充分利用所提供的渗透膜面积，并同时制出达到设计纯度水平的产物的条件，应包括所述的减小穿过该渗透膜的推动力，例如通过降低进料气压力，同时采用所述的从进料气设计流量调低下来。

在调低时所达到的能量节省量将取决于在本发明实施中所用压缩设备的类型。可以理解的是，在本技术领域中，根据所用压缩设备的类型，可提供许多种压缩能力控制装置。根据本发明，可用来调低压缩设备的各种可用装置是，例如变速马达、内循环阀门以及吸气阀减载器。

当这种压缩设备，即具有吸气阀减载器的往复式压缩机、备有循环回到吸气点的内循环阀门的溢油式螺杆压缩机或其他此类市售的设备，收到调低信号时，它的进料流量和穿过渗透膜的压力比就会降低，其结果是减小动力耗用量。在本发明的自动式实施方案中，上述的过程计算机可通过编制程序来自动地调定压缩设备和控制调低机构，即阀减载器、变速马达等等，以便使最佳的流量和穿过渗透膜的压力比用于给定的需求信号，即流量信号或纯度信号。

在上述的说明性质的实施方案中，采用了带有内循环阀的螺杆型压缩系统，当从10000ncfh氮气调低到7000ncfh时，动力耗量为设计值的77%。在进料气压力降低至145psig时，动力耗量为设计值的85%。总动力耗量是由上述两个因数降低的，即进料气体积的减小和产生一种降低穿过渗透膜的推动力的进料气压力的降低，所以总动力耗量为设计值的77%的85%，或设计条件动力耗量的65%。

应当注意到，本发明的调低控制方法可以有效地用于要求调低产物纯度而非调低产物流量的实施方案中。若要求在固定产物流量条件下减低产物纯度，可以降低进料压力以降低通过该渗透膜的压力差，而将产物流量保持在设计条件水平。在这样的实施方案中，所提供的总渗透膜面积在调低操作过程中仍然是充分利用的。本技术领域的技术人员将能理解，上述的过程计算机也很容易通过编制程序来自动调节压缩系统的操作以便同时进行产物纯度和产物流量的调低控制。在这种用途中，产生穿过渗透膜的推动力的压力差将根据产物纯度和流量的改变而变化，并能够根据给定的气体或其他流体分离操作有关的总要求和操作条件来进行最优化。

应能理解到，该种调低控制的效率是取决于用于给定渗透膜分离操作的压缩系统设计及其有效地控制流向该渗透膜的进料流量的能力。还应注意到，本发明的调低控制方法的效率要服从于给是用途的产物压力要求。在上述的空气分离以回收氮气的实例中，若要求的产物最低压力为100psig，则调低的极限则为该压缩系统最大产物流量的45%。但在大多数情况下，这个因素不应当影响到总的调低效率，因为一般情况下渗透膜的最佳设计操作压力要显著地高于所需的产物压力。因此在大多数用途中，本发明的实施方法既是可行的，也是最有效的调低控制方法。本技术领域的技术人员应能理解，本发明的调低方法将合理地被最优化到由所控制的整个工艺过程中的该调低操作的重要性所保证的程度。选择压缩机系统和设计操作压力对于工业实际操作中决定调低效率和幅度变化范围是重要的参数。还应该理解到的是，本发明并不是单纯地涉及从设计条件调低到一组具体的较低进料流量和推动力条件，而是涉及到在所述设计条件和各种较低需求条件之间的所述条件的调节，或是在各个不同的较低需求条件之间的调节，而在所述较低需求条件中是要求以低于设计量和/或纯度来回收产物。还应指出的是，对于所要求的产物流量和纯度来说，虽然设计条件是表示一种给定的渗透膜系统的全能力，但是一般来说是可以在高于其设计能力下来操作渗透膜系统，以便可在产物纯度有若干下降的条件下来生产高于设计数量的产物，或是在产物回收量有若干下降的条件下来生产高于设计纯度的产物。在上述这些高于设计条件下的操作，应理解为主要是构成本发明的调低特征的设计条件。从以上的说明中可以理解到，如果产物流量要求或产物纯度要求或是此二种要求都是低于给定渗透膜系统的设计产物流量和纯度水平时，则该调低条件是可行的。

本发明的范围包括在广泛种类的流体分离操作中实施本文所述的和要求保护的调低方法，其中上述的空气分离生产氮气的实施方案就是一种涉及到调低条件的说明性的实例。这些操作包括能有效地利用渗透膜系统将流体混合物中的更易渗透组分与不易渗透组分分离的任何操作。例如来自脱硫装置的含氢废气是另一个适合应用渗透膜操作和本发明的调低控制方法的进料气流实例。这一类的典型废气可含有约45%（摩尔）氢，25%甲烷，25%乙烷和少量其他烃。渗透膜系统方法可用于将所述的氢提纯至合格的纯度水平，例如约90%。从氨吹扫气中回收氢，以及二氧化碳和甲烷分离是在适当情况下可以应用本发明的调低方法的另一些工业流体分离操作的说明性实例。还应指出，虽然上面叙述了在常压下方便地释放出渗透的氧气流的空气分离操作，但是在本发明的其他各个实施方案中，其他适当和优选的压力条件也将是适合的。在某些场合中，可能最好是利用在调低条件下的现有的进料压力，以及通过提高渗透压力，而不是降低进料气压力来降低穿过渗透膜的推动力。当然，所达到的产物纯度和/或产物回收量将随着任何给定渗透膜分离操作的总要求而有一些变化。

本发明的调低控制法可以应用于任何所需要的渗透膜系统。因此，所使用的渗透膜材料可以是能够选择性地透过一种气体或其他流体混合物中更易渗透组分的任何适当材料，例如纤维素衍生物，如纤维素乙酸酯、纤维素乙酸丁酸酯等等;聚酰胺和聚酰亚胺，包括聚芳基酰胺和聚芳基酰亚胺;聚砜;聚苯乙烯等等。还应指出，本发明范围包括应用任何所需构型之渗透膜。因此，可以是复合物形式的渗透膜，即在一种多孔性承载层上附有一层确定该膜的选择性和渗透性等特性的分离层。还可使用非对称形式的渗透膜，即在此种非对称形式的渗透膜中有一个比较致密的表面区来确定该膜的选择性和渗透性等特性，和一个较多孔性的区来提供承载作用。其他形式的渗透膜，例如致密的渗透膜，还应用于特定的用途。用于本发明的渗透膜，可以是任何所需要的形状，例如平面片状，空心纤维，螺旋形卷绕或其他需要的形状，一般优选采用的是空心纤维渗透膜。空心纤维或其他需要形状的渗透材料一般是配装成渗透膜模件，其中包括空心纤维束，褶裥片状渗透膜组装件，或者螺旋状卷绕的渗透膜筒，它们具有进料入口侧和渗透物出口侧，并装有导管装置来将进料流的非渗透物部分和渗透物部分分别放出。所有这些系统均可按本发明有效地调低，并且在所有操作条件下都能充分地利用所安装的渗透膜表面积。

因此，本发明提供了一种高度实用性和高效率的调低控制方法，不仅可以充分利用所安装的渗透膜系统能力，并且避免了为了响应不同的需求改变或调低条件而去采用开/停方式的操作。结果是在调低条件下可以仍按常规方式使用渗透膜系统来达到所要求的产物数量和质量，并且在减小负荷的调低条件下通过设备的稳定和平稳操作而提高渗透膜系统的可靠性。

Claims (12)

1、在一种渗透膜工艺过程中，其中在设计操作条件下，将一种进料流体以所需进料流量和压力通入并与一种渗透膜系统的进料侧相接触，该渗透膜系统具有一种安装好的能够选择性地使含有一种比较不易渗透组分的所述进料流的一种较易渗透组分渗过的渗透膜表面积，同时将所需量的所述比较不易渗透组分在基本上是该进料流的设计压力水平下作为非渗透物放出，而所需量的该较易渗透组分则在较低压力水平下作为渗透物放出，并且由所述进料流组分穿过该渗透膜的分压差提供所述渗透膜分离作用的推动力，该种改进的调低控制方法包括：

(a)保持该进料流流量和穿过该渗透膜的分压推动力，使所得的渗透物和非渗透物的数量和纯度均达到该设计的数量和纯度水平，并同时充分利用所安装的渗透系统的表面积；

(b)在降低产物流，即渗透物或非渗透物，的数量和/或纯度的需求期间，将该进料流量和所述穿过渗透膜的推动力降低，同时继续保持充分利用该系统所安装的渗透膜表面积，从而在所述减低需求的调低期间，将产物流以所需的调低数量和/或质量从该渗透膜系统放出；和

(c)在按设计需求条件的步骤(a)的设计条件(其中可获得达到该设计数量和纯度水平的产物流，即渗透物或非渗透物)和按较低需求条件实行步骤(b)时的较低进料流量和较小推动力条件(其中可回收低于所述设计水平的数量和/或纯度水平的产物流)之间调节该进料流量和所述穿过该渗透膜的推动力，从而在需求变化条件下，通过对所提供的渗透膜表面积的充分利用来提高该渗透膜工艺过程的效率。

2、根据权利要求1的调低方法，其中通过在降低需求期间降低进料流压力，使在实行步骤（b）时降低穿过该渗透膜的推动力。

3、根据权利要求1的调低方法，其中该渗透物流是所需要的产物流。

4、根据权利要求1的调低方法，其中该非渗透物流是所需要的产物流。

5、根据权利要求1的调低方法，其中所述的降低需求期间包括其中该需求是供应一种达到设计纯度水平的低于设计数量的产物的期间。

6、根据权利要求1的调低方法，其中所述的降低需求期间包括其中该需求是供应一种达到设计数量水平的低于设计纯度的产物的期间。

7、根据权利要求1的调低方法，其中通过在降低需求期间增加该渗透物流压力，使在实行步骤（b）时降低穿过该渗透膜的推动力。

8、根据权利要求3的调低方法，其中所述进料流包括一种含氢的物料流，而所述产物渗透物流包括提纯的氢。

9、根据权利要求4的调低方法，其中所述进料流包括空气，而所述产物非渗透物流包括一种富氮的物料流。

10、根据权利要求8的调低方法，其中通过在降低需求期间增加该渗透物压力，使在实行步骤（b）时降低穿过该渗透膜的推动力。

11、根据权利要求9的调低方法，其中通过在降低需求期间降低进料流压力，使在实行步骤（b）时降低穿过该渗透膜的推动力。

12、根据权利要求1的调低方法，其中该渗透膜系统包括含有空心纤维膜的渗透膜模件。