CN104587804A - 运用气体分离膜进行提纯的装置系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开运用气体分离膜进行提纯的装置系统，包括混合装置、前处理单元及三段气体分离膜单元，所述混合装置两端分别与原料气及前处理单元连通，气体经前处理单元后进入第一段气体分离膜单元进气口，第一段分离膜单元非渗透气与第二段分离膜单元进气口连通，第一段与第二段分离膜单元渗透气经过混流罐与第三段分离膜单元进气口连通，第三段分离膜单元非渗透气出气口处设背压控制阀，并连通混合装置进气口循环提纯，第二段分离膜单元非渗透气为尾气，第三段分离膜单元渗透气为产品气。本发明使用三段膜单元分离提纯，可以实现对氦气、氢气、二氧化碳等气体的充分提纯，回收率较高，装置系统结构简单紧凑，适应于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及气体提纯，特别涉及一种运用气体分离膜进行提纯的装置系统。
背景技术
氦气是国防军工和高科技产业发展不可或缺的稀有战略性物资之一。含氦的天然气迄今仍是工业化生产氦气的唯一来源。我国氦气资源相当贫乏，含量很低，提取难度大，成本高。因此研究开发先进的天然气提氦技术，以及对工艺生产中使用的氦气进行提纯回收，对于提高氦气生产的经济性、保障国家用氦安全和促进我国天然气提氦工业的发展具有重要意义。
目前的氦气提纯工艺主要包括变压吸附(PSA)工艺、低温深冷工艺以及膜工艺等。
变压吸附(PSA)工艺的原理是利用固体吸附剂对不同气体的吸附能力不同而实现气体提纯。当气体通过吸附床层，让混合气体中的一种(或几种)气体的大部分被吸附在床层上，小部分流出；让混合气体中的另外一种(或几种)气体大部分流出，小部分被吸附在床层上；从而达到提高气体纯度的目的。变压吸附属于批次处理工艺，固体吸附剂需要进行再生，因此工艺控制较复杂，同时变压吸附工艺的回收率相对较低。
低温深冷工艺较为成熟，但投资成本和能耗都较高。
膜分离工艺的原理是利用各气体组分在膜材料中的溶解扩散速率不同，在膜两侧分压差的作用下导致不同气体通过膜壁的渗透速率不同而分离。气体膜分离技术具有工艺简单、操作维护方便、投资成本和运行费用较低、不使用化学品和无废水排放等优点，相比其他工艺，膜分离工艺有明显的优势。
现有技术如专利文献CN203874647U公开了一种膜法氦气提纯装置系统以及专利文献CN104001409A公开了一种膜法氦气提纯装置系统和工艺，两篇专利都采用了膜分离技术，但它们的装置系统只有第一级中空纤维膜和第二级中空纤维膜，这种两级分离膜组的系统可能无法实现氦气的充分提纯，便无法获得纯度高的氦气；另外，两篇专利在第一级中空纤维膜和第二级中空纤维膜之间设有压缩机，这使得整个提纯装置系统变得复杂，也可能增加系统的运行成本。
发明内容
本发明的目的是要提供了一种简单且具有较高产品气纯度和回收率，运用气体分离膜进行提纯的装置系统，可以解决上述现有技术问题中的一个或者多个。
根据本发明的一个方面，提供了运用气体分离膜进行提纯的装置系统，包括混合装置、前处理单元、第一段气体分离膜单元、第二段气体分离膜单元、第三段气体分离膜单元及后处理单元。
第一段气体分离膜单元、第二段气体分离膜单元和第三段气体分离膜单元分别设有进气口、非渗透气出气口和渗透气出气口。
其中，混合装置的进气口与原料气源连通，混合装置的出气口与前处理单元的进气口连通，前处理单元的出气口与第一段气体分离膜单元的进气口连通。
第一段气体分离膜单元的非渗透气出气口与第二段气体分离膜单元的进气口连通，第一段气体分离膜单元的渗透气与第二段气体分离膜单元的渗透气混合后，通过后处理单元与所述第三段气体分离膜单元的进气口连通，第三段气体分离膜单元的非渗透气出气口通过管道回流到所述混合装置的进气口，第二段气体分离膜单元的非渗透气出气口即是尾气出口，第三段气体分离膜单元的渗透气出气口即是产品气口。
其有益效果是，由于采用了三段气体分离膜的提纯工艺，因此可以实现对气体的充分提纯，提高气体回收率。
在一些实施方式中，前处理单元依次包括压缩装置、过滤装置、干燥装置和加热装置，压缩装置的进气口即是前处理单元的进气口，压缩装置的出气口与过滤装置进气口连通，过滤装置出气口与所述干燥装置进气口连通，干燥装置出气口与加热装置的进气口连通，加热装置的出气口即是前处理单元的出气口。其有益效果是，由于压缩装置通过压缩气体，产生一个压力差作为驱动力使气体通过分离膜更好的实现分离，由于过滤装置是为了去除原料气中的杂质物质，干燥装置是为了去除原料气多余的水分，加热装置是为了使原料气达到一定的温度，由于膜分离技术是非低温工艺，进入分离膜单元之前合适的气体温度能够使膜分离效率更高。
在一些实施方式中，后处理单元包括混流罐，不含有压缩装置。其有益效果是，由于膜分离工艺的原理是利用各气体组分在膜材料中的溶解扩散速率不同，借助膜两侧分压差的作用下导致不同气体通过膜壁的渗透速率不同而分离。第三段气体分离膜单元没有使用压缩机进行气体再压缩产生压力差，而是依靠第一段分离膜单元和第二段分离膜单元的渗透侧背压作为驱动力实现气体分离提纯。这样便可以简化装置，使系统更加紧凑。
在一些实施方式中，第三段气体分离膜单元的非渗透气出气口连通前处理单元进气口的管道上设有背压控制阀。其有益效果是，背压控制阀是为了将阀前压力保持在设定值，也提供第三段气体分离膜单元渗透驱动力，提高气体在第三段气体分离膜单元中的分离提纯效率。
在一些实施方式中，第一段气体分离膜单元、第二段气体分离膜单元和第三段气体分离膜单元分别包括一个或者多个并联或者串联连通的气体分离膜组件。其有益效果是，由于在每一段气体分离膜单元之间，分离膜组件的个数存在一个较佳的组合方案，通过计算得出每一段气体分离膜单元的分离膜组件的较佳数量，不仅可以提高气体提纯效率和回收率，同时也可以避免分离膜组件的浪费，降低工艺成本。
在一些实施方式中，装置系统能够应用于氦气或氢气或二氧化碳气体的提纯。
本发明提供的提纯装置系统使用三段气体分离膜的提纯工艺，能够实现对氦气的充分提纯，氦气回收率较高；装置系统的设备结构简单紧凑，适用范围广，操作方便，安全可靠，自动化程度高，适应于工业化生产。
附图说明
图1为本发明一实施方式的运用气体分离膜进行提纯的装置系统的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明运用气体分离膜进行提纯氦气的装置系统的一实施方式，包括混合装置1、前处理单元11、第一段气体分离膜单元6、第二段气体分离膜单元7、后处理单元12和第三段气体分离膜单元9。
所述前处理单元11包括压缩装置2、过滤装置3、干燥装置4及加热装置5，其中，混合装置1可为混气罐，压缩装置2可为压缩机，过滤装置3可为气体过滤器，干燥装置4可为气体干燥管，加热装置5可为气体加热器。
所述第一段气体分离膜单元6、第二段气体分离膜单元7和第三段气体分离膜单元9分别设有进气口、非渗透气出气口和渗透气出气口。
所述第一段气体分离膜单元6、第二段气体分离膜单元7和第三段气体分离膜单元9分别包括一个或者多个并联或者串联连接的气体分离膜组件。每一个气体分离膜组件都含有进口、渗透气出口及非渗透气出口，第一个分离膜组件的渗透气连通第二个分离膜组件的进口，依次类推，最后一个分离膜组件的渗透气出口即为该分离膜单元的渗透气出气口，而每一个分离膜组件的非渗透气都从分离膜单元的非渗透气出气口流出。
所述的气体分离膜组件结构为中空纤维膜、卷式膜和板式膜中的一种。
所述第二段气体分离膜单元7的非渗透气出气口即是尾气出口，尾气出口的管道上可设有露点温度测量仪(图1中未显示)，实时监控气体露点温度，防止气体在分离膜组件内凝固；尾气出口可接气体收集装置或者直通大气。
所述的后处理单元12只包括混流罐8，不含有压缩装置。所述第三段气体分离膜单元9的非渗透气出气口连通所述压缩装置2进气口的管道上设有背压控制阀10。由于膜分离工艺的原理是利用各气体组分在膜材料中的溶解扩散速率不同，借助膜两侧分压差的作用下导致不同气体通过膜壁的渗透速率不同而分离。第三段气体分离膜单元并没有使用压缩机进行气体再压缩产生压力差，而是依靠第一段分离膜单元和第二段分离膜单元的渗透侧背压作为驱动力，同时背压控制阀将阀前压力保持在设定值，也提供第三段气体分离膜单元9渗透驱动力，这样更好的实现气体分离提纯。
所述第三段气体分离膜单元9的渗透气出气口接氦气纯度检测装置(图1中未显示)，用于对氦气产气的纯度检测，当氦气纯度为99％以上，满足氦气国家标准GB/T4844-2011工业氦气纯度要求时，收集氦气于储气囊，或者连接其他后段提纯工艺，以达到满足氦气国家标准GB/T4844-2011中的高纯氦气要求。
以下为采用图1所示的装置系统提纯一种含氦的原料气的提纯工艺，包括以下步骤：
(1)原料气(组成30％vol氦气和70％vol氮气)进入混合装置1混合，经压缩装置2压缩增压至10Bar～16Bar后，然后依次进入过滤装置3、干燥装置4和加热装置5预处理，当检测预处理后气体的含尘和含油浓度满足压缩空气ISO8573-1中的一级标准，露点温度满足二级标准，干球温度达到15～40℃后，气体进入第一段气体分离膜单元6的进气口进行氦气和氮气的初级分离提纯；
(2)第一段气体分离膜单元6的非渗透气出气口可得到70％～90％vol纯度的氮气，然后该出气口的气体进入第二段气体分离膜单元7的进气口进行气体二级提纯；
(3)第二段气体分离膜单元6的非渗透气出气口得到主要是氮气成分的尾气，此时的氮气纯度达到97％vol以上，满足工艺气体循环使用要求，可收集于氮气储气囊中；
(4)第一段气体分离膜单元6的渗透气和第二段分离膜单元7的渗透气分别进入混流罐8，混合后达到80％vol到90％vol纯度氦气，再进入第三段气体分离膜单元9的进气口进行三级提纯；
(5)第三段气体分离膜单元9的非渗透气回流至混合装置1的进气口，与步骤(1)中含氦原料气体混合，然后进入压缩装置2进行循环提纯，以提高氦气的回收率；
(6)通过调节第三段气体分离膜单元9非渗透侧的背压调节阀10，使第三段气体分离膜单元9渗透气中氦气纯度为99％以上，即满足氦气国家标准GB/T4844-2011工业氦气纯度要求，可满足工艺循环使用要求，或者连接其他后段提纯工艺，以达到满足氦气国家标准GB/T4844-2011中的高纯氦气要求。
本发明的装置系统能够应用于氦气或氢气或二氧化碳气体的提纯。本发明提供的提纯装置系统使用三段气体分离膜的提纯工艺，能够实现对气体的充分提纯，气体回收率较高；装置系统的设备结构简单紧凑，适用范围广，操作方便，安全可靠，自动化程度高，适应于工业化生产。
以上的仅是本发明的一些实时方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.运用气体分离膜进行提纯的装置系统，其特征在于，包括混合装置(1)、前处理单元(11)、第一段气体分离膜单元(6)、第二段气体分离膜单元(7)、第三段气体分离膜单元(9)及后处理单元(12)，所述第一段气体分离膜单元(6)、所述第二段气体分离膜单元(7)和所述第三段气体分离膜单元(9)分别设有进气口、非渗透气出气口和渗透气出气口；其中，
所述混合装置(1)的进气口与原料气源连通，所述混合装置(1)的出气口与前处理单元(11)的进气口连通，所述前处理单元(11)的出气口与第一段气体分离膜单元(6)的进气口连通；
所述第一段气体分离膜单元(6)的非渗透气出气口与所述第二段气体分离膜单元(7)的进气口连通，所述第一段气体分离膜单元(6)的渗透气与所述第二段气体分离膜单元(7)的渗透气混合后，通过后处理单元(12)与所述第三段气体分离膜单元(9)的进气口连通，所述第三段气体分离膜单元(9)的非渗透气出气口通过管道回流到所述混合装置(1)的进气口，所述第二段气体分离膜单元(7)的非渗透气出气口即尾气出气口，所述第三段气体分离膜单元(9)的渗透气出气口即产品气口。
2.根据权利要求1所述的运用气体分离膜进行提纯的装置系统，其特征在于，所述的前处理单元(11)依次包括压缩装置(2)、过滤装置(3)、干燥装置(4)和加热装置(5)，所述的压缩装置(2)的进气口即前处理单元(11)的进气口，所述加热装置(5)的出气口即前处理单元(11)的出气口，所述压缩装置(2)的出气口与所述过滤装置(3)进气口连通，所述过滤装置(3)出气口与所述干燥装置(4)进气口连通，所述干燥装置(4)出气口与所述加热装置(5)的进气口连通。
3.根据权利要求1所述的运用气体分离膜进行提纯的装置系统，其特征在于，所述的后处理单元(12)包括混流罐(8)，不含有压缩装置。
4.根据权利要求1所述的运用气体分离膜进行提纯的装置系统，其特征在于，所述第三段气体分离膜单元(9)的非渗透气出气口连通所述前处理单元(11)进气口的管道上设有背压控制阀(10)。
5.根据权利要求1所述的运用气体分离膜进行提纯的装置系统，其特征在于，所述第一段气体分离膜单元(6)、第二段气体分离膜单元(7)和第三段气体分离膜单元(9)分别包括一个或者多个并联或者串联连接的气体分离膜组件。
6.根据权利要求1所述的运用气体分离膜进行提纯的装置系统，其特征在于，所述装置系统能够应用于氦气或氢气或二氧化碳气体的提纯。
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