CN1120464A - 改进的气体预净化法 - Google Patents

Abstract

使用炭捕集器从输送到膜或其它气体分离系统的空气或其它气流中除去包括重质烃类的烃类和/或有机或无机蒸气。通过在炭捕集器的上游使用薄膜干燥器可以延长炭捕集器的操作寿命，提高气体分离系统的综合性能。

Description

改进的气体预净化法

本发明涉及输送到气体分离工序的原料气流的预净化。更具体而言，本发明涉及提高气体膜分离工序上游使用的吸附床的吸附容量。

在分离空气以生产氧、氮和氩以及其它各种气体分离的过程中，在大批分离过程进行之前，必须从原料气中将某些杂质除去。在深冷的空气分离中，必须在深度冷冻之前将水蒸汽和二氧化碳从空气中除去。通常，在变压吸附(PSA)过程之前也必须将这些杂质除去。膜分离过程对这些杂质不太敏感，但是，膜会受到痕量重质烃类和/或有机或无机蒸气污染物的污染而降解。几乎所有工业上的气体分离过程都需要用油润滑的压缩机压缩原料气流。这种压缩机不可避免地会将少量油引入气流中，因此，在进入大批分离过程之前必须将这些烃类除去。

因此，所有实际应用的空气分离过程都必须使用一些预净化装置，将不希望有的痕量烃类和/或有机或无机蒸气从原料空气流中除去。在预净化工序中，通常也必须或最好将大部分水蒸汽和二氧化碳除去。

渗透膜过程和系统在本技术领域是众所周知的，而且已广泛用于或考虑用于各种气体和液体的分离。在这些操作中，将原料流与膜表面接触，于是原料流中更容易渗透的组分即可作为渗透流回收，而渗透性较差的组分则作为非渗透流从膜系统中排放。

这种流体分离过程所固有的简便性，刺激本技术领域在工业生产中推广使用膜系统。在这方面，可以理解的是这类膜系统的选择性和渗透性必须适合于特定用途的总体生产要求。当然，这些膜也必须在工业上的实际操作过程中，显示出足够的稳定性，且其操作性能不过度地降低。

空气分离的应用构成非常理想的使用渗透膜的领域。在这种应用中，对特定的膜而言，氧通常是原料空气中更容易渗透的组分，可作为渗透气排放。在这类实施方案中，氮是不太容易渗透的组分，而作为非渗透气回收。在空气分离的应用中，已发现一些膜的操作特性对含在原料空气流中的某些污染物敏感。在使用中受到这些污染物的污染会导致膜的渗透性显著降低。幸而已发现，通常存在于环境空气中的大多数污染物(例如轻质烃类)至多导致膜的渗透性适度地下降。在例如可能从油润滑的空气压缩机进入原料空气流的重质烃油蒸气，或其它有机蒸气例如二氯甲烷、四氯化碳或其它例如溶剂物料，或(在某些情况下)无机气体例如二氧化碳的浓度相当低时，例如小于1ppm(按体积计，以C₁表示)，都会导致膜的渗透性迅速而大大地降低。

在用于空气或其它气体分离的膜系统中，费用较大的部件是具有一定膜表面积的膜组件以及空气或其它气体压缩机装置，用以达到适宜的渗透压，以实现所需产品气的质量和生产。对一定的操作条件(即压力、温度和流量)而言，通过选择对被分离的气体混合物中更容易渗透的组分具有很高渗透性的膜材料，通常可使该膜系统所需的表面积减至最小。对一定的选择性而言，通常，膜的渗透性越高，在一定的生产要求下所需的膜面积越小。通过选择油润滑螺旋供料压缩机(特别是小工厂中)，一般可使压缩机的费用减至最小。

在用于空气分离的膜系统的开发工作期间，已发现膜的渗透性一开始就迅速和显著地降低，继而在几个月内的操作期间进一步逐渐下降。鉴于膜的渗透性不符合要求地降低，目前，通常的做法是将活性膜表面积的尺寸加上保险系数，使其大到足以补偿预见的所有来源造成的渗透性降低。因此，从一开始就将膜系统显著地放大尺寸以适应所需的产品流量，而原料气压缩机则调节到较低的状态下运行。当渗透性继续降低时，可升高操作温度或压力或两者同时升高以补偿渗透性的降低。在某些情况下，一开始就必须或最好在一些膜系统的组件中设旁路，这样，当膜显示出其全部渗透容量时，可减少过量的膜使用面积，其后，当起初使用的组件的降解发展时，将这些设过旁路的组件投入运行。在这种情况下，可以理解的是，除了涉及补充额外的膜表面积而需要较大投资代价之外，在超出设计条件下，这种膜系统必须在其操作寿命的有效期间内运行，因此，对这种膜系统的控制方法比接近其最佳设计条件下操作的系统更为复杂。

为了补偿使用中膜的降解，已试图恢复其失去的性能，并将此作为代替这种膜系统保守设计的方法，但是，在为恢复已降解膜的渗透性而开发经济可行的方法初期，这种努力没有成功。虽然目前可以得到恢复降解膜渗透性的实用和经济的方法，但是为避免在非常短的操作周期后必须报废降解组件换以新组件，仍然非常希望在膜工艺中针对膜降解的问题进一步改进。膜系统的保守设计，或设膜旁路的方法，或中断生产操作进行膜的渗透性恢复处理，或上述这些方法的组合，全然不是空气或其它气体分离工业生产中解决渗透性降低的满意方法。

在本技术领域已知的另一种方法中，已使用吸附床从原料空气中除去油和烃类。虽然可以使用各种吸附剂来达到上述目的，然而在吸附床中，通常总是优选使用″活性炭″，或采用配置在空气或其它气体分离膜系统上游的炭捕集器。虽然可以将这种炭捕集器的容量设计成基本上能除去原料气混合物中以污染物形式存在的所有轻质烃和重质烃类，然而，Prasad和Haas在美国专利4,881,953中，公开了使用活性炭或其它吸附床，从原料空气或其它原料气流中选择性地除去造成膜渗透性降低的重质烃类，而不除去C₅或更低的轻质烃或水蒸汽或二氧化碳。通过这种重质烃类的选择性吸附，该吸附床能够使所采用的膜系统不必过于保守地设计分离能力，而且在更换或恢复之前还可以延长有效寿命的周期。因此，由于这样选择性地除去重质烃类，对给定的气体分离操作而言可使该吸附床最佳化，并可在被重质烃类饱和后任意处置。

尽管可以成功地使用活性炭捕集器和其它的吸附床，从压缩空气和其它气流中除去重质烃类，但是已发现，由于大量水或水蒸汽的存在，炭床对这类烃的吸附容量大大地降低。当空气被压缩时，所生成的高压气流常常为水蒸汽饱和。甚至在激冷和从空气或其它的气流中除去液态水之后，该气流中的水蒸汽含量仍然高到足以降低用于所有包括重质烃类的烃类和/或有机或无机蒸气的炭捕集器的容量。水蒸汽对活性炭吸附油容量的有害影响在本技术领域里已是公认的。R.Jain1992年5月17-20日在″Process for preven-ting Degradation of Gas Separation Membranes Due toOil Vapors″，North American Membrane Society，Lex-ington，Kentucky中建议使用由三层，即活性铝土、活性炭和活性铝土组成的吸附床。将原料气通过该吸附床，水被活性铝土除去而油污染物则被炭除去。当第一活性铝土层被水饱和时，将流向颠倒，这样，按气流流向另一活性铝土层就变为第一层。在通过中间的炭层之后，原料气流进早先被饱和的活性铝土层，在该处水从活性铝土层中解吸，从而使所述活性铝土层部分再生。虽然该过程可以提高活性炭吸附油的容量，但是，却使水蒸汽留在输送到下游处理工序的气流中。此外，该方法实质上是间歇的。在转换通过复合床的流向时，被饱和或污染的中间炭床的一端从气流的进口转换成出口，致使一些油污染物重新进入原料气流中。

尽管可以合意地使用炭捕集器和上述经证实而建议使用具有三层指定床层的吸附床，然而，仍然希望在本技术领域中对输送到膜或其它气体分离系统的原料气预净化方法作进一步改进。

因此，本发明的目的是提供一种改进的方法和系统，用以预净化输送到空气分离系统的原料气流。

本发明的另一个目的是提供一种改进的方法和系统，用以提高预净化输送到膜或其它气体分离系统的原料气流所用吸附床的烃吸附容量。

本发明的再一个目的是提供一种改进的方法和系统，用以解决气体膜分离过程中渗透性下降的问题。

请记住上述和其它的目的，在下文中将对本发明作详细叙述，其新颖的特点将在附录的权利要求书中特别指出。

在吸附床的上游使用薄膜干燥器，该吸附床用来从输送到气体分离或其它处理工序的原料气流中除去烃类和/或有机或无机蒸气。该薄膜干燥器可以使原料气流中的水蒸汽含量降低到对吸附床吸附烃和/或有机或无机蒸气的吸附容量影响极小的适宜水平。

在下文中将参照附图对本发明作详细说明，其中：

图1是本发明一个实施方案的流程示意图，其中在用来净化输送到下游处理工序的气流的吸附床上游使用了预净化薄膜干燥器；

图2是本发明一个具体实施方案的流程示意图，其中该下游处理工序是气体膜分离系统；

图3是说明图，用以说明处理气流的水分含量与实施本发明所用的预净化器薄膜干燥器系统中使用的吹扫比之间的关系；和

图4是本发明一个实施方案的流程示意图，该方案采用与预净化薄膜干燥器和用来净化所述膜系统气流的吸附床结合的两级气体膜分离系统。

通过采用串联薄膜干燥器和其后的吸附床例如炭捕集器作为气体分离或处理装置上游的预净化系统而实现本发明的目的。通过这种在其与吸附床接触之前在薄膜干燥器中预干燥原料气流的方法，有利于解决由于水蒸汽的存在使炭捕集器或其它吸附床吸附烃类和/或有机或无机蒸气的容量降低的问题。在通过薄膜干燥器时，空气或其它原料气流中的水蒸汽含量下降，而残余水蒸汽的含量对炭捕集器或其它吸附床吸附烃和/或有机或无机蒸气吸附容量的影响可以忽略或影响极小。

如图1中关于本发明空气分离实施方案的说明，管道1中的原料空气在典型的油润滑压缩机2中被压缩，压缩后的原料空气由该处经管道3输送到后冷却器4，饱和的空气流从该处经管道5输送到水分离器6，从其底部通过管道7将水除去。为了排除进一步冷凝，可在经过管道10输送到薄膜干燥器11之前，将原料空气流经管道8输送到热交换器或加热器9。薄膜干燥器可将存在于原料空气流中的大部分残余水蒸汽除去，并使其蒸气压降低到基本上不影响下游炭捕集器容量的水平。原料空气流中更容易渗透的组分(主要是水蒸汽)渗透通过所述薄膜干燥器11中的渗透性膜材料，然后，通过管道16排放废弃。如附图所示，管道16中的一部分废气流可以通过管道16A循环到管道1以便和补充量的原料空气一起输送到空气压缩机2。来源适宜的较干燥气体可以通过管道15输送到薄膜干燥器11的产品排放端，以便送到其渗透一侧，优选逆流输送到原料空气进料的通道处，或所述薄膜干燥器11的非渗透一侧。将吹扫气这样流过可促使快速渗透气体即水蒸汽(湿度)更容易从膜表面除去，从而加速所有原料气的干燥操作。

从薄膜干燥器11排放的干燥原料空气，通过管道12输送到炭捕集器13，在该处将存在于原料空气中的重质烃和/或有机或无机蒸气污染物除去。如附图所示，一部分所述干燥原料空气流可以通过管道17排放，以便循环到薄膜干燥器11，在其渗透一侧作为吹扫气。在选择性吸附可吸附的污染物，即所述烃类(包括重质烃类)和/或有机或无机蒸气后，经过这样净化的原料空气流经管道18输送到下游的处理系统19，在该处进一步净化、分离或进行其它要求处理的步骤。通常，这样处理可以产生作为废气流从这里排放的干燥气流。优选将该气流循环(如在所述管道15那样)用作薄膜干燥器11渗透一侧的低压吹扫气。

在图1所说明的实施方案的操作中，环境空气经管道1输送到单级或多级的压缩机2，空气在该处被压缩到所要求的高压。如上所指出，该压缩机一般是用油润滑的，因而会使痕量油夹带进入高压空气流中。该气流被输送到后冷却器4(如上所作的说明)，或可以在多级压缩机的级间进行冷却。通过冷却，管道5中的气流通常被饱和，液态水则在水分离器6中分离。从该处流过的原料空气仍然里饱和状态，并最好在热交换器或加热器9中加热。该饱和或亚饱和的空气流经管道10输送到薄膜干燥器即干燥组件11的高压进料一侧。当原料空气流过该组件时，其水蒸汽压降低到所希望的低水平。干燥后的滞流物或非渗透气，随原料空气从该处通过管道12输送到炭捕集器13，其中夹带在原料空气中的烃类(包括重质烃类)和/或有机或无机蒸气被吸附并从该处除去。所得的干燥、净化的气流是有利于下游处理系统19的原料气流。

当下游处理系统是通过选择性渗透氧以生产高纯氮气产品，且所述氮气产品作为非渗透气回收的空气膜分离系统时，将烃类(包括重质烃类)和/或有机或无机蒸气污染物除去是特别重要的。虽然已研制出用作空气分离膜的膜材料，出乎意料的是，在Prasad和Hass的美国专利4,881,953所公开的资料中却认为，在浓度相当高的轻质烃存在下并没有不利的影响，然而，该膜材料在连续的空气分离操作使用期间，受到重质烃和/或有机或无机蒸气污染物的污染使其渗透性降低。

在膜法生产高纯氮气时，富氧空气也同时作为废气产生。这些废气的全部或一部分可以通过管道15输送到薄膜干燥器11的低压渗透一侧供作吹扫之用，最好按相对于高压原料空气的流向，逆流输送到所述薄膜干燥器11的渗透一侧。这种吹扫气与通过所述薄膜干燥器11从原料空气中选择性渗透的水蒸汽一起通过管道16排出，可作为废气排放。

如果下游处理系统19是低温蒸馏过程或变压吸附过程，同样会产生废气流，这些废气流可以通过管道15输送到薄膜干燥器11作为吹扫气。从其它过程而来的适宜的废气流也可以供作吹扫之用。

因此，本发明可以提高炭捕集器对烃和/或有机蒸气的吸附容量，途径是通过使用薄膜干燥器有效地降低原料气中的水蒸汽含量使其达到可以忽略或对所述炭捕集器从原料气中吸附烃类(特别是重质烃类)和/或有机或无机蒸气的容量影响极小的水平。虽然本发明的单一组件已根据其特殊的用途使用，然而，这些组件独特的组合及其在实施本发明中的应用，可在气体分离工艺中获得显著的效益。炭捕集器在空气或其它原料气流中的位置，安排在下游处理系统之前，可以防止烃和/或有机或无机蒸气污染物进入所述下游工序。薄膜干燥器可以防止过量的水蒸汽进入炭捕集器而使其性能降低。很清楚，用于薄膜干燥器的膜材料通常有别于下游空气或其它气体分离系统所用的膜材料，而且对烃和/或有机蒸气引起的降解不太敏感。因此，用于薄膜干燥器的组合物通常对水的选择性高于被干燥的气体(即空气干燥过程中的氮和氧)。如Prasad的美国专利US5,226,932中所指出，水/空气的分离系数应至少为50，优选大于1,000，由于待干燥气体的渗透性低，有利于从原料空气中除去水分。适合于干燥用途的膜材料的实例是醋酸纤维、乙基纤维素、磺化聚砜、聚酰胺和聚苯乙烯。当其在薄膜干燥器中使用时，可以显著降低水蒸汽的含量，这样就不会对炭捕集器吸附重质烃类和/或有机或无机蒸气的容量产生严重的影响。应该注意的是压缩空气通常在后冷却器的温度下被饱和。可以采用辅助的冷冻使水蒸汽的含量降低，但是这种方法的效果比使用根据标题发明的薄膜干燥器的效果差。

在附图的图2中说明了采用薄膜干燥器和炭捕集器预净化输送到膜系统的原料空气以生产低纯或中级纯度的氮气(氮含量约为90-98％)，其中采用单级的空气分离膜可以在完全径向混合的情况下逆流操作。这样，原料空气经管道20输送到空气压缩机21，然后从该处经管道22输送到后冷却器23，通过水分离器24从管道24A除去液体水，然后输送到薄膜干燥器25。压缩后的干燥原料空气经管道26输送到炭捕集器27除去重质烃和/或有机或无机蒸气。这样净化后的原料空气经管道28输送到膜装置29，从该处通过管道30回收氮气产品。干燥的富氧渗透气从膜装置29经管道31排放，而其中的一部分通过管道32转向，用作所述薄膜干燥器25的吹扫气。薄膜干燥器25中的渗透气(即快速渗透的水分)和所述吹扫气从该干燥器通过管道33排出以便从该过程中排放。

在图2实施方案的说明性实施例中，所用空气分离膜的氧/氮分离系数为6。原料空气在175磅/平方英寸(表压)和100°F下输送到薄膜干燥器，而渗透气和吹扫气在15磅/平方英寸(绝对压强)即基本上在一个大气压下从薄膜干燥器中排放。按逆流方式，在低压吹扫条件下操作的薄膜干燥器的水/氧分离系数大于1,000，而对水的渗透性/厚度比为1.9×10⁷Barrers/cm。空气的膜分离装置在级分流约为57％下操作，从而确定了薄膜干燥器可以采用的最大吹扫比。

在上述实施例中，通过薄膜干燥器达到的干燥程度取决于吹扫气流的量和干燥度，如上所指出，该吹扫气流是来自空气膜分离装置的一部分渗透气。渗透气中的水分含量取决于输送到空气膜分离装置的高压原料空气中的水蒸汽含量。因此，工艺过程中各种气流的湿度是互相关联和影响的。

工艺过程气流的湿度和吹扫比的关系列于下面的表中并在附图的图3中作了说明。当吹扫比低时，观察到薄膜干燥器产品的湿度与吹扫气流中的湿度一样高。然而，当吹扫比升高时，两种气流的湿度均降低。

在低湿度下，观察到吹扫比取决于薄膜干燥器的面积系数(AF)，在实施例中使用了它的两种值。面积系数是每单位干燥产品气流所需的膜表面积。

                               表

干燥产品的相对湿度％	干燥产品ppm H2O	吹扫气ppm H2O	吹扫气的相对湿度％	吹扫比％
						A.F.＝0.1	A.F.＝0.04
				90	4559			8012	12.5	0.9	0.9
80	4053	7123	11.1			1.8	1.8
				70	3546			6232	9.7	2.6	2.6
60	3040	5343	8.3			3.4	3.4
				50	2533			4452	6.9	4.2	4.2
40	2026	3560	5.6			5.0	5.0
				30	1519			2670	4.2	5.8	5.8
20	1013	1780	2.8			6.5	6.5
				10	507			891	1.4	7.2	7.8
5	253	445	0.7			7.6	9.2
				1	51			90	0.14	8.6	13.2
0.1	5.1	9	0.01			10.2	27.0

如上表和图3所示，当吹扫比为10％(面积系数为0.1)或27％(面积系数为0.04)时，得到很干的气流。可以注意到，这些数值比可得到的最大吹扫比57％低得多。因此，通过本发明的预净化方法和系统可以产生很干的气流。当最终的产品是干燥的、高纯的氮气时这是很有意义的。

说明性实施例中的数据是基于单级的膜过程从原料空气中回收氮气。当需要较高纯度时，最好采用两级或甚至三级膜过程。附图中的图4说明，在实施本发明时，如何将两级的空气膜分离系统与薄膜干燥器和炭捕集器结合在一起。

在图4的实施方案中，原料空气经管道40输送到空气压缩机41，压缩后的原料空气从该处经管道42输送到薄膜干燥器43的进料一侧，以便从该处将快速渗透的水分除去。非渗透的、干燥原料空气从薄膜干燥器43通过管道44输送到炭捕集器45，干燥、净化的原料空气从该处通过管道46输送到第一级空气分离膜47，富氧空气渗透废气流从该处通过管道48从第一级的渗透一侧排放。非渗透的富氮气流从所述第一级膜47通过管道49输送到第二级空气分离膜50。干燥的、高纯氮气通过管道51从其非渗透一侧回收。

来自所述第二级膜50的干燥渗透气从所述第二级膜50的渗透一侧通过管道52排出，以便循环到管道40与补充量的原料空气一起输送到空气压缩机41，然后输送到薄膜干燥器43和炭捕集器45。一部分上述干燥渗透气从所述管道52排出，经管道53输送到薄膜干燥器43的渗透一侧用作吹扫气，以便从输送到进口(即所述薄膜干燥器43非渗透一侧)的原料空气中加速除去快速渗透的水分。所述吹扫气和从薄膜干燥器43除去的含水渗透气，与所述管道52中所述渗透气一起，经管道54循环输送到管道40，与补充量的待分离原料空气一起在压缩机41中压缩，以便回收产品氮气。

按照本说明书对本发明所作的详细叙述，可以作出各种改变或变化而不脱离如附录权利要求书中详述的本发明的范围。因此，当不能从下游过程中得到适宜的废气流时，可将一部分干燥空气像在图1实施方案中所述管道17中那样输送到薄膜干燥器用作吹扫气流。也应当指出，离开薄膜干燥器的渗透气和吹扫气中的水分含量可以低于或不低于环境空气中的水分含量。如果从渗透一侧排出的所述气体的水分含量足够低，而且如果其组成在其它方面是适宜的，则可将该气体循环，并在压缩机的进口与输入的原料空气混合。

可以理解的是，多级空气分离膜可在实施本发明时使用，从所述多级中的任一级或其组合而产生的干燥渗透气都可在薄膜干燥器中用作吹扫气。如果这种渗透气适宜于在后面这样用来吹扫，特别是如果取自膜系统的第二级或更后的一些级，可能有利于与补充量的原料空气一起循环以便进一步处理。

在本发明优选的实施方案中，炭捕集器中使用炭吸附剂。任一种适宜的、市场上可以买到的且能吸附上述重油烃蒸气和/或有机或无机蒸气的活性炭材料均可采用。如在所述Prasad和Haas的专利中所介绍，采用活性炭材料有利于选择性吸附烃类例如重质烃蒸气，而让轻质烃蒸气仍然与原料气通过炭捕集器输送到膜系统。适用于实施本发明的一些炭的代表性实例是：Calgon BCBCarbon、BPL vapor phase carbon；Carbon 207C ofSutcliffe-Speakman，Inc.；Westvaco Nuchar WV-3；和Norit RB3 of American Norit。其它各种吸附材料例如众所周知的、市场上可买到的沸石分子筛材料如5A和13X分子筛也可以使用。

本发明优选的炭捕集器中使用的炭床或其它吸附剂捕集器可以设计成一次性的捕集器，即其尺寸可以确定为至少约6个月能防止膜降解，此外，还应具有一定的床层深度，使原料空气或其它原料气流中的压力降小于5磅/平方英寸。本发明典型的空气分离应用的说明性设计特点是：(1)原料流量为66,000立方英尺(标准)/小时(SCFH)，(2)原料气的压力为150磅/平方英寸(表压)，(3)操作温度为90°F，和(4)原料空气流中烃污染物的含量：C₅或低级烃蒸气(按CH₄测定)为1.5ppm(按体积计)，和高于C₅(按甲烷测定)的约为0.5ppm(按体积计)或更多，和/或含量不符合要求的有机蒸气。可以理解的是，炭捕集器或其它的吸附剂捕集器不必是一次性的，但是，在本发明的实施范围内可以是再生型。

膜分离系统通常采用油冷却的螺旋压缩机将增压的原料空气供给膜分离表面。如上所述，已发现原料空气中因污染而产生的油污染物会使膜性能降低。当然，这种油冷却的螺旋压缩机可以用于其它原料气的增压，而其它形式的油润滑压缩机可以在膜或其它气体分离操作之前用于原料空气或其它原料气的增压。在所有这些用途中，烃油蒸气以及其它有机或无机蒸气，会进入输送到膜或其它气体分离系统的原料气流中。由于甚至当重质烃油蒸气和/或有机或无机蒸气的浓度相当低时，即低于1ppmv(C₁)，都会导致气体分离膜的渗透性迅速而大量地降低，一次性炭或其它吸附剂捕集器选择性地从原料气中除去这些重质烃类和/或有机或无机蒸气，同时合理地允许轻质烃在不显著地损害膜材料的情况下与原料气通过该膜系统的能力，使膜的降解在特别简便和经济可行的方式下受到控制和防止。熟悉本技术领域的人员会理解到，除由于使用油冷却的螺旋压缩机或其它油润滑压缩机所产生的这类有害污染物而外，还存在其它这类污染原料气的来源，在此情况下，采用本发明可以防止膜降解。因此，待分离的原料空气或其它气体也可能适合在船上的柴油机环境附近进行分离。同样，空气或其它气体的分离也可能在烃精炼生产厂附近进行。在这些情况下或其它类似的应用中，原料气会受到重质烃类和/或有机或无机蒸气的污染，而足以造成不符合工业要求的膜降解率。在所有这些情况下，本发明可以提供简便和实用的方法，以保持炭捕集器的吸附容量和防止这种损害，而没有必要采取补充膜面积来产生给定的产品流量和纯度。

本发明实现了在通过膜、变压吸附(PSA)或低温蒸馏过程分离之前，预净化原料空气或其它原料气的非常满意的改进。除了上述空气分离的应用之外，其它气体分离应用的说明性实施例是从含有甲烷、乙烷和其它烃类的废气中净化氢，当降解的主要来源是工业实际应用中遇到的问题时，实施本发明是有利的。其它的这类实施例是从氨吹扫气中回收氢和二氧化碳以及甲烷的分离。

在采用空气或其它气体膜分离过程和系统的一些实施方案中，可采用任一种能够从含有所述组分和不太容易渗透组分的原料混合物中，选择性渗透更容易渗透组分的符合要求的膜系统。在这方面，本文所涉及的某一种组分是与原料气混合物中的另一种气体或一些气体(即另一种组分)选择性地分离的一种气体或一些气体的组合物，例如从更容易渗透的氧中选择性地回收氮和氩。因此，复合型、非对称型的膜或任一种其它膜结构形式，均有利于防止实施本发明时异常的降解。复合膜通常包括叠加在多孔衬底上的薄分离层或适宜的渗透性膜材料的涂层，其中分离层决定复合膜结构的分离特性。另一方面，非对称型膜主要由单一的可渗透膜材料组成，该膜材料具有对膜的分离特性起决定性作用的薄致密半透膜，以及用以防止薄膜层在压力下皱缩的不太致密的多孔非选择性载体层。这类膜结构可以按不同的形式制成，例如螺旋缠绕、空心纤维、平板式或类似的形式。用于实施工业操作时，这些膜结构一般采取膜装配件的形式，即安装在盒套内构成包括整个膜系统主要元件的一些膜组件。膜系统通常包括若干排列成并联或串联操作的组件，以及构成空心纤维束、螺旋缠绕筒、折叠的平板膜组件或其它常用于膜工业中的这类组件。

在任一种特定的气体分离中使用的膜材料，可以是任一种能选择性地渗透原料空气或其它原料气混合物中更容易渗透组分的材料。这些材料的代表性实例是：纤维素衍生物类，例如醋酸纤维、乙酸丁酸纤维素和类似的物质；聚酰胺类和聚酰亚胺类，包括芳基聚酰胺类和芳基聚酰亚胺类；聚砜类；多芳基化合物类；聚苯乙烯类以及类似的物质。

熟悉本技术领域的人员会容易理解到，本发明同样可以实用于各种适宜的空气或其它气体分离PSA或低温系统和过程，其中，使用本发明提供的原料气流预干燥对整个操作有利。

可以看出，本发明是工业上的一个重要的进步，从综合的技术和经济的观点来看，可以很显著地使空气或其它气体分离操作更可行。这样，就可使各种空气和其它气体分离操作的能力增强，以满足整个工业化世界不断增长的对更有效的操作性能的要求。

Claims (20)

1.一种在气体分离系统中分离原料气混合物的方法，该方法能选择性地使原料气混合物中的一种组分与另一种组分分离，其中该原料气混合物含有水分和烃和/或有机或无机蒸气污染物，改进内容包括：

(a)将含有水分和污染物的原料气混合物，输送到薄膜干燥器系统的非渗透一侧，该系统适合于使吹扫气在其渗透一侧通过，且适合于该原料气流按相对于在其渗透一侧的吹扫气的流向逆流的方式通过，所述薄膜干燥器系统能选择性地从该原料气混合物中渗透快速渗透的水蒸汽；

(b)从薄膜干燥器系统的非渗透一侧将干燥的原料气混合物输送到吸附床，该吸附床能从该干燥的原料气混合物中吸附高于C₅(戊烷)的烃类和/或有机或无机蒸气，以产生干燥、净化的原料气混合物；

(c)将所述干燥、净化的原料气混合物送入所述气体分离系统以便从该处选择性地分离所需的组分；

(d)按相对于所述原料气混合物的流向逆流的方式，将吹扫气输送到薄膜干燥器系统的渗透一侧，以加速从膜表面将快速渗透的水蒸汽除去，并保持通过薄膜干燥器从原料气混合物中除去快速渗透的水蒸汽的驱动力；

(e)回收包括通过气体分离系统从气体混合物中分离的原料气混合物中的一种组分的干燥产品气体；

(f)通过所述气体分离系统分别除去原料气混合物中的其它组分；和

(g)排放吹扫气和已从所述薄膜干燥器系统的渗透一侧渗透过该薄膜干燥器的快速渗透的水分，从而使存在于原料气混合物中的水分和重质烃类和/或有机或无机蒸气能有效地除去，并可满意地延长吸附床的操作寿命，提高气体分离系统的综合性能。

2.根据权利要求1的方法，其中所述吹扫气包括来自气体分离系统的干燥气流或一部分输送到吸附床的干燥原料气混合物。

3.根据权利要求1的方法，其中，在其步骤(C)中，将所述干燥、净化的原料气混合物输送到气体膜分离系统。

4.根据权利要求1的方法，其中所述原料气混合物包括空气。

5.根据权利要求3的方法，其中将通过气体分离系统分别除去的一部分所述其它组分循环，作为所述的吹扫气。

6.根据权利要求5的方法，其中所述原料气混合物包括空气，从气体膜分离系统回收的干燥产品气体包括从该处以非渗透气回收的干燥的高纯氮气，而通过气体分离系统分别除去的所述其它组分包括从该处而来的干燥富氧渗透气。

7.根据权利要求6的方法，其中所述气体膜分离系统包括两级或多级膜系统，并且将一部分渗透气从至少一级循环到薄膜干燥器系统的渗透一侧用作其中的吹扫气。

8.根据权利要求7的方法，并且包括将吹扫气和已从薄膜干燥器系统的渗透一侧渗透过该薄膜干燥器的快速渗透的水蒸汽循环，以便与补充量的原料空气一起输送到薄膜干燥器。

9.根据权利要求8的方法，并且将补充量的渗透气从一级或多级循环到薄膜干燥器。

10.根据权利要求1的方法，其中所述吸附剂材料包括活性炭。

11.一种在气体分离系统中分离原料气混合物的系统，该系统能选择性地使原料气混合物中的一种组分与另一种组分分离，其中该原料气混合物含有水分和烃污染物和/或有机或无机蒸气，改进内容包括：

(a)一套薄膜干燥器系统，该系统适合于使吹扫气在其渗透一侧通过，以及适合于该原料气流按相对于在其渗透一侧的吹扫气的流向逆流的方式通过，所述薄膜干燥器系统能选择性地从该原料气混合物中渗透首先渗透的水蒸汽；

(b)用于将原料气混合物输送到薄膜干燥器系统的非渗透一侧的管道装置；

(c)一台吸附床，能从所述薄膜干燥器系统输送来的干燥原料气混合物中吸附高于C₅(戊烷)的烃类和/或有机或无机蒸气，以产生干燥、净化的原料气混合物；

(d)从所述薄膜干燥器系统，将所述干燥的原料气混合物输送到所述吸附床的管道装置；

(e)一套气体分离系统，用以从所述干燥、净化的原料气混合物中选择性地分离所需的组分；

(f)用于将所述干燥、净化的原料气混合物，输送到所述气体分离系统的管道装置；

(g)用于将吹扫气按相对于所述原料气混合物的逆流流向，输送到薄膜干燥器系统的渗透一侧的管道装置，以加速从膜表面将快速渗透的水蒸汽除去，并保持通过薄膜干燥器从原料气混合物中除去快速渗透的水蒸汽的驱动力；

(h)一套管道装置，用于回收包括通过气体分离系统分离的原料气混合物中的一种组分的干燥产品气体；

(i)用于从所述气体分离系统除去原料气混合物中其它组分的单独的管道装置；

(j)一套管道装置，用于排放吹扫气和已从其渗透一侧渗透过膜的快速渗透的水蒸汽，从而使存在于原料气混合物中的水分和重质烃类和/或有机或无机蒸气能有效地除去，并可满意地延长吸附床的操作寿命，提高气体分离系统的综合性能。

12.根据权利要求11的系统，其中所述管道装置(g)包括一套管道装置，用以将包括来自气体分离系统的干燥气流的吹扫气或一部分输送到吸附床的干燥气混合物输送到薄膜干燥器渗透一侧。

13.根据权利要求11的系统，其中该气体分离系统包括气体膜分离系统。

14.根据权利要求13的系统，其中所述用于将吹扫气输送到薄膜干燥器系统渗透一侧的管道装置，包括用于循环从气体分离系统分别除去的一部分其它组分作为所述吹扫气的管道装置。

15.根据权利要求13的系统，其中(a)所述气体分离系统包括气体膜分离系统；(b)所述用于回收干燥产品气体的管道装置包括用于回收来自所述气体膜分离系统的非渗透气的管道装置；和(c)用于从所述气体分离系统除去原料气混合物中其它组分的所述单独的管道装置包括用于从该处除去渗透气的管道装置。

16.根据权利要求15的系统，其中所述气体膜分离系统包括两级或多级膜系统，并且包括管道循环装置，用以将一部分渗透气从一级或多级循环到薄膜干燥器系统的渗透一侧用作吹扫气。

17.根据权利要求16的系统，并且包括管道循环装置，用以将吹扫气和已从薄膜干燥器系统的渗透一侧渗透过该薄膜干燥器的快速渗透的水蒸汽循环，与补充量的原料气混合物一起输送到薄膜干燥器的非渗透一侧。

18.根据权利要求17的系统，并且包括管道循环装置，用以将补充量的所述第二级渗透气输送到薄膜干燥器的非渗透一侧。

19.根据权利要求11的系统，其中所述吸附剂材料包括活性炭。

20.根据权利要求11的系统，并且包括油润滑压缩机系统，原料气混合物输送到薄膜干燥器系统之前先输送到该油润滑压缩机系统。

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