CN115569489A - 降低海洋和海上膜应用的能量消耗 - Google Patents

Abstract

本文中公开了基于膜的机载气体分离方法和系统，并且具体的是用于船和海上设施的基于膜的机载空气分离方法和系统，其中在膜分离器单元的渗透侧上施加真空，以便降低过程的能量消耗。

Description

降低海洋和海上膜应用的能量消耗

背景技术

本发明涉及用于海洋应用(即在船和海上设施上)的机载气体分离方法和系统。具体地，本文公开了用于分离空气进料流以在船或海上设施上生产富氮产品的基于膜的方法和系统。

船上和海上设施上的膜空气分离系统通常是能量密集型方法，具有高的膜进料压缩以实现有效且有竞争力的方法。膜方法将气态进料流分离成渗透物流和滞留物流；渗透过膜的气体形成渗透物流，并且非渗透气体形成滞留物流。在空气分离中，通常使用对氧比氮更具渗透性的膜，使得空气进料流被分离成从膜的进料侧去除的富氮流(滞留物流)和从膜的渗透侧去除的富氧流(渗透物流)。膜的进料侧和渗透侧之间的分压差，以及因此进入膜分离器单元的进料流和离开所述模块的渗透物流之间的分压差是用于分离的驱动力。

用于海洋应用的膜空气分离系统通常仅压缩进料空气以达到所需的氮流量和纯度。

美国专利号8,317,899公开了一种用于船上的基于膜的空气分离的示例性现有技术方法和系统。在所公开的方法和系统中，环境温度空气进料流在机载压缩机中被压缩以形成压缩空气流。压缩空气流通过与容器附近的海水进行热交换而被冷却，并在脱水单元中被干燥。脱水模块的产物中的一些可以用作公用空气。压缩和干燥空气流的剩余部分经过膜分离器单元，该膜分离器单元包括用于将氧与氮分离的聚合物膜，以便提供用作容器上的惰性气体的富氮产物流和排放到大气的富氧流。压缩机是系统的唯一的机械移动部件。

用于空气分离的基于膜的方法和系统也已经用于各种其他应用和领域。在某些应用中，除了压缩进料空气流，还使用真空泵来降低膜的渗透侧上的压力。例如：

美国专利号US 5,730,780公开了一种用于从空气中生成氮的方法，其中在气体分离膜的渗透侧上施加真空，以便在足以允许氮产品用于石油和天然气管道维修和用于谷粮仓的氮纯度水平下提供氮产品的增强的流率。测试了3.4至13.2psia(0.23-0.81巴)的范围内的真空压力，其中与所测试的最高真空压力相比，在所测试的最低真空压力下获得了生产率(即氮产品的流率)方面的显著提高。

所公布的美国申请号US2019/282951公开了一种用于飞行器的燃料箱惰化系统。所公开的燃料箱惰化系统包括进料空气压缩机、具有透氧膜的空气分离模块和可变真空源，该可变真空源向空气分离模块中的透氧膜的渗透侧提供可调节的真空。控制可变真空源以便提供膜上的压差，使得产生所期望的纯度的富氮空气。可变真空的使用特别地允许系统根据飞行阶段的需要调节膜上的压差。例如，在下降期间，需要较大流量的惰性气体来惰性化燃料箱，以便在燃料箱内的压力平衡时，抵消外部空气涌入燃料箱通风口。通过引导可变真空源在空气分离膜上提供更大的真空和更大的压差，可以比在下降的顶部更快地产生高纯度氮流，以补偿下降期间对惰性气体的更大需求。

然而，在空气分离系统(以及一般的气体分离系统)中使用真空泵带来缺点。具体地，添加真空泵增加系统的资本成本和占地面积两者。在海洋应用中，资本成本是重要的考虑因素，并且船或海上设施上的可用空间是有限的。

随着增加的气候意识，减少这些过程的能量消耗的期望也增加。

发明内容

本发明人现已发现，通过在膜分离器单元的渗透侧上施加真空，用于海洋和海上应用的膜空气分离系统的能量消耗可以被显著降低，达到超过与添加真空泵的资本成本和占地面积相关联的任何缺点的程度。在本文公开的方法和系统中，通过在膜分离器单元的渗透侧上施加真空，可以利用较低的进料压力，以便显著降低产生相同的产品流率和纯度所需的能量。这反过来降低了系统的操作成本，以及降低了过程的环境不友好的副产物的量，诸如与运行进料压缩机相关联的CO₂产生的量。

根据本发明的系统和方法的若干优选方面在下文进行概述。

方面1：一种在船或海上设施上实行的气体分离方法，该船或海上设施具有全部位于船或海上设施上的压缩机、膜分离器单元和真空泵，膜分离器单元具有被膜分离的进料侧和渗透侧，相比于第二气体，该膜对第一气体更具渗透性，该方法包括：

(a)在压缩机中压缩包含第一气体和第二气体的气态进料流，以形成经压缩的进料流；

(b)使用真空泵向膜分离器单元的渗透侧施加真空；以及

(c)将经压缩的进料流引入到膜分离器单元的进料侧，并将经压缩的进料流分离成富含第一气体的渗透物流和富含第二气体的滞留物流，渗透物流通过真空泵从膜分离器单元的渗透侧抽出，并且滞留物流从膜分离器单元的进料侧抽出。

方面2：根据方面1所述的方法，其中该方法是空气分离方法，气态进料流是空气流，第一气体是氧，并且第二气体是氮。

方面3：根据方面2所述的方法，其中滞留物流具有95体积％或更高的氮浓度。

方面4：根据方面1至3中任一方面所述的方法，其中离开膜分离器单元的渗透侧的渗透物流的压力为0.5至0.7巴。

方面5：根据方面1至4中任一方面所述的方法，其中进入膜分离器单元的进料侧的经压缩的进料流的压力大于1巴且等于或小于15巴。

方面6：根据方面1至5中任一方面所述的方法，其中进入膜分离器单元的进料侧的经压缩的进料流的压力为4至8巴。

方面7：根据方面1至6中任一方面所述的方法，其中进入膜分离器单元的进料侧的经压缩的进料流的压力与离开膜分离器单元的渗透侧的渗透物流的压力的压力比为8至12。

方面8：一种位于船或海上设施上的气体分离系统，该气体分离系统包括压缩机、膜分离器单元和真空泵，该膜分离器单元具有被膜分离的进料侧和渗透侧，相比于第二气体，该膜对第一气体更具渗透性，其中：

压缩机与膜分离器单元的进料侧流体流动连通，并被配置成压缩气态进料流以形成经压缩的进料流，并将经压缩的进料流供应到膜分离器单元的进料侧；

真空泵与膜分离器单元的渗透侧流体流动连通，并被配置成向膜分离器单元的渗透侧施加真空；并且

膜分离器单元被配置成将经压缩的进料流分离成从膜分离器单元的进料侧抽出的滞留物流和通过真空泵从膜分离器单元的渗透侧抽出的渗透物流。

方面9：根据方面8所述的气体分离系统，其中该系统是空气分离系统，气态进料流是空气流，第一气体是氧，并且第二气体是氮。

方面10：根据方面8或9所述的气体分离系统，其中该系统被配置成将离开膜分离器单元的渗透侧的渗透物流的压力保持在0.5至0.7巴的压力。

方面11：根据方面8至10中任一方面所述的气体分离系统，其中该系统被配置成将进入膜分离器单元的进料侧的经压缩的进料流的压力保持在大于1巴且等于或小于15巴的压力。

方面12：根据方面8至11中任一方面所述的气体分离系统，其中该系统被配置成将进入膜分离器单元的进料侧的经压缩的进料流的压力保持在4至8巴的压力。

方面13：根据方面8至12中任一方面所述的气体分离系统，其中该系统被配置成将进入膜分离器单元的进料侧的经压缩的进料流的压力与离开膜分离器单元的渗透侧的渗透物流的压力的压力比保持在8至12的压力比。

附图说明

图1是描绘用于海洋应用的现有技术的基于膜的空气分离方法和系统的示意图。

图2是描绘根据本发明的一个实施例的用于海洋应用的基于膜的空气分离方法和系统的示意图。

图3是描绘在各种电力成本下所计算的最佳进料和渗透压力(在所模拟的条件下提供最低特定氮成本方面)的图表。

具体实施方式

如本文所使用的，并且除非另有说明，冠词“一”和“一个”在应用于说明书和权利要求中描述的本发明的实施例中的任何特征时表示一个或多个。“一”和“一个”的使用并不将含义限制为单个特征，除非明确说明了这种限制。单数或复数名词或名词短语前面的冠词“该”表示一个特定的指定特征或多个特定的指定特征，并且可以具有单数或复数含义，这取决于其使用的上下文。

在本文使用字母来标识方法的所阐述的步骤(例如，(a)、(b)和(c))的情况下，这些字母仅用于帮助指代方法步骤，并不旨在指示执行所要求保护的步骤的特定顺序，除非且仅在具体陈述了这种顺序的情况下。

在本文中用于标识方法或系统的所阐述的特征时，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于帮助指代和区分所讨论的特征，并不旨在指示特征的任何特定顺序，除非且仅在具体陈述了这种顺序的情况下。

如本文所用，提及“富含”特定气体或组分的气体分离过程的产物流是指该流比用于气体分离过程的进料物流具有更高摩尔％的所述特定气体或组分。因此，当包含第一气体和第二气体的气态进料流通过膜分离过程分离以提供富含第二气体的滞留物流时，滞留物流具有比气态进料流更高摩尔％的第二气体。当所述进料流是进料空气流且滞留物流是富氮产物流时，富氮产物流因此比进料空气流具有更高摩尔％的氮。

如本文所用，术语“流体流动连通”是指两个或更多个部件之间的连接性的性质，其使得液体、蒸汽和/或两相混合物能够以受控的方式(即，没有泄漏)直接或间接地在部件之间运输。将两个或更多个部件联接为使得它们彼此流体流动连通可以涉及本领域已知的任何合适的方法，诸如在使用焊接、法兰导管、垫圈和螺栓的情况下。两个或更多个部件也可以通过系统的其他部件联接在一起，这些部件可以将它们分离，例如阀、闸门或可以选择性地限制或引导流体流动的其他设备。如本文所用，术语“导管”是指流体可以通过其在系统的两个或更多个部件之间输送的一种或多种结构。例如，导管可包括输送液体、蒸汽和/或气体的管道、导管、通道及其组合。

本文描述了气体分离方法和系统，具体是用于分离船和海上设施上的空气的方法和系统，该系统包括由机载压缩机供应经压缩的进料流(在空气分离的情况下为经压缩的空气流)的膜分离器单元。这些方法和系统进一步包括机载真空泵，该机载真空泵用于向膜分离器单元的渗透侧施加真空，以便与仅使用压缩机而没有向膜分离器单元的渗透侧施加真空的情况下以相同的流率和纯度生产相同的期望产物流(例如在空气分离过程的情况下的富氮产物流)所需的能量的量相比，降低该过程的总能量消耗。

仅作为示例，现在将参照附图描述本发明的各种示例性实施例。在附图中，在特征为一个以上的附图所共有时，该特征被赋予相差100的相同的附图标记。因此，例如，图1中的膜分离器单元107对应于图2中的膜分离器单元207。除非特征被具体描述为不同于在附图中其被示出的其他实施例，否则该特征可以被认为具有与描述该特征的实施例中的相对应的特征相同的结构和功能。而且，如果该特征在随后描述的实施例中不具有不同的结构或功能，则可能不会在说明书中具体提及。

现在参考图1，示出了通常在船和海上设施上使用的现有技术的基于膜的空气分离系统和方法的示意图。进料空气流101在机载压缩机103中被压缩以形成处于通常为9至15巴的压力下的经压缩的进料空气流117、105。机载压缩机103的出口与机载膜分离器单元107流体流动连通，使得来自压缩机103的经压缩的进料空气流117、105被进送到所述机载膜分离器单元107中。优选地，离开压缩机103的经压缩的空气流117首先在热交换器121中冷却，以形成冷却的经压缩的进料流119，该进料流经过过滤器125，以从该流中去除任何颗粒、油滴和冷凝水。经过滤的经压缩的进料流127然后在过程加热器129中被温热至稳定的操作温度，并被引入到膜分离器单元107中。经压缩的空气流可以在热交换器121中通过与任何合适的冷却剂131(诸如，例如空气、淡水或海水)的间接热交换来冷却。离开过程加热器129并进入膜分离器单元107的进料空气流105通常处于30至60℃的温度。

膜分离器单元107包括被膜110分离的进料侧106和渗透侧108，相比于氮，该膜对氧更具渗透性。膜分离器单元可以由串联或并联布置的一个或多个模块构成，并且在每个模块中，膜可以采取任何合适的形式，诸如中空纤维束或一个或多个平坦或螺旋缠绕的片材，如本领域所公知的那样。

经压缩的进料空气流105在模块的进料侧(高压侧)106上进入膜分离器单元107中，并且如上所述，在其进入膜分离器单元时通常处于9至15巴的压力下。模块的渗透侧(低压侧)108处于大气压力，即1巴下，从而导致滞留物侧106和渗透侧108之间的压差，该压差驱动气体运送穿过膜110从高压侧106转移到低压侧108。由于相比于氮，膜110对氧更具渗透性，经压缩的进料空气流105中的氧比氮更快地通过膜，因此当经压缩的进料空气流通过膜分离器单元107时，其被分离成富含氮的滞留物流109和富含氧的渗透物流111，该滞留物被保留并从膜分离器单元107的进料侧106抽出，而该渗透物流形成并从膜分离器单元107的渗透侧108抽出。滞留物流109的氮纯度的精细控制通常通过使用控制阀131控制滞留物流109的流率来实现，控制阀的流率设定点由滞留物流109的氮纯度来调节。

通常，从膜分离器单元产生和抽出的富氮滞留物流按体积计将包含95至99％(即95至99体积％)的氮，以便提供所讨论的海洋应用所需的高纯度氮产品。结合膜分离器单元的适当设计(包括膜的类型、厚度和表面积的选择)以及进料流和膜的温度，氮产品的所需纯度和氮产品的所需流率决定了进料空气流必须被压缩到的压力(以便提供压差，并且因此提供在所期望的流率下形成具有所期望的产品纯度的滞留物流所需的驱动力)。基于经压缩的进料流的压力、组成、温度和流率，适于以期望的流率和纯度产生滞留物流的膜分离器单元的设计完全在本领域普通技术人员的能力范围内。

现在转到图2，示出了根据本发明实施例的用于船和海上设施上的基于膜的空气分离系统和方法的示意图。这与图1的现有技术系统和方法的不同之处在于，提供了机载真空泵213，真空泵的入口与膜分离器单元207的渗透侧208流体流动连通。真空泵213用于向膜分离器单元207的渗透侧208施加真空，使得离开膜分离器单元207的渗透侧208的渗透物流的压力低于大气压(低于1巴)，更优选地在0.5至0.7巴的范围内。

通过降低膜分离器单元的渗透侧上的压力，进料流被压缩到的压力也可以被降低，同时仍然保持膜206上的压差，并因此保持产生具有所期望的纯度的富氮滞留物流209(即，通常包含95-99体积％氮的富氮滞留物流，如上所讨论的那样)所需的驱动力。因此，在图2中示出的实施例中，经压缩的进料流217、205的压力将低于图1的经压缩的进料流117、105的压力(假设进料空气流201/101的组成和流率相同，富氮滞留物流209/109的组成和流率相同，膜分离器单元207/107的设计相同)。在图2所示的实施例中，进入膜分离器单元的进料侧206的经压缩的进料流205通常具有等于或小于15巴(但大于1巴)的压力，更优选地具有4至8巴的压力。已经令人惊讶地发现，与仅依靠压缩来实现提供用于分离的所有驱动力所需的较高压力的进料流相比，当使用真空泵向膜分离器单元的渗透侧施加真空，并且然后相应地降低进料空气流被压缩到的压力时，该过程的净能量消耗显著降低。这种能量消耗方面的减少足以超过添加真空泵的资本成本，并且从而降低了该方法的特定氮成本。

因此，如图2所示，进料空气流201在机载压缩机203中被压缩以形成经压缩的进料空气流217、205，该经压缩的进料空气流(优选地在热交换器221中被冷却后，在过滤器225中被过滤，并且然后在过程加热器229中以上面参考图1讨论的方式被温热)被引入到膜分离器单元207的进料侧206中，通常处于等于或小于15巴(但大于1巴)的压力下，以及更优选地处于4至8巴的压力下。

膜分离器单元207包括膜210，相比于氮，该膜对氧比更具渗透性。在图2中，膜分离器单元被描述为由单个模块组成，但是在许多实施例中，膜分离器单元可以由串联或并联布置的多于一个模块构成(以便能够充分操纵正在被分离的进料空气流的流率)。这种模块可以与歧管连接，并且每个模块可以配备有单独的阀，这可以允许各个模块被独立地激活或去激活。在膜分离器单元的该模块或每个模块中，膜可以采取任何合适的形式，诸如中空纤维束或一个或多个平的或螺旋缠绕的片材。纤维或片材可以全部由相同的聚合物或相同的聚合物复合材料制成，或者一些纤维或片材可以由不同的聚合物或聚合物的复合材料制成，使得使用不同聚合物或聚合物的复合材料的混合物。适用于形成相比于氮对氧更具渗透性的膜的各种不同类型的聚合物是众所周知的，并且技术人员可以毫无困难地选择合适的聚合物。不同模块中使用的纤维或片材可以全部具有相同的渗透性和选择性，或者具有不同渗透性和/或选择性的纤维或片材可以用于不同的模块中。

真空泵213用于向膜分离器单元207的渗透侧208施加真空，使得离开膜分离器单元的渗透侧的渗透物流的压力低于大气压(低于1巴)，以及更优选地为0.5至0.7巴。进入膜分离器单元207的经压缩的进料空气流205被分离成富含氮的滞留物流209和富含氧的渗透物流211，该滞留物流被保留并从膜分离器单元207的进料侧206抽出，该渗透物流在膜分离器单元207的渗透侧208形成并通过真空泵213抽出，从而在大气压下作为流215离开真空泵。富氮滞留物流209具有通常为95-99体积％氮的组成，如所讨论的海洋应用所要求的那样，以便用作高纯度氮产品。通过使用控制阀231控制所述流的流率，可以实现对滞留物流209的氮纯度的精细控制，控制阀的流率设定点由流209的氮纯度调节。

进入膜分离器单元的进料侧206的经压缩的进料流205的压力和离开膜分离器单元的渗透侧208的渗透物流211的压力优选地使得经压缩的进料流与渗透物流的压力比为8至12。已经发现这样的压力比实现了最低的特定氮成本。经压缩的进料流205的压力可以例如使用位于或靠近到膜分离器单元的进料侧206的入口的压力传感器来测量，并且渗透物流211的压力可以例如使用位于或靠近膜分离器单元的渗透侧208的出口的压力传感器(如果膜分离器单元207和真空泵213之间的距离使得膜分离器单元和真空泵之间的任何压降可以忽略不计，则包括适当地使用位于到真空泵213的入口处的压力传感器)测量。经压缩的进料流205的压力可以例如通过测量所述流的压力的所述压力传感器和压缩机203之间的合适的反馈回路自动控制。同样地，渗透物流211的压力可以例如通过测量所述流的压力的所述压力传感器和真空泵213之间的合适的反馈回路自动控制。

压缩机203和真空泵213可以具有本领域已知的任何合适的类型。压缩机203可以例如包括一个或多个油润滑螺杆式压缩机和/或一个或多个无油(离心)压缩机。真空泵可以例如包括能够在高体积流率下提供低至约0.5巴的真空压力的一个或多个真空鼓风机(也称为侧通道鼓风机)。

可选地，真空泵213可以被控制为使得它在空气分离系统的操作期间不被连续地用于施加真空。例如，在低N₂需求期间，使得仅需要相对低流率的富氮滞留物流209，可以关闭真空泵以便实现能量消耗方面的进一步节省。替代性地或附加地，在低N₂需求的时段期间，压缩机203可以被操作以降低空气进料流201被压缩的程度，从而产生处于较低压力的经压缩的进料空气流217、205，这进一步降低了在这个时段期间的能量消耗(并且这相比于关闭真空泵通常对能量消耗具有更大的影响)。

在膜分离器单元包括多于一个模块的情况下，可以使用单个真空泵向所有或一些模块施加真空，或者可以使用多于一个真空泵，每个真空泵连接到一个或多个模块并向一个或多个模块施加真空。可选地，在膜分离器单元包括多于一个模块的情况下，只有一些模块可以连接到真空泵并具有施加到其上的真空。

对所公开的空气分离系统的控制可以通过自动控制系统、通过手动(即人)控制或两者的任意组合来实现。

虽然上面没有具体描述，但是本领域技术人员仍将会理解，所公开的空气分离系统也可以包括有包括在这种系统中的各种典型部件，诸如不限于：入口阀、入口过滤系统、空气干燥系统、用于有机蒸汽去除的过滤器、压力传感器、温度传感器、空气加热器、控制所施加的数量的膜模块的阀、出口控制阀、入口控制阀和缓冲罐。

以上描述的方法和系统，以及特别是向膜分离器单元的渗透侧施加真空以便减少船和海上设施上的气体分离过程的能量消耗的原理，也可以应用于其他气体分离过程，并且不限于从氧中分离氮。可以通过这种气体分离方法分离的其他气体包括氧、氢、水、二氧化碳、甲烷和氦。

实例1

在Aspen Technologies的ASPEN Plus V10模拟软件中，使用Air Products andChemicals，Inc.的内置膜工艺模型，模拟化学品船上的空气分离的方法。模拟了如图2中所描绘的方法和系统，其中根据正常的海洋和海上空气分离规范设置富氮滞留物流209的目标氮纯度和流率。

下文中表1中列出了过程条件和模拟的各种流的最终组成和流率。出于该模拟的目的，仅考虑了流的氮和氧含量，因为尽管进料空气流通常将包含少量的其他组分(诸如水、二氧化碳和惰性气体)，但这些组分在进料空气流中的存在对该过程从氮中分离氧的能力没有影响。

表1

*正常条件：0℃、1.013巴

使用模拟系统和方法，进料空气的9744NMH(正常立方米每小时，即正常条件下的立方米每小时)在压缩机203中被压缩至8.0巴。经压缩的进料空气流205被进送到膜分离器单元207，以生成4500NMH的处于95％氮纯度的富氮滞留物气体。通过控制阀231调节滞留物气体的流率，以达到所期望的产品纯度。渗透物流通过在0.65巴的抽吸压力的情况下操作的真空泵213抽出。该过程所需的总功率为0.273KW/NMH富氮滞留物气体。

相比之下，为了利用图1的系统和方法生产4500NMH的处于95％氮纯度的富氮滞留物气体(即，不使用真空泵213，并且因此渗透物流在1巴下离开膜分离器单元)，必须将9761NMH的进料空气流压缩到11巴，将该过程所需的总功率提高到0.3151KW/NMH的富氮滞留物气体。

因此，与不使用真空的系统和方法相比，根据图2的实施例的系统和方法导致相同分离的所需的功率方面的13.4％的降低。

实例2

在Aspen Technologies的ASPEN Plus V10模拟软件中，使用Air Products andChemicals，Inc.的内置膜工艺模型，实行了对图2中描绘的方法和系统进一步模拟，以便建立最佳的进料流和渗透流压力，用于最小化该过程的特定氮成本。

将如下内容作为模拟的基本条件：系统每年操作持续800小时，从而产生4500NMH处于95％氮纯度的富氮滞留物气体，系统将具有20年的操作寿命，膜模块中的膜具有10年的寿命(因此需要在系统的寿命中途进行更换)，并且能量成本为0.15USD/kWh。

该过程的特定氮成本定义如下：

特定N2成本＝(CAPEX+OPEX)/所生产的N2

其中“CAPEX”是指在系统的整个寿命中系统的总资本成本，“OPEX”是指在过程的整个寿命中过程的总操作成本，并且“所产生的N2”是指在过程的整个寿命期间氮产品(即处于95％氮纯度的富氮滞留物气体)的总量。在这个计算中：压缩机成本使用螺杆式油润滑压缩机的典型供应商成本估算；假设真空装备具有与油润滑螺杆式压缩机相同的每kW价格；氮包的成本基于主要装备成本(膜+旋转装备)；假设氮生成器上的其他装备(过滤装备、加热器、阀门、管道)的成本对于所讨论的氮生产水平的所有进料/渗透压力下不变；并且维护成本仅包括对膜更换的上述需要。

发现的是当使用压力为5.64巴的进料流205和压力为0.56巴的渗透物流211时，获得了0.0496USD/NMH的富氮滞留物气体的最低的特定氮成本。下面的表2和表3提供了针对这些进料和渗透压力获得的结果，并且为了比较，提供了当使用各种进料压力但不使用真空泵(并且因此使用大气压下的渗透物流)时获得的结果。如可以看出的那样，通过使用分别为5.64巴和0.56巴的优化进料和渗透压力，与用于机载氮生产的标准条件(11巴的进料流压力和大气压下的渗透物流)相比，可以将该过程的特定N2成本降低10％以上。

表2

表3

1)执行优化以找到最小的特定N2成本

2)在渗透物上不允许真空压力的情况下进行优化。操纵变量仅为进料压力，渗透压力被设置为大气压。

3)使用来自1)的最佳进料压力，但不允许在渗透物压力上为真空。未执行优化。

4)船上氮生成器的常规进料/渗透压力。

附加地，研究了改变电力成本(从最初用于模拟的0.15USD/kWh的成本)的影响，并且结果示出在图3中，其中示出了对于范围从0.01USD/kWh到0.30USD/kWh的各种电力成本所计算的最佳进料流和渗透物流压力(在提供最低特定氮成本的压力方面)。如可以看出的那样，增加电力成本降低了最佳进料和渗透压力，但是在所研究的所有条件下，使用低于大气压的渗透压力(以及特别地在0.5至0.7巴区域内的渗透压力)获得了最低的特定氮成本。

应当理解的是，本发明不限于上面参照优选实施例描述的细节，而是可以在不脱离由以下权利要求限定的本发明的精神或范围的情况下进行许多修改和变化。

Claims (13)

1.一种在船或海上设施上实行的气体分离方法，所述船或海上设施包括全部位于所述船或海上设施上的压缩机、膜分离器单元和真空泵，所述膜分离器单元包括由膜分离的进料侧和渗透侧，相比于第二气体，所述膜更能渗透第一气体，所述方法包括：

(a) 在所述压缩机中压缩包括所述第一气体和所述第二气体的气态进料流，以形成经压缩的进料流；

(b) 使用所述真空泵向所述膜分离器单元的所述渗透侧施加真空；以及

(c) 将所述经压缩的进料流引入到所述膜分离器单元的所述进料侧中，并将所述经压缩的进料流分离为富含所述第一气体的渗透物流和富含所述第二气体的滞留物流，所述渗透物流通过所述真空泵从所述膜分离器单元的所述渗透侧抽出，并且所述滞留物流从所述膜分离器单元的所述进料侧抽出。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法是空气分离方法，所述气态进料流包括空气流，所述第一气体包括氧，并且所述第二气体包括氮。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述滞留物流具有95体积%或更高的氮浓度。

4.根据权利要求1所述的方法，其中离开所述膜分离器单元的所述渗透侧的渗透物流的压力为0.5至0.7巴。

5.根据权利要求1所述的方法，其中进入所述膜分离器单元的所述进料侧的所述经压缩的进料流的压力大于1巴且等于或小于15巴。

6.根据权利要求1所述的方法，其中进入所述膜分离器单元的所述进料侧的所述经压缩的进料流的压力为4至8巴。

7.根据权利要求1所述的方法，其中进入所述膜分离器单元的所述进料侧的所述经压缩的进料流的压力与离开所述膜分离器单元的所述渗透侧的所述渗透物流的压力的压力比为8至12。

8.一种位于船或海上设施上的气体分离系统，所述气体分离系统包括压缩机、膜分离器单元和真空泵，所述膜分离器单元包括由膜分离的进料侧和渗透侧，相比于第二气体，所述膜更能渗透第一气体，其中：

所述压缩机与所述膜分离器单元的所述进料侧流体流动连通，并配置成压缩气态进料流以形成经压缩的进料流，并将所述经压缩的进料流供应到所述膜分离器单元的所述进料侧；

所述真空泵与所述膜分离器单元的所述渗透侧流体流动连通，并配置成向所述膜分离器单元的所述渗透侧施加真空；并且

所述膜分离器单元配置成将所述经压缩的进料流分离为从所述膜分离器单元的所述进料侧抽出的滞留物流和通过所述真空泵从所述膜分离器单元的所述渗透侧抽出的渗透物流。

9.根据权利要求8所述的气体分离系统，其中所述系统是空气分离系统，所述气态进料流包括空气流，所述第一气体包括氧，并且所述第二气体包括氮。

10.根据权利要求8所述的气体分离系统，其中所述系统配置成将离开所述膜分离器单元的所述渗透侧的所述渗透物流的压力保持在0.5至0.7巴的压力。

11.根据权利要求8所述的气体分离系统，其中所述系统配置成将进入所述膜分离器单元的所述进料侧的所述经压缩的进料流的压力保持在大于1巴且等于或小于15巴的压力。

12.根据权利要求8所述的气体分离系统，其中所述系统配置成将进入所述膜分离器单元的所述进料侧的所述经压缩的进料流的压力保持在4至8巴的压力。

13.根据权利要求8所述的气体分离系统，其中所述系统配置成将进入所述膜分离器单元的所述进料侧的所述经压缩的进料流的压力与离开所述膜分离器单元的所述渗透侧的渗透物流的压力的压力比保持在8至12的压力比。

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