NO174576B

NO174576B - Fremgangsmaate for aa separere nitrogen fra luft

Info

Publication number: NO174576B
Application number: NO894966A
Authority: NO
Inventors: Arthur William Rice
Original assignee: Permea Inc
Priority date: 1988-12-27
Filing date: 1989-12-11
Publication date: 1994-02-21
Also published as: IE893951L; NO894966D0; DE68921187T2; JP2766692B2; NO894966L; NO174576C; EP0377424A2; DE68921187D1; EP0377424A3; IE67157B1; JPH02194809A; EP0377424B1; CA2005066C; CA2005066A1; US4894068A

Description

Oppfinnelsens bakgrunn

Oppfinnelsens område

Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for å separere nitrogen fra luft. Mer spesielt angår den foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for å frembringe en sterkt effektiv metode for separering av forholdsvis rent nitrogen fra luft under anvendelse av flere i serie anordnede bunter av hulfibermembranérr

B. Teknikkens stand

Membraner er blitt anvendt som er basert på prinsippet med selektiv gjennomtrengning for å separere blandinger av gasser i forskjellige komponenter. Hver gass har en karakteristisk gjennomtrengningshastighet som er en funk-sjon av dens evne til å oppløses i og diffundere gjennom en gitt membran. Det er også kjent å anvende en bunt av hulfibermembraner anordnet i en langstrakt kappe for å separere én eller flere gasser fra en blanding av gasser ved å la gassene selektivt trenge gjennom membranen. Det er for eksempel kjent å frembringe forholdsvis rent nitrogen fra luft ved å føre luft under trykk inn i én ende av en langstrakt beholder fylt med et stort antall aksialt hule membranfibre som er anordnet side om side og strekker seg i beholderens lengderetning. Oxygen, carbondioxyd, vann og andre gasser vil trenge gjennom membranfibrene, men nitrogen vil trenge gjennom i mindre grad. Gassene som passerer gjennom membranen og er skilt fra luft, blir fjernet fra membranens nedstrømsside. Resultatet er at den del av luften som ikke trenger gjennom membranfibrene efter kontakt med den aktive membranoverflate, utgjøres av forholdsvis rent nitrogen. Nitrogengassen vil uunngåelig inne-holde en liten mengde oxygen. Normalt vil reduksjon av strømningshastighetene for luften gjennom beholderen som inneholder de hule membranfibre, føre til sterkere separering av de uønskede gasser med høy permeabilitet fra nitrogen.

Senkning av luftstrømningshastighetene fører til mer separering, men til en derav følgende kostbar driftsom-kostning. Drivkraften i g as separer ingsmembranéne, er forskjellen mellom en strømkomponents partialtrykk på membranens oppstrømsoverflate og partialtrykket på membranens nedstrømsoverflate. Det er klart at det ville ha vært ønskelig å frembringe en prosess hvor det for en gitt strømningshastighet og drivkraft er mulig å frembringe nitrogen som er enda mindre forurenset med andre gasser,

som oxygen, carbondioxyd og vanndamp.

Når luft anvendes som gasskilden, blir membrangass-separatorer anvendt kommersielt og økonomisk for å frembringe en forholdsvis inert gass ved at mesteparten av oxygenet separeres fra luftens gassformige komponenter, hvor-ved for det meste nitrogen blir efterlatt. Dessverre er fjerningen av oxygenet ikke tilstrekkelig fullstendig for en rekke formål. Det har imidlertid vært praktisk å redusere oxygeninnholdet til 0,5-5% ved anvendelse av membrangasseparatorer.

Gassmembranseparatorer anordnet i serie, er blitt beskrevet for separering av gasser, f.eks. for utvinning av hydrogen fra blandinger av hydrogen og methan. Oppfangningen av forholdsvis rent nitrogen med oxygenkonsentrasjoner under 1000 ppm under anvendelse av serieanordnede separatorer uten behov for resirkuleringssløyfe eller mellomtrinnskom-pressorer har ikke vært kjent.

Serieoperasjon av membranseparatorenheter er tidligere blitt anvendt for gassepareringer, men alltid slik at til-førselsgassen med det høyere trykk befant seg på hulfibrenes utvendige overflater og hvor serieoperasjon hovedsakelig ble anvendt for å forbedre gassblandings- og fordelingsut-bytter på tilførselssiden av hulfibermembranene. I tillegg er serieoperasjon av membranseparatorer tidligere blitt anvendt for slike formål hvor det var gunstig å anvende en første separator med et høyere trykk em påfølgende separatorer i serien av enheter. I visse tilfeller ble også tilførsels-gasser bragt i kontakt med hulfibermembranenes utvendige overflater.

Det foreligger et behov for fra luft å frembringe en inert gass med langt lavere konsentrasjoner av oxygen til økonomisk akseptable produksjonshastigheter. Inerte gasser med oxygenkonsentrasjoner av ca. 0,1% (1000 ppm) eller der-under er nødvendige når den inerte gass anvendes for å spyle eller danne et teppe for visse kjemiske prosesser, analyseinstrumenter, antennbare materialer og andre spesialiserte formål. Fremstillingen av nitrogen med slike lave konsentrasjoner av oxygen med akseptable produksjonshastigheter har hittil ikke kunnet oppnås på tilfredsstil-lende måte under anvendelse av membranseparatorer.

Inerte gasser som inneholder mindre enn 1000 ppm oxygen blir for tiden fremstilt for kommersiell anvendelse ved anvendelse av alternative prosesser, som trykksving-adsorpsjon, katalytiske konvertere, kryogen separering og lignende. Det foreligger et behov for å tilveiebringe en mer økonomisk prosess for frembringelse av i det vesentlige rent nitrogen fra luft med en oxygenkonsentrasjon i nitrogenet under 1000 ppm.

Oppsummering av oppfinnelsen

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for fremstilling av raffinert, forholdsvis ren nitrogengass som har en oxygen-konsentras jon av under 2000 ppm, fra luft, og fremgangsmåten er særpreget ved de i krav 1's karakteriserende del angitte trekk.

Hver av membransepareringsenhetene er fortrinnsvis sammensatt av et stort antall hulfibermembraner anordnet i et langstrakt skall eller beholder.

Ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen fås forholdsvis ren nitrogengass fra luft. Først blir luft komprimert fra en kilde. Trykkluften blir ført gjennom en ledning som kommer inn i påmatningsinnløpsenden og gjennom boringene eller hulkanalene for en første bunt av hulfibermembraner. Slike membraner er avgrenset inne i en første beholder og

er innrettet for selektivt å muliggjøre, gjennomtrengning for oxygen, carbondioxyd og vanndampforurensninger, mens gjennom-strømningen av nitrogen hemmes. En trykkforskjell opprettholdes mellom hulfibermembranenes boringsoverflater og hulfibermembranenes ytre overflater. Gassen som' ikke trenger

gjennom, strømmer i lengderetning gjennom hulfibermembranenes boringer og kommer til slutt ut ved endene av boringene ved settet av hulfibermembraner ved enden av den første beholder motsatt i forhold til påmatningsinnløpsenden. I et påfølgende sett eller i flere påfølgende sett med hulfibermembraner strømmer de ikke gjennomtrengte gasser fra den første membranbunt som tilførselsmateriale til innløpsenden av boringene for bunten av hulfibermembraner som befinner seg i den annen separator eller i påfølgende serieanordnede beholdere. Den erholdte permeatgass som kommer ut fra den første bunt av hulfiber-^ membraners ytre overflate og som har passert gjennom membranen fra fibrenes boringsoverflate til deres ytre overflate, er anriket på uønskede forurensninger, som oxygen, carbondioxyd og vanndamp. Denne permeatstrøm ventileres for vraking eller oppsamles for andre anvendelser. Den annen bunt av membraner er også innrettet for å gjøre det mulig for oxygen, carbondioxyd og vanndamp å trenge gjennom membranene, men nitrogen hemmes fra å passere gjennom disse. På lignende måte som betingelsene i den første beholder opprettholdes en trykkforskjell mellom hulfibermembranenes boringsoverflate og hulfibermembranenes ytre overflate i den annen beholder. Gassen som ikke trenger gjennom, strømmer i lengderetning gjennom hulfibermembranenes boringer i en annen beholder og ut gjennom endene av hulfibermembranene fra den annen beholder motsatt i forhold til innløpsenden. Gassen som ikke strømmer gjennom og som i det vesentlige fullstendig består av nitrogen, blir fjernet fra utløpsendene av sluttmembranbuntens boringer og oppsamlet eller holdt under trykk for ytterligere anvendelse. Hulfibermembranene er fortrinnsvis asymmetriske og bygget opp av polysulfonpolymer. Hulfibermembranene er mer foretrukket bygget opp av polysulfonpolymerer som er blitt belagt med et egnet belegg, som silicon. I praksis blir slike belagte hulfibermembraner anordnet i lengderetning i en langstrakt beholder og forseglet slik at permeatgassene kan oppsamles og/ eller vrakes , og slik at gassene som ikke trenger gjennom, kan fjernes fra den siste i serie anordnede beholder i form av renset produkt for anvendelse for inertgjøring eller andre formål.

Den foreliggende fremgangsmåte fjerner effektivt i det vesentlige alt oxygen, carbondioxyd og vann fra trykkluft. Det tilveiebringes således ved foreliggende oppfinnelse en effektiv og økonomisk fremgangsmåte for fra luft å danne i det vesentlige rent nitrogen som høyst inneholder bare spormengder av oxygen. En betydelig økning av separer-ingsutbyttet for fra luft å danne nitrogen som har en slik lav konsentrasjon av forurensningsgasser, som oxygen, ved serieanordningen av flere membrangasseparatorer er overraskende og uventet. Anvendelsen av flere serieanordnede separatorer fører til en betydelig økning av kapasiteten sammenlignet med kapasiteten for to lignende separatorer som arbeider parallelt eller sammenlignet med kapasiteten for en større separator med et membranoverflateareal som er sammenlignbart med summen av arealene for de to mindre separatorer.

Beskrivelse av tegningene

Fig. 1 viser skjematisk et apparat som er egnet for

å utføre den foreliggende fremgangsmåte.

Fig. 2 og 3 er kurver som illustrerer det forbedrede oxygenfjerningsutbytte fra luft ved forskjellige strømnings-hastigheter når membrangasseparatorer anvendes i serie i overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelse, sammenlignet med de samme separatorer anvendt parallelt, som vist på disse figurer i form av den algebraiske sum av enkelt-separatorenes ytelse.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Under detaljert henvisning til tegningene betegner på Fig. 1 tallet 1 en tilførselsledning egnet for transport av trykkluft. Kompressorer av vanlig konstruksjon kan anvendes for å sette luften under trykk og for å tilveiebringe en egnet trykkforskjell over gasseparatorens membran. Trykkluften strømmer inn i en separatorbunt i den avgrensede sone 2. En første gassepareringsmembran 3 deler sonen 2 i to seksjoner. På grunn av konstruksjonen av separatoren, arten av membranen og trykkforskjellen over membranen vil de sterkt permeable komponenter (oxygen, carbondioxyd og vanndamp) i luften trenge gjennom membranen og bli ført ut gjennom sonens 2 nedstrømsside gjennom en ledning 4 for ytterligere bearbeiding eller vraking.

Materialet som ikke trenger gjennom, føres fra sonen

2 efter kontakt med membranen 3 via en ledning 5 til en annen separatorbunt i en avgrenset sone 6. Den annen sone 6 deles i to seksjoner av en annen gassepareringsmembran 7. På grunn av oppbygningen av separatoren, arten av membranen og trykkforskjellen over membranen vil gjenværende gassformige forurensninger, som oxygen, carbondioxyd og vanndamp, trenge selektivt gjennom membranen og komme ut fra sonen 6 via en ventilasjonsledning 8. Nitrogengass med høy renhet vil komme ut fra sonen 6 gjennom en ledning 10 for ikke-gjennomtrengt produkt for videre bearbeiding eller anvendelse. Oxygenkonsentrasjonen i den ikke-gjennomtrengte gass kan være meget lav, innen området under 2000 ppm, oppnådd ved realistisk økonomiske gjennomstrømningshastigheter for gassen. Nitrogenet som er et ikke-gjennomtrengt produkt, kommer ut gjennom ledningen 10 med høyt trykk som er i det vesentlige det samme som trykket for den tilførte trykkluft som gjennom separatorsystemene er blitt utsatt for meget lite trykkfall.

For de serieanordnede gasseparatorer anvendes fortrinnsvis bunter av sidestilte hulfibermembraner anordnet langsgående i én eller flere langstrakte ikke-gjennom-trengelige beholdere for separering av én eller flere komponenter fra en blanding av gasser ved å la visse gasser selektivt trenge gjennom hulfibermembranenes vegger. Ved den foreliggende oppfinnelse vil nitrogen og argon bli selektivt oppfanget fra andre sterkt permeable gasskom-ponenter som er tilstede i den tilførte trykkluft. Hulfibermembranene er fortrinnsvis asymmetriske og laget av et poly-mert materiale, f.eks. polysulfon.

Tilførselsgassblandingen kommer inn i boringene ved hulfibrenes innløpsende og strømmer aksialt langs boringene mens den befinner seg i kontakt med membranen. Gasser som ikke trenger gjennom og har lav permeabilitet, blir uttømt ved boringenes utløpsender, mens gasser med høyere permeabilitet blir selektivt transportert via gjennomtrengning gjennom membranen til membranens nedstrømsside med lavere trykk hvor de blir uttømt for ventilasjon, vraking eller oppsamlet for andre formål. Normalt er hulfibrene anordnet i lengderetning i et rørformig skall eller en lignende beholder. Drivkraften for selektiv gjennomtrengning av gass gjennom hulfibermembranens vegger er forskjellen mellom gasspartialtrykket på hulfibermembranenes oppstrøms (borings-eller innvendige)-overflate og gasspartialtrykket som foreligger nedstrøms på hulfibermembranenes ytre overflater. Efterhvert som trykkgass strømmer langs og igjennom boringene eller kanalene i hulfibrene, vil således komponenter med høyere permeabilitet, som oxygen, carbondioxyd eller vanndamp etc, trenge gjennom fiberveggene og kan oppsamles efterhvert som de strømmer ut fra beholderens område med lavere trykk, eller de kan uttømmes for ventilering, vraking eller oppsamling for andre anvendelser. Gassen som ikke har trengt gjennom (nitrogen ) , kommer

ut fra separatoren med i det vesentlige det samme trykk som tilførselsgassen. Gassen som ikke har trengt gjennom og som kommer fra den første separator, blir derefter tilført til innløpet for en lignende annen serieanordnet membran-separator i hvilken ytterligere raffinering av gassen til usedvanlig rent nitrogen finner sted på lignende måte.

Selv om flere enn to membrangasseparatorenheter kan anvendes i serie, har det vist seg at anvendelsen av to gasseparatorer anordnet i serie i overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelse kan være fullstendig tilstrekkelig og egnet for de fleste formål for å fange opp forholdsvis rent nitrogen fra luft.

Strømningen av gass gjennom en membran kan finne sted gjennom porer, dvs. kontinuerlige kanaler for gasstrømning i forbindelse med både tilførsels- og utløpsoverflater for membranen. Porer med liten diameter kan være istand til å separere gasser ved Knudsen-strømning eller diffusjon. Ved en annen mekanisme som er i overensstemmelse med den for tiden herskende oppfatning angående teorien for gass-separeringsmembraner, kan passeringen av gass gjennom membranen finne sted som følge av innbyrdes påvirkning mellom gassen og membranens materiale. For den sist frem-satte mekanisme antas permeabiliteten for en gass gjennom en membran å innbefatte oppløsning av gassen i membranmaterialet, og permeabilitetskonstanten for en enkelt gass blir for tiden ansett å være produktet av gassens opp-løselighet og diffusjonsevne i membranen. Et gitt materiale har en spesiell permeabilitetskonstant for passering av en gitt gass på grunn av innbyrdes påvirkning mellom gassen og membranens materiale. Gjennomtrengningshastigheten for gassen, dvs. strømmen gjennom membranen, står i forhold ikke bare til permeabilitetskonstanten, men er også påvirket av slike variable som membranens tykkelse, densitet, frie volum, fysikalske art, permeatgassens partialtrykkforskjell over membranen, arbeidstemperaturen og lignende variable.

Egnede gassepareringsmembraner er beskrevet i US patent 4230463 som her er inkludert ved henvisning. En fler-komponentmembran for gasseparering som utgjøres av et belegg i kontakt med en porøs separeringsmembran, er beskrevet i dette patent, og flerkomponentmembranens separeringsegen-skaper er hovedsakelig bestemt av materialene for det porøse separeringsmateriale sammenlignet med membranmaterialet for belegget.

Forbedrede gassepareringsmembraner er dessuten beskrevet i den europeiske patentpublikasjon 0257012 som til-hører den foreliggende patentsøker. Denne europeiske patentpublikasjon er her inkludert ved henvisning til denne. Disse forbedrede membraner, spesielt i overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelse, kan være asymmetriske gassepareringsmembraner med hud med gradert densitet og makrohulroms-fri morfologi bestående av glassaktige, hydrofobe polymerer, idet membranene har øket fritt volum som tilkjennegitt ved membranens første smelte-Tg som er høyere enn den første smelte-Tg for en bulkprøve av de glassaktige, hydrofobe polymerer. Membranene kan oppvise høye permeabiliteter og potensiale for egenseparasjonsfaktorer realisert efter at membranens porøse defekter er blitt forseglet med en sterkt permeabel siliconpolymer eller et lignende belegnings-materiale. Membranene oppviser permeabiliteter som er langt større enn hva andre kjente asymmetriske membraner laget av den samme polymer gjør, for eksempel som beskrevet i US patent nr. 4230463.

Beleggene kan være i form av en i det vesentlige uavbrutt membran, dvs. en i det vesentlige uporøs membran,

i kontakt med den porøse separeringsmembran eller belegget kan være diskontinuerlig eller avbrutt. Når belegget er avbrutt, blir det av og til betegnet som et innesluttende materiale fordi det kan inneslutte kanaler for gasstrøm,

dvs. porer. Belegget er fortrinnsvis ikke så tykt at det uheldig påvirker gassepareringsmembranens oppførsel, f.eks. ved å forårsake en unødig minskning i fluks eller ved å forårsake en slik motstand mot gasstrømning at separeringsfaktoren for den belagte membran er i det vesentlige den samme som for belegget. Belegget kan ofte ha en gjennomsnittlig tykkelse av opp til 10^um.

En separeringsfaktor (ca/b) for en membran for et

gitt par av gasser a og b er definert som forholdet mellom membranens permeabilitetskonstant (P CL) for gass a og membranens permeabilitetkonstant (P^) for gass b. En separeringsfaktor er også lik forholdet mellom permeabiliteten (P cl/l) for en membran av tykkelse 1 for gass a i en gass-aktig blanding og permeabiliteten (P^/l) for den samme membran for gass b, hvor permeabiliteten for en gitt gass er det volum av gass ved standard temperatur og trykk

(STP) som passerer gjennom en membran pr. cm 2 overflate-areal pr. sekund for et partialtrykkfall av 1 cm Hg over membranen pr. tykkelsesénhet og uttrykkes som

P/l=cm 3 /cm <2->sek-cmHg.

I praksis kan separeringsfaktoren med hensyn til et gitt par av gasser for en gitt membran bestemmes under anvendelse av et stort antall metoder som gir tilstrekkelig informasjon for beregning av permeabilitetskonstanter eller permeabiliteter for hver av paret av gasser. Flere av de mange metoder som er tilgjengelige for å bestemme permeabilitetskonstanter, permeabiliteter og separeringsfaktorer er beskrevet av Hwang, et al., Techniques of Chemistry, Volume VII, Membranes in Separations, John Wiley & Sons, 1975 (her inkludert ved henvisning) i kapittel 12, sidene 296-322.

Uttrykt i praktiske vendinger må permeabilitets-

og separeringsegenskapene for et membransystem i overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelse være tilstrek-kelige til effektivt å fjerne forurensninger fra til-førselstrykkluften samtidig som de gir tilstrekkelig effektivitet for fremstilling av usedvanlig rent nitrogen, f.eks. med et oxygeninnhold av under 1000 ppm, fortrinnsvis under 100 ppm, ved en økonomisk akseptabel produk-sjonshastighet. Permeabilitet for oxygen, carbondioxyd og vanndamp må også være tilstrekkelig høy til å gi raffinering av tilførselstrykkluften under oppnåelse av nitrogen med ekstremt lav oxygenkonsentrasjon, lavt duggpunkt og lav konsentrasjon av restcarbondioxyd. Selektivitets-egenskaper må være tilstrekkelig høye, dvs. for selektiv transport av oxygen, carbondioxyd og vanndamp i forhold til nitrogen, slik at et for stort tap av tilførselsmateriale unngås for å oppnå et ntembranrensesystem som har praktisk størrelse og pris, slik at prosessen vil være økonomisk tiltalende. Separeringsfaktoren for oxygen, carbondioxyd og vanndamp med hensyn til nitrogen bør være større enn henholdsvis 4, 20 og 50 når den prøves ved betingelser på 3,45 x IO<5> - 3,45 x IO<6> Pa og ved ca. 30°C.

Ved utførelsen av den foreliggende oppfinnelse i praksis, som illustrert i eksemplene som følger nedenfor,

fås en fremgangsmåte for fremstilling av høykvalitetsgass for anvendelser som krever høyrent nitrogen, under anvendelse av forholdsvis kompakte moduler med en diameter på

7,6 cm, en lengde på 0,915 m og moduler med en diameter på 10,16 cm og en lengde på 0,610 m som inneholder i lengderetning anordnede hulfibergassepareringsmembraner for opp-fangning av høyren nitrogengass fra luft. Strømnings-hastigheter på opp til 10 standard kubikkfot pr. time

(SCFH) som svarer til 0,268 normalkubikkmeter pr. time (Nm 3/h), renset produktgass, dvs. nitrogen med mindre enn

1000 ppm oxygen, ble oppnådd fra tilførselstrykkluft ved 8,3 x 10^ Pa ved anvendelse av det serieanordnede membran-gassepareringssystem ifølge oppfinnelsen.

Til å begynne med ble ikke-<p>ermeatproduktgass som kom ut fra systemet innstilt på ca. 2,68 x IO<-2> Nm<3>/h (ca.l SCFH) for å opprette likevekt i systemet før målinger ble foretatt. Påfølgende målinger av produktgassammensetningen viste at når operasjonen ble utført ved tilførselstrykklufttrykk av 6,2 - 10,3 x 10^ Pa, ved tilførselsduggpunkter av fra +5 til +15°C og laboratorieomgivelsestemperatur av 20-25°C, produserte det serieanordnede system ikke-permeatnitrogen-gass av høy kvalitet med meget lave konsentrasjoner av oxygen i forhold til den tilførte lufts sammensetning. Strømningshastigheter for ikke-permeatproduktgass ble under-søkt innen området fra hastigheter på 0,268 til 1,34 Nm 3/h. Lave produktgasstrømninger tillater lengre effektive kontakt-tider mellom tilførselsluften og den aktive membranoverflate. Ved strømningshastigheter på ca. 0,2 68 Nm 3/h er således oxygeninnholdet i produktet lavere enn ved hastigheter på 0,536 Nm 3/h etc. idet andre betingelser er konstante.

Den foreliggende oppfinnelse er nærmere illustrert i de nedenstående eksempler. I disse er alle prosenter gitt på volumbasis dersom intet annet er angitt.

Eksempel 1

Dette eksempel illustrerer fremstillingen av membran-gasseparatorene som kan anvendes i overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelse.

Samtlige hulfibre som ble anvendt for det beskrevne forsøk ble spunnet ved anvendelse av en standard våtspinne-prosess. Avluftet spinnemasse ble levert i en mengde av opp til 20 ml/min til en spinndyse av rør-i-åpningtypen. Spinndysen ble holdt ved en temperatur av opp til 80°C ved tilførsel av tilstrekkelig varme til å opprettholde en tilstrekkelig spinnemasseflyt. Vann ble injisert i fiber-kanalen i en mengde av opp til 10 ml/min for å danne de begynnende hulfibre som ble trukket med en hastighet på opp til 100 m/min. Fibrene ble trukket mens de ble ført gjennom vannbad holdt ved temperaturer av 0-30°C. Hulfibrene ble derefter vasket med vann. Fibrene ble rullet opp på en spole og vasket kontinuerlig i 1-5 dager i rennende vann. Hesper (parallelle bunter) av hulfibre ble derefter dannet. Disse hesper ble hengt opp vertikalt og hurtig tørket ved ca. 100°C.

Polysulfonhulfibermembranene som ble anvendt i eksemplene, ble spunnet fra en oppløsning av polysulfonpolymer (P-3500, Amoco Performance Polymers Co.) oppløst i en blanding av N-methylpyrrolidonløsningsmiddel (57 vekt%) og propionsyre som ikke er et løsningsmiddel (43 vekt%). Spinneoppløsningen inneholdt 37 vekt% polymer. Ef ter spin-.:. ning, vasking og tørking ble bunter av hulfibrene satt sammen ("potted") til separatormoduler som ble belagt med fortynnede oppløsninger (0,5-2 vekt%) av silicon ("Sylgard", Dow Corning Co.) i isopentanløsningsmiddel. Efter be-legning ble isopentanløsningsmidlet fordampet slik at de ferdigbelagte hulfibermembranseparatorer ble oppnådd.

Eksempel 2

Dette eksempel illustrerer fremstillingen av separer-ingsenhetene anvendt i eksemplene. Separatormoduler som ble anvendt ble bygget opp av et stort antall fibre som ved hver ende ble ført sammen ("potted") i en innkapslende epoxy-harpiks under oppnåelse av rørplater. Hver rørplate ble skåret perpendikulært på fiberaksen for å åpne og eks-ponere fibrenes boringer under dannelse av en dobbeltendet separatorutformning. De sammenførte bunter ble anbragt i trykkbeholdere, som aluminium- eller stålledninger, hvor O-ringpakninger ga en trykktett forsegling mellom rør-platen og trykkbeholderen slik at boringspåmatningsinn-løpet og boringsutløpet (ikke-permeat) ble isolert fra skallside (permeat)-volumet av modulen. Tilførselstrykk-luft ble innført i boringene ved én ende av modulen under trykk, typisk 5,9-9,0 x 10 5 Pa, og gassen strømmet gjennom fibrenes boring, og under denne strømning var gassen i kontakt med den innvendige overflate av separeringsmembraner. Hurtiggjennomtrengende komponenter i tilførselsmaterialet

(hovedsakelig oxygen, vanndamp og carbondioxyd) ble ved selektiv gjennomtrengning over membranen transportert til lavtrykkssiden (permeatsiden) av membranene, og denne befant seg typisk ved atmosfæretrykk. Tilførselsmaterialkom-ponenter med langsom permeabilitet (hovedsakelig nitrogen og i liten grad argon) ble holdt tilbake av den selektive membran og kom ut fra fibrenes boringer ved modulens ut-løpsende motsatt i forhold til påmatningsinnløpet. Ikke-permeatproduktgassen som var i det vesentlige fri for forurensninger som oxygen, vanndamp og carbondioxyd som opprinnelig var tilstede i tilførselsluften, kom ut fra bunten med i det vesentlige det samme trykk som tilførsels-gassens og var blitt utsatt for meget lite trykkfall gjennom modulene (mindre enn 3,5 x 10 Pa) under arbeidsbetingelser. Trykket for permeatet (skallsiden) av membranmodulen var

ca. én atmosfære. Permeatet for hver membraninnretning dirigeres i lengderetning for å danne en selvutviklet motstrømsfeiing. Permeatgasstrømmen var tilstrekkelig til å feie transportert oxygen, vanndamp og carbondioxyd ut av modulens skallside slik at et funksjonelt lavt partialtrykk av oxygen, vanndamp og carbondioxyd ble opprettholdt på membranens permeatside. Denne feiingsstrøm opprettholdt et egnet partialtrykkfall for oxygen, vanndamp og carbondioxyd over membranen til å gi den nødvendige drivkraft for separeringen via selektiv membrangjennomtrengning og transport.

I de følgende eksempler var de anvendte hulfibermembranseparatorer bygget opp av asymmetriske gassepareringsmembraner. Membranene som ble anvendt, var siliconbelagte polysulfonhulfibre innesluttet i en skall- og rørform, og trykkluft ble tilført til innsiden (eller boringene) av hulfibrene. Fibrenes pakkingsfaktor i separatorskallet var ca. 50%. Hver enkelt fiber hadde en utvendig diameter av 450-500yUm og en innvendig diameter av 200-250yUm. I

de nedenstående eksempler 3 og 4 ble tre membrangåss-separatorer montert under anvendelse av de samme metoder,

og de var sammensatt av forskjellige seksjoner av de samme fremstilte hesper av spundne fibre.

Eksempel 3

Separatorene som ble anvendt i dette eksempel (Enhet A og Enhet B) var laget som enheter med en diameter av 10,16 cm og en lengde av 0,915 m og ble undersøkt med luft

5

som ble innmatet på boringssiden ved ca. 8,28 x 10 Pa og 21-23°C og med permeatet ventilert til atmosfæren. Lineære massestrømmåleapparater av typen Teledyne Hastings Model Nall ble anvendt for å måle prosessgasstrømmer. Oxygenkonsentrasjoner ble målt under anvendelse av et oxygenanalyseapparat av typen 'Servomex 54 0 A" med digital avlesning for å fastslå prosentuelle områder av oxygen ned til ca. 0,2%, og under anvendelse av en "Neutronics Trace Oxygen Analyzer Model 5903"for det lavere område under 0,2% (0-2000 ppm) oxygen. Materialbalanser ble bestemt for oxygen for å kontrollere operasjonen minst én gang i løpet av hver kjøring,og alle utførte balanser viste seg å ligge innenfor en nøyaktighet av - 0,5%. Sporkonsen-trasjons (ppm)-oxygenanalyseapparatet ble kontrollert med hull- og kalibreringsgasser umiddelbart før hvert forsøk. Den anvendte nullgass var sylindernitrogen av kvalitet

4,5 fra en kommersiell salgskilde. Normale spesifika-sjoner antyder at denne gass inneholder mindre enn 5 ppm oxygen. Forsøksresultater er vist i den nedenstående Tabell 1.

I dette eksempel ble to separatorer med ekvivalent brukskvalitet, betegnet som Enhet A og Enhet B, anvendt.

Fig. 2 viser kurver som grafisk viser resultatet av anvendelse av hver separator som individuelle enheter, i form av den algebraiske sum av de to enheter dersom de var blitt anvendt samtidig i parallell, og resultatene av anvendelse av de to enheter i serie. Serieoperasjonen ble utført med ikke-permeatet ("nonpermeat") fra Enhet A anvendt som tilførselsgass for Enhet B. Skallsidegassene (permeat) for hver enhet ble i alle tilfeller ventilert til atmosfæren.

Under henvisning til kurvene på Fig. 2 er linjen 11

en avsetning av ytelsen for Enhet A og Enhet B anvendt i serie i overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelse. Linje 13 er en avsetning av ytelsen til

Enhet A alene. Linje 14 er en avsetning av ytelsen

til Enhet B alene. Linje 12 er den algebraiske sum av ytelsen til Enhet A og Enhet B og viser parallell drift.

Fra kurvene vist på Fig. 2 kan de følgende kon-

klusjoner trekkes. Ved høyere nitrogenproduktgassrenheter, dvs. lavere oxygen tilbake i ikke-permeatet, kan mengden av ikke-permeatprodukt for en gitt renhet økes sterkt når separatorene anvendes i serie i forhold til anvendelse av individuelle enheter i parallell. Den følgende tabell illustrerer økningen i utbyttet for det serieanordnede system av to separatorer. Det bør bemerkes at økningen i utbytte (uttrykt som "% økning for serie")-verdier i

Tabell 2 viser forbedringer som varierer fra 11% ved kon-sentrasjonen 3000 ppm rest-C>2 i ikke permeatproduktgassen til over 150% forbedring ved 200 ppm rest-O,,.

Eksempel 4

Separatorene anvendt i dette eksempel var Enhet B og Enhet C og ble bygget opp og undersøkt på samme måte som i Eksempel 3. Enheten C ble da den ble undersøkt separat, fastslått å være en innretning med lavere brukskvalitet enn Enhet A eller Enhet B. Da imidlertid Enhet C med lavere kvalitet ble anordnet serieforbundet med Enhet B,

ble en kombinasjon oppnådd som innen området for lave ppm restoxygen, mindre enn 1000 ppm, viste ekvivalent opp-før selskvalitet i forhold til Enhet B alene. Dette var overraskende fordi serieoperasjon gjorde at Enhet C syntes å virke som om den hadde vært en separator av høyere kvalitet selv om ytelsen til den bedre (B) enhet og den dårligere (C) enhet ved serieoperasjon selvfølgelig ikke var like gode som i det tilfelle (Eksempel 3, Fig. 2) hvor begge enheter var av høyere kvalitet. Dessuten produserte de to enheter forbundet i serie (ikke-permeat fra Enhet B anvendt som påmatning for Enhet C) en bedre produkthastighet enn da de ble anvendt parallelt. Dette var spesielt overraskende og uventet fordi den annen enhet av serieanordningen (Enhet C) var separatoren med lavere kvalitet.

Fig. 3 viser den uventede forbedring ved serieoperasjonen i henhold til den foreliggende oppfinnelse som eksempel. Under henvisning til figuren er linje 15 en avsetning av ytelsen til Enhet B og Enhet C anvendt i

serie. Linje 17 er en avsetning av ytelsen til Enhet B alene. Linje 18 er en avsetning av ytelsen til Enhet C alene. Her er den dårligere ytelseskvalitet til Enhet C selvklar sammenlignet med den til Enhet B når hver anvendes alene. Linje 16 er avsetningen av den algebraiske sum av ytelsen til Enhet B og Enhet C ved parallell drift. Tabell 2 angir data som angir ytelsesøkningen for serieanordnede enheter sammenlignet med de samme enheter anvendt individuelt og parallelt.

Det kan bemerkes at ved rest-C^-konsentrasjoner av 1000 ppm gir serieoperasjon en forbedring som fører til en 13% økning i renset ikke-permeatproduktgasstrøm, og ved rest-C^-konsentrasjoner av 600 ppm fås til og med en så stor forbedring som 40% i produktstrøm.

Eksempel 5

I dette eksempel ble to forskjellige separatorenheter med diameter 7,62 cm anvendt. Én enhet var 0,66 m lang og ble betegnet som Enhet D, og den annen var 0,98 m lang og ble betegnet som Enhet E. Separatorene ble drevet individuelt og i serie med den kortere (Enhet D) som den annen enhet i serieanordningen. Forsøksresultater er vist i Tabell 3. Dataene i tabellen viser ytelsesøkningen som ble iakttatt ved serieoperasjoner sammenlignet med de samme enheter drevet individuelt og parallelt, ved de lave rest-oxygenområder i ppm i nitrogenet oppfanget fra luft.

Det kan bemerkes at rest-C^-konsentrasjoner på 50 ppm

i ikke-permeatproduktgassen med serieoperasjon gir en økning på 63% av strømmen av produktgass sammenlignet med parallell-operasjon.

Det fremgår at fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse effektivt fjerner i det vesentlige alt oxygen fra trykkluft, hvilket fører til forholdsvis ren nitrogengass. Luften bringes i kontakt med en første gassmembrankomponent

i en første avgrenset sone, idet en slik membran selektivt tillater oxygen, carbondioxyd og vann fra luften å trenge gjennom, mens gjennomtrengningen av nitrogenkomponenten begrenses. Et partialtrykkfall foreligger mellom den første membrans kontaktside og nedstrøms- eller permeatside. Den nitrogenrike del av luften som ikke trenger gjennom den første membran, føres til en annen avgrenset sone som inneholder en annen membrankomponent og i hvilken den kommer i kontakt med den annen membrankomponentenhet. Et partialtrykkfall foreligger mellom den annen membrans kontaktside og permeatsiden. Den annen membran tillater selektivt gjennomtrengning av i det vesentlige alt gjenværende oxygen, carbondioxyd og vanndamp, mens gjennomtrengningen av nitrogen begrenses. Resultatet er at ikke-permeatgassen som kommer ut fra den annen membrankomponent, utgjøres av usedvanlig ren nitrogengass med et oxygeninnhold av 1000 ppm eller mindre.

Det ovenstående illustrerer at anvendelse av to serieanordnede gassmembranseparatorer i overensstemmelse med den foreliggende fremgangsmåte produserer renset nitrogen som inneholder mindre enn 1000 ppm oxygen ved produksjonshastigheter som er så høye som 0,268 Nm 3/h under anvendelse av små separatorenheter. Resultatet er at det fås en økonomisk produksjon av ytterst ren nitrogengass.

Claims

1. Fremgangsmåte for fremstilling av raffinert, forholdsvis ren nitrogengass som har en oxygenkonsentrasjon av under 2000 ppm, fra luft, karakterisert ved at den omfatter de trinn at (a) trykkluft føres i intern kontakt med et første sett av et stort antall hulfibermembraner som er avgrenset i .en første separeringssone og tilpasset for selektivt å tillate passering av oxygen, carbondioxyd og vanndamp gjennom disse, mens passeringen av nitrogen gjennom disse hemmes, (b) en trykkforskjell opprettholdes mellom hulfibermembranenes boringsoverflate og hulfibermembranenes ytre overflate, (c) den erholdte ikke-gjennomtrengende gass føres i lengderetning gjennom hulfibermembranenes boringer og ut gjennom endene av hulfibermembranene og fra den første separeringssone, (d) den erholdte gjennomtrengende gass ventileres fra membranenes ytre overflater i den første sone, (e) den erholdte ikke-gjennomtrengende gass hvis nitrogen-innhold er blitt øket sammenlignet med kildeluften og hvis oxygeninnhold er blitt betydelig redusert sammenlignet med kildegassen, føres fra den første separeringssone uten å bli påført ytterligere trykkrefter og inn i intern kontakt med et annet sett av et stort antall hulfibermembraner avgrenset i en annen separeringssone og avpasset for selektivt å tillate passering av oxygen, carbondioxyd og vanndamp gjennom disse mens passeringen av nitrogen gjennom disse hemmes, (f) en trykkforskjell opprettholdes mellom boringsoverf laten til det annet sett av hulfibermembraner og den ytre overflate til det annet sett av hulfibermembraner, (g) den ikke-gjennomtrengende gass føres i lengderetning gjennom boringene til det annet sett av hulfibermembraner og ut gjennom endene av det annet sett av hul? - fibermembraner og vekk fra den annen separeringssone, (h) den erholdte gjennomtrengende gass ventileres fra de ytre overflater av membranene i den annen sone, og (i) den ikke—gjennomtrengende gass fra den annen sone oppsamles derefter under trykk.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det anvendes hulfibermembraner bygget opp av polysulfonpolymer.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at det anvendes en polysulfonpolymer belagt med silicon eller gummi.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1-3, karakterisert ved at de gjennomtrengende gasser og de ikke-gjennomtrengende gasser bringes til å strømme i motstrøm til hverandre i begge soner.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1-4, karakterisert ved at flere enn to gassmembranseparatorer anordnet i serie anvendes.