TWI335238B - Process for separating components of a multi-component feed stream - Google Patents

Description

1335238 九、發明說明： 發明所屬之技術領域 本發明涉及一種用於脸夕,, '將夕成分原料流分離爲級分的 法以及實現該方法的裝置，更特別地，本發明涉及 2多孔分離器―咖卿她⑽多成分原料 包含相對較高濃度的一種或多 為 A夕種成刀的級分的方法和裝 置。 又

先前技術 已知的用於從多成公+ 〇〇 成*刀原枓々丨L中分離和回收該物流中的 單獨成分的分離和回收的姑你^日夕 p w收的技術很多。例如這樣的例子包 心蒸潑、多孔膜分離、離心分離、夹帶或捕集（impingement) /刀離、和無孔靜電膜分離。典型地，這些技術都分別用於 各種不同類型的應用並且它們都在不同類型的裝 施。

例如，被轉讓於與本發明相同受讓人的仍6〇32484 (Chernyak〇v)’公開-種用於從包含有稀釋性氣體和氟化 物的氣體流中分離和回收氟化物的方法，其首先將氣體流 與-級或多級膜系統進行接觸，其中膜選擇性地比I化物 更優先滲透稀釋性氣體，從而得到了富含稀釋性氣體的氣 流以及富含氣態氟化物的氣流。每種産物氣體流都會在後 續的分離步料通過蒸㈣吸附進行純化以産生高富含說 化物和高富含稀釋性氣體的物流。 膜分離和相變化結合應用的方法例如真空膜蒸餾 5 (VMD)而全蒸發也是已知的。vmd系統使用了基於膜的 方法通過部分蒸發穿過聚合物膜來從溶液例如水中萃取 低濃度揮發性有機物（v〇cs)。該膜作爲液相中物料和滲 透過膜的氣體之間的選擇性截留層。 VMD方法的例子公開在了 jp3〇89922的摘要中依照 其么開的内容’提供了 一種從原料流中分離溶解揮發性物 質的方法’其中將原料流引入，並與進料側的多孔分離器， 例如疏水性多孔膜進行接觸，並且將含水的“回收，溶液 與多孔分離器的出料側接觸。當原料流與膜接觸時，被分 離的成分蒸發並在膜附近形成了氣體層。氣體形式的成分 進入所述分離器的進料側，擴散通過分離器，並在分離器 的出料侧排出分離器。當氣體成分排出分離器時，它就會 被吸附到含水回收溶液中，&中該溶液的溫度維持低於原 料流的溫度。這樣，依照該公開所教導的方法，要被分離 成分當它流經分離器的時候沒有發生相變。 VMD另一個例子公開在Jp61〇184〇6的摘要中。依照其 公開的内容，將原料液體引入，與多孔液相非滲透膜接觸， 然後加熱使原料中的某種成分蒸發。蒸發的氣體滲透過膜 進入到氣體收集空間，在這裏進行冷凝。如jp3089922，這 個公開教導了一種方法，其中要被分離的成分流經分離器 時沒有發生相變。 相對於VMD方法，全蒸發中所使用的膜其功能是用來 作爲兩相，即液體進料/截留相進料和汽相滲透物之間選擇 性的截留層。該膜可以使液體原料中的所需成分通過蒸發 的=法經由膜進行傳輸，。這種分離主要是㈣極性差異而 不是原料中成分的揮發性差異。 全蒸發方法的例子公開在美國專利NO 4788043 (kagiyama)中，其中描述了 一種用有機溶劑淨化半導體 物質的方法，物質被淨化後，有機溶劑就被水 '電解 質和顆粒物質所污染。該溶劑通過兩步方法進行淨化，該 方法包括分離後的第—全蒸發步驟和獨立的蒸發步驟。在 全蒸發步驟過程中，將液體溶劑/水混合物轉移通過全蒸發 器以從溶劑中去除大部分水和其他雜f。更特別地，大部 分溶劑渗透過全蒸發器的膜，而大部分水則沒有滲透。將 滲透過膜的溶劑轉移到分離設備，該設備通過蒸餾從溶劑 中去除多餘的水。這樣，Kagiyama並沒有教導單獨使用分 離器以通過滲透有效地分離多成分進料物流中的成分並産 生氣體和液體滲透級分。 在US4900402 ( Kaschemekat)中也公開了一種全蒸發 的方法’其中公開了從混合液體中分離至少一種成分的方 法’例如’從發酵物質中分離乙醇，通過用第一全蒸發設 備形成富含被分離成分的第一滲透氣體，和（b)分餾第一 滲透氣體’例如’通過溫度冷凝，在分餾冷凝器中形成高 /辰度德伤一次富含被分離的成分。依照Kaschemekat的發 明’當被分離的混合物滲透過全蒸發器的膜時發生了相變 (從液體到氣體）。離開全蒸發器的氣體混合物富含乙醇。 將富含乙醇的氣體轉移到冷凝器中，其中至少一部分水蒸 氣冷凝爲液體並隨後去除。而Kaschemekat教導了 一種用 膜通過滲透來分離多成分進料物流的方法，並且滲透過該 膜的物料發生了相變，其沒有教導通過氣體的産生和滲透 以及液體滲透的級分而單獨用膜有效地分離多成分原料流 的成分。 在US4962270 ( Feimer )中公開了一種多級全蒸發方 法，其中用多個膜進行串聯並且在每個連續截留級操作時 在逐級越來越高的真空，和越來越高的溫度，或者兩者都 是的情況下進行操作的。所描述的這種方法用於分離沸點 溫度在較大的範圍内變化的成分是有效的。Feimer與

Kaschemekat的相似之處在於兩者都教導了通過全蒸發器 和冷凝器分離多成分原料的方法。然而，Feimer也教導了 夕級蒸發器和冷凝器可以串聯起來應用以形成多種狀態的 工藝氣流。 也可以找到其他的全蒸發例子，例如，在US5i〇8549 (Wenzloff )中。 在上面所涉及公開的每個内容中，全蒸發或vmd步驟 都不能緊密的與任何其他的淨化或分離方法相結合。也就 是說’全m僅僅是通過滲透來分離多纟分進料物流。 熱力分離（例如蒸餾）被教導作爲一種間歇的步驟，該步 驟是在分離裝置中進行操作的。 發明内容 依照本發明，這裏提供了— _於將多成分進料物流分 離爲級分（fraction)的方法包括步驟. (a)提供一種至少具有兩種在相同巧相中的流體成分 的進料物流； (b )提供一種具有進料侧（inflow side)和出料側 (outflow side)的多孔分離器； (c )保持跨多孔分離器的壓差，包括在分離器的進料 側相對較高的壓力和在分離器的出料側相對較低的壓力； (d) 在相對較高的壓力下將進料物流引入並與分離器 的進料側進行接觸，在有效分離所述進料物流成分的條件 下將其分離爲截留物，其在所述分離器的進料側形成，以 及渗透級分，該滲透級分（丨）在分離器進料側的另一側形 成；（Η )包括一種以上的所述進料物流的成分，其與在被 處理的進料物流中的比例上不同；（Hi )是液體滲透級分和 蒸氣（vap〇r)滲透級分的來源；和 (e) 回收每種所述的的截留物、液體滲透級分和蒸氣 渗透級分。 在本發明的一個典型的實施方式中：（A)進料物流優 選地包括液體成分的混合物，該混合物任選地含有一種或 多種洛氣成分；（B )每種多孔分離器的種類和包括進料物 流的成分的性質是這樣的：（i)大量成分中的一些當它們 從高壓環境變化爲低壓環境時滲透過分離器；（包括該成分 的滲透級分的比例不同於其在進料物流中的比例）；和（H) 由於例如分離器孔的相對尺寸和成分分子的尺寸關係，很 多成分中的一些沒有滲透過分離器（截留物）和（C )滲透 、及刀的成分在這樣的條件下進行分離，即至少一種成分發 1335238 ， . 生了相變化’例如’通過驟沸爲蒸氣（蒸氣滲透級分），並 通過重力作用與一種或更多液體成分分離，該液體成分滲 透過分離器並保持在液態（液體滲透級分）。 本發明的一個重要方案是在於産生和保持這樣的條 件 即可以有效的産生滲透級分，該級分包括一種或多種 浪相成分以及一種或多種氣相成分，包含每相的成分彼此 之間個各不相同。例如，在多孔分離器和多孔分離器的出 料側中的壓力條件保持在可以使滲透級分的至少一種液體 • 成分轉沸或使滲透級分的至少一種蒸氣成分冷凝。所産生 的蒸氣渗透級分.和液體滲透級分可以通過重力進行分離然 後進行回收◊相應地’本發明的方法可被充分和有效地操 作，從而基本上同時將多成分進料物流中的一種級分從其 他級分中分離出來並將其他級分分離爲兩種不同的級分； 這些可以通過僅僅使用跨多孔分離器的合適壓差來有效的 完成。

本發明的另外—個方案提供了一種元件，該元件能夠用 於將至少含有兩種在相同的相中和預定數量的流體成分的 多成分原料流分離爲級分，其包括： (A)具有用於接收進料物流的 切μ的入口和排出部分進料物 流的出口的第一壓力腔室； (Β)第二壓力腔室； 、…一…、…位於第一和第二歷力腔室之 間；（Π)具有用於接收所述進斜私 、十 1 ^ 义進枓物流的進料侧和連通到所 迷第二壓力腔室的出料側；和（* 其適於容許但只是物 10 流中的一部分流體成分從進料側到出料側通過，該部分流 體成分的數量不同於所述預定的數量； (D) 用於將在第一壓力腔室的壓力保持爲高於第二壓 力腔室壓力的值從而建立跨多孔分離器的壓差的裝置； (E) 在第二壓力腔室中的蒸氣出〇，通過該出口在所 述腔室中的蒸氣可以被去除；和 (F) 在第二壓力腔室中的液體出口，通過該出口在所 述腔室中的液體可以被去除。 如在下面所詳細描述的，本發明的另外一個方案是提供 一種裝置，其包括多個前面所述類型的元件，並被用來提 供富集了進料物流中一種或多種成分的進料物流的級分。 實施方式 依照本發明用於將多成分進料物流分離爲級分的示例 性裝置在此進行描述。參考圖！，其中描述了本發明優選 的實施方式，其示出了用於將多成分進料物流100分離爲 不同的級分的裝置10。裝置1〇包括單個的元件5〇，在其 中將進料物流分離爲含有物流中成分的級分。元件5〇包2 高壓腔室22其通過多孔分離器26與低壓腔室24分開，所 述多孔分離器的性f (例如孔尺寸）取決於要被分離物流 的成分。高壓腔室内的壓力通過閥3〇進行控制。進料物流 100中的至少兩種成分可以滲透過多孔分離器26。將低壓 腔室24的壓力保持在低於高壓腔室22的壓力下因此， 跨夕孔分離器26會存在壓力差）。低壓腔室24的壓力通過 1335238 閥34和閥32進行控制。所用的術語“高壓”和“低壓” 不是指所述的壓力的絕對值，也就是說，無論壓力實際上 是否高於或低於大氣的壓力。該術語專門用於表示一個腔 室所具有的壓力高於另外腔室的壓力以至於可以産生跨多 孔分離器26的壓差。

轉到圖2 ’將進料物流i 00引入到元件5 0的高壓腔室 22中，在這襄它與多孔分離器26進行接觸。由於多孔分 離器26的特別的性質以及通過該多孔分離器的壓差，進料 物流100中的至少兩種成分的一部分滲透過多孔分離器26 然後進入到低壓腔室24。通過多孔分離器的進料物流的這 一部分構成了滲透級分5〇〇。保留在高壓腔室22中的成分 構成截留物210,其可以通過管路2 〇〇從高壓腔室中抽出。 當滲透級分500在進入低壓腔室24的途中通過多孔分 離器26時，其中至少一種成分發生了相變，也就是說，該 成分的物理狀態發生了變化。低壓腔室24的壓力和溫度可

以保持爲使得滲透級分500可以以兩相即液相42〇和蒸氣 相3 20的方式排出，每相在組成上與進料物流1〇〇和滲透 、及刀500都不同。該組合物包括在重力作用下進行的相分 離並形成了液相滲透級分430和蒸氣滲透級分33〇 _ 分別可以通過管路400 * 3〇〇從低壓腔室Μ中抽出。在 個優選的實施方式巾’進料物流⑽連續地供應到元件 其中的條件以這樣的方式進行保持，即連續地産生截 留物2H)、蒸氣滲透級㈣〇和液體渗透級分㈣。 接下來描述本發明其他方案的内容。 12 進料物流包括了處於.相同流體相的至少兩種成分。確信 的是滲透的發展將會更爲廣泛的應用於處理含有處於液相 的至少兩種成分的進料物流；無論怎樣，其也可以應用於 處理含有處於氣相的至少兩種成分的進料物流。在任意一 種清况下，液相可以含有處於氣相的一種或多種成分 而氣相可以包括處於液相的一種或多種成分。 進料物流所含的成分可以包括環境條件下爲氣體的化 合物，但是由於溫度和/壓力的條件在進料物流中處於液 相。進料物流成分所含化合物的例子包括：水、氫氣、烷 烴、烯烴、炔烴、環烷烴、芳香烴、商化物、_代烴、醇、 喊、胺、腈、硝基化合物、矽烷、硫化物、亞颯、砜、硫 醇、羰基化合物（carboyl )、醛、酮、酯、酰胺、醛糖 '酮 醣和縮醛。所述成分可以包括與一種或多種其他化合物組 合的兩種或多種上述化合物。特別地組成進料物流的化合 物組合的例子包括：（A )乙醇和水（共沸的和非共沸的）； (B)二氧化碳、曱烷、和丙烷；和（C)氫氣、甲烷、和 二氧化碳。原料流可以處於室溫或更高或更低的溫度下。 進料物流的成分通過將物流在壓力下引入與多孔分離 器接觸而進行分離。沒有通過多孔分離器的物流的一種或 多種成分形成了截留物。通過多孔分離器的兩種或多種成 分包含滲透級分，該級分是液體和蒸氣滲透級分的來源。 本發明的多孔分離器是一種允許物流的至少兩種成 分，其數量不同於其在進料物流中的數量，選擇性地滲透 的材料。涉及這樣滲透工藝的變數包括，例如，跨多孔分 離器的壓差 物分子尺寸 多孔分離器的孔尺寸 和該成分所含的化合 滲透級分在某種定義的條件下（例如，溫度、壓力、和 成分的比例）發生部分相變化（即，驟沸或冷凝至少一種， 但是少於所有的成分）的能力可以通過應用商業工藝類比 軟體，例如ASPENPlus⑧來確定。這種類比軟體有助於複 雜化學工藝和裝置㈣比’例如蒸顧塔和化學反應器的工 程模型的確立。典型地’對於特定的工藝一旦流程確定那 麼某些工藝變數就可以確定，該軟體就可以基於自然定 律、已知公式、經驗資料計算剩下的工藝變數。例如，提 供了具有確定組成和壓力的進料物流，即.便進料物流中成 分在滲透過㈣ϋ之後會進行料或冷凝該軟體也可以預 測出對於進料成分的分離器的選擇性並提供跨分離器的壓 由此多孔分離器的選擇取決於進料物流中特定組成也 取決於級分流所需的組成。構成分離器的原料的選擇是基 於其對於某種化合物特定的選擇性。在這點上，選擇性指 的是多孔分離器阻礙或限制某種化合物滲透的能力，同樣 地也指允命其他化合物進行渗透的能力。 構成多孔分離器的孔包括，例如，開口，例如微開口、 溝槽和通道。所述孔在尺寸上可以是均勻的也可以是不均 勻的。在一個典型的實施方式中，多孔材料可以含有尺寸 均勻的孔，其可以用來分離基於它們尺寸的不同化合物分 子。例如，水分子較小足以通過特定尺寸的孔，反之較大 1335238 的苯分子由於不夠小而不能通過多孔材料。 對於前面提到的構成進料物流的化合物的選擇性浓 透’除了提供通道以外，多孔材料的孔的屬性可以是二 的即，它們在分離器中提供了空間，其中至少—部分= 物流中的液體化合物驟沸形成蒸氣或其中至少一部分、= 中的蒸氣化合物冷凝形成液體。因此，該空間容納了：料 和液體滲透級分，其來源是流過所述多孔分㈣的渗^ 分。 、

構成分離器的多孔材料的例子爲含孔膜、分子筛和弗石 晶格（ze〇me lattice)，填料床物質，例如，樹脂床和活性石山 床’和奈米管，例如，碳奈米管。多孔分離器的結構在： 性上可以是統—的，也就是說’可以只包括一種類型的多 孔材料’或者也可以是不統一的’並包括兩種或多種不同 多孔材料的組合，例如，沸石和膜的聚合物基質相結合。

含孔膜可以例如以平板薄片、管、毛細管和中空纖㈣ 形式進行製備並且可以由多種裝配形式包括例如平板和框 架、螺旋纏繞①件、中空纖維元件和管殼元件構成。膜的 孔可以通過穿孔或其他手段形成。 、 可以實際用於本發明的分子筛的例子包括由如粘土、矽 膠和多孔玻璃材料形成的合成分子筛，也包括天然分子篩 例如破物石灰（mineral lime )。 天然或合成的滞石是實際用於本發明典型分子篩的例 子。沸石包括無機多孔材料，例如，銘石夕酸鹽礦物，且有 較高規整性結構的孔和可以允許—些分子通過和阻礙或阻 15 工-335238 止兵他分于從這裏通過吱可 ^ 次了以使它們破碎（break down)的 脛室。 可以實際用於本發明典型的殖社比u u /、的真枓床材料是用顆粒狀吸 收材料，例如，活性碳或椒t _ ^ ^ 9遺機填充而構成的中空框 架。所述填料具有相對較大 積可以用於改善與進料 物流的接觸。 多孔結構可以包括田&，來a L栝用於涉及到微觀分離的奈米管。

多孔分離器的材料降了 w夕文丨& 了“糾哲 ㈣除了以多孔性獲得分離以外還包括 了，、他f生質β例如，多八 如疏水的）。 離15可以是化學可滲透的（例 多孔分離器可以包括至少一 孔材料，即，m 了 4透的(P_eable)無 的㈣，但是，儘管如此，仍允 汁席料流中的至少—此 $ 些成分由一種或多種過程例如，擴 散、化學親合、電化風鉬獷 於那…… 電磁場而通過該分離器。對

成分，可以將多孔二 行分離的兩種或多種 …、孔材料結合使用以獲得有 可滲透的盔π丨 ^ 77 ^ 边的無孔材料可以是，例如， 例如，提供一插夕， 、夕孔材科結合的， 種平行属声的 無孔材料的混合物，或以一種或多 以設置爲且，^式置於鄰近或接近分離器的位置。疊層可 器的出料:;如，'平行於分離器的進料側，或平行於分離 孔材料叠二’或分離器可以被炎在兩個平行的可滲透無 分離器的二Γ優選地，可渗透無孔材料不被置於多孔 分發生相變。，"樣就不會妨礙渗透級分的至少一種成 16 !335238 可以應用的可滲透無孔材料的例子包括膜，例如，聚合 物和陶瓷膜。滲透無孔材料以例如固體、液體和凝膠的形 ，存在’纽其與分離器聯合起來’ t滲透級分通過分離 器時不會阻礙滲透級分的部分相變。

如果被使用，構成多孔分離器和可滲透無孔材料的材料 類1*將取決於進料物流所含的成分。它是屬於選擇材料的 現有技術的範_内。例如，已知活性碳過據器用於從 CCVCHW合物中選擇性地分離作爲另外—個例子， 已去冻石可以用於爲氣體提供有效的分離，包括從低品天 =氣中去除H2〇、c〇2和s〇2。本領域技術人員能夠確定獲 得所希望的分離所需的操作溫度和跨多孔分離器的壓差。 元件的高壓腔室被設計爲接受引人的進料物流，使進料 物流與多孔分離器進行接觸並且排出截"勿。所述高壓腔 室應該包括控制閥或將其中的壓力保持在所希望的值的合 適手段。

元件的低壓腔室設定爲技g办$ Μ \ 疋爲接欠滲透級分和爲滲透級分的 部分驟沸或冷凝提供場所，拍 w ^並且還排出蒸氣滲透級分和液 體滲透級分。例如，在一個眘 1因貫知方式中’設計允許低壓腔 室的驟沸，以用於滲透級分的括々夕你丄 刀的—種或多種成分的快速膨 脹，並且優選地，迅速地獲错 谩传和保持相平衡。其他的設定 因素包括提供一種或多種控制門 ^制閥或在低壓腔室中保持所需 壓力的其他合適手段。 本發明比以前涉及到作& Α π 爲令離技術的傳統驟沸或冷凝

現有方法的優勢在於本發明又I +1月不需要使用外部能量源。在本 17 發明中所發生的驟沸或冷凝可以不用再沸器或冷凝器而被 實現。然而在本發明中再沸器和冷凝器也是可以應用的。 例如在圖3的裝置中示出了具有再 >弗器601和冷凝器602 的元件。 在優選的實施方式中，滲透級分中的成分通過串聯連接 的多個元件進行分離。關於這點實施例1就是就是用於多 個元件的示例並且包括了附圖4的描述。 在包括了多個元件的裝置中’元件的設計可以大體相似 或可以不同，這取決於級分的分離。例如，不同類型的多 孔分離器可以用於連續地獲得高純度級分或從進料物流中 分離不同成分。多元件的分離能力可以通過使用較少的更 長長度的元件來實現。 實施例 依照本發明將多成分進料物流（尤其是三元和二元成分 混合物）分離的幾個實施例進行類比。類比的結果表明基 於所述條件本發明的方法和裝置分離混合物成分是有效 的。實施例1到4每個都涉及將多成分進料物流分離爲戴 留物、滲透蒸氣級分和滲透液體級分的方法的類比。該類 比是採用ASPEN P1US®程式，一種商業應用類比套裝軟 體。該類比涉及到選擇如與在每個實施例中所述方法相關 聯的預疋條件（作爲類比輪入量）。通過類比輸入量所表示 的資訊，ASPEN Pl_程式產生某種類比輸出量包括尉於 成分某種物理性質的數值，例如，截留物和蒸氣與夜體渗 透級分的組成，這些可以確保該裝置在將進料物流分離爲 丄;^238 各種級分是有效的。 預定條件包括，例如，進料物流的成分以及其溫度、壓 力和流率（flowrate);在多孔分離器進料侧的壓力；在多 孔分離器出料側的壓力；截留物的溫度和壓力；在該方法 中所用的元件的數量；是否應用再沸器和/冷凝器，以及如 果這樣，其工作的能力；以及流過多孔分離器每種成分的 里。最後提到的預定條件可以通過類比輸入量來確定，該 類比輸入量辨別了滲透過多孔分離器的進料物流的體積量 或渗透過分離器每種成分的量。基於前面提到的預定條 件，通過應用該程式就會産生下面的輸出：截留物的組成 和流率；以及每種蒸氣滲透級分和液體滲透級分的溫度、 流率和組成。 在實施例所述的方法中所用的裝置包括串聯設置的多 個元件，並且在其中進料物流中的成分被處理和分離。每 個元件包括位於高壓腔室和低壓腔室之間的多孔分離器、 在高壓腔室中用於進料物流的入口、在高壓腔室中用於在 高壓腔室中形成的截留物的出口、在低壓腔室中用於液體 滲透級分的出口、以及在低壓腔室中用於蒸氣渗透級分的 出口。 對於每個實施例多成分進料物流包括在給定的濃度和 具有給定的流率和溫度下特定化合物的預定混合物。例 如，在實施例1中，對於第一元件的預定進料物流包括流 率爲100Kg/hr、溫度爲一 32°F、C02、CH4和C3H8的摩爾 分率分別爲0.90、0.05和0.05的三元混合物。 19 1335238 每個實施例都包括帶有預定特徵的多孔分離器的應 用’所述特徵控制了，例如，渗透流過分離ϋ的每種成分 的比例。利用這樣的資訊，本領域技術人負可以確定在任 何特定應用中可被使用的多孔分離器的屬性。例如，已知 的是交聯的聚乙烯醇或聚乙烯醇/胺的聚合物，並用埃尺寸 級的二氧切顆粒分散在膜基質上，並用馬來酸或用戊二 路進行交耳葬’將其作爲多孔分離器來分離異丙醇和水的共 沸混合物（參見例如實施例4)。這樣的材料或其他類型的 多孔材料或這些材料兩種或多種的結合可以用於本發明的 實施中’其前提是所用的特定的材料可以與所述方法的其 他方面的相互相容。 在多孔分離器的每個進料側和出料側上的壓力也可以 預先設定好；這樣，依次設定跨多孔分離器的壓差。 基於涉及到每個實施例的預定條件，通過前面提到的電 腦程式確定了表示每個實施例中有關所涉及到的成分，即 截流物和液體以及蒸氣滲透級分的組成、壓力、溫度和流 率的資訊、而産生了類比輸出量。該資訊列在了伴隨著實 施例的表格中。 實施例1 實施例1闡述了從包括液體二氧化碳、丙烷和曱烷（物 流中所有的成分都處於液態）的加壓和冷卻的液體進料物 流中分離曱烷的連續方法。在分離中所用的裝置包括串聯 的十個元件。對於該裝置不用施加外部能量源（即，該裝 置不包括再沸器和冷凝器）。在這個實施例中所用的裝置圖 20 1335238 4中示出。 將包括了在下面的表丨中仏 〇 Y、-Q出了其比例的液體_ 碳、甲烷和丙烷的多成分 髖一巩化 3 .縻 。 〆物，瓜1以WOkg/hr的流率、 315psia歷力和一32〇F、、田疮广《*匕丄 「（所有的預定條件）下輸入到第 一兀件3的尚壓腔室5φ。-Μ。 』弟 70件3的低壓腔室保持在預 的壓力55Psia下。相應地， 牡頂弋 垮該7〇件的多孔分離器的 爲 260psia。 差

々 。 丨八幻第70件3的高壓腔室5時，其嶽 夕孔分離器9的進料側進行接觸。在這個類比 ” 定的是1。體積％的進料物流渗透過了分離器。相對二： 物流，流過分離器的滲透級分（沒有示出）富集了甲烷^ 如在表1中指出的。相應地，相對於進料物流，形成： 留物11富集了二氧化碳和丙烷。 m 由於截留物11含有剩餘的曱烷，將截留物進行處理回 收多餘量的甲烷。相應地，第一元件的截留物U變成了第

二元件的進料物流1 3。（依次地，在第二元件中形成的截 留物變成了第三元件的進料物流並且對於剩餘的元件都是 這樣的。）在該方法的預定條件下，包括截留物的進料= 流相對於進入到第一元件的進料物流産生了壓降並且伴隨 著溫度的降低。壓降爲25psi其意咮著進入到第二元件的 進料物流具有290psia的壓力。（在連續的元件中由 Τ田戰*留物 形成的每種進料物流則産生了 25psi壓降，包括最後^牛 的截留物110的物流在65psia[原始壓力3l5psia— F 、10 元 件）（25psi壓降/每個元件）=65psia]壓力下由此排出）。 21 1335238 對於該類比’假定每個高壓腔室内的壓力是均勻的。從第 十元件回收的截留物110的組成和其他特徵都在下面的表 1中指出^ 在第一元件3中由液體進料物流1形成的和通過多孔分 離器9的渗透級分在如下條件下進行，即，使大體上所有 的液體曱烷驟沸是有效的，也就是說形成了蒸氣滲透級分 1 5 ’該條件對於使二氧化碳和丙烷保持在液態也是有效 的；同樣地，它們包括液體滲透級分17。蒸氣滲透級分15 通過重力作用從液體滲透級分中分離出來並經由管路19 從第—元件3的低壓腔室中去除。相似地，液體滲透級分 17經由管路2〇從第一元件的高壓腔室中去除。 在廷個實施例中，每個元件的低壓腔室都保持在5 5psia 壓力下。這樣，因爲在每個高壓腔室中的壓力逐漸降低， 所以在每個元件中跨多孔分離器9的壓差也逐漸降低。在 最後的元件300中跨多孔分離器1〇9的壓差爲1〇psi (元件 300的向壓腔至的壓力爲65pSia而低壓腔室的壓力爲 55psia)這些條件對於使在每個元件中的滲透級分的甲烷 發生驟沸是有效的。 從元件中抽出的每種蒸氣滲透級分與其他蒸氣滲透級 刀、’σ σ形成了所包含的甲烷在比例上大於在原始進料物流 的組合物。相似地，從各自元件中回收的每種液體滲透級 刀與八他液體滲透級分結合形成了甲垸的比例比原始進料 物流相對較小的組合物。“最終’，截留物"Ο的液體組合 物（也就是從最後的元件3〇〇出來的截留物）和結合的液 22

體滲透級分和結入+· ill έ» y V ΛΑ 〇的蒸氟滲透級分的組合物以及截留ϋ 1 G透級分的其他 戳留物和 将徵都在下面的表i中給出.。

CH4 c3h8 摩爾分率 摩爾分率 摩爾分率 摩爾分率 摩爾分率 摩爾分率 表

進料 最終截留 物 滲透級分 ------- 結合的蒸氣滲 透級分 315 65 55 55 -32 -75.8 -82.6 -94.2 100 36 47.2 16.8 0.900 0.931 0.955 0.713 0.929 0.931 0.955 0.853 0.050 4.5 X 1〇'6 3.0 X 10'5 0.258 0.019 1.6 X 1〇*6 2.8 X 10'5 0.112 0.050 0.069 0.045 0.029 0.052 0.069 0.045 0.035 從逆些資料中可以看出，應用本發明的方法在從原始進 料物流中去除大體上所有的甲烷是有效地，也就是說應 該方法所産生最終的截留物和液體滲透級分中基本上不 含有甲烷。 實施例2 實施例2的方法與實施例1中所描述的方法相似，但是 不同之處在於在分離中所用的裝置裝配了再沸器和冷凝器 (兩者都沒有在圖4中示出）。 23 1335238 更特別地，應用在實热例1中定義的所有預定條件進行 第二次類比，除了這樣的預定條件即用部分再沸器和部八 冷凝器進一步使蒸氣滲透級分中富集相對較低沸點的甲烷 並進一步從液體滲透級分中去除曱烧。從每個元件中出來 的液體滲透級分都進料到分離部分再沸器中，該再彿器戴 荷功率爲5100Btu/hr並且加熱和使各自的液體滲透級分至 少部分氣化。由於曱烷相對於丙烷或二氧化碳甲烷更容易 鲁氣化，這些級分的氣化部分相對於未氣化部分就富含甲 烧。將氣化部分轉移到它們各自元件的低壓腔室中，而同 時將基本上不含甲烷的滲透級分的“未氣化，，部分進行收 集。 相似地，從每個元件中出來的蒸氣滲透級分進入到分離 刀冷凝器’該冷凝器具有_285 0Btu/hr的累積做功能力， 並且冷卻和至少部分冷凝了蒸氣滲透級分。由於相對於甲 院，丙院和一氧化碳更容易冷凝，這些級分的冷凝部分相 • 對於“未冷凝”部分就富含丙烷和二氧化碳。將冷凝部分 轉移到元件的低壓腔室中，而同時將富含甲烷的未冷凝部 分進行收集。 從7G件中抽出的每種蒸氣滲透級分與其他蒸氣滲透級 分結合形成了所包含的曱烷在比例上大於在原始進料物流 的組合物。相似地’從各自元件中回收的每種液體滲透級 分與其他液體渗透級分結合形成了曱烷的比例比原始進料 物流相對較小的組合物。“最終”截留物的液體組合物（也 就疋從最後的元件出來的戴留物）和結合的液體滲逭級分 24

和結人 1 σ、蒸氣滲透級分的組合物以及截留物和滲透級分的 八他特徵都在下面的表2中給出。 . 表2 單位 進料 最終截留 結合的液體 結合的蒸氣 —~~~—_ 壓力 物 滲透級分 渗透級分 Psia 315 65 55 55 溫度 〇F -32 -75.8 -82.5 -161.5 流率 Kg/hr 100 36 61.7 2.3 組成： C02 摩爾分率 0.900 0.931 0.957 0.071 摩爾分率 0.929 0.932 0.957 0.172 CH4 摩爾分率 0.050 4.5 X 10·6 8.0 X 1〇'8 0.925 摩爾分率 0.019 5·47χ1〇-7 2.9 X 10·8 0.818 c3H8 摩爾分率 0.050 0.069 0.043 0.004 摩爾分率 0.052 0.068 0.043 0.010 從上面的貝料中可以看出，本方法可以從原始進料物流 中有效地去除大體上所有的的？烷並且形成了基本上不含 甲院的液體滲透級分和富含曱院的蒸氣滲透級分。相對於 在實施例1 (其中所描述的不包括應用再沸器和冷凝器的 方法）的結果’本方法形成了含有更高比例甲烷和大體上 更低比例ι氧化碳和丙院的蒸氣渗透級分和含有較低比例 曱烧的液體渗透級分。 實施例3 25 丄功238 依照本發明實施例3.是用來從c〇2、Ch4和H2的預定 瘵氣混合物中分離C〇2方法的典型例子。該類比與實施例 1的相似，除了後面所要提到的增加了不同進料物流的 處理。 (A) 包括一種蒸氣的混合物； (B) 跨每個多孔分離器的預定壓力梯度爲26〇psi ; (C) 從裝置中最後元件排出的截留物的預定壓力與進 養| 入到第元件的進料物流的壓力相同，也就是說，對於每 個元件進料物流的壓力都與該元件的截留物的壓力相同； (D) 滲透過每個多孔分離器的H2/C〇2的預定摩爾比爲 1.43 : 1 ; (E )滲透過每個多孔分離器的CH4/c〇2的預定摩爾比 爲 0.078 : 1 ;和 (F)滲透過每個多孔分離器的進料物流的預定量爲 lb-m〇l/hr。 • 在這個實施例中’將富含曱烷但是也含有二氧化碳和氫 軋的氣體進料物流以流率爲1〇〇kg/hr，壓力爲3i5psia和溫 度爲-32 F輸送到第一元件的高壓腔室。由於進料物流的溫 度尚於混合物的露點溫度（即大約_丨丨丨1 )，混合物處於其 洛乳狀態。當進料物流與不同元件的多孔分離器進行接觸 時，大體上所有的氫氣和二氧化碳與一部分甲烷一起滲透 過多孔分離器形成了富含甲烷的截留物。將滲透級分置於 如下的條件下，即將二氧化碳冷凝並且與曱烷相分離。 廷個類比的結果在表3中給出。從元件中抽出的每種蒸 26 1335238 氣滲透級分與其他蒸氣滲透級分結合形成了所包含的曱烷 和氫氣在比例上大於原始進料物流的組合物相似地，從 各自元件中回收的每種液體滲透級分與其他液體滲透級分 結合形成了二氧化碳的比例比原始進料物流相對較大的組 合物。“最終”截留物的液體組合物（也就是從最後的元 件出來的截留物）和結合的液體滲透級分和結合的蒸氣滲 透級分的組合物以及截留物和滲透級分的其他特徵都在下 面的表3中給出。

表3 單位 進料 最終截留 物 結合的液體 滲透級分 結合的蒸氣 滲透級分 壓力 Psia 315 315 55 55 溫度 〇F -32 -72.8 -82.5 -169.6 流率 Kg/hr 100 36 61.8 2.2 組成： C〇2 摩爾分率 0.100 約爲0 0.995 0.057 摩爾分率 0.235 約爲0 0.980 0.146 CH4 摩爾分率 0.890 約爲1 0.005 0.908 摩爾分率 0.764 約爲1 0.020 0.850 h2 摩爾分率 0.010 0 0.000 0.035 摩爾分率 0.010 0 0.000 0.004

從上面的資料可以看出，實施例3的方法在將三成分進 27 1335238 料物流分離爲富含甲烧和基本不含二氧化碳 物、富含甲烧的蒸氣渗透級分以及富含二氧化：：= 透級分是有效的。 實施例4 實施例4闡述了應用本發明分離異丙醇和水的共沸混 合物。該類比與實施例1相似，除了後面要提到的預定條 件。增加了預定不同進料物流的處理， • (A) 包括採用串聯連接的十四個元件的方法； (B) 對於每個元件進料物流的壓力與該元件截留 物的壓力相同； (C) 跨每個多孔分離器的壓差爲99.9psi ; (D) 滲透過每個多孔分離器的進料物流的量爲〇1 lb-mol/hr ;和 (E) 滲透過每個多孔分離器的異丙醇/水的摩爾比 爲 30 : 1 。 • 在這個實施例中’在表4中的特定的濃度和壓力爲 l〇〇psia和溫度爲291°F下將水和異丙醇的共沸混合物輸送 到元件的高壓腔室中。當進料物流進入到每個元件時它 與該元件的多孔分離器的進料側進行接觸。如上面所設定 的’渗透過分離器的異丙醇與水的摩爾比爲3〇: !。通過 相對於共沸進料物流增加在滲透級分中的異丙醇的濃度， 參透級分的組合物就停止共沸。結果，滲透級分就驟沸形 成了富集了異丙醇的蒸氣滲透級分。 從進料物流中回收部分異丙醇也可以產生富含水且不 28 1335238 是共沸的截留物。如每個預定的條件，從元件的高壓腔室 中流過的截留物的壓力與流入到下一個元件的相應的進料 物流的壓力相同。這樣，理論上在原始進料物流和從最後 元件排出的截留物之間不存在壓差。 在表4中給出了這個類比的結果。給出的液體滲透級 分參數在下面表示了通過每個元件産生的單個液體滲透級 分的總數。相似地，給出的蒸氣滲透級分參數表示了通過 每個元件産生的單個蒸氣滲透級分的累積值。 表4 單位 進料 最終截 留物 結合的液體 滲透級分 結合的蒸氣 滲透級分 壓力 Psia 100 100 0.1 0.1 溫度 °F 291 291 3.8 1.1 流率 Kg/hr 100 99.8 0.1 0.1 組成： h2o 摩爾分率 0.500 0.943 0.331 0.043 摩爾分率 0.231 0.832 0.129 0.013 異丙醇 摩爾分率 0.500 0.057 0.669 0.957 摩爾分率 0.769 0.168 0.871 0.987 從上面的資料可以看出，用實施例4的方法可以有效的 破壞水/異丙醇的共沸並産生富含異丙醇的蒸氣滲透級分 和富含水的液體滲透級分。 29 則述的實施例和優環實施方式的描述應該是用來解釋 而不是限制如通過申請專利範圍所定義的本發明。容易理 解的是，上面所闡述的特徵的多種變形和組合可以實施而 不背離如在申請專利冑圍中所闡a的本發明。it樣的變化 不會背離本發明的精神和範圍。而且所有的變化都包括在 了下面申請專利範圍内。 圓式簡單說明 圖1示出了依照本發明的裝置優選的實施方式 圖2類似圖丨，其中還示出了流過多成分進料物流裝置 的在以及由此形成的各種不同的級分。 圖3不出了依照本發明裝配有再沸器和冷凝器的裝置 的實施方式。 圖4中示出了依照本發明具有多個將多成分原料流分 離爲級分的元件的裝置的實施方式。 主要元件之符號說明 1 13、100..進料物流；3..第一元件；5、22.·高壓腔室；9、 26、109..多孔分離器；10裝置；η、11〇、21〇截留物； 15、17、330、430、5 00..滲透級分；19、20、200、300、 400·.管路；24··低壓腔室；30、32、34..閥；50..元件； 320·.蒸氣相；420·.即液相；601..再沸器；602·,冷凝器

Claims (1)

1335238 十、申請專利範圍： 1、一種用於將多成分進料物流分離爲級分的 括步驟： ，万法，包 Ca)提供一種至少具有兩種在相同的相 的進料物流；

(b )提供一種具有進料側和出料侧的多孔分離器. U)保持跨多孔分離器的壓i，包括在分離器的進料 侧相對較高的壓力和在分離器出料侧相對較低的壓力； (d )在相對較高的壓力下將進料物流引入並與分離器 的進料側進行接觸，在有效分離所述進料物流成分的條件 下將其分離爲截留物，其在所述分離器的進料側形成以 及滲透級分，該滲透級分（丨）在分離器進料側的另一侧形 成；（ii)包括一種以上的所述進料物流的成分，其比例與 在被處理的進料物流中的比例不同；（iH )是液體滲透級分 和蒸氣滲透級分的來源；和

中的流體成分 (e)回收每種所述的的截留物、液體滲透級分和蒸氣 滲透級分。 2、如申請專利範圍第1項的方法，其中所述進料物流 的所述兩種成分爲液體。 3、如申請專利範圍第1項的方法，其中所述進枓物流 的所述兩種成分爲蒸氣。 31 1335238 4、 如申請專利範圍第2項的方法，其中所述進料物流 進一步包括蒸氣成分。 · 5、 如申請專利範圍第1項的方法，其中所述進料物流 包括二種或多種成分》 6、 如申請專利範圍第丨項的方法其中所述進料物流 是共沸的並且所述液體和蒸氣滲透級分爲非共沸的。 7、 如申請專利範圍第！項的方法，其中步驟（&)到（〇 在沒有能量輪入存在的情況下進行。 8、 如申請專利範圍第1項的方法，其中步驟（a)到（e) 在有能量輸入存在的情況下進行。 9、 如申請專利範圍第i項的方法，其中步驟⑴到（^ 在被重複預定的次數。 〜丨丨切机刀雕馬級分的裝 置’所述多成分進料物流含有至少兩種在相同的相中和在 預定的數量下的流體成分’其具有包括如下部分的元件 ⑴第-壓力腔室’其具有用於接收進料物流的入口 和排出部分進料物流的出口； (b )第二壓力腔室； 32 1335238 (c)多孔分離器，其（i)位於第—和第二麼力腔室之 ^ 具有用於接收所述進料物流的進料側和連通到所 边第二壓力腔室的出料側；# (iii)其適於容許但只是物 流中的一部分流體成分從進料侧到 付側到出枓側通過，該部分流 體成分的數量不同於所述預定的數量； ⑷用於將在第一壓力腔室的壓力保持爲高於第二壓 力腔室塵力的值從而建立跨多孔分離器的壓差的裝置；

(e) 在第二壓力腔室中的蒸氣出口，通過該出口在所 述腔室中的蒸氣可以被去除；和 (f) 在第二壓力腔室中的液體出口，通過該出口在所 述腔室中的液體可以被去除。 11、 如申請專利範圍第1〇項的裝置，其具有多個串聯 的所述元件’其中所述串聯的元件的第一腔室的出口與緊 隨其後的所述串聯的元件的第一腔室的入口流體速通。

12、 如申請專利範圍第1〇項的的裝置，進一步包括選 自再沸器和冷凝器的至少一種換熱設備。 U、如申請專利範圍第10項的裝置，其中所述多孔分 離器包括至少一種選自多孔膜、分子篩、沸石晶格、填料 床材料和奈米管的多孔材料。 14、如申請專利範圍第13項的裝置，其中所述的多孔 33 1335238 « 分離器進一步包括可滲逸的無孔材料。

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