专利名称：三级膜气体分离方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明是涉及从空气中生产氮气。更具体地说是制备高纯氮气的方法和系统。
为生产氮气，渗透膜分离方法和系统，在空气分离操作中，逐渐地被采用。在这类操作中，使进料的空气与膜的表面接触，氧作为空气中的较易渗透组分通过膜，而氮作为空气中的不易渗透组分，作为非渗透的产品气流从膜系统排出。
虽然使用膜进行气体分离的基本原理已经知道了很长时间，但是，直到现在，在膜的制备和部件制造技术的膜工艺方面，对工业性的空气和其它气体的分离的经济吸引小，没有取得进展。由于这类研究和膜工艺的固有的简单性，在膜技术领域内，关于气体的分离，其积极性和兴趣都很高，在空气分离领域的应用值得引起注意。
从空气中生产富集的氮气，已经开发出了单级的中空纤维膜法和系统。这种方法具有与膜级、加工和管路等相联系的投资费用减至最少的优点。但是，由于所要求的氮气纯度值的提高，产品的回收率降低，能量和膜面积要求增加，由此来看，从总的观点来讲，提供的单级操作不是所希望的。
为了使氮产品的纯度在约94%以上，希望以两级膜法和系统代替单级操作。在两级操作中，氧作为原料空气的易选择性渗透组分，而氮作为它的不易选择性渗透组分，通常，将第二级的渗透气体进行循环。混合的渗透气体与空气相比，富集了氮气，相对于膜系统的原料空气，降低了到达这个系统的原料气的氧含量，使氮的回收率高于使用单级膜达到的值。在这种两级膜操作中，由于第二级的低压渗透物的循环返回到原料气压缩机的吸入侧，因此，不需要增加机器。这种两级膜操作说明在“Inert Gas Generation Systems for offshore platforms”中，Bearer和Graham，Energy Progress，第6卷，NO.3，1986年9月，PP.149-154，特别是P151的附图3。
一般地采用的两级膜系统生产的氮气产品的纯度约为97%-约99.9%，氮气纯度为98%是这种膜操作的代表性产物。但是，在氮气纯度在99%以上时，两级膜系统将变得相当昂贵。因此，为生产在给定膜渗透压下的这样高纯度的产品，就需要较多的能量和增加膜的表面积。或者是对一给定表面积的膜系统，就要求较多的能量和增加传递的膜压。虽然可以采用两级操作生产纯度为99.99+%的氮气产品，如同单级系统也可实现一样，但是采用这样的一或二级系统的总的技术和经济的现实性由于在上述高纯度下的这类操作的高费用而减少。
为了通过非常希望的膜法达到很高纯度的氮气产品，例如约99.5%以上，以使一个两级的空气分离系统与一个脱氧(deoxo)装置结合起来，其中，从空气分离膜系统中除去的氮气流中的剩余的氧与氢气或可燃性气体例如甲烷反应。这样的联合的膜/脱氧系统，由Prasad(u.s.4，931，070)公开并作了说明，它可以生产的氮气产物的纯度直到约99.95%，或更高，例如数量级达约99.999%的超高纯氮。虽然这样的联合的两级膜/脱氧系统能够生产包括超高纯氮的很高纯度的氮气产品，而使用上述的现有技术的一和两级膜系统是不能以同样可行的方式获得这类产品的，然而，为了能够以更经济和现实的基础或不使用氢气或其它可燃性气体来满足对高纯氮的日益增加的需要，希望对该技术作进一步的改进。
考虑到对以优越的膜技术实现空气分离及其它气体分离的这种工业的要求和期待，已经着力开发了替代使用脱氧装置与两级膜系统的三级膜系统。在这方面，人们注意到了在所谓的串联分离方法中，以前已经采用三级或更多级膜以实现原料气混合物中的渗透物组分的富集。为此目的，通过每一膜级的渗透气体作为下一个膜级的原料气，而富集的渗透物气体例如在空气分离的情况下为氧，是从最后膜级回收的。非渗透性气体，例如氮气是每一个级回收的。不是针对提高非渗透气纯度的这种方法，描述在Operating Lines in Cascade Separation of Binary Mixtures”中，Hwang和Kammermeyer，The Canadian Journal of Chemcal Engineering，1965年2月，PP.36-37。
在空气分离中，用于很高纯度氮生产的三级膜系统公开在“Nitrogen Production Using Membranes”Thompson，Prasad，Gottzmann和Real Heeren，在Belgium，Antwerp的专题讨论会上发表的论文(1989年、9月.10-15日)。上述论文的附
图1示出了一级、两级和三级通过空气分离来回收氮的膜系统。在本文中描述的三级系统中，原料空气从原料压缩机通到第一级膜，在此易选择性渗透的氧气流作为废弃物排出，在此被分离的不易渗透的氮气流通到第二级。上述第二级的渗透物流循环去压缩，并将附加量的原料空气通到膜系统中。第二级的非渗透气通到第三级膜，在此，很高纯度的氮气产品作为非渗透气加以回收。第三级的含氧渗透气在加压后循环至与其余量的第一级渗透气一起通到第二级膜。
三级膜系统，为生产高纯的和很高纯度的氮气(超高纯的氮气生产除外)提供了可能的所希望的与一脱氧装置连在一起使用的两膜级的替代途径。显然，希望循环进入第二级膜的第三级渗透气要求使用一附加的压缩机，以将第三级渗透气的压力升到所要求的渗透压值;以便将其循环到第二级膜。作为本领域的普通技术人员将很易理解，使用附加的第三级循环，产生的优点，例如较高的产品回收率，较小的膜面积等，在价值上必须超过提供这种第三级循环特点例如附加压缩机所产生的投资和操作费用。在本技术领域内，真正需要和希望以经济的方式得到这些附加的优点，使得膜法固有的简单性和优点可以进一步扩大到从空气中生产高纯氮，而不需要使所采用的膜系统与一脱氧装置或任何其它的装置相结合，才能生产这种高纯的氮气。
本发明的目的是提供一种从空气中生产高纯和更高纯氮气的膜方法和系统。
本发明的另一个目的是提供一种通过空气分离生产高纯和很高纯氮气的利用三级或更多膜级的改进的方法和系统。
本发明的第三个目的是提供一种用于空气分离，并生产高纯和更高纯氮，而不需与脱氧装置相结合的膜方法和系统。
针对这些和其它目的，本发明在下文将详细描述，其新颖的特征在权利要求书中会特别指出。
采用将第二级和第三级的非渗透气循环到前一加工级的三级的膜法和系统，在三级中将膜的表面积进行了分配，使整个系统的投资和操作费用减少。回收到很高纯度的氮气，而不需要采用一脱氧装置来除去氮气产品中残留的氧气。
下文，参考附图详细地描述本发明，其中图1是描述本发明的三级膜系统的一个实施例的方法的流程图;
图2是与二级膜系统相比较，说明本发明的采用最佳膜面积分配的三级膜系统中，氮气纯度对氮气回收率的影响的图表;和图3是表示本发明的有最佳面积分配的三级膜系统的能量和膜表面积之间关系的图表。
本发明的目的是通过采用一三级或更多级膜法和系统实现的，它不和脱氧装置相联合，但是在第一级、第二级和第三级之间的膜面积的分配是最佳的，以便通过空气分离有效地生产超过约99%的很高纯度的氮气产品。
在本发明的实施中，在所希望的三膜级中生产氮气，压缩空气在原料空气压力通常为约50-约300psig，一般为约150psig，在温度通常为约90°F下，通入包含上述级的膜组件。氧气选择性地透过上述膜组件中的膜材料，并在较低的压力下的膜的透过侧抛弃。富集了氮的非渗透气在基本上为高的原料空气的压力下，加以回收。氧气浓度低于空气中氧气浓度的第二级的透过气希望循环到装置的头部，以便进行压缩并循环到膜系统。相似地比加到第二级的第一级非透过气的氧含量低的第三级透过气，希望循环到上述第二级的加料端。由于本发明的三级方法能够生产纯度超过约99%以上，即包括纯度高达约99.99%的氮气产品，因此，在本发明的实施中不需要采用催化除氧或脱氧装置，而用两级膜系统为生产纯度高达99.5%或以上，包括约99.999+%的超高纯度的氮气，则要使用类似装置。
关于本发明的所希望的较好的三级系统，如附图的图1所示，管1的原料空气通入空气压缩机2，压缩过的原料空气经管3通入上述三级空气分离膜系统的第一级膜4。包含空气中的易选择性渗透的氧组分的透过气通过管5从膜4排出，以便排泄到废气或用于外部的系统。如果需要，上述第一级的透过气可以在一任意地压缩机中或真空泵6中加压，以便在所述的膜系统之外使用。包含不易渗透氮的上述膜4的非透过气，经管7通入一任意的压缩机8[如果采用(取决于在特定应用中所使用的操作条件，)]，然后通入第二级膜9。经膜9进一步纯化过的非透过气，经管10通入一任意地压缩机17，然后通入第三级膜11，而从上述膜9的透过气通过管线12，然后到任意真空泵13(如果使用)，循环到管1进行辅助加压，然后与附加量的原料空气一起循环到第一级膜4。第三级膜11的非透过气通过管14加以回收，作为高的或很高纯度的氮产品气。上述膜11的透过气经管15通入任意真空泵16，然后经压缩机17，在循环到管7与第一级膜的非透过气一起，通入第二级膜9之前，加压到所要求的渗透压值。而从任何膜级排出的非透过气体，基本上处于该级的原料压力下，十分清楚，在不存在中间级的加压情况下，原料气压力从一级到另一级是稍有降低的。
如上所述，选择性地快于氮气透过氧气的适用的膜材料，在本领域内目前是可买到的。当原料空气流在膜上流动时，通过中空纤维膜或其它膜构型的(局部)透过物流中当原料物流接近膜的产品端氧的浓度减小。单级膜系统在以下条件下是最佳的，即只要在膜的整个长度上，在(局部)透过物中的氧的含量高于原料空气中的，即局部的透过物中含所希望的氮组分少于原料空气中的。这类情况适于生产低纯度氮气，而单级膜法和系统是最适宜于这方面应用的。
由于产品氮气纯度需要提高，在产品端附近通过膜的局部透过物流，相对于空气开始变成富集了氮气。因为氮气是要求的产品，显然，比空气含氮多的任何物流都将优于空气作为原料物流。因此，希望将所有的富氮气的局部透过物流循环，与进入原料压缩机的空气掺合。实际上，这可以通过将膜系统分成串连的两级方便地实现，使得对于空气来说，在第一级中的局部透过物流是富集了氧气，而第二级是富集了氮气。这样，第一级的透过物就从系统排出，而第二级透过物就如上述循环到原料压缩机的入口端。区别于单级操作的两级膜法和系统的特征体现在第二级透过物流的循环。这种富氮气(相对于空气)透过物流的循环，降低了入口气体中的氧含量，从而提高了氮气的回收率。由于第二级的低压透过气体与在原料压缩机吸入口的原料空气混合，因此，不要求增加机器。
如果产品氮气的纯度足够高，在两级系统中的第二级的产品端附近通过膜的局部透过物流，相对于加到第二级的物流，变成了富氮气。在这种情况下，将总的膜面积分成三级，并将第三级的透过物流循环是有利的，它相对于第一级的非透过物流或保留物流是富氮气的，因此通到上述的第二级。虽然一个两级系统的第二级的透过物流的循环不要求增加压缩机，但是，如上所述，将第三级的透过气循环到一个三级系统的第二级要求一台循环压缩机以将其透过物流的压力升到加入第二级的压力值。由于这样的循环压缩增加了费用，然而，人们发现，三级系统的整个的膜面积在膜级中，必须是以一种特定的方式来分配，使其加到第三级的氧的浓度达到可弥补一台第三级透过物循环压缩机增加的费用和它所耗能量增加的费用的程度。附图的图1示出的只提供了带透过物循环的第三级，这对实现在很高纯度的氮气生产中的实际效益其本身是不够充分的。反而，三级之间的面积分配必须是这样的，使在第三级中的透过物的氧气浓度与加入第二级膜的氧气浓度相比足够低，使获得较高氮气产品的回收率，同时整个膜面积可允许有减少，使这些收益在价值上超过了与第三级循环操作相联系的投资和操作费用。
为实现三级膜操作的这些优点的级之间的膜面积的分配，已经发现主要是产品纯度、为分离待分离的气体成分(例如空气分离、氧气/氮气)所采用的膜材料的分离因子、穿过膜的压力比的函数，与膜面积的费用相关程度较低。总的来说，发现在第一级和第二级中总的膜面积的分数随分离因子的提高、压力比(原料压力/透过物压力)的提高和产品纯度要求的降低而增加。对纯度高到很高纯度一般在99%-99.9%氮气纯度范围的操作，通常压力比为7.8-18.0，而膜面积的费用常常在1.5-10.0＄/英尺2范围，人们已经发现，当分离因提高时，在上述级中的透过物富集更多的氧气，而且总的膜面积的较小的分数得到的透过物相对于空气或相对于作为原料气通到第二级的第一级非透过气是富氮气，所以适宜循环。因此，在第一级和第二级中的膜面积的分数是随着膜材料分离因子的提高而增加。
在目前开发出的空气分离膜工艺的实用的商业化的实例中，通常买到的膜材料的氧气/氮气分离因子，一般为约2-约12，空气分离膜的实用的商业化的实例的分离因子一般为约4-约8。应用的基本原理如上讨论的那样，已经确定，对适用的工业化的空气分离操作，采用三级膜系统，并使第三级的透过物加压和循环到第二级，这类系统级间的膜面积应采用特殊分配，以便空气分离操作以有效的总特性、制备很高纯度的氮气。从上面讨论的就可理解，在一般的和经济上可行的总的条件下，这种膜面积的分配是完成给定应用中，所用膜材的分离因子的函数。因此，已经发现第一级膜的表面积，在分离因子约为4时，为约8%-约45%的范围，在分离因子约10时，为约20%-约64%。这反映出了上面表明的趋势，即分离因子越大，在系统的前面的级就应当提供更多的表面积，而分离因子越低，更多的膜表面积应当转移到后面的级。
同样，也已经发现第二级的膜表面积，在分离因子为4时，在约10%-约30%的范围，在分离因子为10时，在约20%-约30%的范围。对上述的第一级和第二级两者的分配来说，随着分离因子从约4-约10的增加，在该级中所采用的占总的面积的比例大体上按比率地线性地增加。
在本发明的实施例中第三级的面积的分配是如上述第一级及第二级面积分配的总数与第一级、第二级及第三级的总面积之间的差。虽然这种三级操作总体来说，对于更高氮气纯度操作是优越的，但是，当第三级的透过物压缩并循环到第二级并且总膜面积在各级间的分配如上所述时，应当指出，本发明的实施不唯一地受限于使用三级。因此，采用如这里所述的三级膜，和为进一步提纯非透过的氮气产品或为处理从系统中，例如从系统的第一级除去的透过气体，还可以采用一级或多级附加膜级也在本发明的范围内，这种附加级的透过物可以任意地循环到在前加工级的原料端，以提高分离效果。此外，还应当指出，虽然本发明可以使用分离因子在约10以上的膜材料来实施，但是，对使用三级或更多级的系统，这种材料倾向于较少采用。由于开发的新的较高分离因子的膜材料具有工业可行性，例如促进迁移膜材料，通过这类材料可得到较高分离选择性，这将很可能使得不需要使用三级或更多级膜;在要求的产品回收率下，来获得高的或更高的纯度的氮气产品。
采用在这里公开和权利要求中提出的面积分配的三级膜法对最佳化的二级操作的优点表示在附图的图2。概括的比较数据是在如下条件下得到的。即以相同的复合中空纤维膜束和组件构型，使用涂覆了分离因子为6的很薄分离层的多孔聚砜中空纤维基质，渗透率通量(渗透率/厚度)为3.2×105barrer/cm。研究的原料气的压力为100psig和150psig。正如将看到的那样，以作为产品回收的原料空气中的氮的%表示的氮气的回收率，对两级系统，在100psig和150psig下都是降低的，这就提供了第二级透过物(与空气比富集了氮)的循环。因此，在100psig时，用于生产纯度为99%的高纯氮气的两级系统的产品回收率约为46%。但是，随着要求的氮气产品纯度的提高，产品回收率就降低，在氮气产品的纯度为99.9%时，回收率约为32%。所提供的两级系统在150psig压力下，具有较好的性能，但是，氮气产品的回收率也随产品纯度要求的提高而降低。这样，在150psig压力下使用的两级系统，在纯度为99%时所得到的产品回收率约51%，在氮气产品纯度为99.9%时，回收率降低到约38%。
相反而令人惊奇地是，在100psig和150psig压力下，采用如上述的面积分配和将第三级透过物循环到第二级的三级操作中，氮气产品的回收率随氮气产品纯度的增加而增加。这样，在100psig压力下操作，生产的氮气纯度为99%，而氮气产品的回收率达约51%，在99.9%的氮气产品的纯度下，其回收率提高到55%。使用上述的150psig的渗透压，可得到较好的性能值，产生的氮气纯度为99%时，氮气产品的回收率约为54%，在纯度为99.9%时，上述的回收率提高到57%。因此，十分清楚，当需要将氮气的纯度从99%提高99.9%时，依据所要求的产品回收率，通过使用一三级膜系统代替一类似的两级系统，就可实现其基本的优点。可以认为，根据三级系统的高回收率，在被回收的产品比氮气更有价值，例如氪和氙，或原料物流不同如空气，是不自由的这些情况下，它甚至是更希望的。
虽然氮气产品的回收率是膜空气分离操作的重要特征，但是三级系统的膜面积和能量要求对总的评价通过包括第三级，其中第三级压缩并循环到第二级、以及本发明的面积分配是否足以证明这种三级膜操作是正确的，也是相关的。附图的图3示出了在图2描述的实例中所采用的三级膜系统的操作情况，在150psig压力下，将三级膜系统的膜面积和能量要求与同压下所利用的上述提供的对照的两级系统相比较。为此目的，并为了方便起见，将这种膜面积和能量要求规范化成两级膜系统的最佳值。如图3所示，本发明的三级膜系统和方法的膜面积和能量要求比对照的两级系统都要少。这样，在99%氮气纯度值下，与两级系统的参考值1.0相比较，发现膜面积的标准值大约为0.94。三级膜系统的相对优点似乎将随着氮气纯度要求提高达99.9%更明显，其中三级膜系统要求的上述膜面积的标准值降低到大约0.83。同理，三级系统的能量要求表明，在所列举的纯度要求为较低值时，比两级系统的明显的低，而在较高的产品纯度时，这种差别显著增加。因此，三级系统的能量标准值在纯度为99%时，是0.96，在纯度为99.9%时，降低到约0.83。在本发明的实施中，使用在这里公开和权利要求中的三级膜系统，可得到增加氮气产品回收率的优点，可得到关于膜面积的好处和可得到总能量要求的利益，将这些优点相结合在价值上超过了增加的投资和与上述三级操作有关的操作费用。结果是，本发明的这种三级操作，不用一个脱氧装置，提供了一个替代使用两级膜与一个脱氧装置组合的有吸引力的途径，只要不是在超高纯度，例如99.999%的氮气纯度下生产氮气。
在本发明的实施中，第二级膜的非渗透气通到第三级膜，而不是通向一个催化反应装置，使残留量的透过气进行催化反应。例如，在空气分离的一般实施中，第二级的非透过气一般含有数量为约1%-2%的残留氧的透过气，采用一个脱氧装置使这种残留的氧与氢气或一种可燃性气体反应。虽然本发明排除需要这样的一般的脱氧处理，但也非常清楚，在本发明的实施中，得到的高或很高纯度的产品气，可以任意地进行揭示过的净化技术，例如，吸附/化学/或吸收技术，从产品气中除去痕量的透过气。在空气分离的加工过程中，例如使用吸附剂床，这类技术可以用来从氮气产品中除去痕量氧气，通常能除去氧存在量的约0.5%或更低，更一般约为0.1%或更低。
对这里描述的膜法和系统的细节可以进行的各种改变和改进，都没有离开在附加的权利要求中所列举的本发明范围。因此，虽然中空纤维膜通常较好，但是其它的膜构型也可以采用，例如螺旋缠绕的膜。虽然，后面类型的膜趋向于按照交叉流型的渗透表现，没有特别令人难忘的性能，但使用本发明的三级方法能使这类膜具有更多的逆流型渗透的所要求的特性，由此，提高了它的性能。在本发明的实施中，所采用的气体流动的类型可以是交叉流型，或可以是通常更好的逆流流动型。使用较好的中空纤维膜构型，原料的流动可或者是里一外，其中，原料空气通到中空纤维的孔，从这里通到膜束的壳方，或是外一里，将原料空气通到膜束的外表面，而透过气体从中空纤维的孔被回收。为了使在中空纤维孔内的气体和在膜束外表面上的气体建立起逆流流动，中空纤维束可以嵌入不渗透的阻片内，该阻片在中空纤维束纵向外表面的总体上，除了用于系统外或内的气体流动的非嵌入的圆周面积外，如欧洲专利申请的公开号0226431所示出的，1987.6.24日公布。
在本发明的实施中所采用的中空纤维膜或其它的所要求的膜，可以包括复合膜或不对称膜。复合膜在其多孔基质上沉积上一很薄的分离层。决定膜的选择性特征的分离层可以是某一种所要求的膜材料，例如乙基纤维素、醋酸纤维素或类似的材料沉积在诸如聚砜之类的方便的基质材料上。不对称的膜包括某一种材料，例如聚砜，其中有两个分开的形态区，一个包括决定膜的选择性特征的一薄的密集的皮层区域，而另一个区域是疏松的多孔的支持层区域。这里的两种膜的类型可以有各种形态，如可以通过使用其它的涂覆材料进行处理以弥补其中的缺陷，以及进行类似的处理。
尽管上面描述的本发明是特别关于使用三级膜系统以很高的纯度生产氮气产品来分离空气，但是，显然本发明也可以用于分离其它的气体混合物，其中，希望提高混合物中不易选择性渗透组分的分离和回收率。不易选择性渗透组分的可能的价值越大，以高的回收率进行生产的重要性越大，而该高回收率在本发明的实施中是可以实现的。从氩和氧的混合物中，把氩作为不易渗透组分回收是在实施本发明中可以实现的有商业重要性的气体分离操作的一个例子。本发明其它的适宜的应用包括从易渗透的二氧化碳或在tertiary油的回收操作中从氮气中分离甲烷，以及从稀有气体与一般气体、易选择性渗透的杂质的混合物中分离稀有气体，例如氖、氪和氙。在这些应用中，如同上述的关于以高的和更高的氮气纯度生产的实施例一样，第三级的透过气加压并循环到第二级，第一级、第二级和第三级之间面积分配如这里所述。如上所述的关于空气分离的表面积分配，对其它的所要求的气体分离，通常认为是恰当的。对这种非空气分离应用所使用的膜材料的分离因子一般都在上面提到的约2-约12的范围内，但是，本领域的技术人员明白，对一些特殊的分离，例如从二氧化碳中分离甲烷，分离因子比通常采用的高得多，在这些情况下，采用两级膜系统可能是较好的。
由于它们的固有的简单性和优点，气体分离膜有非常大的希望用于各种各样的工业气体的分离应用，例如用于分离空气需要，以很高的纯度有效地生产氮气和提高产品的回收率。通过膜能够满足这些需要，包括能完成该操作，同时排除了对单独脱氧处理的需要，本发明以显著的方式拓宽了非常需要的满足现代工业活动日益增长需求的膜工艺的应用范围。
权利要求
1.一种以高或超高纯度从含易选择性地渗透组分和不易选择性渗透组分的气体混合物中生产不易渗透组分的改进的膜方法包括(a)在原料气的压力下，将原料气混合物引入至少包含三级的一膜系统的第一级，上述的膜系统能够选择性地透过易选择性地渗透组分，上述的膜系统包含的膜材料对易选择性渗透组分/不易选择性地渗透组分的分离因子为大约2-约12，包括在上述三级中的第一级和第二级的占总的膜面积的比率在分离因子在上述范围内为较大值时，该比率较大，而在分离因子在上述范围内为较小值时，该比率较小；(b)在原料气的压力下，将上述第一级的不易选择性渗透组分作为非透过气，和在比原料气的压力低的透过气压力下，将上述第一级的易选择性渗透组分作为透过气，分别地从上述的第一级中除去；(c)将第一级的非透过气作为处在原料气的压力下的上述膜系统的第二级的原料气，将其通入该第二级；(d)在原料气的压力下，将上述第二级的不易渗透组分作为非透过气，和在比原料气压力低的透过气压力下，将上述第二级的易渗透组分作为透过气，分别地从上述的第二级中除去；(e)将第二级的上述透过气循环，与附加量的上述原料气混合物一起，通入处在原料气压力下的膜系统的第一级；(f)将第二级的上述非透过气，作为上述膜系统的第三级的原料气，通入处在原料气压力下的该膜系统的第三级，而不通入一催化反应装置，使残留的透过气在该处进行催化反应；(g)在原料气压力下，将上述第三级的不易选择性地渗透组分作为非透过气，和在低于上述原料气压力的透过气压力下，将它的易选择性地渗透组分作为透过气，分别地从上述的第三级除去，上述的三级膜之间的表面积分配是这样的，使在第三级透过气中易选择性渗透组分的浓度低于第一级的非透过气的而在第二级透过气中易选择性渗透组分的浓度低于引入第一级的气体中的相应浓度；(h)加压上述第三级的透过气，并将其循环，以便与第一级的附加量的非透过气一起，将其通入处在原料气压力下的膜系统的第二级；和(i)将第三级的非透气以高或超高纯度的气体，加以回收，而不需要对其中的残留量易选择性渗透组分，进行非膜处理来除去，由此，不易渗透组分在高的回收率下，以高或超高纯度的产品气有利地加以回收。
2.按权利要求1的方法，其中上述的膜系统包含三级。
3.按权利要求2的方法，还包括在将上述原料气混合物和第二级的透过气加压到原料气压力后，引入上述膜系统的第一级。
4.按权利要求3的方法，其中三级膜之间的表面积分配包括(1)对第一级，在分离因子为约4时，为约8%-约45%，在分离因子约为10时，约为20%-约64%;(2)对第二级，在分离因子约为4时，约为10%-30%，在分离因子约为10时，约为20%-30%;(3)对第三级，是第一级与第二级表面积分配的总数和三级总膜表面积之差。
5.按权利要求1的方法，其中上述原料空气混合物包括空气，易选择性渗透组分包含氧，而不易渗透组分包含氮。
6.按权利要求1的方法，其中上述的原料气混合物包括氩作为不易渗透组分和氧作为易渗透组分的混合物。
7.一种用于从含不易选择性渗透组分和易选择性渗透组分的原料气混合物中，以高或超高纯度生产不易选择性渗透组分的改进膜系统包括(a)一膜系统包含至少三级，并能够选择性渗透上述原料气混合物中的易渗透组分，所述膜系统包含的膜材料对易选择性渗透组分/不易选择性渗透组分的分离因子为约2-约12，包含在上述三级中第一级与第二级的总膜面积的比率，在分离因子是上述范围的较大值时，一般该比率较大，而在分离因子是上述范围的较小值时，一般该比率较小，上述三级膜之间表面积的分配是这样的，使在第三级透过气中的易选择性渗透组分的浓度小于通到第二级的第一级中非透过气的易选择性渗透组分的浓度，而在第二级中易选择性渗透组分的浓度小于引入第一级中的气体中易选择性渗透组分的浓度;(b)在原料气压力下，将原料气混合物引入膜系统的第一级的导管装置;(c)在原料气压力下，将第一级的不易选择性渗透组分作为非渗透气，和在低于原料气压力的透过气压力下，将第一级的易选择性渗透组分作为透过气从第一级中分别除去的导管装置，上述导管装置包括将第一级的上述的非透过气作为第二级的原料气从第一级通到膜系统第二级的装置;(d)在原料气压力下，将上述第二级的不易选择性渗透组分作为非透过气，和在低于原料气压力的透过气压力下，将上述第二级的易选择性渗透组分作为透过气，从上述第二级分别除去的导管装置，上述导管装置包括将第二级的上述非透过气作为处在原料气压力下的膜系统的第三级的原料气，从第二级通到第三级的装置，而不是通到用于残留透过气进行反应的一个催化反应装置;和包括将第二级的透过气循环，并与附加量的上述原料气混合物一起，通到处在原料气压力下的膜系统的第一级的装置;(e)在原料气的压力下，将第三级的不易选择性渗透组分作为非透过气，和在低于原料气压力的透过气压力下，将第三级的易选择性渗透组分作为透过气，从第三级分别除去的导管装置，上述的导管装置包括将第三级透过气循环，并与上述第一级的附加量的非透过气一起，通入处在原料气压力下的膜系统的第二级的装置，上述第三级的非透过气包括高或超高纯度的气体;和(f)将上述第三级的透过气从低于加料气压力的透过气压力加压到原料气压力的压缩装置，此后将其通入上述的第二级，由此不易选择性渗透组分可以在高的回收率下，以高或超过纯度的产品气加以回收。
8.按权利要求7的系统，其中上述膜系统包含三级。
9.按权利要求8的系统，其中上述膜系统包括一空气分离膜系统。
10.按权利要求8的系统，其中上述膜系统包括一从氧中分离氩的系统。
11.按权利要求8的系统，其中三级膜之间的表面积的分配包括(1)对第一级，在分离因子为约4时，为约8%-约45%的范围，在分离因子为约10时，为约20%-约64%的范围;(2)对第二级，在分离因子为4时，为约10%-约30%，在分离因子为约10时，为约20%-约30%的范围;(3)对第三级，是第一级与第二级膜面积分配的总数和三级总膜表面积之差。
全文摘要
在一三级膜系统中，通过空气分离生产高或超高纯氮气，其中，将第三级的透过气循环到第二级，并且，膜表面积是在级之间进行分配，以达到高的产品回收率和好的处理性能。其它的气体分离，例如从氧中分离氩，也可以通过使用这样的三级膜系统来实现。
文档编号C01B23/00GK1063053SQ9111276
公开日1992年7月29日 申请日期1991年12月9日 优先权日1990年12月10日
发明者R·普拉萨德 申请人:联合碳化工业气体技术公司