隔膜气体分离的改进的制作方法

专利名称：隔膜气体分离的改进的制作方法
技术领域：
本发明涉及隔膜气体分离，具体讲涉及采用冲洗气提高干燥操作的隔膜干燥器。
在许多工业环境中必须和希望除去气流中的水分。水蒸汽是许多原料气和工艺气体中的普通杂质，它常常是作为污染物或腐蚀剂起作用，必须将之除去或降低其浓度，然后才能加以使用。例如，在气动系统中，如化学处理设备中，经常需要使用干燥空气(设备空气)。用来作为惰性气氛的气体也必须加以高度干燥，因为残留的水蒸汽可能有活性而非惰性。在其它情况下，所含的水蒸汽可以冷凝或结冰，从而抑制工艺气流的流动。因此，本领域中需要干燥气流用的有效手段。
为了干燥气流传统上采用着许多不同的手段。在有些情况下，仅靠压缩气体就足以使水蒸汽冷凝为液体，将其从所说的气流中排掉。同样，冷却器和深冷阱能够以液体或固体冰形式冷凝除去水。冷凝法对一些用途来说非常适用，但是在需要极干燥的气体流时却常常不恰当。
吸附法也经常用来干燥气体，因为许多吸附剂对水有强的吸附亲和力。但是，这些吸附剂很快变饱和，若需要使此干燥过程连续进行必须周期性地加以再生。在压力摇摆吸附(Pressure swing adsorption FSA)处理时，在上吸附压力下进行吸附。一些干燥的产物气体被减压后，用作对流冲洗气流，以利于低吸附压力下使水从吸附剂床中解吸。这种PFA法可以生产出极干燥的气流，但是必须将一些产品气体再循环用作冲洗气，然后从系统中以废气形式排掉。
隔膜渗透法是特别引入注目的干燥方法，它与其它干燥手段相比有一些优点。众所周知，水蒸汽在许多合成的聚合物膜中有很强的渗透性。将载有水分的气体通过这种膜时，水蒸汽易于穿过膜透过，从原料气中进入渗透侧，条件是存在足够的驱动力以利于水蒸汽通过膜渗透。对于工业上适用的干燥法来说，欲加以干燥的气体必须暴露在大表面积的极薄的膜上，使膜材料中的扩散通路很短。在膜的两侧还必须具有和维持一定压差，以提供适合渗透作用的牵引力。此外，还必须建立一种能使被处理气体渐进暴露在膜额外面积上的流动方式，以便使气流中残存的水分能够继续渗透和从膜系统中除去。在包含大量的所谓复合材料或不对称空心纤维的一种渗透组件中可以方便地进行这种过程。这种渗透组件在本领域中已公知而且被逐渐广泛地用于范围日益扩大的工业气体分离工序之中。
已经证实，所谓三口渗透器用于干燥低渗透性气体时有一些实质上的限制。这种三口渗透器具有一个原料气入口以及原料气中渗透部分和非渗透部分的两个单独的出口。虽然水分是高度可渗透的，但是仅当其它气体有足够的渗透作用时才能从隔膜的低压通路中有效地除去水。为了以有效的干燥器使用，这种渗透器必须以相当多级(a high Stage-cut)的方式操作，这意味着显著量的被干燥的气体也必须被渗透，因而造成干燥气体产品损失。经确定，使用四口渗透器时能够改进干燥性能，只要在空心纤维中存在着高度的径向混合作用就能达到。对于这种四口渗透器来说，将分离的干燥冲洗气流经过第四口引到空心纤维渗透侧的通路中，以便从纤维低压通路中冲洗水蒸汽。结果发现，与渗透干燥相比，冲洗干燥更有效。即使使用干燥的产品气体冲洗，此冲洗干燥法都是优良的，因为迫使产品产体渗透需要高压差或大的隔膜表面积，而采用单独的冲洗气体时此二要求均无必要。
授予Prasad的第4931070号美国专利中介绍了使用以对流方式操作的四口隔膜组件作为气体干燥器。这份对比文件具体涉及氮的生产，其中将原料空气通入二级隔膜渗透器，空气中大部分氧在此设备中与氮分离。残留的杂质氧在“脱氧”单元中借助于与氢的催化反应除去。催化反应产生的水通过将湿氮气通入冷却器和液体水分离器被大部分除去。尽管如此，显著量的杂质水依然留在这样处理过的氮气流之中。残留的水分用一台隔膜干燥器除去，其渗透侧上的低压通路用空气、从第二级膜排出的干渗透气或干燥的氮气产品冲洗。
虽然有这样有利的干燥方法，但是本领域中仍然希望作进一步改进，以改善实际工业操作中气体的隔膜干燥作用。使用产品气体冲洗时，当然有一定量产品气体损失在冲洗废气流之中。使用外部的干燥冲洗气源时，由于在所用冲洗气体中存在的一些非产品成分反向扩散，可能产生产品气流的一些不希望有的污染。这些因素造成了对上述隔膜干燥法最终用途上的实际限制。
本发明的目的之一在于提供一种分离气体用改进的隔膜气体分离干燥法和系统。
本发明的目的之二在于提供一种隔膜气体分离干燥法和系统，其中从外部冲洗气源反向扩散的杂质被减至最少。
本发明的目的之三在于提供一种改进的隔膜干燥法和系统，其中使用产品气或外部冲洗气作冲洗气的数量减至最少。
本发明的目的之四在于提供一种从高纯氮中除去水蒸汽用的改进的方法和系统，它们在干燥期间无产品氮气的再污染而且具有高度的产品氮回收率。
针对心目中的这些和其它目的，以下将详细描述本发明，在后附的权利要求中特别指出其新特点。
改进的气体分离作用完成如下将待分离的原料气体在等于或大于大气压的进气压力下通过一个隔膜系统，同时在所说隔膜的渗透侧于显著低于大气压的冲洗压力下通入冲洗气体。使所说的冲洗气体(不论是小部分干燥产品气体，还是外部供给的干燥气体)与原料气流以对流方式通过。
以下参照附图进一步说明本发明，其中附

图1是利用小部分干燥产品气体作为冲洗气的一种本发明方案的示意流程图;和附图2是利用小部分干燥氮气作为冲洗气的条件下，在隔膜一脱氧系统中产生的高纯氮气干燥用示意流程图。
本发明目的是这样完成的基于隔膜的渗透侧上最佳化利用冲洗气来有效地利用驱动力促进通过膜的渗透作用。这种对于渗透作用的驱动力是在高压进料处或膜的非渗透侧的原料气分压与膜的低压渗透侧原料气分压的压差。通过膜的渗透作用在此二分压相等时终止。如果高压下(Phi)湿原料气流中的摩尔分数浓度是Yhi，低压下(Plo)渗透气流中水的最大浓度为Ylo则为Ylo＝(Phi/Plo)Yhi (1)如果被干燥气体的进气流速为Ff，则要从中完全除去水，膜系统的质量平衡要求废气流FwFw＝(Yhi/Ylo)Ff≥(Plo/Phi)Ff (2)此气流必须来自由隔膜渗透的干燥气体或干燥的冲洗气流。对于最好具有水对氮的极高分离系数的一些隔膜来说，将被渗过的氮量不足以提供出公式(2)所需的废气流。在无产品气渗透的个别情况下，全部废气流均来自冲洗气流Fp。因此，全部除去杂质所需的冲洗一进料比如下Fp/Ff≥Plo/Phi (3)压力和气流的影响可以结合起来定义“清洁比”如下CR＝FpPhi/FfPlo＝(Fp/Ff)(Phi/Plo) (4)理论上，完全干燥仅当CR值为1或更大时才能达到。但是，将会知道可能存在只需要部分干燥和采用较小清洁比的一些场合。反过来讲，对于彻底干燥来说，可能采用的清洁比显著大于1。因此，清洁比为1仅代表完全除去杂质的个别要求。许多其它因素与实际方法和系统的设计有关，而且对于基本上完全干燥来说通常采用的清洁比为2或更大。应当知道，在所用的冲洗气量(上面的个别要求)和采用的膜表面积之间有一种“折衷选择”应加以考虑。因此，当驱动力变得太小不足以渗透时需要大表面积。另一方面，如果所用的冲洗气量增加而且清洁比基本上大于1，则可以减小表面积。
使用目的产品气体中一部分作为冲洗气时，从系统中实际上导出的产品气体是保留气体的量Fr，由下式得出Fr＝Ff-Fp (5)为了获得高的产品回收率，冲洗气流Fp必须小。从公式(3)和(4)可知，这要求高的压力比，即Phi/Plo。在典型的干燥应用中，隔膜渗透侧的废气流在稍高于大气的压力下(如15psia)从隔膜中放出，而且进气流可以在大约150psia压力下通入膜系统之中，此时的压力比为10∶1。对于完全干燥来说，目的产品气体中至少10%，一般为15%或更多必须作为冲洗气体加以再循环，这样一来从系统中以部分渗透侧废气流形式损失掉，从而减小了系统的产品回收率。
目前发现，通过在膜渗透侧建立相当高的真空条件，在此条件下权用冲洗进行干燥操作，这种方法可以经济地提高产品的回收率和方法的能量效率。通过对Plo采用低于大气压的条件，可以获得很高的压力比，借以将冲洗气流减少到处于膜渗透侧的产品气流的很小部分。
虽然增大压力比(Phi/Plo)可以减少冲洗气流和增大清洁比，但是本领域内的共同作法是将Plo的最低值限制在稍高于大气压下，以便于从膜干燥系统中方便地排出废气和避免真空泵的成本和能量消耗。在这种情况下，压力比只能通过提高高压(Phi)的水平来提高。然而，这要求原料气的附加压缩，并且可能在比欲期的用途所需压力更高的压力下生产干燥气体。
在膜的渗透侧采用本发明的真空条件，这种做法与本领域的传统实践相反。对于大部分干燥用途来说，需要加压的产品气流，因此需要使用压缩机将原料气流压缩到所需的高于大气压的某压力下。若膜的渗透侧在低于大气的压力下操作，则还必须使用额外的真空泵。这种跨越大气压力的方法需要两种昂贵的机器，而单一压缩机足以满足高于大气压的方法。因此，本领域中过去认为这种跨越大气压力的方法对操作能量的要求必然会更高。然而，对于类似的压力比来说，真空泵一般比压缩机更贵，操作效率更低。正是由于这些原因，人们认为不值得考虑在低真空(如大约10psia或更高)下实施跨越大气压的方法来增加膜压力比，而代之以采用传统的高于大气压的条件。
但是我们发现，在膜的低压渗透侧合理地采用低真空条件可以使总的干燥效率得到提高。原料气压力等于或大于大气压，例如高达约170psia或更高。通过这样减小Plo同时采用通常的Phi条件，压力比(Phi/Plo)能够得到很大提高，从而在保持所需的清洁比条件下使冲洗气流得以减少。使用产品气作冲洗气体时，冲洗气流的这种减少直接导致产品回收率提高。更重要的是我们发现在提供出相同数量的干燥产品气这种条件下，需要较少的原料气流。原料气流的这种减少降低了压缩原料气所需的能量。在所需的条件下，减少的压缩能量将大于补偿实施本发明时使用的真空泵所需的能量。
据发现，本发明的真空条件一般处于大印0.1～7.5psia范围内，优选范围是大约0.5～5psia，对本发明的具体方案来说最优选范围是大约1～4psia。虽然由于在大约10psia或更高的真空条件下关于使用真空泵成本和效率上的原因，上面指出过这种真条件与传统的高于大气压的条件相比是不希望采用的，但是又发现实施本发明时可以采用大约10～13psia的低于大气压的压力水平，条件是这种低于大气压的压力水平无需将真空泵装在系统中就能产生。因此，可以将膜系统的冲洗出口管线连接到现有的适当压缩机的空吸作用下，例如膜系统的原料气压缩机、第三级膜渗膜气再循环压缩机或文丘里装置等等都可以用于提供这种空吸作用。
参照附图1，将欲干燥的湿原料气经管路1通到压缩机2，原料气压力在压缩机中被提高到所需的膜上压力Phi。在大部分情况下，这种压缩作用导致压缩机排气管3中存在的水部分冷凝。利用更冷的后冷却器4降低此气流温度可以进一步降低原料气中的水蒸汽含量。被冷凝出的水分在气体相分离器5中从原料气中除去。然将形成的饱和原料气流经管路6通到隔膜分离组件8的高压侧7。由于干燥用膜具有高的水选择性，所以大部分水蒸汽将选择性地渗过膜进到膜的低压渗透侧。经管路10将如此干燥过的非渗透气体从膜中导出。在许多典型性应用中，使部分这种干燥气通过阀11膨胀到低于大气的压力下，然后作为冲洗气经管路12通到膜的低压侧。其余的干燥产品气体通入管路13作为本方法的目的干燥产品气体。如图1所示，冲洗气以与原料气流对流方式流到膜8的低压渗透侧，用来吹走渗透气(包括水蒸汽)，通过管路14从膜8进入真空泵15之中，通过管路16将从真空泵出的气体作为废气排掉，或者在必要时用在辅助性工艺之中。
在另一种替代方案中，使用外部的干燥气源作为冲洗气，此时可以将阀11关闭或省去，将所说的外部的冲洗气通过管路17和12进入膜8中作为所需的冲洗气流。在这种情况下，可以通过管路13回收从膜8经管10放出的全部非渗透性或滞留的气流作为干燥的产品气体。
在一些应用中干燥工序与另一工序，如从空气中生产氮气的工序衔接;在这种情况下，所说的原料气流可以在高压下获得，因此原料气压缩机2、冷却器4和相分离器5作为所说干燥法的设备可能是不需要的，但是就其功能来说却存在于整个分离过程的其它部分之中，而这些其它部分是目的干燥方法和系统的部分内容。
在附图2图示说明的本发明方案中，原料空气在一种二级隔膜系统中被分离后产出经部分纯化过的氮气，再经脱氧处理从中除去残余氧生成一种高纯湿氮气流，进一步在膜干燥器中干燥后产出高纯度干燥氮产品气体。因此，将管路1中的原料空气经压缩机2送到第一级隔膜分离器3，经管路4从3分离出含氧渗透废气。来自其中的非渗透气经管路1A送到第二级隔膜分离器5，来自其中的部分净化过的氮气经管路6送到脱氧系统7中。通过管路8向此脱氧系统7中通入氢气以便与氧进行催化反应;然后经9从中排出高纯度潮湿的氮气;在管路9中设有冷却器10和相分离器11，其中形成的冷凝水经管12排出。接着对管路9中的饱和的高纯氮气利用通入隔膜干燥器13中的方法作更充分的干燥，从干燥器13中经管路14放出干燥的高纯氮气。在这种实施方案中，将一小部分所说的干燥的高纯氮气产品经途中设有阀16的管路15再循环到隔膜干燥器13之中作为干燥冲洗气，此气体以与原料气或膜的非渗透侧的非渗透气氮气流对流的方式流动。冲洗废气经设有再循环真空泵18的管路17从膜干燥器13中排出进入管路1之中，以便加压通到所说的二级隔膜系统中回收额外量的氮产品。由第二级隔膜分离器5排出的渗透气最好也通过管路19送到管路17中返回此系统。
从下面的说明性实施例会进一步理解本发明的优点，即采用本申请说明和请求保护的跨越大气压力的干燥条件。在这些实施例中，采用隔膜干燥器气流冲洗所说的渗透侧，因此所说的隔膜干燥器是四口的，即原料气入口、非渗透气出口、渗透气出口和冲洗气入口。所说的隔膜干燥器均采用在渗透侧和非渗透侧对流式的空心纤维膜，这种膜的渗透性与厚度之比在6.33×106根管/厘米数量级，水对氧的分离系数为1000。这些数值是已有技术膜技术容易达到的。在以下实施例1和2中，膜表积定为150英尺2，产品气体流速为1000标准立方英尺小时(NCFH)，压力下的露点为-40°F。要予以干燥的原料氮气是按图2的方案用空气分离法生产的，其中基本除去了全部氧，而留下被水蒸汽饱和的氮。在所说的实施例1和2中，可获得的原料氮气压力和温度分别为150psig(165psia)和100°F，其中约含5766ppm水蒸汽。
实施例1本例中，在各种水平的低的渗透侧压力Plo(其中包括等于和低于大气压力的各种值)下，测定了冲洗比、压缩机功率、真空泵功率、总功率和产品气回收率。为此目的使用了绝热级效率分别为80%和60%的二级压缩机和真空泵。试验结果汇于表Ⅰ之中。
表Ⅰ参数 标准方法 真空法Phi(psia) 165 165 165 165Plo(psia) 15 10 5 2Phi/Plo 11 16.5 33 82.5冲洗比(%) 20.4 13.5 6.6 2.57清洁比 2.24 2.23 2.19 2.12增加的压缩机功率(W) 930 560 260 100真空泵功率(W) 0 90 130 100干燥用总功率 930 650 390 200(W)产品回收率(W) 83 88 94 97.5
可以看出非渗透气/渗透气之压力比Phi/Plo随真空度增大(即Plo值减小)而增加，而且所需的冲洗气量(按原料气的%表示)也显著减小。由于需要较少的目的产品气体作为冲洗气而明显增加产品的回收率。此外还令人惊奇和出乎意料地发现，实施本发明时随着膜渗透侧真空条件的加深能使增加压缩功率的要求极显著地减少。当将运转本发明使用的真空泵所需的功率加到其上时，令人惊奇和出乎意料地发现随着渗透侧压力的降低(如降至2psia)这种真空冲洗干燥过程的总功率要求显著降低。本领域中普通技术人员会知道，作为全面评价发明相对于传统方法优点的一部分，真空泵的成本和由其招致的复杂性必须结合在实际工业操作中使用本发明的全部技术上和经济上的可行性。作这种成本上的考虑时发现，采用低真空条件不是传统方法的有吸引力的替代方案。但是当将Plo降低到大约0.1～7.5psia范围时，优选上面指出的范围时，意料地发现所减少的操作功率要求超过补偿采用真空泵带来的额外花费。因此，在如此低真空条件下实施本发明所使重要的气体干燥操作在提高的干燥效率下进行。
表1的结果清楚地说明，Plo越低，在本发明的真空冲洗操作中所能获得的总效率就越大。但是适于本发明目的真空压力范围一般为大约0.1～7.5psia，或者在不需要使用真空泵产生真空时为不高于约10psia，如上所述。如果欲将压力比Phi/Plo增加到约100以上，则所需使用的冲洗气量可以进一步减少，但是产品回收率的增加并不显著。不仅如此，在隔膜干燥器产品端存在的冲洗气量，最好少得可以忽略不计。表Ⅰ说明，在所试验的情况下清洁比仍然保持为2左右。传统方法获得的最低Plo，也受水的蒸汽压(100°F下接近1psia)制约。而且，可以使用相当简单的真空泵获得指出过的真空压力水平，而要获得更低的真空压力值将需要更复杂和昂贵的真空泵。
实施例2本例与实施例1类似，除了冲洗采用外部干燥空气源之外，其它条件与实施例1相同。
在本例中将会看到，由于更换了冲洗气而不存在产品气损失，而且在采用真空冲洗时压缩机能量的需求也不减少。本发明的真空方法由于真空冲洗操作而需要花费额外的能量，而且还必须提供超外的真空泵投资费。此外，采用所说的外部空气而不是再循环高纯产品气作为冲洗气时，外部空气中的一些氧不可避免地反渗透到产品气体之中。如表Ⅱ中所引证的结果表明的那样，本发明真空冲洗法的优点是反渗透量在本发明真空条件下被极大地降低。这个特点可以用来满足具体应用的产品纯度规范要求。此外，虽然人们一般认为干燥空气流可以在无成本和真空冲洗工序所需的数量下得到，但是作为冲洗气使用的干燥空气流的实际成本在实际的工业操作中却不是一项可以忽略的部分。因此，重要的是发现本发明的真空冲洗法使用的干燥空气量，仅仅占使用在大约大气压下可获得的冲洗空气的传统方法用量的13%。
如果氧的反渗透量(例如本发明实施例2方案中为26ppm)仍然高于能用的产品规范所允许的数值，则必须采用产品气冲洗法(如实施例1中所述)或者使用膜干燥法时需要低得多的真空度。如上面所建议的那样，由这种极低真空度要求而带来的花费，可能使这种方法从实际操作观点来看是不能实行的。
表Ⅱ参数 标准方法 真空法Phi(psia) 165 165Plo(psia) 15 2Phi/Plo 11 82.5冲洗比(%) 20.4 2.57清洁比 2.24 2.12真空泵功率(W) 0 100反渗的O2浓度(ppm) 196 26实施例3本例涉及在用产品气冲洗的独立过程中从环境大气中生产干燥空气。膜特点以及压缩机和真空泵的效率与上面在实施例1和2中涉及的相同。本例的生产要求是40psia(25psig)压力下流速为1000NCFH的干燥空气产品。产品的露点为-40°F，相当于含127ppm水分。可用的隔膜表面积为550平方英尺，而且在所规定的进气压力下和100°F下使原料空气被水饱和。
表Ⅲ条件A 条件B 条件C参数 低压,高于大气压 高压,高于大气压 真空,跨越大气压原料气中水(ppm) 23740 6330 23740原料气压力,Phi(psia) 40 150 40Plo(psia) 15 15 4Phi/Plo 2.67 10 10冲洗比(%) 85 10 20清洁比 2.27 1 2总压缩功率(KW) 7.80 3.33 1.46真空泵功率(KW) 0 0 0.57总功率(KW) 7.80 3.33 2.03在条件A下，将原料气压力提高到产品规范所需的数据下，并且在大气压力下排出废气。这构成一种简单的处理工序，但是却采用相对于原料空气流的高冲洗比而且需要高的原料气压缩能量。在条件B下，压缩机能量由于将原料气压力提高到10个大气压(150psia)而减小。干燥空气产品也在此压力(高于所需的)下输送，因此其中包含有过量的未被利用的能量。在这种情况下，所配置的膜表面积会渗透过全部需要加以除去的水分，即使清洁比被减小到规定的数值1时也是如此。实际上，在这些条件下采用较小的膜表面积和较高的清洁比可能是适宜的。
条件C代表本发明的跨越大气压法的一种理想方案，其中将原料气体压缩到非渗透的干燥产品气体所需的压力下，并且使膜的低压渗透侧处于压力为4psia的真空下。虽然此方法既需要压缩能量又需要抽真空能量，但是其能量效率高于条件A和B。此外，能量效率的这种提高足以补偿本发明中抽真空操作所需的在真空泵方面的额外开支。
应当知道，本发明膜干燥器中使用的膜组成，如上面指出的那样，应当是具有与被干燥的气体(即空气干燥时的氮和氧)相比高的水选择性，即与空气或被干燥的其它气体相比水分的渗透性须快得多。例如，对于从原料空气中有利地除去水分来说，水/空气分离系数至少应当为50，优选高于1000。此外，膜组成对于被干燥的气体，例如在空气干燥应用中的氮和氧来说，应当具有相当低的渗透性。醋酸纤维是满足此标准的膜材料的一种实例;也可以使用各种其它的膜材料，例如乙基纤维素、聚氨酯、聚酰胺、聚苯乙烯等等。
虽然在实施本发明时可以使用各种膜结构，例如螺旋缠绕膜和空心纤维膜结构，但是后者因为其提供有提高的表面积和装填密度而特别优选。在使用空心纤维束的本发明优选方案中，被干燥的原料空气或其它气体的通路可以是内一外型的(其中将原料气体通到空心纤维的孔中)，也可以是外一内型的(其中将原料气体通到膜纤维束的外部或壳侧，而渗透气从空心纤维的孔中回收)。正如1987年6月24日公开的第0226431号欧洲专利申请中所示的那样，对流膜式可以按下法制成在空心纤维束的纵向外表面上包裹一种不透水的阻挡层，但是靠近纤维束的一端适当设备一段未包裹的周边区。利用这种手段或其它手段可以使原料气体或渗透气体，按所需的操作方式(即内一外或外一内)在空心纤维外部平行于在空心纤维束孔中的渗透气或原料气的流动方向对流式通过。例如使处于空心纤维束外侧的原料气体在与纤维束的中心轴线平行而非成直角地流动。应当理解到所说的膜纤维既可以直接组装得与纤维束的中心轴线平行，也可以而且优选将其以螺旋方式缠在中心轴线周围。但是无论在何种情况下，所说的不透水的阻挡层可以是一层抗渗膜，例如聚乙二烯等等。或者，不透水的阻挡层也可以是一种抗渗透的涂料(例如用无害的溶剂涂布的聚硅氧烷)或者在膜纤维束外设置并紧裹其上的收缩套层。所说的不透水层如此包裹住空心纤维或其它膜束;正如所说公开的专利申请所披露的那样，不透水层具有能使气流流入或流出膜纤维束的孔，从而使所说流体沿着大体上与纤维束轴线平行的方向流动。对于本发明来说，所说的流动方式应当是一种对流式，即湿原料空气或其它气流相对于包含按上述方式供给的冲洗气和渗透通过膜材料的水分的渗透气对流。
对本发明目的来说，优选不对称的或复合材料的膜，因为它们具有很薄的膜分离区域或分离层，这些区域或层由多孔性基层支撑以提高其机械强度支撑作用。也可以使用微密的纤维膜，但是由于其固有的更大分离区厚度而有极低的渗透速率。
虽然上面具体针对其十分需要的气体干燥应用对本发明作了说明，但是应当知道本发明也可以针对其它工业重要的气体分离进行实施。因此，本发明可以用于希望从原料气流中除去从工艺气流中吸收的CO2和NH3之类除水之外的快速渗透成分的用途上。此外，对于分离回收氮产品气，特别是在采用的膜系统(如简化的迁移膜)对原料空气中氧成分表现出增大的渗透性的情况下作空气分离时，本发明具有显著意义。
因此，除了上述的本发明的十分需要的气体干燥用途之外，从原料气流中分离所说的CO2、NH3和O2之类快速渗透成分也属于本发明范围。
由上述可知，本发明代表着膜分离领域中的一种显著进步。因此，本发明采用所需的少量冲洗气和在低总能耗的条件下，能够进行高效的气体分离操作和其它气体分离操作。
权利要求
1.一种改进的隔膜气体分离法，其中包括(a)将原料气流通到一膜系统的非渗透侧，在原料气压下或在高于大气压下，该膜系统能选择性地使所说原料气中的快速渗透成份渗透；(b)以与所说原料气流对流方式向膜系统的渗透侧通入冲洗气体，以便于从膜的表面带走所说的快速渗透成分并且保持通过膜从原料气流中除去快速渗透成分所需的驱动力，利用真空泵手段使膜的所说渗透侧保持在大约0.1～7.5psia范围内的低于大气的压力下；(c)从膜的非渗透侧回收产品气流；以及(d)从膜的渗透侧排出冲洗气和透过膜的快速渗透成分，以便于由所说的真空泵手段在膜的渗透侧维持的真空条件增进气体分离操作的效率，从而降低总能耗。
2.权利要求1的方法，其中所说的渗透侧压力为大约0.5～5.0psia。
3.权利要求2的方法，其中所说的渗透侧压力约为1～4psia。
4.权利要求1的方法，其中所说的原料气包括含水的空气而且产品气体包括干燥空气。
5.权利要求1的方法，其中所说的冲洗气体包括自膜回收的部分产品气流。
6.权利要求4的方法，其中所说的冲洗气包括从膜回收的部分干燥产品气流。
7.权利要求1的方法，其中所说的原料气压力约为大气压～170psia。
8.权利要求1的方法，其中所说的原料气流包括空气，而且所说的产品气体包括氮气。
9.一种改进的隔膜气体分离系统，其中包括(a)能够选择性使原料气流中快速渗透成分透过的渗透膜;(b)原料气压力等于或高于大气压下将原料气流送到膜非渗透侧用的导通手段;(c)以与所说的原料气流的流动呈对流方式将冲洗气体通到膜渗透侧的导通手段;(d)使膜的渗透侧保持在大约0.1～7.5psia范围内的低于大气压力条件的真空泵手段;(e)从膜的非渗透侧回收产品气体的导通手段;以及(f)从膜的渗透侧排放冲洗气体和透过膜的所说的快速渗透成分用导通手段，由此在膜的渗透侧由所说的真空泵手段保持的真空条件提高气体分离操作的效率，从而降低其总能耗。
10.权利要求9的系统，其中所说的用于维持低于大气压条件的真空泵手段包括能够使渗透侧维持的低于大气压的压力处于大约0.5～5.0psia范围内的真空泵。
11.权利要求9的系统，还包括使一部分回收的气体返回用作所说冲洗气体的导通手段。
12.权利要求9的系统，还包括将原料气流压缩到所需原料气压力用的气体压缩机手段。
13.权利要求12的系统，其中所说的气体压缩机手段能够将原料气体压缩到不高于约170psia的压力下。
14.权利要求10的系统，其中所说的真空泵手段能够使低于大气的压力维持在约1～4psia。
15.一种改进的隔膜气体分离法，其中包括(a)将原料气流通到一膜系统的非渗透侧，在原料气压或高于大气压下，该膜系统能选择性地使所说原料气中的快速渗透成份渗透;(b)以与所说的原料气流的流动呈对流方式将冲洗气体通到膜系统的渗透侧，以便于从膜表面带走所说的快速渗透成分和保持通过膜从原料气流中除去快速渗透成分用的驱动力，不用真空泵手段使膜的渗透侧保持在处于大约10～13psia范围内的低于大气压力条件下;(c)从膜的非渗透侧回收产品气流，以及(d)从膜的渗透侧排出冲洗气体和透过膜的快速渗透成分，以便在不用真空泵手段而在膜的渗透侧维持真空的条件下提高气体分离操作的效率，从而降低其总能耗。
16.权利要求15的方法，其中所说的原料气体包括含水分的空气而且产品气体包括干燥空气。
17.权利要求15的方法，其中所说的冲洗气体包括从膜回收的部分产品气流。
18.权利要求16的方法，其中所说的冲洗气体包括从膜回收的部分干燥产品气流。
19.权利要求15的方法，其中所说的原料气压力从大约大气压至大约170psia。
20.权利要求15的方法，其中所说的原料气流包括空气，而且所说的产品气体包括氮气。
21.一种改进的隔膜气体分离系统，其中包括(a)能够从原料气流中选择性透过快速渗透成分的渗透膜;(b)在原料气压力等于或高于大气压力条件下，将原料气流通到膜非渗透侧用的导通手段;(c)以与所说的原料气流的流动呈对流方式将冲洗气体通到膜渗透侧用导通手段;(d)不用真空泵手段在膜渗透侧保持低于大气压的压力于大约10～13psia范围内手段;(e)从膜非渗透侧回收产品气体的导通手段;以及(f)从膜渗透侧排放冲洗气和透过膜的所说快速渗透成分用导通手段，以便使不用真空泵手段而在膜渗透侧保持真空的条件下提高气体分离操作的效率，借以降低其总能耗。
22.权利要求21的系统，还包括使部分回收的产品气体返回用作所说冲洗气体的导通手段。
23.权利要求21的系统，还包括将原料气流压缩到所需的产品气压力用气体压缩机手段。
24.权利要求23的系统，其中所说的气体压缩机手段能够压缩原料气体到不高于约170psia压力下。
25.权利要求23的系统，其中所说的在膜渗透侧保持低于大气压力的手段，包括将所说的排放冲洗气体和所说的快速渗透成分的导通手段连接到所说气体压缩机手段抽力下的手段。
全文摘要
在膜渗透侧通过采用低真空来进行高效的膜干燥和其它气体分离。
文档编号B01D53/22GK1071347SQ9211208
公开日1993年4月28日 申请日期1992年10月6日 优先权日1991年10月7日
发明者R·普拉萨德 申请人:普拉塞尔技术有限公司