采用膜的气体分离装置的气体组成控制的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及控制气体分离装置的方法、由此控制的装置及其用于分离气体混合 物，尤其是在生物气或天然气处理中的用途。
【背景技术】
[0002] 膜已知用于借助其可以在压力驱动法中将气体相对容易地互相分离。气体在此以 低花费，但多数也以产物的较低纯度彼此分开。尤其当在气体混合物的情况下二元混合物 的两种组分都要以尽可能纯形式分离时，与简单的单级互连布置的情况（其中例如只必须 以一定纯度制备渗余物组分，而渗透物可以弃置（例如由空气生产氮气））相比，需要对膜 的技术布置和工艺的控制投入更大的花费。例如二氧化碳和甲烷（例如在天然气或生物气 中）的分离需要这种提高的花费，其中甲烷首先作为有价值的材料应当尽可能进入到产物 气体中以由此实现最大增值，并应当以尽可能低的浓度存在于废气中，因为甲烷是对气候 有害的气体并且不应进入大气。在合成气分离成一氧化碳和氢的情况下也存在类似的任务 提出。
[0003] 各组分在膜的渗余物侧和渗透物侧之间的分压差是用膜分离二元气体混合物的 经典分离中的分离驱动力。在此，在渗余物侧上的一定压力水平下，可驱使一定量的气体混 合物穿过该膜以获得较慢的组分在渗余物气体中的一定浓度。如果这时进料气的组成改 变，则渗余物气体和渗透物气体的组成也会改变。在进料气量改变时，该系统发生相同的改 变。通常，取渗余物气体和/或渗透物气体中的浓度变化作为控制变量，并因此调节进料气 量或渗余物压力以重新建立渗透物和/或渗余物中的所需浓度。这种控制方案的实例可见 于例如 EP 1 324 815、US 4, 806, 132 和 US 5,281,253。
[0004] 如以上所提到，经常使用多级膜互连布置以分离尽可能纯的最终产物。其实例可 见于 WO 2012/000727、US 6, 565, 626 和 US 6,168,649。
[0005] 在单级或渗余物分级的两级或三级互连布置中产物流中的浓度调节无法在这两 种浓度不互相影响的情况下进行。如果改变例如渗余物产物流中的渗余物压力（=该系统 的主压力或运行压力），则渗余物的组成以及渗透物的组成都改变。类似的情况也适用于进 料气量的改变。
[0006] 如申请W02012000727 Al中所已经公开的三级互连布置的使用允许在分离甲烷和 CO2的混合物中使甲烷以高于99 %的收率纯化，其中渗余物气体和渗透物气体的纯度明显 超过97%。这种方法中因此在三级互连布置中分离至少两种组分的气体混合物，以在该气 体混合物是二元混合物时可以相对较纯的形式分离两种组分。但是，如果在此方法中粗气 体的组成改变或如果要处理更大或更少量的粗气体，则渗余物气体和渗透物气体的组成在 每种情况下会显著改变，这是不合意的。因此，将这种气体分离装置连接到例如生物气装置 上是成问题的。这是因为如果通过主压力（=运行压力或渗余物产物流中的压力或渗余物 产物气体压力）的改变对抗控制进料流中的变化，则渗余物体积流量也会改变。这在许多 情况中是不合意的，因为在这些情况中将气体送入输送线路而后者需要最小压力以及经常 还是最小和/或最大体积。因此在现有技术中（例如在EP I 324 815中）部分提议在产 物流中安装另一压缩机以调节输送线路的压力。这在能量方面不利并且就控制技术而言昂 贵并不方便，因此商业吸引力较小。此外，如上文解释，三级互连布置中无法通过调节主压 力来独立于渗余物品质地影响渗透物品质。
[0007] 因此仍然非常需要气体混合物分离的装置和/或其控制，其可连接到具有变动的 粗气体组成、压力和量的气体源上并可以同时以高纯度、以恒定品质和恒定的产物气体压 力输出至少两种产物。
【发明内容】
[0008] 本发明的一个目的因此是提供控制气体分离装置的方法和由此控制的气体分离 装置，其不具有或仅以降低的程度具有现有技术方法和装置的缺点。
[0009] -个特定目的是提供各自能够同时以高纯度输出至少两种产物的方法和装置。 [0010] 一个非常特定的目的是提供即使粗气体组成和/或压力和/或量变化时也能够同 时以高纯度输出至少两种产物的方法和装置。这种装置或这种方法更特别还应允许优选在 连续运行中提供恒定的品质，即在窄变动范围内。
[0011] 本发明的方法或装置在一个特定目的中应该特别灵活且渗余物和渗透物品质应 该可以彼此独立地控制。在一个非常特定的目的中，应该可以改变该装置的产能，例如以顺 应粗气流的变化，而不必开通或关闭膜面和/或改变主压力（渗余物产物气流的压力），以 获得无需额外再压缩就适合用作气体输送线路的优选连续的进料的产物气流。
[0012] 本发明的控制系统应该优选简单并任选地可集成在现有装置中。
[0013] 从本说明书、实施例、权利要求书和附图的整体关联可看出没有明确提及的其它 目的。
[0014] 通过根据权利要求1和17的装置或通过根据权利要求9的方法实现了本发明的 目的。
[0015] 本发明的方法和本发明的装置的特征在于，它们是一种膜互连布置，其包含至少 进料流分离级1、渗余物分离级2和渗透物分离级3,其中渗余物分离级2的第二渗透物流 9a+9b和渗透物分离级3的第三渗余物流10a+10b再循环并与粗气流混合。通过控制这两 个流9a和IOa的流量和因此控制渗余物分离级2的渗透物压力和/或渗透物分离级3的 渗余物压力，令人惊讶地成功实现所述目的。
[0016] 本发明人由此成功地提供一种方法和一种装置，在其中可以彼此独立地控制渗余 物分离级2和渗透物分离级3的产物流的纯度和收率。甚至在粗气流波动的情况下也可获 得非常高的收率以及同时非常好的纯度。
[0017] 采用本发明的方法还可以使主压力（渗余物分离级2的渗余物压力）保持恒定， 使得本发明的装置无需附加压缩装置就可连接到气体输送线路。
[0018] 本发明的装置特别好地适合用于处理来自生物气装置的粗气流。在这种类型的装 置中，生成的粗气体的量和粗气体的组成极常改变。本发明的控制系统无问题地补偿这些 波动。
[0019] 本发明的调控系统简单并可集成在现有气体分离装置中。
[0020] 本发明的方法也灵活，因为可以独自或一起使用多种不同种类的传感器。可以利 用料流的组成调控分离级2和3中的压力，就像向这些分离级供应的料流的流量那样。特 别地，在使用流量传感器的情况下，由此可以在校准后提供有利、快速、准确和简单的方法。
[0021] 因此本发明提供根据权利要求1和17的装置和根据权利要求9的方法。在从属 权利要求中要求保护优选实施方案。
[0022] 下面详细描述本发明。首先定义一些重要的术语。
[0023] 各气体的渗透性的比率得到膜对关于这两种气体的分离的选择性并因此表明该 膜能够多么有效地将气体混合物关于这两种组分进行分开。术语"渗透物"是指在膜、膜组 件或膜分离步骤的低压侧上生成的整个料流。
[0024] 渗透物气体是指膜上、膜组件上或膜分离步骤中各自在渗透物流中与各自的进料 流相比富集的一种或多种组分。
[0025] 渗余物是指在膜、膜组件或膜分离步骤的高压侧上生成并且未穿过膜的整个料 流。
[0026] 渗余物气体是指膜上、膜组件上或膜分离步骤中各自在渗余物流中与各自的进料 流相比富集的一种或多种组分。
[0027] 粗气体或粗气体混合物或粗气流17是指至少两种气体的气体混合物或这种气体 混合物的料流，其要使用本发明的方法和/或本发明的装置分离。
[0028] 进料流5是指向进料流分离级1供给的气流。在该方法的实施开始时，这种料流 可对应于粗气流17或通过压缩机压缩的粗气流。在第二渗透物流9b和第三渗余物流IOb 再循环后，进料流5由粗气流17、第二渗透物流9b和第三渗余物流IOb的气体构成。可通 过料流9b和IOb都与未压缩的粗气流17混合或都与压缩的粗气流混合或一种与未压缩的 粗气流混合且一种与压缩的粗气流混合，或通过料流9b和/或IOb在压缩机中与粗气流17 混合来获得进料流5。上述变化方案的组合也构成的本发明的主题。
[0029] 进料流分离级1是指用于将进料流5分离成第一渗透物流6和第一渗余物流7的 膜分离级。
[0030] 渗余物分离级2是指用于将第一渗余物流7分离成第二渗透物流9a+9b和第二渗 余物流8的膜分离级，其在构造上可以与进料流分离级1相同或不同。
[0031] 渗透物分离级3是指用于将第一渗透物流6分离成第三渗透物流11和第三渗余 物流10a+10b的膜分离级（其构造可以与进料流分离级1和/或渗余物分离级2相同或不 同）。
[0032] 借助本发明方法的下述优选和具体实施方案以及优选和特别合适的实施方式以 及附图和【附图说明】仅仅例示性地进一步阐述本发明；也就是说，本发明不限于这些实施例 和应用例或不限于各实施例内的各自的特征组合。
[0033] 与具体的实施例相关地指出和/或描述的独立特征不限于这些实施例或不限于 与这些实施例的其余特征的组合，而是可以在技术可能性的范围内与任何其它变化方案组 合，即使在本文中它们没有单独论述。
[0034] 各图和附图图示中相同的标记是指相同或类似的部件或以相同或类似的方式工 作的部件。借助附图中的描绘，也可明显看出无标记的那些特征，无论随后是否描述这些特 征。另一方面，本说明书中包括的但在附图中不可见或没有描绘的特征也是本领域技术人 员可容易理解的。
[0035] 本发明涉及一种气体分离装置，其包括作为膜分离级的至少进料流分离级1、渗余