专利名称：分离方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过使用薄膜从供应气体流中分离出组分的方法和设备，所述薄膜由能够在高的操作温度下并且在至少部分通过使用吹扫气体流而建立的正分压差值的推动下输送所述组分的材料形成。更特别是，本发明涉及这样一种方法和设备，其中所述吹扫气体流包括处于或接近超临界状态的单组分或多组分流体或包含较高和较低沸点组分的多组分流体。
背景技术：
现有技术中存在多种薄膜，这些薄膜能够在超过250 °F的温度下操作时从供应气体流中分离出组分。这些薄膜可用来将要进行分离的组分从薄膜一侧(公知为滞留物侧) 输送到另一侧(称为渗透侧)。例如，在氢分离过程中，用来分离氢的薄膜由位于多孔担载材料上的钯或钯合金的薄层形成。在高温下，在含氢供应流接触薄膜的滞留物侧时，氢原子将经由钯的晶格扩散到相对的渗透侧，并作为纯氢出现。氢输送薄膜的实例可以在美国专利No. 5652020中找到，该专利描述了包括沉积在多孔陶瓷担载层上的钯层的氢输送薄膜。除了以上所述之外，某些陶瓷材料能够在分压差值的推动下通过传导质子而用作氢输送薄膜。这些薄膜的实例可以在美国专利 No. 6066307和No. 6037514中找到。多孔薄膜还可用来根据分子特性例如尺寸和形状来选择性地输送氢。这些薄膜的实例可以在美国专利No. 6527833和No. 7074734中找到。应注意到在氢输送薄膜的使用中，氢输送薄膜可与设计成产生含氢流(从中分离出氢)的过程相组合。例如，在美国专利No. 6783750中，披露了一种反应器，其中通过氧输送薄膜产生的氧与含碳氢化合物供应气流反应，以便形成合成气体，通过使用氢输送薄膜从合成气体中分离出氢。氢输送薄膜的渗透侧通过蒸汽吹扫，以便降低渗透侧上的氢分压，并有助于在薄膜上驱动氢分离。如上所述，通过这些薄膜的使用而进行的组分分离通过组分在薄膜相对侧上的分压差值来驱动。这种分压差值可通过压缩含组分供应流和/或通过将吹扫气体流引至薄膜的渗透侧以便移除被分离的组分来建立，如美国专利No. 6783750所示。吹扫气体流的使用具有减小供应气流的压缩需求以及分离过程中所消耗的电能的优点。由于只需要分压差值来驱动分离，因此吹扫气体流可在压力下引入，使得该组分在与吹扫气体材料分离之后在这种压力下进行输送。另外，对于给定的分离，可以在使用吹扫气体流时减小薄膜面积。由于钯的成本，这对于钯薄膜是特别有利的。虽然吹扫气体可以是压缩气体，但是更有利的是使用通过泵压加压的液体并接着将所述液体蒸发成气体。通常一个有利之处在于与压缩机相比，泵具有非常小的投资和操作成本。此外，在该组分将要与含组分吹扫气体流分离时，这种气流可被凝结，使得所述组分可作为含组分吹扫气体流的最后所得到的蒸气相而被移除。由此的问题在于必须供应热量来蒸发不容易回收的泵压液体。例如，蒸汽已被用作与钯氢输送薄膜相关的吹扫气体流。 但是，一旦氢或其他被分离的组分已被添加到蒸汽内，蒸汽的分压降低，从而减小其凝结温度。考虑到蒸汽在给定压力下的蒸发和凝结温度是相同的，例如在等于大气压力的分压下为100°C，并且考虑到蒸发和凝结温度是水蒸气的分压的正函数，在含组分蒸汽和补充水之间输送蒸发潜热是不可能的。蒸汽将在低于蒸发水所需的温度的温度下凝结。因此，在蒸汽被用作吹扫流时，吹扫流必须被过度加热到在热交换器内具有大的温度差的程度。问题在于在蒸汽的情况下为了在热交换器内保持温度差而在加热吹扫流过程中消耗的能量特别高，并且另外，热量可能不容易回收。这是由于虽然蒸汽过度加热的程度会足以蒸发水， 一旦组分被添加到蒸汽内，凝结温度将降低，并且大部分蒸汽将不在热交换器内凝结。蒸汽的随后凝结将实际上造成不能回收的热量损失。作为另一可选方式，如果吹扫气体流不含有足够的过度热量来使得水沸腾，大部分蒸汽可能会在热交换器内凝结，从而将水加热到其沸点附近，但是需要另外的高温热量来使得水沸腾。从产生使水沸腾所需的高温热量中将造成大量的能量损失。如下文中所述，本发明提供一种方法和设备，其中使用吹扫流来吹扫气体不能透过的薄膜，与上述的现有技术相比，该方法和设备被设计成使得热量以更加高效的方式得到回收。
发明内容
本发明提供一种从供应气体中分离出组分的方法。根据这种方法，将供应气流引至薄膜的滞留物侧，并且将该组分从供应气流中分离出，使得通过在滞留物侧和渗透侧之间产生该组分的正分压差值从而在薄膜的渗透侧收集该组分。将吹扫流循环到薄膜的渗透侧，以便至少部分产生正的分压差值，并由此形成含组分吹扫流。通过将液体状态的吹扫流泵压达到超临界压力并接着将该吹扫流加热到不小于超临界温度以下100 °F的温度水平来形成吹扫流。该吹扫流至少部分地通过与含组分吹扫流间接热交换来加热，由此冷却含组分吹扫流，并由具有其蒸气相的组分的含组分吹扫流形成两相流。冷却两相流，使得两相流的液体相富含构成该吹扫流的物质，并且其蒸气相富含该组分。分离蒸气相与液体相，以便形成含有该组分的组分富含流以及含有该物质的残留液体流。使残留液体流作为液体状态的吹扫流的构成的至少一部分重新循环。在这种实施例中，吹扫流被加热，以便形成处于或接近超临界状态或从该状态进行冷却的流体。因此，含组分吹扫流内的热量在加热液体状态的吹扫流时被回收，同时从含组分吹扫流形成蒸气相和液体相，因此从这种过程中损失的热量较少。在本发明的另一方面中，吹扫流由多组分流体形成，该多组分流体包括至少一种高沸点组分和至少一种低沸点组分的混合物。蒸气状态的吹扫流被循环到薄膜的渗透侧。 蒸气状态的吹扫流过加热液体状态的吹扫流来形成。吹扫流至少部分通过与含组分吹扫流间接热交换来加热。因此，含组分吹扫流中所含的至少一种高沸点组分被至少部分凝结， 并且由具有其蒸气相的该组分的含组分吹扫流形成两相流。另外，液体状态的吹扫流中的至少一种低沸点组分被至少部分蒸发。在此实施例中，再次，由于在凝结高沸点组分的同时，在蒸发低沸点组分时回收含组分吹扫流中的热量，该过程中损失较少热量。这里应注意到由于低沸点组分也可以是液体相的形式，因此至少一种高沸点组分被说成“至少部分凝结”，并且至少一种低沸点组分被说成“至少部分蒸发”。其程度取决于两种组分的相对挥发性以及与碳氢化合物的可溶性相关的其他公知因素。
在任何方面，所述组分可以是氢。在适用于本发明的任何方面的具体实施例中，含组分吹扫流在第一热交换器内将热量间接交换到液体状态的吹扫流，并且吹扫流可以在被引至的薄膜的渗透侧之前进一步在第二热交换器内受到加热。供应流还可以在被引至薄膜的滞留物侧之前在第三热交换器、第四热交换器和第五热交换器内受到加热。两相流通过在第三热交换器内和水冷却热交换器内与供应流间接热交换地输送两相流来冷却，并且蒸气相通过将两相流从水冷却热交换器输送到相分离器而与液体相分离。从薄膜的滞留物侧排出的滞留物流在第四热交换器内与供应流间接热交换地输送。被加热的流在第五热交换器内与供应流间接交换热量， 并且接着在第二热交换器内与吹扫流间接交换热量。在另一实施例中，含组分吹扫流在第一热交换器内将热量间接交换到液体状态的吹扫流，并且吹扫流在被引至薄膜的渗透侧之前进一步在第二热交换器内受到加热。供应流在被引至薄膜的滞留物侧之前在第三热交换器、第四热交换器和第五热交换器内受到加热。两相流通过在第三热交换器和水冷却热交换器内与供应流间接热交换地输送两相流来冷却，并且通过将两相流输送进入位于第三热交换器和水冷却热交换器之间的第一相分离器以形成蒸气流和液体流，将蒸气流输送到水冷却热交换器并接着到第二相分离器使得蒸气流的一部分在水冷却热交换器内凝结，并且在第二相分离器内形成残留的液体流和富含组分流，来分离两相流。液体流被重新循环，并且与液体状态的吹扫流相组合，以便形成液体状态的吹扫流的构成的另一部分。滞留物流在第四热交换器内与供应流间接热交换地输送。被加热的流在第五热交换器内与供应流间接交换热量，并且接着在第二热交换器内与吹扫流间接交换热量。在适用于任何方面的本发明的一个具体实施例中，天然气流被压缩以便形成压缩的天然气流。含氧流被压缩，在预热器内预热，并且与由已被预热的被压缩天然气流的一部分形成的第一分支天然气流相组合，由此形成组合的流。组合的流被引入催化反应器，以便形成合成气流，并且合成气流被引入锅炉中以产生蒸汽且蒸汽的一部分在已被压缩之后与含氧流间接热交换地输送，从而预热含氧流，并且该蒸汽的另一部分被引入合成气流中且该蒸汽的又一部分被输出。一氧化碳和合成气流内的蒸汽受到水-气体转移反应，使得一氧化碳和蒸汽反应，并由此在转移流中形成另外的氢。在这种实施例中，转移流是供应流， 并且由被压缩天然气流的另一部分形成的第二分支天然气流与滞留物流相组合，形成流向气体涡轮机的燃料流。在适用于其两个方面的本发明的另一实施例中，在添加蒸汽之后的合成气体形成供应流，并且薄膜容纳在含有靠近薄膜的滞留物侧或位于该侧上的水-气体转移催化剂的反应器内，由此使得蒸汽和供应流内所含的一氧化碳反应，形成另外的氢和二氧化碳，并且由被压缩的天然气流的另一部分形成的第二分支天然气流与滞留物流相组合，形成流向气体涡轮机的燃料流。在适用于其两个方面的本发明的一个实施例中，富含组分流被引入分离单元，以便从富含组分流中分离出该组分，并由此形成进一步纯化的富含组分流(进一步富含该组分)以及包括该物质的回收流。回收流被重新循环到同样用于分离在两相流中的液体相和蒸气相的相分离器。本发明的再一进一步方面涉及一种用于从供应气流中分离出组分的设备。根据这种进一步方面，薄膜单元，所述薄膜单元具有至少一个薄膜，所述至少一个薄膜被构造成在薄膜的滞留物侧上面接收供应流并且从供应气流中分离出该组分，使得当在滞留物侧和渗透侧之间产生该组分的正分压差值时在薄膜的渗透侧收集该组分。流动网络，所述流动网络被构造成接收作为液体状态的吹扫流的构成的至少一部分的残留液体流，并将吹扫流循环到薄膜的渗透侧，由此至少部分产生正分压差值，并由此形成含组分吹扫流。泵，所述泵被定位在流动网络内，使得液体状态的吹扫流被泵压达到超临界压力。热交换器，所述热交换器被定位在流动网络内，并构造成在含组分吹扫流和被泵压之后的液体状态的吹扫流之间间接交换热量，使得吹扫流被至少部分加热到不小于超临界温度以下100下的温度水平，并且含组分吹扫流被冷却，由此形成由具有其蒸气相的组分的含组分吹扫流形成的两相流，并且两相流被冷却使得两相流的液体相富含构成吹扫流的物质，并且其蒸气相富含该组分。至少一个相分离器，所述相分离器被定位在流动网络内，以便接收已被冷却之后的两相流，由此分离液体相和蒸气相，并形成含有该组分的富含组分流和残留液体流。在另一方面，本发明提供一种设备，该设备被设计成利用吹扫流，所述吹扫流包括由至少一种高沸点组分和至少一种低沸点组分的混合物形成的多组分流体。根据本发明的这一方面，泵被定位在流动网络内，使得液体状态的吹扫流被加压。热交换器被构造成在已被泵压之后在含组分吹扫流和液体状态的吹扫流之间间接地交换热量，使得液体状态的吹扫流内所含的至少一种低沸点组分至少部分蒸发，并且含组分吹扫流内的至少一种高沸点组分至少部分凝结。在本发明的任何重要的方面中，该组分是氢。热交换器可包括第一热交换器、第二热交换器、第三热交换器、第四热交换器、第五热交换器以及水冷却热交换器。第一热交换器与泵和薄膜的渗透侧流体连通，使得含组分吹扫流与液体状态的吹扫流间接交换热量，并由此形成两相流。第二热交换器在第一热交换器和薄膜的渗透侧之间连通，并且被连接到第五热交换器，使得经过并从第五热交换器排出的被加热的流在第二热交换器内进一步加热吹扫流。第三热交换器被构造成接收供应流。第三热交换器、第四热交换器和第五热交换器串行连接，使得供应流在第三热交换器、第四热交换器和第五热交换器内相继加热。第五热交换器与薄膜的滞留物侧流体连通， 使得已被加热之后的供应流被引到薄膜的滞留物侧。第三热交换器被连接到第一热交换器，使得两相流通过供应流冷却。第四热交换器与薄膜的滞留物侧流体连通，使得从滞留物侧排出的滞留物流进一步加热供应流。水冷却热交换器被连接到第三热交换器，使得两相流进一步在水冷却热交换器内冷却，并且至少一个相分离器是连接到水冷却热交换器以便接收两相流的单一相分离器。在另一可选实施例中，至少一个相分离器是第一相分离器和第二相分离器。第二相分离器连接到水冷却热交换器，并且第一相热量交换器连接在水冷却热交换器和第三热交换器之间，从而在第一相分离器内形成蒸气流和液体流。蒸气流接着来到水冷却热交换器，使得蒸气流的一部分凝结，并且在第二相分离器内形成残留液体流和富含组分流。另一泵连接到第一相分离器以及第一热交换器和第二热交换器之间，使得液体相流在第一热交换器和第二热交换器之间与吹扫流相组合。第一压缩机可设置成压缩天然气流，并由此形成压缩的天然气流，并且第二压缩机设置成压缩含氧流。预热器定位成在压缩之后预热含氧流以及在压缩之后由天然气流的一部分形成的第一分支天然气流。催化反应器设置成与预热器流体连通，使得包括第一分支天然气流和含氧流的合成流被引入催化反应器，以便形成合成气流。锅炉被构造成接收合成气流，以便加热锅炉供应水，并因此产生蒸汽。锅炉被连接到预热器，使得蒸汽的一部分与已被压缩之后的含氧流间接热交换地经过，以便预热含氧流，并且水-气体转移反应器连接到锅炉，使得该流的另一部分被引入合成气流，并且合成气流内的一氧化碳和蒸汽在水-气体转移反应器内进行水-气体转移反应，使得一氧化碳和蒸汽反应，并由此形成含有另外氢的转移流。通过出口将该流的另一部分从锅炉排出，并且该薄膜单元被来连接到水-气体转移反应器，使得被转移流作为供应流被引到薄膜的滞留物侧，并且还与第一压缩机流体连通，使得由被压缩天然气流的另一部分形成的第二分支天然气流与滞留物流相组合，以便形成流向气体涡轮机的燃料流。在本发明的另一实施例中，锅炉被连接到预热器，使得流的一部分与已被压缩之后的含氧流间接热交换地经过，以便预热含氧流，并且薄膜单元被连接到锅炉，使得流的另一部分和合成气体相组合，并且作为供应流被引到薄膜的滞留物侧。薄膜单元包括靠近薄膜的滞留物侧或位于薄膜的滞留物侧上的水-气体转移催化剂，由此使得合成气流中所含的蒸汽和一氧化碳反应，形成另外的氢。通过出口从锅炉排出该流的另一部分，并且薄膜单元也与第一压缩机流体连通，使得由被压缩的天然气流的另一部分形成的第二分支天然气流与滞留物流相组合，形成流向气体涡轮机的燃料流。在本发明的任何实施例中，分离单元可被连接到至少一个相分离器，以便接收富含组分流。分离单元被构造成从富含组分流中分离出组分，并由此形成进一步纯化的富含组分流(进一步富含该组分)，以及包括所述物质的回收流。流动网络被构造成使得回收流循环到上文中所述的单个或第二相分离器。
虽然说明书以明确指出本申请人要求保护的主题的权利要求书作为结尾，但是确信的是结合附图将会更好地理解本发明，在所述附图中图1是用于实施根据本发明的方法的设备的流程示意图；图2是图1所示的另一可选实施例的流程示意图；图3是图1所示的另一可选实施例的流程示意图；图4是用于实施根据本发明的方法的另一实施例的流程示意图；以及图5是图4所示的另一可选实施例。
具体实施例方式虽然以下的描述将集中在其目的是使用钯或钯合金薄膜来进行氢的分离和/或形成的多个本发明实施例，但是本发明的范围不局限于此。因此，在某些宽泛的方面中，本发明可应用于多种工业过程，这些工业过程包括氦的分离，用于氦的制造或其中使用吹扫流来降低在薄膜的渗透侧分离的组分的分压的供应流的纯化。参考图1，示出了设备1被设计成通过薄膜单元12的使用来从供应气流10中分离出氢。薄膜单元12具有由钯或钯的合金形成的一个或多个薄膜13。应该注意到为此目的也使用过铌和钽。如上所述，在至少其最宽泛的方面，本发明不局限于此，并因此，设备 1可被设计成具有不同类型的薄膜，例如沸石或多孔陶瓷的多孔薄膜、采用钙钛矿分离氢的质子式薄膜或者从供给中分离出氦的多孔薄膜。用于氢分离的多孔薄膜比钯薄膜具有更低的氢选择性。陶瓷质子导体将会需要使用更高的温度，并且不能提供比图示钯薄膜公知有利的优点。因此，优选地，薄膜13是担载在陶瓷担载件上的钯合金薄膜，如上所述。在钯和钯合金薄膜的情况下，在这样的一个或多个薄膜被加热到通常在大约 250°C和大约600°C之间的高操作温度时，并且在分压差值的推动下，氢将经由钯的晶格从薄膜13的滞留物侧14扩散到渗透侧16。下文将更加详细地描述，这种分压差值至少部分由于循环到薄膜13的渗透侧16的吹扫流18而引发形成的。所得的含组分吹扫流20在第一热交换器22内与液体状态的吹扫流18(被标识为液体流24)进行间接热交换，吹扫流18 被泵压达到超临界压力，或者是其低沸点组分将在第一热交换器22内至少部分蒸发的多组分混合物。对于含组分吹扫流20而言，由于含组分吹扫流20的冷却或在多组分流体的情况下高沸点组分的至少一种的部分凝结，热交换器将造成该流的一部分成为富含待分离的组分的蒸气。因此，在通过薄膜单元实现待分离组分部分分离的同时，能够回收热能。因此，可以在含组分吹扫流20内形成的某些液体中形成的液体流M内回收已经添加到含组分吹扫流20内的热能，实现该组分从含组分吹扫流20部分分离。为了高效地加热供应流10、回收热能并加热液体流M，流动网络被连接到薄膜单元12，并且被构造成将吹扫流18循环到薄膜单元12的渗透侧16，由此降低渗透侧16上的氢分压，从而驱动氢经由薄膜分离。流动网络具有用于此目的的泵以及将吹扫流加热到至少在薄膜单元12的操作温度的大约50下范围内。具体地，流动网络设置入口沈来接收构成流28和残留液体流30。泵32与入口沈流体连通，使得液体流34由下面将要描述的残留液体流30和构成流观形成。第一热交换器22与泵32和薄膜单元12的渗透侧16流体连通，以便对液体流M进行加热，从而形成局部被加热的吹扫流36。第二热交换器40连接在薄膜单元12的渗透侧16和第一热交换器22之间，以便进一步加热局部被加热的吹扫流36，从而形成吹扫流18。这里应该指出的是如上所述，吹扫流18可以是超临界流体。在这种情况下，泵23将液体流34泵压达到超临界压力。局部被加热的吹扫流36在离开第一热交换器22时可以是超临界流体，或者可以在第二热交换器40内进一步被加热，使得吹扫流18处于超临界状态。另一可选方式是， 吹扫流18的加热可以是接近超临界温度，即不小于超临界温度以下100 温度。在吹扫流18由多组分混合物形成的情况下，通常液体流34将被泵压达到超临界压力以下的高压， 使得氢产品可在所需压力下得到。但是，对于多组分流体来说，加压会较小，并且这种泵32 将会简单地用作循环泵。但是，在多组分混合物的情况下，在离开第一热交换器22时的局部被加热的吹扫流36可能会包括液体状态的一种或多种高沸点组分，这些组分可在第二热交换器40内蒸发。同时，串联连接的第三热交换器42、第四热交换器44和第五热交换器46也在其引到薄膜单元12的滞留物侧14之前加热供应气流10。被加热的供应气流10将同样加热薄膜13，使其保持在系统操作温度附近。由于吹扫流18也已被加热，这可能也有助于加热薄膜13。以将要描述的方式，在经过第一热交换器22之后的液体流M将部分是蒸气或处于超临界状态，或者如果经由与经过第一热交换器22的含组分吹扫气流20间接热交换而低于超临界温度的液体。含组分吹扫气流20通过使得吹扫流18经过薄膜单元12的渗透侧16来形成。热交换还将部分造成含组分吹扫流20同样经由冷却而处于液体状态。这形成了两相流48，其中该组分主要是蒸气相，而某些组分可以液体相的形式溶解。两相流48 经过第三热交换器42，在该热交换器处，两相流48局部冷却并接着在水冷却热交换器50内通过冷却水流52进一步得到冷却。因此冷却的两相流接着被引入相分离器M，其中液体相和蒸气相分离以形成富含组分流56和可以分离成残留液体流30和废物流60的液体相流 58。富含组分流56在所示实施例中是氢产品流。可以理解到，两相流48可以被引入定位在水冷却热交换器50和相分离器M之间的激冷器。通过在薄膜单元12内分离氢形成的滞留物流62从薄膜13的滞留物侧14排出， 并且被引入第四热交换器44，以便进一步加热供应气流10。滞留物流62被分成再循环流 64和燃料流66。燃料流66与含氧流68 —起供应到催化燃烧器70，形成经过第五热交换器 46的废气流72，以便与进入的供应气流10间接交换热量，并且随后经过第二热交换器40， 以便进一步加热局部被加热的吹扫流36。这里应该注意到滞留物流62可能比其它潜在的燃料等具有更大的价值，因此本发明的实施例有可能使得天然气或其它燃料在催化燃烧器70内燃烧，而不是滞留物流62。 另一种可选方式是要避免燃烧并且使用另一种热量源。虽然未示出，此过程有可能在可以提供用于吹扫流18的热量的大型设施内操作。在某些情况下，这种热量可使用蒸汽来提供。例如薄膜可在450 操作。550psig的饱和蒸汽具有480 0F的温度，并且可以用来将热量提供给薄膜。使用蒸汽提供热量具有优点，这是由于与燃烧器相比，这通常造成较低的投资成本。还应该指出的是上述的某些热交换器可以相组合。在某些情况下，在特别的热交换器内没有足够回收热量来证明其投资成本合理。在其它情况下，有可能将特别是在薄膜单元12附近的热量交换器相组合。例如，更多的热量可以在第五热交换器46内提供给供应流，使其加热超过其典型的供应温度。另外的热量可以经过薄膜13输送到吹扫流18，使其加热到薄膜操作温度。这可以消除第二热交换器40的需要，可以减小系统投资的成本， 而不牺牲性能和效率。在本发明的一个实施例中，泵32将作为液体状态的吹扫流的液体流34加压达到所得液体流M构成处于超临界压力的吹扫流的程度。该流在第一热交换器22和第二热交换器40内的进一步加热使得该流的温度升高到超临界温度的至少100°F内，并由此形成接近超临界状态或处于超临界状态的吹扫流18。在含组分吹扫流20与作为液体状态的吹扫流的液体流M间接交换热量时，温度将降低，并且因此作为两相流48，含组分吹扫流的一部分将是蒸气状态，而一部分将是液体状态。由于处于接近超临界状态或处于超临界状态， 在第一热交换器22内有很少或没有需要回收的离散潜热，相变所需的能量在一个温度范围上扩散，使得热量可从含组分吹扫流20连续地输送到液体流M。在某些情况下，由于物质的分压降低到其临界压力以下，流20是接近超临界状态的蒸气。在接近超临界状态下， 具有一些需要回收的离散潜热。与远离超临界状态的操作情况相比，接近超临界状态减小了离散潜热；在临界温度的100 °F内操作造成比操作温度较低的情况更小的潜热。由于相分离器M在临界温度以下，两相流48的液体含量可被分离，使得可以是所需压力下的氢产品流的富含组分流56得到回收。与低压回收成本相比，氢在高压下回收具有特别重要的经济优点，这是由于消除或减小了氢压缩的成本。物质的多种组分混合物也可用于构成流28。在这种情况下，泵32将液体流M加压达到超临界压力以下的程度，并且液体流M内的至少低沸点组分将在第一热交换器22 内蒸发，并且接着在第二热交换器40内进一步得到加热时，吹扫流18将完全蒸发或被过度加热。含组分吹扫流20在经过第一热交换器22时将冷却，并且因此主要含高沸点组分的混合物将至少部分凝结，以便形成两相流48。虽然，在使用多组分混合物时，不需要高压力，实际上超临界压力以下的高压将用来获得用于这种流的所需压力下的富含组分产品流 56。多组分物质的主要优点在于由于没有单个离散的相转变温度，而是相转变温度范围，提高了热交换效率，这是由于作为其高沸点和低沸点组分的特殊组分将在一定温度范围(并不是蒸汽或在其临界温度以下操作的另一单个组分的情况那样的单个温度)内从蒸气到液体改变状态。多组分流体的不利之处在于某些吹扫流材料将不可避免地离开系统，或是经由泄漏，或是作为蒸气保留在富含组分流56内。由于多组分流体包含具有不同挥发性的物质，较轻组分将趋于以高于较重组分的速度在流56中离开。这意味着吹扫流18的构成成分将随着时间而变化。为了防止这种情况，可以添加构成流观。在多组分流体的情况下，将需要仔细分析，并且添加多种组分，以便保持所需的混合物构成成分。另一可选方式是，液体流M的构成成分可在操作范围内变化，使其具有足够低的沸点组分，从而在第一热交换器22内被加热时至少部分蒸发，并且含组分吹扫流20具有足够的高沸点组分，以便在第一热交换器22内冷却时至少部分凝结。 在超临界或接近超临界的实施例的情况下，只有压力将需要监测，并且如果流由单个组分形成时，只需要添加单个组分。不需要分析或困难的监测，并且从不改变构成成分，除了吹扫材料的可能分解之外。在出现分解时，得到的分子将比原始材料轻，使得分解产品将最有可能与富含组分产品流56 —起离开。在大多数情况下，该过程被设计成使得分解速度足够低，使其不造成产品纯度问题。分解也可在多组分混合物实施例中出现；并且与单个组分的情况相比，会存在更大的问题。这是由于混合物可能包括至少一种比单个组分流更大的碳氢化合物，并且分解速度随着碳氢化合物的尺寸增加而增加。另一可选方式是，可以添加吸收剂或冷却剂到产品出口，以便移除分解或挥发造成的产品中的任何微量碳氢化合物。可以使用钯合金薄膜来回收氢的示例性材料是在大约C5H1^nC12H26之间的碳氢化合物。该材料取决于薄膜的操作温度和压力，以及渗透物的化学构成成分。如果使用碳氢化合物，饱和碳氢化合物是优选的，这是由于钯薄膜可能会在高温和多次暴露下起到碳氢化合物催化剂的作用。也可使用其它临界压力低于约40巴且具有大约100°C和400°C之间的临界温度的材料，只要它们不与氢反应，并且在大约100-200 分离器温度下具有低蒸汽压力，而且在氢环境下稳定。材料选择将取决于较重材料的低挥发性、低临界温度以及较轻材料的分解速度之间的平衡。用于吹扫流18的构成成分可以是以下物质的混合物1，2，3-三氯丙烷、2，4-二甲基戊烷、2-甲基-3-乙基戊烷、硼酸三甲酯、3，3_二甲基戊烷、3-甲基-3-乙基戊烷、1-氯丁烷、3-乙基戊烷、2，2，3，3-四甲基丁烷、2-氯丁烷、2，2，3-三甲基丁烷、1-辛醇、叔丁基氯、 1-庚醇、2-辛醇、1-戊醇、1，1-二甲基环己烷、2-甲基-3-庚醇、2-甲基-1-丁醇、1，2-二甲基环己烷、4-甲基-3-庚醇、3-甲基-1-丁醇、1，3-二甲基环己烷、5-甲基-3-庚醇、2-甲基-2- 丁醇、1，4_ 二甲基环己烷、2-乙基-1-己醇、2，2_ 二甲基-1-丙醇、乙基环己烷、正丙基环己烷、全氟环己烷、1，1，2-三甲基环戊烷、异丙基环己烷、全氟正己烷、1，1，3-三甲基环戊烷、正壬烷、全氟-2-甲基戊烷、1，2，4_三甲基环戊烷、2-甲基辛烷、全氟-3-甲基戊
15烷、1-甲基-乙基环戊烷、2，2_ 二甲基庚烷、全氟-2，3-二甲基丁烷、正丙基环戊烷、2，2， 3-三甲基己烷、甲基环戊烷、异丙基环戊烷、2，2，4_三甲基己烷、正己烷、环辛烷、2，2，5-三甲基己烷、2-甲基戊烷、正辛烷、3，3-二乙基戊烷、3-甲基戊烷，2-甲基庚烷、2，2，3，3-四甲基戊烷、2，2_ 二甲基丁烷、3-甲基庚烷、2，2，3，4_四甲基戊烷、2，3_ 二甲基丁烷、4-甲基庚烷、2，2，4，4_四甲基戊烷、全氟甲基环己烷、2，2_ 二甲基己烷、2，3，3，4_四甲基戊烷、全氟正庚烷、2，3-二甲基己烷、1-壬醇、环庚烷、2，4_ 二甲基己烷、丁基环己烷、1，1_ 二甲基环戊烷、2，5-二甲基己烷、异丁基环己烷、1，2-二甲基环戊烷、3，3-二甲基己烷、仲丁基环己烷、 甲基环己烷、3，4_ 二甲基己烷、叔丁基环己烷、正庚烷、3-乙基己烷、正癸烷、2-甲基己烷、 2，2，3_三甲基戊烷、3，3，5_三甲基庚烷、3-甲基己烷、2，2，4-三甲基戊烷、2，2，3，3-四甲基己烷、2，2- 二甲基戊烷、2，3，3-三甲基戊烷、2，2，5，5-四甲基己烷、2，3- 二甲基戊烷或者 2，3，4_三甲基戊烷。例如用于构成流28以及吹扫流18的构成混合物可以是辛烷和庚烷的混合物，辛烷可以是最高沸点组分，并且庚烷可以是最低沸点组分。另一可能性是蒸汽和上面所述例举的醇的混合物。在超临界压力和接近或高于超临界温度下使用时，某些材料单独可适用于吹扫流的构成成分，例如辛烷。吹扫流也可以由这些组分中的两种以上的组分构成。下面的表1表示通过蒸汽、多组分混合物和超临界流体进行图1所示实施例操作的计算实例。表 权利要求
1.一种从供应气流中分离出组分的方法，包括将供应气流引至薄膜的滞留物侧，并且将该组分从供应气流中分离出，使得通过在滞留物侧和渗透侧之间产生该组分的正分压差值从而在薄膜的渗透侧收集该组分；将吹扫流循环到薄膜的渗透侧，以便至少部分产生正的分压差值，并由此形成含组分吹扫流；通过将液体状态的吹扫流泵压达到超临界压力并接着将该吹扫流加热到不小于超临界温度以下100 °F的温度水平来形成吹扫流；该吹扫流至少部分地通过与含组分吹扫流间接热交换来加热，由此冷却含组分吹扫流，并由具有其蒸气相的组分的含组分吹扫流形成两相流；冷却两相流，使得两相流的液体相富含构成该吹扫流的物质，并且其蒸气相富含该组分；分离蒸气相与液体相，以便形成含有该组分的组分富含流以及含有该物质的残留液体流；以及使残留液体流作为液体状态的吹扫流的构成的至少一部分重新循环。
2.一种从供应气流中分离出组分的方法，包括将供应气流引至薄膜的滞留物侧，并且将该组分从供应气流中分离出，使得通过在滞留物侧和渗透侧之间产生该组分的正分压差值从而在薄膜的渗透侧收集该组分；将蒸气状态的吹扫流循环到薄膜的渗透侧，以便至少部分产生正的分压差值，并由此形成含组分吹扫流，所述吹扫流由具有至少一种更高沸点组分和至少一种更低沸点组分的多组分混合物形成；通过加热液体状态的吹扫流来形成蒸气状态的吹扫流；所述吹扫流至少部分地通过与含组分吹扫流间接热交换来加热，由此至少部分凝结含组分吹扫流内所含的至少一种更高沸点组分，并且由具有其蒸气相的组分的含组分吹扫流形成两相流，并且至少部分蒸发液体状态的吹扫流中的至少一种更低沸点组分；冷却两相流，使得两相流的液体相富含构成该吹扫流的物质，并且其蒸气相富含该组分；分离蒸气相与液体相，以便形成含有该组分的组分富含流以及含有该物质的残留液体流；以及使残留液体流作为液体状态的吹扫流的构成的至少一部分重新循环。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中该组分是氢。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述含组分吹扫流在第一热交换器内将热量间接交换到液体状态的吹扫流，并且所述吹扫流在被弓I至薄膜的渗透侧之前进一步在第二热交换器内受到加热；所述供应流在被引至薄膜的滞留物侧之前在第三热交换器、第四热交换器和第五热交换器内受到加热；通过在第三热交换器内和水冷却热交换器内与供应流间接热交换地输送两相流，所述两相流得到冷却；通过将两相流从水冷却热交换器输送到相分离器而使蒸气相与液体相分离； 滞留物流从薄膜的滞留物侧排出并且在第四热交换器内与供应流间接热交换地输送;以及被加热的流在第五热交换器内与供应流间接交换热量，并且接着在第二热交换器内与吹扫流间接交换热量。
5.根据权利要求3所述的方法，其中含组分吹扫流在第一热交换器内将热量间接交换到液体状态的吹扫流，并且吹扫流在被弓I至薄膜的渗透侧之前进一步在第二热交换器内受到加热；供应流在被引至薄膜的滞留物侧之前在第三热交换器、第四热交换器和第五热交换器内受到加热；通过在第三热交换器和水冷却热交换器内与供应流间接热交换地输送两相流，所述两相流得到冷却；通过将两相流输送进入位于第三热交换器和水冷却热交换器之间的第一相分离器以形成蒸气流和液体流，将蒸气流输送到水冷却热交换器并接着输送到第二相分离器使得蒸气流的一部分在水冷却热交换器内凝结，并且在第二相分离器内形成残留的液体流和富含组分流，来分离两相流；液体流被重新循环，并且与液体状态的吹扫流相组合，以便形成液体状态的吹扫流的构成的另一部分；滞留物流从薄膜的滞留物侧排出并且与第四热交换器内的供应流间接热交换地输送;以及被加热流与第五热交换器内的供应流间接交换热量，并接着与第二热交换器内的吹扫流间接交换热量。
6.根据权利要求3所述的方法，其中天然气流被压缩，以便形成被压缩的天然气流；含氧流被压缩、在预热器内预热并且与由已被预热的被压缩的天然气流的一部分形成的第一分支天然气流相组合，由此形成组合流； 组合流被引入催化反应器，以便形成合成气流； 合成气流被引入锅炉，以形成蒸汽；蒸汽的一部分在已被压缩从而预热含氧流之后与压缩之后的含氧流间接热交换地输送，蒸汽的另一部分被引入合成气流，并且蒸汽的又一部分被输出；一氧化碳和合成气流内的蒸汽进行水-气体转移反应，使得一氧化碳和蒸汽反应，并由此形成转移流内的附加氢； 转移流是供应流；以及由被压缩的天然气流的另一部分形成的第二分支天然气流与滞留物流相组合以便形成流向气体涡轮机的燃料流。
7.根据权利要求3所述的方法，其中天然气流被压缩，以便形成被压缩的天然气流；含氧流被压缩、在预热器内预热并且与由已被预热的被压缩的天然气流的一部分形成的第一分支天然气流相组合，由此形成组合流； 组合流被引入催化反应器，以便形成合成气流； 合成气流被引入锅炉，以便形成蒸汽；蒸汽的一部分在已被压缩从而预热含氧流之后与已被压缩的含氧流间接热交换地输送，蒸汽的另一部分被引入合成气流，并且蒸汽的又一部分被输出； 合成气体在添加蒸汽之后形成供应流；薄膜容纳在含有靠近薄膜的滞留物侧或位于薄膜的滞留物侧上的水-气体转移催化剂的反应器内，由此与供应流内所含的蒸汽和一氧化碳反应，从而形成附加的氢和二氧化碳；以及由被压缩的天然气流的另一部分形成的第二分支天然气流与滞留物流相组合，以便形成流向气体涡轮机的燃料流。
8.根据权利要求3所述的方法，其中富含组分流被引入分离单元，以便从富含组分流中分离出该组分，并由此形成进一步纯化的进一步富含该组分的富含组分流，以及包括该物质的回收流；回收流重新循环到相分离器，所述相分离器同样用于在两相流中分离液体和蒸气相。
9.一种用于从供应气流中分离出组分的设备，包括薄膜单元，所述薄膜单元具有至少一个薄膜，所述至少一个薄膜被构造成在薄膜的滞留物侧上面接收供应流并且从供应气流中分离出该组分，使得当在滞留物侧和渗透侧之间产生该组分的正分压差值时在薄膜的渗透侧收集该组分；流动网络，所述流动网络被构造成接收作为液体状态的吹扫流的构成的至少一部分的残留液体流，并将吹扫流循环到薄膜的渗透侧，由此至少部分产生正分压差值，并由此形成含组分吹扫流；泵，所述泵被定位在流动网络内，使得液体状态的吹扫流被泵压达到超临界压力； 热交换器，所述热交换器被定位在流动网络内，并构造成在含组分吹扫流和被泵压之后的液体状态的吹扫流之间间接交换热量，使得吹扫流被至少部分加热到不小于超临界温度以下100 °F的温度水平，并且含组分吹扫流被冷却，由此形成由具有其蒸气相的组分的含组分吹扫流形成的两相流，并且两相流被冷却使得两相流的液体相富含构成吹扫流的物质，并且其蒸气相富含该组分；以及至少一个相分离器，所述相分离器被定位在流动网络内，以便接收已被冷却之后的两相流，由此分离液体相和蒸气相，并形成含有该组分的富含组分流和残留液体流。
10.一种用于从供应气流中分离出组分的设备，包括薄膜单元，所述薄膜单元具有至少一个薄膜，所述至少一个薄膜被构造成在薄膜的滞留物侧上面接收供应流，并且从供应气流中分离出该组分，使得当在滞留物侧和渗透侧之间产生该组分的正分压差值时在薄膜的渗透侧收集该组分；流动网络，所述流动网络被构造成接收作为液体状态的吹扫流的构成的至少一部分的残留液体流，并将蒸气状态的吹扫流循环到薄膜的渗透侧，由此至少部分产生正分压差值， 并由此形成含组分吹扫流；吹扫流由包括多组分混合物的物质形成，所述多组分混合物含有至少一种更高沸点组分和至少一种更低沸点组分；泵，所述泵被定位在流动网络内，使得液体状态的吹扫流被加压； 热交换器，所述热交换器被定位在流动网络内，并且被构造成在含组分吹扫流和已被泵压之后的液体状态的吹扫流之间间接交换热量，使得液体状态的吹扫流内的至少一种更低沸点组分至少部分蒸发，并且含组分吹扫流内的至少一种更高沸点组分至少部分凝结，由此由具有其蒸气相组分的含组分吹扫流形成两相流，并且两相流被冷却，使得两相流的液体相富含构成吹扫流的物质，并且其蒸气相富含该组分；以及至少一个相分离器，所述相分离器被定位在流动网络内，以便接收已被冷却的两相流， 由此分离液体相和蒸气相，并形成含有组分的富含组分流和残留液体流。
11.根据权利要求9或10所述的设备，其中该组分是氢。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述热交换器包括第一热交换器、第二热交换器、第三热交换器、第四热交换器、第五热交换器和水冷却热交换器；所述第一热交换器与泵流体和薄膜的渗透侧流体连通，使得含组分吹扫流与液体状态的吹扫流间接交换热量，并由此形成两相流；所述第二热交换器在第一热交换器和薄膜的渗透侧之间连通，并连接到第五热交换器，使得经过并从第五热交换器排出的被加热流进一步加热第二热交换器内的吹扫流；所述第三热交换器被构造成接收供应流，并且所述第三热交换器、所述第四热交换器和所述第五热交换器串联连接，使得供应流在第三热交换器、第四热交换器和第五热交换器内连续受到加热，第五热交换器与薄膜的滞留物侧流体连通，使得已被加热的供应流被引至薄膜的滞留物侧，并且滞留物流从中排出；所述第三热交换器连接到第一热交换器，使得两相流通过供应流冷却； 所述第四热交换器与薄膜的滞留物侧流体连通，使得滞留物流进一步加热供应流； 所述水冷却热交换器被连接到第三热交换器，使得两相流进一步在水冷却热交换器内得到冷却；以及至少一个相分离器是连接到水冷却热交换器以便接收两相流的单一相分离器。
13.根据权利要求11所述的设备，其中所述热交换器包括第一热交换器、第二热交换器、第三热交换器、第四热交换器、第五热交换器和水冷却热交换器；所述第一热交换器与泵和薄膜的渗透侧流体连通，使得含组分吹扫流与液体状态的吹扫流间接交换热量，并由此形成两相流；所述第二热交换器在第一热交换器和薄膜的渗透侧之间连通，并连接到第五热交换器，使得经过并从第五热交换器排出的被加热流进一步加热所述吹扫流；所述第三热交换器被构造成接收供应流，所述第三热交换器、所述第四热交换器和所述第五热交换器串联连接，使得供应流在第三热交换器、第四热交换器和第五热交换器内连续受到加热，第五热交换器与薄膜的滞留物侧流体连通，使得已被加热的供应流被引至薄膜的滞留物侧，并且滞留物流从中排出；所述第三热交换器连接到所述第一热交换器，使得两相流通过供应流冷却； 所述第四热交换器与薄膜的滞留物侧流体连通，使得滞留物流进一步加热供应流； 至少一个相分离器是第一相分离器和第二相分离器； 第二相分离器连接到水冷却热交换器；第一相分离器连接在水冷却热交换器和第三热交换器之间，使得蒸气流和液体流在第一相分离器内形成，蒸气相输送到水冷却热交换器，使得蒸气相的一部分凝结，并且残留液体流和富含组分流在第二相分离器内形成；另一泵连接到第一相分离器并且在第一热交换器和第二热交换器之间，使得液体流在第一热交换器和第二热交换器之间与吹扫流相组合。
14.根据权利要求11所述的设备，还包括第一压缩机，所述第一压缩机压缩天然气流，并由此形成被压缩的天然气流； 第二压缩机，所述第二压缩机压缩含氧流；预热器，所述预热器被定位成预热含氧流和由已被压缩的天然气流的一部分形成的第一分支天然气流；催化反应器，所述催化反应器与预热器流体连通，使得包括第一分支天然气流和含氧流的组合流被引入催化反应器，以便形成合成气流；锅炉，所述锅炉被构造成接收合成气流，以便加热锅炉供应水，并由此形成蒸汽； 所述锅炉连接到所述预热器，使得蒸汽的一部分与已被压缩的含氧流间接热交换地输送，以便预热含氧流；水-气体转移反应器，所述水-气体转移反应器连接到锅炉，使得蒸汽的另一部分被引入合成气流，并且合成气流内的一氧化碳和蒸汽在水-气体转移反应器内进行水-气体转移反应以使一氧化碳和蒸汽发生反应，以便由此形成含有附加氢的转移流； 从锅炉排出蒸汽的另一部分的出口；以及薄膜单元连接到水-气体转移反应器，使得转移流作为供应流被引至薄膜的滞留物侧，并且同样与第一压缩机流体连通，使得由被压缩天然气流的另一部分形成的第二分支天然气流与滞留物流相组合，以便形成流向气体涡轮机的燃料流。
15.根据权利要求11所述的设备，其中第一压缩机，所述第一压缩机压缩天然气流，并由此形成被压缩的天然气流； 第二压缩机，所述第二压缩机压缩含氧流；预热器，所述预热器被定位成预热含氧流和由已被压缩的天然气流的一部分形成的第一分支天然气流；催化反应器，所述催化反应器与预热器流体连通，使得包括第一分支天然气流和含氧流的组合流被引入催化反应器，以便形成合成气流；锅炉，所述锅炉被构造成接收合成气流，以便加热锅炉供应水，并由此形成蒸汽； 所述锅炉连接到所述预热器，使得蒸汽的一部分与已被压缩的含氧流间接热交换地输送，以便预热含氧流；薄膜单元连接到锅炉，使得蒸汽的另一部分和合成气流相组合，并且作为供应流引至薄膜的滞留物侧；薄膜单元包括靠近薄膜滞留物侧或位于薄膜滞留物侧上的水-气体转移催化剂，由此使得蒸汽和合成气流中所含一氧化碳反应，形成附加的氢； 从锅炉排出蒸汽的另一部分的出口 ；以及薄膜单元还与第一压缩机流体连通，使得由被压缩的天然气流的另一部分形成的第二分支天然气流与滞留物流相组合，以便形成流向气体涡轮机的燃料流。
16.根据权利要求12所述的设备，还包括分离单元，所述分离单元连接到至少一个相分离器，以便接收富含组分流，并被构造成从富含组分流中分离出氢，并由此形成进一步富含氢的进一步纯化的富含组分流，和包括该物质的回收流；以及流动网络，所述流动网络被构造成使得回收流重新循环到单一相分离器。
17.根据权利要求13所述的设备，还包括分离单元，所述分离单元连接到至少一个相分离器，以便接收富含组分流，并被构造成从富含组分流中分离出氢，并由此形成进一步富含氢的进一步纯化的富含组分流，和包括该物质的回收流；以及流动网络，所述流动网络被构造成使得回收流重新循环到第二相分离器。
全文摘要
一种通过使用薄膜从供应流中分离出组分的分离方法和设备，其中所述分离至少部分地受到吹扫流的驱动。吹扫流可以被泵压达到超临界压力，并接着至少通过与从薄膜排出的含组分流进行热交换而加热到至少接近超临界温度。也可使用多组分混合物，以形成由于热交换而作为蒸汽的吹扫流。由于通过间接热交换冷却的含组分吹扫流将形成两相流体，所述两相流体可被相分离成富含可以作为产品的组分的蒸气相以及能够以液体状态的吹扫流形式重新循环的残留液体。
文档编号B01D53/22GK102216205SQ200980145712
公开日2011年10月12日 申请日期2009年11月12日 优先权日2008年11月14日
发明者D·P·博纳奎斯特, J·M·施瓦茨, J·T·詹科维亚克, R·F·德尔内维奇 申请人:普莱克斯技术有限公司