本发明涉及一种通过气体渗透将气体混合物分离为产品气体和废气体的装置和方法。
背景技术：
在气体渗透膜单元中，产品气体和废气体的分离是通过渗透进行的，其中，例如，能够获得富含产品气体的保留物和富含废气体的渗透物。保留物中的产品气体浓度和渗透物中的废气体浓度在每种情况下—除其它因素外—都取决于所采用的过程参数。一般来说，增加产品气体品质将总是需要增加能量的使用(由于压力越高，相对于所使用的供料气体等，产量就越低)。因而，期望一些改进的方法，这些方法用于在这些方法的过程中增加产品气体产量或更有效地利用能量。此外，期望将建立气体渗透工厂的投资成本保持得尽可能低。
根据现有技术状态，通过气体渗透将气体混合物分离为产品气体和废气体的装置被设计成这样，即：在膜单元中将加压供料气体分离为保留物和渗透物，其中，例如，保留物含有产品气体，而渗透物含有废气体。这种一步解决方案的缺点是产品气体品质低，并且产品气体产量也低，这必然使能量需求增加。此外，只有利用高选择性膜才可能经济地利用这种装置。
通过气体渗透将气体混合物分离为产品气体和废气体的改进装置被设计成这样，即：以加压形式使用第一膜单元的渗透物作为用于第二膜单元的供料气体，其中两个膜单元的保留物流都含有产品气体，并且第二膜单元的渗透物流含有废气体。可选地，除非供料气体以加压形式存在，否则可以在工厂的上游布置压缩器。这种装置的优点是产品气体产量得到提高。这种解决方案的缺点是产品气体品质仍然较低，并且由于用于第二膜单元的气体需要压缩而使得能量需求增加。此外，只有利用高选择性膜才可能经济地利用这种装置。
此外，已知这样的装置，其中使用第一膜单元的保留物作为用于第二膜单元的供料气体，使第二膜单元的渗透物混合至第一膜单元的加压供料气体，第二膜单元的保留物作为产品气体退出，而第一膜单元的渗透物作为废气体退出。由于在这种情况下第二膜单元的渗透物循环，从某种意义来说，工厂及其所有所需部件(压缩机、管道、膜单元、冷分离器、精密硫分离器等)都必须与第一膜单元的循环渗透物的体积流量对应地扩大。假定100m3/h的供料气体体积流量，并且将80m3/h的第二膜单元的渗透物混合至所述供送气体将在压缩机上游产生180m3/h的总体积流量，则据此来确定工厂的尺寸。该方法的有利之处是能够获得更高的产品气体产量，并且由于两步实现而使用选择性较小的膜，缺点是工厂所需尺寸过大(1.2到2.5倍)，并且由于再循环而使得能量需求增加。
文献us4,130,403a(d1)公开了将膜单元的保留物出口反馈联接至另外膜单元的气体源，该另外膜单元仅具有布置在其上游的一个单个膜单元。
agrawalr.等人(journalofmembranescience,elsevierscientificpubl.company,vol.112，no.2(膜科学期刊，第112卷，第2期，埃尔塞维尔科学出版公司))涉及具有两个压缩机的级联布置。图6示出了相应第一膜单元的气体入口的反馈联接。
文献fr2917305a1(d3)公开了一种多个膜单元的矩阵布置。
从文献wo2010/141963a1已知一种用于通过气体渗透将气体混合物分离为产品气体和废气体的装置，所述装置具有至少两个膜单元1和2以及布置在第一膜单元1的上游的压缩器3，其中膜单元1和2均具有气体入口1a、2a、保留物出口1b、2b以及渗透物出口1c、2c，其中第一膜单元1的保留物出口1b经由管道连接至第二膜单元2的气体入口2a，第二膜单元2的渗透物出口2c经由管道在压缩器的吸入侧连接至压缩器3或通向该压缩器的气体源，并且压缩器3经由管道连接至第一膜单元1的气体入口1a，经由保留物出口2b获得产品气体，而经由渗透物出口1c获得废气体。
根据wo2010/141963a1，在这种装置中设置成这样，即：上游膜单元4的渗透物出口4c经由管道连接至压缩器3的气体源，其中该膜单元4具有至少一个另外的上游膜单元5，该上游膜单元是通过经由管道将所述另外膜单元5的保留物出口5b连接至膜单元4的气体入口4a形成的，并且其中经由保留物出口4b获得附加产品气体，而经由渗透物出口5c获得附加废气体。
所有这些装置的共同之处是各个膜单元总是以逆流流动方式操作。
从文献wo2010/141963a1已知的是具有气体入口、保留物出口和两个渗透物出口的膜单元，其中这些膜单元的渗透物空间可以通过位于两个膜出口之间的区域中的壁分开。这些膜单元被认为可增加产品气体产量。
技术实现要素：
因此，本发明的目的是提供一种通过气体渗透将气体混合物分离为产品气体和废气体的装置和方法，该装置和方法允许所述废气体中的产品气体的最小可能浓度可通过控制所述装置来调节，并且允许更有效地利用能量。
为此，本发明提供了一种通过气体渗透将气体混合物分离为产品气体和废气体的装置，所述装置具有膜单元1和布置所述膜单元1的上游的优选转速可调节的压缩器3，该膜单元1具有气体入口1a、保留物或产品气体出口1b以及渗透物或废气体出口1c，其中所述膜单元1具有布置在所述气体入口1a的下游的至少一个另外渗透物出口1c’，并且所述膜单元1的所述渗透物出口1c’经由管道在所述压缩器的吸入侧连接至所述压缩器3或连接至通向所述压缩器的气体源。根据本发明，在所述保留物出口1b处或在所述保留物出口1b的下游设置有压力控制单元2，并且使用主要由ch4/co2构成并且具有按照体积计算不超过30％的甲烷浓度的气体混合物。压力控制单元和特定气体混合物的这种组合(其中，为了本发明的目的，“主要”是指气体混合物中存在的比例为按照体积计算超过50％，优选按照体积计算超过55％，按照体积计算超过60％，按照体积计算超过65％，按照体积计算超过70％，按照体积计算超过75％，按照体积计算超过80％，按照体积计算超过85％，特别优选地按照体积计算超过90％或按照体积计算超过95％)限制供料气体中的甲烷浓度，并且同时通过保留物压力控制单元在保留物空间中提供压力，并且例如可以由阀或控制阀、优选转速可调节的压缩器或者(也是优选转速可调节的)压缩机的吸入侧或通向优选转速可调节的多级压缩器或压缩机的一级的源来表示，该组合允许以对应于相应预设值的可调节方式关闭压力控制单元或者通过压缩器或压缩机的转速提供阻力，或者通过调节或控制来调节压缩器或压缩机的转速。在这种情况下，控制阀2的关闭并非必然带来保留物空间中的压力增加，例如，控制阀2的关闭可以引起压缩机3的转速下降，这最终将使保留物空间中的压力恒定而不是使压力增加。这里，唯一的先决条件是为根据本发明的膜单元的保留物侧存在的气体混合物在该保留物侧提供阻力。这样，所述膜单元能够以至少部分地受控的方式在位于所述气体入口的下游的第二渗透物出口1c’的区域中以并流流动方式操作，同时所述膜单元在第一渗透物出口的区域中主要以通常采用的逆流流动方式操作。在这种情况下，“至少部分地”或者“主要地”并不是用来意味并流流动和逆流流动在两个渗透物出口处同时占优势(这在技术上是不可能的)，而是意指在相应的渗透物出口处退出的渗透物源自于一膜区域，根据所选条件，该膜区域在渗透物侧实际上已经相对于保留物侧的流动方向以并流流动或逆流流动方式操作。主要就废气体中产品气体浓度减小以及产品气体的量的增加而言，这在根据本发明的装置的操作中带来了令人意外的显著改善。因而，根据本发明，可以通过根据本发明的装置将主要由ch4/co2构成的气体混合物(例如，贫气、矿井瓦斯或生物气体)分离为作为产品气体的ch4和作为废气体的co2，从而实现产品气体中的ch4的超过98％的令人意外地高回收率，优选高达99.8％，只要如根据本发明提供的那样供料气体中的甲烷浓度不超过30％即可。当然，也可以以自动化方式操作所述压力控制单元，例如，如果在根据本发明的装置的适当位置设置传感器，通过借助于控制单元打开或关闭所述压力控制单元而对所述压力控制单元进行操作，以便遵守预设极限值，该预设极限值是在根据本发明的装置的内部或外部的一个或多个位置中测量的。该极限值可以例如代表废气体中的甲烷浓度，在这种情况下，所述传感器可以是设置在所述渗透物出口1c处或所述渗透物出口1c附近的气体传感器。在德国，例如，在废气体中甲烷的最大可排出量方面，(通过气体渗透进行生物气体分离中的产品气体或保留物)甲烷的释放被限制于生物气体过程中生产的总甲烷质量的0.2％(按照体积计算)，其中例如，也可以借助于控制单元以自动化方式提供通过根据本发明的装置遵守该极限值。通过将膜单元1的渗透物出口1c’经由管道在压缩器3的吸入侧连接至该压缩器3或通向该压缩器的气体源，可以设置成使渗透物能够在其加压之前或加压过程中供应至供料气体。如果所述供应需要增加压力水平，则所述增加压力水平可以通过另外设置的压缩器或压缩机(在如下描述将不明确地参照该压缩器或压缩机)实现。在理想情况下，经由渗透物出口1c退出根据本发明的装置的废气体(co2)能够直接排出或重复使用，而无需针对其甲烷含量进行任何进一步净化。
根据本发明的优选实施方式，在所述第一渗透物出口1c处或在所述第一渗透物出口1c的下游设置有优选转速可调节的压缩器4和/或压力控制单元5。设置压力控制单元例如阀或控制阀，允许在流过位于根据本发明的装置的渗透物空间中的阀的流量下降时产生背压，由此增加分离膜以并流流动方式操作的区域。另一方面，如果优选转速可调节的压缩器在所述第一渗透物出口1c处或所述第一渗透物出口1c的下游操作，则废气体从所述第一渗透物出口1c的退出增加，并且分离膜以并流流动方式操作的区域减小。通过设置压力控制单元和优选转速可调节的压缩器这二者，可以因此在任何方向上控制根据本发明的装置。
还有利的是，在从所述膜单元1的渗透物出口1c’在所述压缩器的吸入侧通向所述压缩器3或通向与所述压缩器相通的气体源的管道中设置有压力控制单元6。与在以上描述的优选实施方式的情况下类似，在从所述膜单元1的渗透物出口1c’在所述压缩器的吸入侧通向所述压缩器3或通向与所述压缩器相通的气体源的管道中设置有压力控制单元6，允许增加根据本发明的装置的渗透物空间中的背压(当压力控制单元如阀或控制阀降低气体流量时)，这致使分离膜以并流流动方式操作的区域减小。另一方面，如果所述压力控制单元打开，则所述压缩器3的吸入能力将在渗透物空间中(至少在渗透物出口1c’的区域附近)产生压力损失，这又增加了分离膜以并流流动方式操作的区域。然而，本发明的范围还包含这样的实施方式，其中：退出所述膜单元1的渗透物出口1c’的管道在所述压缩器的吸入侧通向该压缩器或通向与并行膜单元的压缩器相通的气体源。优选地，所述管道也配备有以根据废气体中的产品气体浓度的方式控制或调控的压力控制单元6。
根据本发明，还设置成这样，即：所述转速可调节的压缩器3和所述压力控制单元2连接至一控制单元7。在所述渗透物出口1c的区域中设置例如气体传感器(该气体传感器例如能够直接或间接地测量废气体中的产品气体浓度)允许将根据本发明的装置操作成使得废气体中的预定产品气体比例不会被超过，如以上已经提到的。
本发明的另一个优选实施方式的特征在于，优选转速可调节的压缩器4和/或所述压力控制单元5连接至一控制单元7/所述控制单元7。在所述渗透物出口1c的区域中设置例如气体传感器(该气体传感器例如能够直接或间接地测量废气体中的产品气体浓度)允许将根据本发明的装置操作成使得废气体中的预定产品气体比例不会被超过，如以上已经提到的。
在这种情况下，如果所述压力控制单元6连接至一控制单元7/所述控制单元7，则也是有利的。在所述渗透物出口1c的区域中设置例如气体传感器(该气体传感器例如能够直接或间接地测量废气体中的产品气体浓度)允许将根据本发明的装置操作成使得废气体中的预定产品气体比例不会被超过，如以上已经提到的。
根据本发明的另一个方面，采用所述装置将主要由ch4/co2构成的气体混合物分离为作为产品气体的ch4和作为废气体的主要co2。这种气体混合物的示例有贫气、矿井瓦斯、生物气体等等。
本发明的另一个方面涉及一种通过气体渗透将气体混合物分离为产品气体和废气体的方法，其特征在于，膜单元1的渗透物部分地以并流流动方式回收，并且部分地以逆流流动方式回收，其中以并流流动方式回收的渗透物被加压并且作为供料气体再循环至所述膜单元1，以逆流流动方式回收的渗透物作为废气体退出，此外，所述膜单元1的保留物作为产品气体退出，其中以依赖于所述废气体中的产品气体的浓度的方式来控制或调节以并流流动方式回收的渗透物的退出。在这种情况下，借助于所述加压进行以并流流动方式回收的渗透物的退出，由此使所述膜单元的渗透物作为供料气体再次循环。
优选地，设置成这样，即：增加所述膜单元1中的所述保留物的压力。如已经说明的，设置阻力(根据关于阻力2的上述公开)将例如导致所述膜单元中存在的保留物的压力增加，这又致使以并流流动方式回收的渗透物的量增加。
附图说明
下面将参照所附附图更详细地说明本发明，其中：
图1示出了根据本发明的装置的框图，该装置具有膜单元1、压力控制单元2和布置在膜单元1的上游的压缩机或压缩器3；
图2示出了根据图1的装置的框图，该装置具有附加的第二压力控制单元5和附加的第二压缩机或压缩器4；
图3示出了根据图2的装置的框图，该装置具有附加的第三压力控制单元6；以及
图4示出了根据图3的装置的框图，该装置具有附加的控制单元7；
图5示出了当以逆流流动方式、以并流流动方式和根据本发明(部分地以并流流动方式操作)操作相同膜单元时获得的相应值的比较；
图6示出了使用与图5中所示的结果相同的膜单元、通过逐渐改变以并流流动方式操作的膜区域获得的回收结果；并且
图7a和7b分别示出了在本发明中使用的术语“并流”、“逆流”和“至少部分地”和“主要地”的例示。
具体实施方式
根据图1的膜单元具有气体入口1a、保留物出口1b和附加渗透物出口1c’。在膜单元1中，在以逆流流动方式操作的区域中存在的废气体经由渗透物出口1c排出，而在以并流流动方式操作的区域中通过压缩器3经由渗透物出口1c’吸取的渗透物作为供料气体经由压缩器3再循环至膜单元1。这样，在以并流流动方式操作的区域中经由压缩器3、膜单元1中的气体入口1a和渗透物出口1c’分离的废气体被循环。产品气体经由保留物出口1b排出，其中布置在那里的压力控制单元2用来增加膜单元1的保留物空间中的压力，由此可控制根据本发明的分离膜以部分并流流动方式的操作。参照图1，不管渗透物出口相对于彼此精确地位于何处(除了渗透物出口1c’必须位于气体入口1a下游之外)，如下均适用：
对于渗透物出口1c，当从气体入口1a到保留物出口1b的保留物流动方向对应于从渗透物空间的左侧区域(从出口1c看时)到渗透物出口1c的流动方向时，源自于渗透物空间的左侧区域的渗透物以并流流动方式回收。另一方面，当从气体入口1a到保留物出口1b的保留物流动方向与从渗透物空间的右侧区域(从出口1c看时)到渗透物出口1c的流动方向相反时，源自于渗透物空间的右侧区域的渗透物以逆流流动方式回收。
对于渗透物出口1c’，情况类似，其中当从气体入口1a到保留物出口1b的保留物流动方向对应于从渗透物空间的左侧区域(从出口1c’看时)到渗透物出口1c’的流动方向时，源自于渗透物空间的左侧区域的渗透物也以并流流动方式回收。另一方面，当从气体入口1a到保留物出口1b的保留物流动方向与从渗透物空间的右侧区域(从出口1c’看时)到渗透物出口1c’的流动方向相反时，源自于渗透空间的右侧区域的渗透物以逆流流动方式回收。显然，在任一个渗透物出口处都不存在源自于分别唯一地以并流模式操作或唯一地以逆流方式操作的膜的区域的渗透物。
图2示出了根据图1的实施方式，其中在连接至渗透物出口1c的管道中设置有第二压力控制单元5以及优选转速可调节的第二压缩机或压缩器4。当压力控制单元5关闭时，废气体将返回到膜单元1的保留物空间内，这不可避免地导致通过保留物出口1c’的保留物的排放增加，由此增加分离膜以并流流动方式操作的区域。另一方面，如果压力控制单元5完全打开并且优选转速可调节的压缩器4起动，则一定会发生通过保留物出口1c的保留物的排放的增加，这又导致从第一渗透物出口1c退出的废气体增加以及分离膜以并流流动方式操作的区域减小。
图3示出了根据图2的实施方式，其中在渗透物出口1c’和压缩器3或通向压缩器3的供应管道之间的管道中设置另一个压力控制单元6。该压力控制单元6允许减少经由渗透物出口1c’从膜单元1的渗透物空间排出的渗透物，而不管压缩器3的容量如何，由此改变在渗透物出口1c’附近渗透物空间中的压力状况。产生背压导致推向保留物出口1c的保留物增加，由此也减小了分离膜以并流流动方式操作的区域。
图4示出了根据图3的实施方式，其中压力控制单元2、5、6和压缩器3、4连接至控制单元7。在这种情况下，应该明确地指出，本发明还提供了各个单元2、3、4、5、6与控制单元的连接。控制单元的操作可能需要的传感器，例如气体传感器、压力传感器和/或流量传感器没有在图1至图4中示出。控制单元7被设计成能够提供压力控制单元2、5、6的独立打开和关闭以及压缩器3、4的转速调节(也是独立的)。
如从图5中显见的，分别以逆流流动方式和并流流动方式操作的膜单元的值仅略微不同，只有当部分地以逆流流动方式并部分地以并流流动方式操作膜区域时才能够观察到回收率显著增加。这是有利的，因为在供料气体中甲烷浓度不超过30％(按照体积)的情况下使用根据本发明的膜单元或者操作根据本发明的膜单元允许将废气体中甲烷比例减少到迄今为止不可能低的值，这对于将甲烷从所采用的供料气体分离出来的效率来说是特别有利的。应该理解，根据本发明的装置不仅能够用来从含有甲烷的供料气体分离甲烷，而且对于任何气体混合物都适合于显著地增加产品气体的回收，只要使用适合于相应气体混合物的渗透膜即可。
如能够从图7a容易地看到的，参照图1，经由渗透物出口1c’退出或吸取的渗透物的更大比例(即，多于一半)源自于以并流流动方式操作的膜区域。
如果现在基于图7a中所描述的情况压缩器3的转速降低，则经由渗透物出口1c’退出或吸取的渗透物的成分还将发生改变，所获得的渗透物的更小比例将源自于以并流流动方式操作的膜区域(参见图7b)。
如已经说明的，压力控制单元用来在根据本发明的膜单元的保留物侧提供阻力，如果没有该压力控制单元2，则在保留物空间中将没有背压，因此也将不可能进行分离。根据本发明，保留物空间中的压力增加主要地通过增加压缩器3的转速来提供，由此供应至膜单元的供料气体的量也改变。
此外，对本领域技术人员显而易见的是，在根据本发明采用的分离膜处，渗透过所述膜的甲烷总是存在浓度梯度，然而，渗透物空间中存在的渗透物在膜的右侧部分中(在保留物出口1b附近)比在膜的左侧部分中(在供料气体入口1a附近)更富含甲烷。
如果在根据本发明的膜单元的保留物侧产生阻力(例如，通过进一步关闭控制阀2，由此在保留物空间中积累压力)并且膜单元1的渗透物出口1c’经由管道在压缩器3的吸收侧连接至压缩器3或通向该压缩器的气体源，则渗透物经由渗透物出口1c’退出并且再次与供料气体混合。在这种情况下，经由渗透物出口1c’退出的渗透物的成分会受到压缩器3的所选转速的影响。增加转速将增加源自于以并流流动方式操作的膜的区域的渗透物的量(图7a)，而降低转速将导致源自于以并流流动方式操作的膜的区域的渗透物的量相应减少(图7b)。
由于可以将渗透过膜的渗透物的总量保持几乎恒定(由于增加压缩器3的转速引起的保留物空间中的压力增加以及相关联地改变的膜的分离能力能够通过对应地打开压力控制单元2并因而降低阻力来补偿)，因此根据本发明可以通过压缩器3的转速来调节废气体相对于其甲烷含量的成分。
因此，本发明的效果(然而，这种效果的发生仅限于供料气体中的甲烷浓度按照体积计算不超过30％)并不是仅仅通过压力控制单元2实现的，因为后者仅仅用来在根据本发明的膜单元的保留物空间中提供阻力。相反，预期效果是借助于压缩器3的转速(可选地与压力控制单元2组合地)实现的。