[发明专利]使用喷射器驱动气体再循环的基于膜的气体分离方法

说明书

发明领域

本发明涉及基于膜的气体分离。特别是，本发明涉及使用两个或更多个分离步骤的分离方法，所述分离步骤包括至少一个膜分离步骤，其中所述步骤在回路(loop)中操作，并且使用喷射器来驱动在所述回路之内的气体的再循环。本发明的方法使用膜分离来获得高回收率和高纯度产物，而不需要使用很多压缩动力。

发明背景

在各种工业中膜分离被使用，例如，用来从气体混合物去除杂质，或者用来回收有价值的组分。简单的、一步膜方法对于达到批量分离是有用的，但是当高水平的去除和回收被期望时是不太有用的。在这样的情况下，通常需要多种类似的或不类似的分离步骤，并且这样的组合为气体分离工业所熟悉。例如，美国专利No.5,089,033和No.5,199,962描述冷凝和膜分离的组合。美国专利No.4,654,047和No.6,161,397描述使用低温和非低温的分离步骤的混合式方法。美国专利No.4,772,295描述使用吸收连同膜分离的方法。美国专利No.4,863,492和No.6,183,628公开用于将变压吸附(PSA)与膜分离组合的方法，并且若干专利，包括美国专利No.6,572,679和No.6,630,011，描述多步骤和多阶段膜分离方法。在混合式方法中，所述膜步骤或系统可以在所述非膜步骤或系统之前，或者反之亦然。

在这样的方法中，已知使来自第二分离步骤的非产物料流返回至第一步骤的入口，以创建工艺流程回路，由此增加产物回收率。当气体通过各种单元操作时气体压力的一些损失是不可避免的，所以再循环气体在其能够再进入第一分离步骤之前不得不被再压缩。这要求工艺流程回路中包括再循环压缩机，或者，如果到第一分离步骤的供料入口的上游有供料压缩机，这要求使再循环气体再次通过所述供料压缩机。两者中的任何一种方法都消耗能量，从而降低总体过程的效率。如果需要再循环压缩机，这增加方法的资金成本和操作复杂性。

因而，依然存在对于更节能和简易的气体分离方法的需要。

发明内容

本发明涉及混合式气体分离方法，其中分离步骤中的至少一个是膜分离方法，并且其中气体混合物由两种或更多种气体组分组成。(术语“气体组分”在本文中被用来指单独的气体组分或者相关气体组分的组。)本发明利用两个分离步骤：膜分离步骤和“其他组分去除”步骤。在所述膜分离步骤中，使气体混合物经过半可渗透膜。所述膜的背(渗透)侧被保持处于远低于供料侧的压力；因此，气体混合物的一部分透过膜。

膜面积被这样选择，以至于只有部分供料气体透过膜。这部分被称作“级分(stage cut)”，并且所述透过膜的料流被称作“渗透物料流”。所述渗透物料流是富更容易渗透该膜的一种或多种组分(一种或多种“快”组分)的。没有透过膜的料流保持处于压力并且被称作“残余物料流”。所述残余物料流是贫所述一种或多种快组分而富其他一种或多种组分(一种或多种“慢”组分)的。

在上面描述的膜分离步骤中，将快组分从气体料流部分地去除。在本申请的主题混合式方法中，所述“其他组分去除步骤”可以是使用不同类型的膜的膜步骤或者另一种类型的分离方法，例如部分冷凝、吸收或变压吸附(PSA)。然而，其他组分分离步骤必须展现所有以下特性：

·所述步骤必须使气体混合物贫这样的组分，在来自膜分离步骤的残余物中是富所述组分的(即，慢组分)。这可以通过选择这样的膜材料来完成，所述膜材料选择性地使在所述其他组分去除步骤中未被去除的组分渗透，或者通过选择用于去除来自膜去除步骤的慢渗透组分的所述其他组分去除步骤来完成。

·所述步骤必须构成使残余物气体实质上处于供料压力下的流经步骤。通过“实质上处于供料压力”，我们意指通过分离步骤的压力下降仅仅是由于气体的流动导致的摩擦损失的结果。如果供料气体流量减少，摩擦压力损失也减少。

·其一定是分压驱动方法，即，从混合物去除的组分的量取决于该组分在气体中的分压，并且，因为这样，所述方法不能从气体去除所有慢组分。

由分压驱动的流经方法的实施例是部分冷凝，其中使供料气体通过冷却器并且随后通过相分离器。在这种情况下，所述慢组分将被优先冷凝并且将在相分离器中从气体料流被去除。如果慢组分的分压比快组分的分压更高，更多气体被冷凝。