[发明专利]多膜分离方法

说明书

本发明公开了将玻璃状聚合物膜和橡胶状聚合物膜的特征结合到多膜系统中提供了具有两种类型膜的优点的系统。膜可以在该系统中呈任何顺序，并且可以使用多个玻璃状聚合物膜和多个橡胶状聚合物膜。

优先权声明

本专利申请要求2016年11月17日提交的美国专利申请号62/423689的优先权，其内容据此全文以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及采用至少一种玻璃状聚合物膜和至少一种橡胶状聚合物膜的分离方法。

背景技术

世界上已经安装了170多个Honeywell UOP Separex^TM膜系统用于气体分离应用，诸如用于从天然气中除去酸性气体，用于提高油采收率和氢气纯化。最近，伊利诺伊州德斯普兰斯的Honeywell UOP(Des Plaines,IL)推出了两种新型Separex^TM膜(Flux+和Select)，用于从天然气中除去二氧化碳(CO₂)。这些Separex^TM螺旋缠绕膜系统目前在天然气升级方面具有膜市场领导地位。然而，这些由玻璃状聚合物制备的膜用于有机蒸气分离不具有突出的性能，诸如用于烯烃回收、液化石油气(LPG)回收、燃料气体调节、天然气露点控制、从天然气中除氮等。

已发现聚合物膜材料可用于气体分离。许多研究文章和专利描述了具有所需气体分离性能的玻璃状聚合物膜材料(例如聚酰亚胺、聚砜、聚碳酸酯、聚酰胺、聚芳酯、聚吡咯酮)，特别是用于氧/氮分离(参见，例如，US 6,932,589)。聚合物膜材料通常用于其中进料气体混合物接触膜的上游侧的方法中，从而在膜的下游侧产生渗透物混合物，其中一种组分的摩尔分数大于原始进料气体混合物的组分的摩尔分数。在上游侧和下游侧之间保持压差，提供用于渗透的驱动力。下游侧可以保持为真空，或者保持在低于上游压力的任何压力下。

聚合物膜的分离基于溶液扩散机理。该机理涉及渗透气体与聚合物的分子级相互作用。该机理假设在具有两个相反表面的膜中，每个组分在一个表面被膜吸附，通过气体浓度梯度输送，并在相反表面处解吸。根据该溶液扩散模型，分离给定气体对(例如，CO₂/CH₄、O₂/N₂、H₂/CH₄)的膜性能由两个参数确定：渗透系数(以下简称为渗透率或P_A)和选择性(α_A/B)。P_A是膜的气体通量和选择性表层厚度的乘积除以跨膜的压力差。α_A/B是两种气体的渗透系数之比(α_A/B＝P_A/P_B)，其中P_A是渗透性较高的气体的渗透率，并且P_B是渗透性较低的气体的渗透率。由于高溶解度系数、高扩散系数或由于两个系数都很高，气体可以具有高渗透系数。通常，随着气体的分子尺寸的增加，扩散系数降低，而溶解度系数增加。在高性能聚合物膜中，高渗透性和选择性都是所需的，因为较高的渗透性降低了处理给定体积的气体所需的膜面积的大小，从而降低了膜单元的资本成本，并且因为更高的选择性导致更高纯度的产品气体。