[发明专利]带有冷却和使用吹扫气体的三级膜气体分离

说明书

包括第一气体和第二气体的气体混合物的分离可以使用三级气体分离膜组件来改进，包括冷却送至进气级的进气流和使用渗透级滞留物的一部分作为渗透级上的吹扫气体的附加技术。

相关申请的交叉引用

无。

背景

技术领域

本发明涉及一种用于净化气体混合物的、具有改进的膜计数/表面积的基于气体分离膜的系统和方法。

相关技术

气体分离膜长期以来用于将第一气体和第二气体的混合物分离成富含第一有价值的气体的产品气体、以及富含第二通常不那么有价值的气体的排出气体。特别地，第一气体和第二气体的物理性质和化学性质以及膜(特别是膜的分离层)的材料性质在确定第一气体和第二气体穿过膜的通量时是最重要的。

特别期望的分离是其中气体中的一种气体(比如第二气体)穿过膜的通量远高于气体中的另一种气体(比如第一气体)的通量的分离。在这种情况下膜被认为对第二气体比第一气体而言是有选择性的。穿过膜的第二气体的通量受到穿过膜的第二气体的分压的差异(即，分压差)的影响。通量(或膜的驱动力)随着分压差的增加而升高，反之亦然。

可以通过增加进气压力同时将渗透压力保持在相同水平来增大分压差。虽然这对于一些分离可能是令人满意的解决方案，但是这需要更大的压缩量，并因此增加了这种系统的运行支出。除了具有非常低的转化温度的气体(比如氢气和氦气)之外，由这种较大的分压差引起的相对较大量的焦耳-汤姆逊冷却可能会导致膜的不期望的冷却和气体混合物的可冷凝组分在膜的进气侧上的潜在冷凝。对于进体压力固定且渗透气体压力受控的系统，可以降低渗透压力。虽然这对于一些分离可能是令人满意的解决方案，但是这导致了较低压力的渗透气体可能需要被再压缩以便达到期望的压力水平。类似于增加进气压力(如上所解释)，这可能导致膜的不期望的冷却水平和可冷凝组分在膜的进气侧上的潜在冷凝。

另一种增加气体(比如第二气体)穿过膜的通量的方法是在膜的渗透侧上引入吹扫气体。假设渗透压力受控，将吹扫气体引入膜的渗透侧中引起渗透的气体(在渗透侧上)的稀释，从而降低其分压。通常，吹扫气体是惰性气体。

一些人已经提出使用一定量的富含第一气体的滞留气体作为吹扫气体。目前，这种类型的吹扫气体正被用于多级工艺中，以努力改善正被吹扫的级的生产率。这样做的益处是通过减少实现期望的分离所需的膜的数量来减少资本支出。对于其中级的渗透物被排出的多级工艺，排出渗透物的级不被吹扫。这是因为，如果来自滞留物的一部分有价值的第一气体用作吹扫气体，用作吹扫气体的量的第一气体将(与渗透穿过该级的膜的富含第二气体的气体一起)被排出，而不是被回收到产品气体中。考虑到这一点，使用一部分滞留气体作为吹扫仅应用于两级工艺的第二级，三级工艺的第一级和/或第二级、以及四级工艺的第一级、第二级和/或第三级。

即使当技术人员避免吹扫多级生产的级时，当该级产生排出的渗透物时，当一部分滞留物用作吹扫气体时，仍存在一定量(～3vol％-7vol％)的有价值的第一气体落到被吹扫的级的渗透物中。虽然通过使被吹扫回到第一级上游的压缩机的抽吸入口的、该级的渗透气体再循环来回收该量的第一气体，但是这略微增加了被再循环的气体的量。结果，由于对附加量的再循环气体的压缩能量的需求增加，这种膜分离方案的运行支出增加。

因此，存在增加气体穿过气体分离膜的通量的需要，而不会导致压缩成本增加、膜冷却过度、气体混合物的可冷凝组分冷凝在膜上、或者如传统气体分离膜方案所经历的回收率降低。