[发明专利]氧的隔膜分离法和系统

说明书

本发明涉及气体的隔膜分离；具体讲，涉及利用隔膜从空气中生产氧或富氧空气。

氧气是工业上广泛采用的有价值的商品。生产氧气的传统方法是空气的低温蒸馏。对于大规模生产而言，低温蒸馏很有效，并且产出高纯氧产品。但是，对于较小体积氧的用途来说，尤其是将气态或液态高纯氧分发到使用地点的成本高的情况下，各种“现场”生产氧的系统可能是十分需要而且是优先(相对于低温蒸馏来说)采用的。近年来，为了这种用途开发了一些变压吸附(PSA)方法和系统。因此，可以开发现场PSA系统来生产相当大体积的氧产品，而且在必要时可以将其尺寸缩小用于较小体积的用途上。例如，使用很小的PSA系统为医院或家庭护理产生氧，例如为患肺气肿之类疾病的病人产生和供给氧。

氧还有各种其它用途，尤其是用来改善燃烧过程，此时根据综合评价低纯度氧，或者甚至于富氧空气都是令人满意的或优选的。对于这些用途来说，通常利用环境空气稀释在低温蒸馏系统中生产的高纯氧来提供这种低纯氧或富氧空气。

鉴于这些情况，本领域中终于认识到氧气具有极大的实际和潜在用途，这些用途要求氧气具有不同纯度而且能用各种不同容积的设备制得。基于这种认识，本领域近来对于利用隔膜渗透技术从空气中生产氧和氮表现出极大兴趣。隔膜渗透法因其固有的简易性而引人注目，因为该法除了需要将原料空气压缩通到隔膜系统之中之外不需要任何移动性机械装置。为了使氧的实际渗透速率达到工业应用的数值，渗透膜必须很薄，具有大表面积，而且应当没有针孔和破坏由隔膜所能获得的气体分离的选择性的其它缺陷。这些要求由于开发出的不对称性复合材料型空心纤维膜而在很大程度上得到满足。通过适当处理空心纤维并将其组装成束，可以制出适于沿所说纤维的壳侧或孔侧通过高压原料空气用的膜组件。当原料空气在所说的膜组件一侧通过时，高渗透成分逐渐变少和低渗透成分逐渐增多的气体，最后从所说的膜组中以非渗透性或“滞留性”气流放出。所说的渗透气，即穿过所说隔膜薄分离区的气体，沿所说纤维的对侧(孔侧或壳侧)流动且从所说组件中单独放出。

人们提出了各种数字模型来描述隔膜渗透组件的操作特性，如C.Y.Pan和H.W.Habgooa在《加拿大化学工程杂志》56(1978)197-205页中所示。据发现，绝大部分空心纤维膜组件按“正交流动”模型操作，其中处于所说隔膜表皮下侧或分离层部分的局部渗透气组分，据认为与主体渗透气流不发生混合作用。根据此模型，渗透气流的方向无关紧要，而且可以从组件的任一端放出所说的渗透气洗。由于在这些条件下使用渗透气冲洗气流时发现无有益效果，所以绝大部分渗透器设计成三口型品，其上不附加冲洗气设施。所用的三个口相当于原料气入口、滞留气出口和渗透气出口。

若将复合材料空心纤维膜制成在相当高孔隙率基体上涂覆着一薄层分离隔膜材料，则可以生产出一种在隔膜的渗透侧和非渗透侧均显示有高度径向混合作用的渗透器。如果将这些复合材料空心纤维缠绕成一种有序的螺旋形，使全部纤维都具有相同长度，用这种方式可以制成性能比由正交流动模型所能预期的更为有利的膜组件。在这种情况下，根据渗透气流相对于滞留气流的方向，所说的组件倾向于遵循所希望的“并流”或“逆流”渗透模型。在大部分情况下，对于实际工业操作来说逆流流动方式产出最好的结果。可以将所需的逆流组件制成四口型品，以便可以向所说组件的渗透气侧通入低压冲洗气流。

适于形成复合材料膜分离层用的有机聚合物，一般来说是更易渗透过氧而不易渗透过氮的物质。因此，当在空气分离用膜组件中使用这些物质时，这种分离层材料会使渗透气变成富氧(原料空气中更容易渗透的万分)气体，而滞留气变成富氮气体。所达到的空气分离程度，与分离层材料对氧和氮的渗透系数之比(即分离系数)有关。工业上适于空气分离用聚合材料的分离系数，一般处于3～10范围内。正如本领域中所知道的那样，大部分具有高选择性(即高分离系数)的聚合物，也往往会有相当低的生产特性或渗透性。