[发明专利]分离气体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于将气体混合物分离成两个各自纯度提高的部分的特定设备，更尤其是气体分离膜组件链。

背景技术

利用气体分离膜，可以基于塑料中各气体的不同透过率（=每单位时间、单位面积、压差和层厚度的物质流量）将气体混合物分离。一般将塑料加工而获得中空纤维或平膜。所述膜的特征在于在膜表面处的非常薄的分离层，以致所述膜的渗透率（每单位时间、单位面积和压差的物质流量）尽可能大。

用膜以一次穿透可以达到的分离结果不但取决于膜的选择性而且取决于膜的高压侧和低压侧之间的压力比。压力比越大，可以达到的最大分离结果越好。

在低压力比范围内，不同选择性的曲线彼此贴近（参见图1）。在这个范围中的分离结果由压力比确定。这个范围因此称为压力限制的。在高压力比范围内，分离结果几乎不可能仍受压力比影响。这个范围称为选择性限制的。

用于分离气体的一系列膜连接是从文献中已知的。在Baker,IndEngChemRes,Natural Gas Processing with Membranes,47(2008))中，可找到各种已知的连接的详细列表。例如，使用具有根据图2的简单的单级膜分离步骤的甲烷（渗余物气体）和CO₂（渗透物气体）的分离虽然可以在产物料流中达到高纯度（98%CH₄）。然而，渗透物那侧废气流的品质在此不能受影响并具有低纯度（44%CO₂）。滑差，或甲烷损失相应地大。

在具有再循环的单级连接（图3）的情况下，可以轻微提高纯度。然而，据此不可以解决低渗余物气体收率和渗透物气体品质的根本问题。

对于更高的渗透物纯度和保留组分的更高收率，一系列多级连接是已知的。在具有第一渗透物的再压缩和再循环的简单渗透物分级的连接（图4）中，可以改进渗透物纯度（86%）和甲烷收率。

如果较好渗透的组分以提高的浓度（30%）出现，则根据图5的连接根据文献可能是有利的。产生两个富含渗透物气体的料流（82%CO₂，93%CO₂）和一个富含渗余物气体的料流（82%CH₄）。

Bhide（MemSci，Hybrid processes for the removal of acid gases from natural gas，1998）公开了从天然气除去酸性气体的三级工艺（图6）。让待处理的气流经历在上游膜中的粗纯化。引导保留在压力那侧上的预纯化天然气经过另一个膜。在渗余物那侧上形成目标产物料流，即酸性气体贫化的天然气。将渗透物那侧上富含酸性气体的料流压缩并供给另一个膜级。将这一级的渗余物压缩到上游级的压力水平并再循环到其上游。这种附加的能量和经济上的花费旨在提高甲烷收率。这种连接的缺点是压缩机的开支和富含酸性气体的料流的不足够的纯度。

Chenar（MemSci Application of Cardo-type polyimide(PI)and polyphenylene oxide（PPO)hollow,2008）描述了用具有再压缩的渗透物分级的工艺（图7）。这种连接的缺点是渗余物气体的强烈受限的纯度和用于再压缩的附加开支。

EP0799634公开了根据图8的连接。然而，缺点是油或水作为密封剂和润滑剂的附加潜在的导入，附加的高投资成本，由附加的压缩导致的能量消耗增加，和由于活动部件引起的失效可能性增加。

上述方法的缺点是附加的再压缩和总体渗余物料流中渗余物气体的纯度另外明显太低和渗余物料流中渗余物气体的不足够的收率。

图9示出了尤其对于沼气的处理经常提出的并也经转换的技术（Air Liquide and Harasek）。公开的是具有渗透物从第二级再循环的渗余物分级的连接。

TU Eindhoven开发了具有内部分级的连接，其能够实现大于90%的甲烷纯度（参见图10）。这种连接的缺点是渗余物气体的不足够的纯度。

EP0603798中公开了制备氮气的多级连接。这种方法的缺点是渗透组分的不足够的纯度和使用至少两个压缩机。

EP0695574公开了具有部分利用渗透物料流作为扫描料流用于产生尽可能纯的渗余物的连接。这种方法的缺点是总体渗透物的不足够的品质。

US5753011公开了一种方法，其中通过渗透分级的膜分离步骤与压力变换吸附PSA的组合达到两种产物料流的高纯度。这种方法的缺点是使用昂贵的且不方便的PSA。