[发明专利]气体脱水膜设备及方法

说明书

本发明涉及用于气体脱水的设备，该设备系由具有脱水能力的膜构成。另一方面，本发明涉及不涂层非对称气体分离膜的后处理方法，以控制孔隙度和进料气体通量流率。再一方面是，本发明亦涉及采用具有高的水通量和可控孔隙度的膜进行气体脱水的方法，这可促成利用一部分进料气流做为吹扫用，即，移除水蒸汽渗透分压的积累。

水作为活性分子，在医药及其他化学品等诸多物质的贮存中必须予以脱除。从卫生学的观点看，脱水是必要的，原因是微生物（如霉菌）的繁殖在高湿度下非常活跃，另外人体所感受到的闷热程度不仅受高温的影响，还受高湿度的影响。此外，在包括电子工业、精密机加工工业、纺织工业、化学工艺和石油工业的诸多广泛领域中都需进行湿度控制。

目前已有多种脱除水蒸汽的方法。其中之一是将气体与吸湿剂接触以除去进料气中所含的湿气。吸湿剂可以是硅胶、分子筛、生石灰、氯化钙、五氧化二磷、氯化锂和浓硫酸。在此方法中，需将用过的脱水剂进行处理或再生。因此，如果只用一台脱湿设备进行脱水，连续操作是不可能的。

第二种方法是将气体进行压缩或冷却以使气体中所含的湿气冷凝从而将其脱除。此法的优点是可进行连续操作及大批量处理，其缺点是能耗较大，且难以脱水到低湿度。

在新近开发的一种方法中，系利用对水汽具有选择性渗透力的膜将水汽从气体中脱除。此法包括有两种工艺过程：其一是使用均匀膜，其二是使用载有吸湿剂的多孔膜。两种过程的共同优点是都可进行连续操作。

使用均匀膜的过程具有较高的分离系数，但其缺点是渗透速率较低。当渗透速率较低时，可通过提高膜两侧的分压差而增加水的渗透量，分压差在膜渗透中起着推动力作用。然而实际上这是很难实现的，原因是在室温下水蒸汽的饱和蒸汽压低至约20mmHg，而膜的渗透侧的水蒸汽压力是高的，因此产生了一个不希望出现的阻止水汽附加渗透分压差。

使用载有吸收剂的多孔膜的过程，其使用的膜是将诸如纸、布或无纺纤维等多孔支承体以聚乙烯醇或聚乙二醇等吸湿聚合物和/或氯化锂等吸湿剂浸渍而成的。此过程具有高渗透速率，但其缺点是当在高湿度条件下使用或搁置时，膜中所含的吸湿聚合物会吸水，从而由膜中渗出形成溶液，这就降低了膜的性能。在膜分离技术中，增加膜两侧的水蒸汽分压差的最适宜方法是减小渗透侧的压力，但 这被认为是不可能的，原因是膜不具有足够的压力阻抗。实际上，在上述工艺过程中，并未采用降低压力的手段，湿气是在气体混合物和干燥气间简单交换的。使用干燥气的脱湿过程不能提供好的效率，因为若假定湿气被完全交换，当使100%相对湿度的混合气脱湿到10%以下时，就需要使用数量10倍于混合气的湿度为0%的干燥气。

含有烃类的气体中若带有水也是很棘手的，因为有生成固水化物的危险;当这些气体亦含有二氧化碳或硫化氢时，还有腐蚀的危险。诸如天然气、油田油层上的覆盖气、分离油气混合物而得到的伴生气，以及从石油提炼厂等来源得到的气体中均含有烃类，在这些气体中若含有水汽时在处理和贮存时都会遇到麻烦。必须将这些气体中的水含量减低到很小值才能进行输送或进行下一步处理，例如液化、运输或销售。

在某些特殊场合，有可能通过减压或加热气体而将气体中含水的缺点克服，但这些方法仅仅适用于特殊场合。当气体需远距离输送时，上述方法是不经济的;根据市销指标，将这种气体进行销售也是显然不合适的。

专门适用于油、气井口的已知脱水方法有：冷却脱水、与乙二醇接触脱水、硅胶吸收脱水和分子筛脱水。所有这些方法均需庞大而昂贵的设备，尤其是气体需运输时。况且，乙二醇脱水装置还存在着重量和体积的安全问题。由于昂贵，硅胶和分子筛系统只能在某些特殊场合下考虑应用。

带有无孔性分离层的渗透膜可实现自动化操作，采用这种渗透的被动系统的脱水方式提供了另一种满意的安全设施。然而，已经发现这种被动的膜系统仍不适用，原因是水蒸汽渗透分压在膜的渗透侧会积累升高，这会使得水汽不能在需要的和有实用意义的水平下连续渗透。