[发明专利]分离气体的液膜法

说明书

本发明是分离气体的方法，具体涉及分离气体的液膜法。

处理天然气和回收各种聚集油的流程所花费用大部分用在气体分离上。首先，必须将天然气中的乙烷、丙烷和较高的烷烃物除去，以得到可出售的甲烷产品。然后再将较高的烷烃物质用于多种目的。为进一步分离较高的烷烃物质，可能还需要另外的分离。

各种聚集油的回收流程所花费用大部分也用在气体分离上。使用二氧化碳或中间的碳氢化合物作易混合的浸渍剂常常要求分离和再注入产生的混合剂，这样做是经济的。

处理气体的大部分成本与气体分离有关。低温分离需要花费大的压缩和冷冻操作。吸收处理要求昂贵的溶剂回收。为避免大部分耗能大的操作以及减少投资和运转费用，现在正进行薄膜技术的研究。

聚合物膜正用于很多工艺中，最著名的是孟山都（Monsanto）的Prism法，聚合物膜的缺点是，在单位面积上通过膜的流量是很小的。这就意味着，系统的表面积必须很大。Prism法在热交换器的结构中使用了一端阻塞的成束的小直径管。这就加大了分离器的表面积，但为了达到合适的流率，装置仍然是相当大的。

由于液膜具有较高的渗透率，所以在单位面积上液膜可以达到更大的流量。第二，液膜的分离系数还可能高于聚合物膜。第三，聚合物膜的缺点是，它优先输送低分子量的物质，而对于很多分离工艺来说，这种低分子量的物质构成了气体体积的大部分。与之不同，液膜优先输送具有低平衡K值的气体，而对于分离来说，例如分离烷烃物质，这些气体是体积较小而较重的烷烃。

最熟悉的液膜是用载体络合物作活性剂的水溶液。在这样一种工艺中，化合物在液膜的上游和下游两侧经历了可逆的反应。这种膜用于输送碳氢化合物是不合适的，但用于酸性气体和二氧化碳或硫化氢，则性能很好。

在M.S.Brennan，A.G.Fane和C.J.D.Fell的题为“利用被支承的液膜分离天然气”（AIChE  Journal，Vol.32，NO.1，P.558（1986））的论文中，和在John  K.Dobitz的题为“利用碳氢化合物液膜分离碳氢化合物气体的实验”（美国化学工程师学会，秋季会议，1987年11月15～18，纽约）的论文中已经公开了利用碳氢化合物液膜来分离低分子量的碳氢化合物气体。

本发明是一种液膜法，用于将气流分离成以具有较低平衡K值的气体为主的渗透气体流和以具有较高平衡K值的气体为主的气体流，该方法包括：使气体输入气流与被支承的液膜接触，从液膜的上游侧排出不能渗透过液膜的以具有较高平衡K值的气体为主的气流，而从液膜的下游侧排出以具有较低平衡K值的气体为主的渗透过液膜的气流。

输入气流和液膜工作在相当接近于相界的液/气两相区域中的输入气流露点的温度和压力下，使得输入气流冷凝，为液膜提供液体。液膜法对于分离碳氢化合物气体，例如分离包含大量甲烷的天然气输入气流，是特别有用的。

本发明涉及分离气体的液膜，其中，供给液膜的输入气流的温度和压力被控制到相当接近于输入气流的露点，使输入气流中发生冷凝，为液膜提供液体。当输入气流的组分改变时，则调整输入气流和液膜的工作温度和压力，以保持供给液膜所需要的冷凝量。这种方法解决了在液膜分离法中再提供液体的主要问题。

被支承的碳氢化合物液膜在很难进行的气体分离中，特别是在碳氢化合物气体的分离中已证明是很有希望的。在这种液膜中，有效的选择性由蒸汽液体平衡控制。质量输送由扩散实现。推动扩散所需的浓度梯度由在液膜的上游和下游两个表面上的蒸汽液体平衡来提供。因此，分离依赖于输入和渗透气流的组分、操作温度和压力。

蒸汽液体平衡膜和其它膜之间的主要差别是穿过膜的成分可以显著改变膜液体的组分。这种组分的改变将改变与液膜两侧接触的气体达到的蒸汽液体平衡，并在输入的成分渗透过液膜时改变液膜系统的总的分离系数。

通过液膜的主要输送机理被认为是费克（Fiokian）扩散。在液膜的两侧由蒸汽液体平衡建立浓度梯度。浓度受到压力、温度、与液膜接触的气体组分和液膜本身的组分的影响。同时还认为，在液膜中的体气流是可以忽略的。因为液体的蒸汽液体平衡对于压力是非线性的，所以必须应用浓度梯度模型。

根据上面的假设，通过液膜的i成分的摩尔（克分子）通量是：

Qi＝ (ADi)/(t) （Ci₁-Ci₂）