[发明专利]用于低温空气分离装置的混合物预纯化器

说明书

本申请是申请日为1989年5月12日申请号为350,848、于1990年6月19日以U.S.4,934,148公开的同时待批申请的部分后续申请。

本发明涉及的是空气的低温分离。更具体地说，它涉及的是输送入低温空气分离系统的进料空气的预处理。

在许多化学工艺、炼油厂、金属制造和其它工业应用中都需要氮气和氧气。有各种各样的公知的空气分离技术用于制备氮气和/或氧气，但普遍使用的是低温蒸馏方法和系统来从空气中制备氮气和/或氧气，或从油井气体中除去氮气。在各种低温应用中，必须从压缩的进料气流中除去高冰点的杂质，否则在进行初级气体分离的低温下它们会固化。通常在现有技术中公知的是通过冷却/吸附方法的结合来除去这类杂质。在空气分离操作中，可应用反向热交换器和冷端胶体分离器组合，或者机械空气冷却器/沸石分子筛吸附剂组合进行这种预清洗。在前一类型的工艺组合中，当所述的空气与低温废物和产物气流热交换时，实际上全部的杂质都从进料空气中冻析出来。不尽人意的是，相对于空气进料量来说，反向热交换器组件的自身清洗需要大量的清洗气流。结果是，导致这类清洗循环空气的回收趋向不太理想。反向热交换组件还需要大的阀门，它们必须在循环的基础上开和闭，以转换空气进料和废清洗气流通路。该阀常常位于低温系统的绝热冷却室内，使得难以维护。再进一步说，为了有效的操作该热交换—胶体分离器组件必须在低温下进行操作，固而在装置起动过程中需要相当长的冷却时间。

与反向热交换器和胶体分离器组件相反，如在Prentice的U.S.4,375,367所公开的，机械冷却器/吸附单元组件可以在起动后的数分钟内提供清洁、干燥的进料空气流。机械冷却器使得空气温度从压缩机后冷却器约80°F至约115°F的温度降低至约40°F。在所述较高温度下为饱和态的空气通过冷凝失去了它的大部分水分。因而减小了进入吸附单元的水浓度。典型的是使用一对压力容器来进行吸附操作，一个床用于吸附，而另一个床进行再生。压力容器内装满吸附剂材料，例如氧化铝、沸石分子筛或硅胶，吸附剂从进料空气流中除去剩余的水蒸汽、二氧化碳和/或其它杂质。一般吸附剂床在接近环境压力下用不含杂质的气流再生，可用低温废气的一部分或者干燥的空气，可以对它们进行加热以改进其解吸能力。机械冷却器的操作通过增加吸附剂床的吸附容量、降低进口水分浓度并因而降低操作所需清洗气流量和能量而对吸附剂床的性能有显著的改善。因为必须避免在管壁上结冰，所以机械冷却器限定了最小产物露点为约38°F。所述的冷却器必须有后续水分分离器以除去从进料空气中形成的冷凝物，并防止过量的水分进入吸附剂床。在这类操作中所用的机械冷凝器就投资和能量需求来说。特别对于小厂费用是昂贵的。还有，一般都知道这类冷却器需要昂贵的维护费用。

考虑到这些因素，在本领域中一直寻求新的方法和系统，要求它们能省去上面提到的组成部分或者改进这些组成部分的功能，特别是机械冷却器和水分离器，使得向低温气体分离设备中更经济地提供清洁、干燥的空气。所感兴趣的一个方面是使用从进料空气中选择性透过水和二氧化碳的膜系统。公知有某些材料能够选择性的透过水和二氧化碳，同时包含不易透过组分的空气或其它气体作为未透过的气体得以分离。利用这种材料的膜系统将可替代机械冷却器的功能。这类膜系统公知是较简单的并易于操作和维护。由于这类膜系统是正常操作的，所以，从进料气流中除去水分需要有显著数量的有价值产物气体共同透过。为了达到使用机械冷却器时所达到的露点值，则要求膜系统在10至20％的透过量阶段下进行操作。因此，这种情况降低了所能获得的总体过程收率，增加了该过程的能量需求量，并且从经济角度来看，使得该方法一般失去吸引力。尽管这些因素防碍了使用膜干燥系统来取代机械冷却器或所述反向热交换器与胶体分离器组合件，但在省去了目前采用的某些技术以改进总体方法和系统而使用新的膜干燥系统，代表了在本领域可喜的进展。

因而，本发明的一个目的是提供一种用于生产干燥氮气和/或氧气产物的改进的方法和系统。

本发明的另一个目的是提供一种应用低温系统进行气体分离的改进的方法和系统，并按需要在其中使用膜系统来从进料气体中除去水分和二氧化碳。

本发明进一步的目的是在使用低温系统进行空气分离来获得干燥的氮气和/或氧气的总体方法和系统中，提供一种能够实现强化的干燥效果和分离二氧化碳的膜干燥系统。

着眼于这些和其它的目的，后面详细地对本发明进行说明，在所附的权利要求书中具体地指出了本发明的新的特征。