專利名稱：改進的氣體預(yù)凈化法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輸送到氣體分離工序的原料氣流的預(yù)凈化。更具體而言，本發(fā)明涉及提高氣體膜分離工序上游使用的吸附床的吸附容量。
在分離空氣以生產(chǎn)氧、氮和氬以及其它各種氣體分離的過程中，在大批分離過程進行之前，必須從原料氣中將某些雜質(zhì)除去。在深冷的空氣分離中，必須在深度冷凍之前將水蒸汽和二氧化碳從空氣中除去。通常，在變壓吸附(PSA)過程之前也必須將這些雜質(zhì)除去。膜分離過程對這些雜質(zhì)不太敏感，但是，膜會受到痕量重質(zhì)烴類和/或有機或無機蒸氣污染物的污染而降解。幾乎所有工業(yè)上的氣體分離過程都需要用油潤滑的壓縮機壓縮原料氣流。這種壓縮機不可避免地會將少量油引入氣流中，因此，在進入大批分離過程之前必須將這些烴類除去。
因此，所有實際應(yīng)用的空氣分離過程都必須使用一些預(yù)凈化裝置，將不希望有的痕量烴類和/或有機或無機蒸氣從原料空氣流中除去。在預(yù)凈化工序中，通常也必須或最好將大部分水蒸汽和二氧化碳除去。
滲透膜過程和系統(tǒng)在本技術(shù)領(lǐng)域是眾所周知的，而且已廣泛用于或考慮用于各種氣體和液體的分離。在這些操作中，將原料流與膜表面接觸，于是原料流中更容易滲透的組分即可作為滲透流回收，而滲透性較差的組分則作為非滲透流從膜系統(tǒng)中排放。
這種流體分離過程所固有的簡便性，刺激本技術(shù)領(lǐng)域在工業(yè)生產(chǎn)中推廣使用膜系統(tǒng)。在這方面，可以理解的是這類膜系統(tǒng)的選擇性和滲透性必須適合于特定用途的總體生產(chǎn)要求。當(dāng)然，這些膜也必須在工業(yè)上的實際操作過程中，顯示出足夠的穩(wěn)定性，且其操作性能不過度地降低。
空氣分離的應(yīng)用構(gòu)成非常理想的使用滲透膜的領(lǐng)域。在這種應(yīng)用中，對特定的膜而言，氧通常是原料空氣中更容易滲透的組分，可作為滲透氣排放。在這類實施方案中，氮是不太容易滲透的組分，而作為非滲透氣回收。在空氣分離的應(yīng)用中，已發(fā)現(xiàn)一些膜的操作特性對含在原料空氣流中的某些污染物敏感。在使用中受到這些污染物的污染會導(dǎo)致膜的滲透性顯著降低。幸而已發(fā)現(xiàn)，通常存在于環(huán)境空氣中的大多數(shù)污染物(例如輕質(zhì)烴類)至多導(dǎo)致膜的滲透性適度地下降。在例如可能從油潤滑的空氣壓縮機進入原料空氣流的重質(zhì)烴油蒸氣，或其它有機蒸氣例如二氯甲烷、四氯化碳或其它例如溶劑物料，或(在某些情況下)無機氣體例如二氧化碳的濃度相當(dāng)?shù)蜁r，例如小于1ppm(按體積計，以C1表示)，都會導(dǎo)致膜的滲透性迅速而大大地降低。
在用于空氣或其它氣體分離的膜系統(tǒng)中，費用較大的部件是具有一定膜表面積的膜組件以及空氣或其它氣體壓縮機裝置，用以達到適宜的滲透壓，以實現(xiàn)所需產(chǎn)品氣的質(zhì)量和生產(chǎn)。對一定的操作條件(即壓力、溫度和流量)而言，通過選擇對被分離的氣體混合物中更容易滲透的組分具有很高滲透性的膜材料，通?？墒乖撃は到y(tǒng)所需的表面積減至最小。對一定的選擇性而言，通常，膜的滲透性越高，在一定的生產(chǎn)要求下所需的膜面積越小。通過選擇油潤滑螺旋供料壓縮機(特別是小工廠中)，一般可使壓縮機的費用減至最小。
在用于空氣分離的膜系統(tǒng)的開發(fā)工作期間，已發(fā)現(xiàn)膜的滲透性一開始就迅速和顯著地降低，繼而在幾個月內(nèi)的操作期間進一步逐漸下降。鑒于膜的滲透性不符合要求地降低，目前，通常的做法是將活性膜表面積的尺寸加上保險系數(shù)，使其大到足以補償預(yù)見的所有來源造成的滲透性降低。因此，從一開始就將膜系統(tǒng)顯著地放大尺寸以適應(yīng)所需的產(chǎn)品流量，而原料氣壓縮機則調(diào)節(jié)到較低的狀態(tài)下運行。當(dāng)滲透性繼續(xù)降低時，可升高操作溫度或壓力或兩者同時升高以補償滲透性的降低。在某些情況下，一開始就必須或最好在一些膜系統(tǒng)的組件中設(shè)旁路，這樣，當(dāng)膜顯示出其全部滲透容量時，可減少過量的膜使用面積，其后，當(dāng)起初使用的組件的降解發(fā)展時，將這些設(shè)過旁路的組件投入運行。在這種情況下，可以理解的是，除了涉及補充額外的膜表面積而需要較大投資代價之外，在超出設(shè)計條件下，這種膜系統(tǒng)必須在其操作壽命的有效期間內(nèi)運行，因此，對這種膜系統(tǒng)的控制方法比接近其最佳設(shè)計條件下操作的系統(tǒng)更為復(fù)雜。
為了補償使用中膜的降解，已試圖恢復(fù)其失去的性能，并將此作為代替這種膜系統(tǒng)保守設(shè)計的方法，但是，在為恢復(fù)已降解膜的滲透性而開發(fā)經(jīng)濟可行的方法初期，這種努力沒有成功。雖然目前可以得到恢復(fù)降解膜滲透性的實用和經(jīng)濟的方法，但是為避免在非常短的操作周期后必須報廢降解組件換以新組件，仍然非常希望在膜工藝中針對膜降解的問題進一步改進。膜系統(tǒng)的保守設(shè)計，或設(shè)膜旁路的方法，或中斷生產(chǎn)操作進行膜的滲透性恢復(fù)處理，或上述這些方法的組合，全然不是空氣或其它氣體分離工業(yè)生產(chǎn)中解決滲透性降低的滿意方法。
在本技術(shù)領(lǐng)域已知的另一種方法中，已使用吸附床從原料空氣中除去油和烴類。雖然可以使用各種吸附劑來達到上述目的，然而在吸附床中，通?？偸莾?yōu)選使用″活性炭″，或采用配置在空氣或其它氣體分離膜系統(tǒng)上游的炭捕集器。雖然可以將這種炭捕集器的容量設(shè)計成基本上能除去原料氣混合物中以污染物形式存在的所有輕質(zhì)烴和重質(zhì)烴類，然而，Prasad和Haas在美國專利4,881,953中，公開了使用活性炭或其它吸附床，從原料空氣或其它原料氣流中選擇性地除去造成膜滲透性降低的重質(zhì)烴類，而不除去C5或更低的輕質(zhì)烴或水蒸汽或二氧化碳。通過這種重質(zhì)烴類的選擇性吸附，該吸附床能夠使所采用的膜系統(tǒng)不必過于保守地設(shè)計分離能力，而且在更換或恢復(fù)之前還可以延長有效壽命的周期。因此，由于這樣選擇性地除去重質(zhì)烴類，對給定的氣體分離操作而言可使該吸附床最佳化，并可在被重質(zhì)烴類飽和后任意處置。
盡管可以成功地使用活性炭捕集器和其它的吸附床，從壓縮空氣和其它氣流中除去重質(zhì)烴類，但是已發(fā)現(xiàn)，由于大量水或水蒸汽的存在，炭床對這類烴的吸附容量大大地降低。當(dāng)空氣被壓縮時，所生成的高壓氣流常常為水蒸汽飽和。甚至在激冷和從空氣或其它的氣流中除去液態(tài)水之后，該氣流中的水蒸汽含量仍然高到足以降低用于所有包括重質(zhì)烴類的烴類和/或有機或無機蒸氣的炭捕集器的容量。水蒸汽對活性炭吸附油容量的有害影響在本技術(shù)領(lǐng)域里已是公認的。R.Jain1992年5月17-20日在″Process for preven-ting Degradation of Gas Separation Membranes Due toOil Vapors″，North American Membrane Society，Lex-ington，Kentucky中建議使用由三層，即活性鋁土、活性炭和活性鋁土組成的吸附床。將原料氣通過該吸附床，水被活性鋁土除去而油污染物則被炭除去。當(dāng)?shù)谝换钚凿X土層被水飽和時，將流向顛倒，這樣，按氣流流向另一活性鋁土層就變?yōu)榈谝粚?。在通過中間的炭層之后，原料氣流進早先被飽和的活性鋁土層，在該處水從活性鋁土層中解吸，從而使所述活性鋁土層部分再生。雖然該過程可以提高活性炭吸附油的容量，但是，卻使水蒸汽留在輸送到下游處理工序的氣流中。此外，該方法實質(zhì)上是間歇的。在轉(zhuǎn)換通過復(fù)合床的流向時，被飽和或污染的中間炭床的一端從氣流的進口轉(zhuǎn)換成出口，致使一些油污染物重新進入原料氣流中。
盡管可以合意地使用炭捕集器和上述經(jīng)證實而建議使用具有三層指定床層的吸附床，然而，仍然希望在本技術(shù)領(lǐng)域中對輸送到膜或其它氣體分離系統(tǒng)的原料氣預(yù)凈化方法作進一步改進。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種改進的方法和系統(tǒng)，用以預(yù)凈化輸送到空氣分離系統(tǒng)的原料氣流。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種改進的方法和系統(tǒng)，用以提高預(yù)凈化輸送到膜或其它氣體分離系統(tǒng)的原料氣流所用吸附床的烴吸附容量。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種改進的方法和系統(tǒng)，用以解決氣體膜分離過程中滲透性下降的問題。
請記住上述和其它的目的，在下文中將對本發(fā)明作詳細敘述，其新穎的特點將在附錄的權(quán)利要求書中特別指出。
在吸附床的上游使用薄膜干燥器，該吸附床用來從輸送到氣體分離或其它處理工序的原料氣流中除去烴類和/或有機或無機蒸氣。該薄膜干燥器可以使原料氣流中的水蒸汽含量降低到對吸附床吸附烴和/或有機或無機蒸氣的吸附容量影響極小的適宜水平。
在下文中將參照附圖對本發(fā)明作詳細說明，其中

圖1是本發(fā)明一個實施方案的流程示意圖，其中在用來凈化輸送到下游處理工序的氣流的吸附床上游使用了預(yù)凈化薄膜干燥器；圖2是本發(fā)明一個具體實施方案的流程示意圖，其中該下游處理工序是氣體膜分離系統(tǒng)；圖3是說明圖，用以說明處理氣流的水分含量與實施本發(fā)明所用的預(yù)凈化器薄膜干燥器系統(tǒng)中使用的吹掃比之間的關(guān)系；和圖4是本發(fā)明一個實施方案的流程示意圖，該方案采用與預(yù)凈化薄膜干燥器和用來凈化所述膜系統(tǒng)氣流的吸附床結(jié)合的兩級氣體膜分離系統(tǒng)。
通過采用串聯(lián)薄膜干燥器和其后的吸附床例如炭捕集器作為氣體分離或處理裝置上游的預(yù)凈化系統(tǒng)而實現(xiàn)本發(fā)明的目的。通過這種在其與吸附床接觸之前在薄膜干燥器中預(yù)干燥原料氣流的方法，有利于解決由于水蒸汽的存在使炭捕集器或其它吸附床吸附烴類和/或有機或無機蒸氣的容量降低的問題。在通過薄膜干燥器時，空氣或其它原料氣流中的水蒸汽含量下降，而殘余水蒸汽的含量對炭捕集器或其它吸附床吸附烴和/或有機或無機蒸氣吸附容量的影響可以忽略或影響極小。
如圖1中關(guān)于本發(fā)明空氣分離實施方案的說明，管道1中的原料空氣在典型的油潤滑壓縮機2中被壓縮，壓縮后的原料空氣由該處經(jīng)管道3輸送到后冷卻器4，飽和的空氣流從該處經(jīng)管道5輸送到水分離器6，從其底部通過管道7將水除去。為了排除進一步冷凝，可在經(jīng)過管道10輸送到薄膜干燥器11之前，將原料空氣流經(jīng)管道8輸送到熱交換器或加熱器9。薄膜干燥器可將存在于原料空氣流中的大部分殘余水蒸汽除去，并使其蒸氣壓降低到基本上不影響下游炭捕集器容量的水平。原料空氣流中更容易滲透的組分(主要是水蒸汽)滲透通過所述薄膜干燥器11中的滲透性膜材料，然后，通過管道16排放廢棄。如附圖所示，管道16中的一部分廢氣流可以通過管道16A循環(huán)到管道1以便和補充量的原料空氣一起輸送到空氣壓縮機2。來源適宜的較干燥氣體可以通過管道15輸送到薄膜干燥器11的產(chǎn)品排放端，以便送到其滲透一側(cè)，優(yōu)選逆流輸送到原料空氣進料的通道處，或所述薄膜干燥器11的非滲透一側(cè)。將吹掃氣這樣流過可促使快速滲透氣體即水蒸汽(濕度)更容易從膜表面除去，從而加速所有原料氣的干燥操作。
從薄膜干燥器11排放的干燥原料空氣，通過管道12輸送到炭捕集器13，在該處將存在于原料空氣中的重質(zhì)烴和/或有機或無機蒸氣污染物除去。如附圖所示，一部分所述干燥原料空氣流可以通過管道17排放，以便循環(huán)到薄膜干燥器11，在其滲透一側(cè)作為吹掃氣。在選擇性吸附可吸附的污染物，即所述烴類(包括重質(zhì)烴類)和/或有機或無機蒸氣后，經(jīng)過這樣凈化的原料空氣流經(jīng)管道18輸送到下游的處理系統(tǒng)19，在該處進一步凈化、分離或進行其它要求處理的步驟。通常，這樣處理可以產(chǎn)生作為廢氣流從這里排放的干燥氣流。優(yōu)選將該氣流循環(huán)(如在所述管道15那樣)用作薄膜干燥器11滲透一側(cè)的低壓吹掃氣。
在圖1所說明的實施方案的操作中，環(huán)境空氣經(jīng)管道1輸送到單級或多級的壓縮機2，空氣在該處被壓縮到所要求的高壓。如上所指出，該壓縮機一般是用油潤滑的，因而會使痕量油夾帶進入高壓空氣流中。該氣流被輸送到后冷卻器4(如上所作的說明)，或可以在多級壓縮機的級間進行冷卻。通過冷卻，管道5中的氣流通常被飽和，液態(tài)水則在水分離器6中分離。從該處流過的原料空氣仍然里飽和狀態(tài)，并最好在熱交換器或加熱器9中加熱。該飽和或亞飽和的空氣流經(jīng)管道10輸送到薄膜干燥器即干燥組件11的高壓進料一側(cè)。當(dāng)原料空氣流過該組件時，其水蒸汽壓降低到所希望的低水平。干燥后的滯流物或非滲透氣，隨原料空氣從該處通過管道12輸送到炭捕集器13，其中夾帶在原料空氣中的烴類(包括重質(zhì)烴類)和/或有機或無機蒸氣被吸附并從該處除去。所得的干燥、凈化的氣流是有利于下游處理系統(tǒng)19的原料氣流。
當(dāng)下游處理系統(tǒng)是通過選擇性滲透氧以生產(chǎn)高純氮氣產(chǎn)品，且所述氮氣產(chǎn)品作為非滲透氣回收的空氣膜分離系統(tǒng)時，將烴類(包括重質(zhì)烴類)和/或有機或無機蒸氣污染物除去是特別重要的。雖然已研制出用作空氣分離膜的膜材料，出乎意料的是，在Prasad和Hass的美國專利4,881,953所公開的資料中卻認為，在濃度相當(dāng)高的輕質(zhì)烴存在下并沒有不利的影響，然而，該膜材料在連續(xù)的空氣分離操作使用期間，受到重質(zhì)烴和/或有機或無機蒸氣污染物的污染使其滲透性降低。
在膜法生產(chǎn)高純氮氣時，富氧空氣也同時作為廢氣產(chǎn)生。這些廢氣的全部或一部分可以通過管道15輸送到薄膜干燥器11的低壓滲透一側(cè)供作吹掃之用，最好按相對于高壓原料空氣的流向，逆流輸送到所述薄膜干燥器11的滲透一側(cè)。這種吹掃氣與通過所述薄膜干燥器11從原料空氣中選擇性滲透的水蒸汽一起通過管道16排出，可作為廢氣排放。
如果下游處理系統(tǒng)19是低溫蒸餾過程或變壓吸附過程，同樣會產(chǎn)生廢氣流，這些廢氣流可以通過管道15輸送到薄膜干燥器11作為吹掃氣。從其它過程而來的適宜的廢氣流也可以供作吹掃之用。
因此，本發(fā)明可以提高炭捕集器對烴和/或有機蒸氣的吸附容量，途徑是通過使用薄膜干燥器有效地降低原料氣中的水蒸汽含量使其達到可以忽略或?qū)λ鎏坎都鲝脑蠚庵形綗N類(特別是重質(zhì)烴類)和/或有機或無機蒸氣的容量影響極小的水平。雖然本發(fā)明的單一組件已根據(jù)其特殊的用途使用，然而，這些組件獨特的組合及其在實施本發(fā)明中的應(yīng)用，可在氣體分離工藝中獲得顯著的效益。炭捕集器在空氣或其它原料氣流中的位置，安排在下游處理系統(tǒng)之前，可以防止烴和/或有機或無機蒸氣污染物進入所述下游工序。薄膜干燥器可以防止過量的水蒸汽進入炭捕集器而使其性能降低。很清楚，用于薄膜干燥器的膜材料通常有別于下游空氣或其它氣體分離系統(tǒng)所用的膜材料，而且對烴和/或有機蒸氣引起的降解不太敏感。因此，用于薄膜干燥器的組合物通常對水的選擇性高于被干燥的氣體(即空氣干燥過程中的氮和氧)。如Prasad的美國專利US5,226,932中所指出，水/空氣的分離系數(shù)應(yīng)至少為50，優(yōu)選大于1,000，由于待干燥氣體的滲透性低，有利于從原料空氣中除去水分。適合于干燥用途的膜材料的實例是醋酸纖維、乙基纖維素、磺化聚砜、聚酰胺和聚苯乙烯。當(dāng)其在薄膜干燥器中使用時，可以顯著降低水蒸汽的含量，這樣就不會對炭捕集器吸附重質(zhì)烴類和/或有機或無機蒸氣的容量產(chǎn)生嚴重的影響。應(yīng)該注意的是壓縮空氣通常在后冷卻器的溫度下被飽和?？梢圆捎幂o助的冷凍使水蒸汽的含量降低，但是這種方法的效果比使用根據(jù)標題發(fā)明的薄膜干燥器的效果差。
在附圖的圖2中說明了采用薄膜干燥器和炭捕集器預(yù)凈化輸送到膜系統(tǒng)的原料空氣以生產(chǎn)低純或中級純度的氮氣(氮含量約為90-98％)，其中采用單級的空氣分離膜可以在完全徑向混合的情況下逆流操作。這樣，原料空氣經(jīng)管道20輸送到空氣壓縮機21，然后從該處經(jīng)管道22輸送到后冷卻器23，通過水分離器24從管道24A除去液體水，然后輸送到薄膜干燥器25。壓縮后的干燥原料空氣經(jīng)管道26輸送到炭捕集器27除去重質(zhì)烴和/或有機或無機蒸氣。這樣凈化后的原料空氣經(jīng)管道28輸送到膜裝置29，從該處通過管道30回收氮氣產(chǎn)品。干燥的富氧滲透氣從膜裝置29經(jīng)管道31排放，而其中的一部分通過管道32轉(zhuǎn)向，用作所述薄膜干燥器25的吹掃氣。薄膜干燥器25中的滲透氣(即快速滲透的水分)和所述吹掃氣從該干燥器通過管道33排出以便從該過程中排放。
在圖2實施方案的說明性實施例中，所用空氣分離膜的氧/氮分離系數(shù)為6。原料空氣在175磅/平方英寸(表壓)和100°F下輸送到薄膜干燥器，而滲透氣和吹掃氣在15磅/平方英寸(絕對壓強)即基本上在一個大氣壓下從薄膜干燥器中排放。按逆流方式，在低壓吹掃條件下操作的薄膜干燥器的水/氧分離系數(shù)大于1,000，而對水的滲透性/厚度比為1.9×107Barrers/cm。空氣的膜分離裝置在級分流約為57％下操作，從而確定了薄膜干燥器可以采用的最大吹掃比。
在上述實施例中，通過薄膜干燥器達到的干燥程度取決于吹掃氣流的量和干燥度，如上所指出，該吹掃氣流是來自空氣膜分離裝置的一部分滲透氣。滲透氣中的水分含量取決于輸送到空氣膜分離裝置的高壓原料空氣中的水蒸汽含量。因此，工藝過程中各種氣流的濕度是互相關(guān)聯(lián)和影響的。
工藝過程氣流的濕度和吹掃比的關(guān)系列于下面的表中并在附圖的圖3中作了說明。當(dāng)吹掃比低時，觀察到薄膜干燥器產(chǎn)品的濕度與吹掃氣流中的濕度一樣高。然而，當(dāng)吹掃比升高時，兩種氣流的濕度均降低。
在低濕度下，觀察到吹掃比取決于薄膜干燥器的面積系數(shù)(AF)，在實施例中使用了它的兩種值。面積系數(shù)是每單位干燥產(chǎn)品氣流所需的膜表面積。
表

如上表和圖3所示，當(dāng)吹掃比為10％(面積系數(shù)為0.1)或27％(面積系數(shù)為0.04)時，得到很干的氣流?？梢宰⒁獾剑@些數(shù)值比可得到的最大吹掃比57％低得多。因此，通過本發(fā)明的預(yù)凈化方法和系統(tǒng)可以產(chǎn)生很干的氣流。當(dāng)最終的產(chǎn)品是干燥的、高純的氮氣時這是很有意義的。
說明性實施例中的數(shù)據(jù)是基于單級的膜過程從原料空氣中回收氮氣。當(dāng)需要較高純度時，最好采用兩級或甚至三級膜過程。附圖中的圖4說明，在實施本發(fā)明時，如何將兩級的空氣膜分離系統(tǒng)與薄膜干燥器和炭捕集器結(jié)合在一起。
在圖4的實施方案中，原料空氣經(jīng)管道40輸送到空氣壓縮機41，壓縮后的原料空氣從該處經(jīng)管道42輸送到薄膜干燥器43的進料一側(cè)，以便從該處將快速滲透的水分除去。非滲透的、干燥原料空氣從薄膜干燥器43通過管道44輸送到炭捕集器45，干燥、凈化的原料空氣從該處通過管道46輸送到第一級空氣分離膜47，富氧空氣滲透廢氣流從該處通過管道48從第一級的滲透一側(cè)排放。非滲透的富氮氣流從所述第一級膜47通過管道49輸送到第二級空氣分離膜50。干燥的、高純氮氣通過管道51從其非滲透一側(cè)回收。
來自所述第二級膜50的干燥滲透氣從所述第二級膜50的滲透一側(cè)通過管道52排出，以便循環(huán)到管道40與補充量的原料空氣一起輸送到空氣壓縮機41，然后輸送到薄膜干燥器43和炭捕集器45。一部分上述干燥滲透氣從所述管道52排出，經(jīng)管道53輸送到薄膜干燥器43的滲透一側(cè)用作吹掃氣，以便從輸送到進口(即所述薄膜干燥器43非滲透一側(cè))的原料空氣中加速除去快速滲透的水分。所述吹掃氣和從薄膜干燥器43除去的含水滲透氣，與所述管道52中所述滲透氣一起，經(jīng)管道54循環(huán)輸送到管道40，與補充量的待分離原料空氣一起在壓縮機41中壓縮，以便回收產(chǎn)品氮氣。
按照本說明書對本發(fā)明所作的詳細敘述，可以作出各種改變或變化而不脫離如附錄權(quán)利要求書中詳述的本發(fā)明的范圍。因此，當(dāng)不能從下游過程中得到適宜的廢氣流時，可將一部分干燥空氣像在圖1實施方案中所述管道17中那樣輸送到薄膜干燥器用作吹掃氣流。也應(yīng)當(dāng)指出，離開薄膜干燥器的滲透氣和吹掃氣中的水分含量可以低于或不低于環(huán)境空氣中的水分含量。如果從滲透一側(cè)排出的所述氣體的水分含量足夠低，而且如果其組成在其它方面是適宜的，則可將該氣體循環(huán)，并在壓縮機的進口與輸入的原料空氣混合。
可以理解的是，多級空氣分離膜可在實施本發(fā)明時使用，從所述多級中的任一級或其組合而產(chǎn)生的干燥滲透氣都可在薄膜干燥器中用作吹掃氣。如果這種滲透氣適宜于在后面這樣用來吹掃，特別是如果取自膜系統(tǒng)的第二級或更后的一些級，可能有利于與補充量的原料空氣一起循環(huán)以便進一步處理。
在本發(fā)明優(yōu)選的實施方案中，炭捕集器中使用炭吸附劑。任一種適宜的、市場上可以買到的且能吸附上述重油烴蒸氣和/或有機或無機蒸氣的活性炭材料均可采用。如在所述Prasad和Haas的專利中所介紹，采用活性炭材料有利于選擇性吸附烴類例如重質(zhì)烴蒸氣，而讓輕質(zhì)烴蒸氣仍然與原料氣通過炭捕集器輸送到膜系統(tǒng)。適用于實施本發(fā)明的一些炭的代表性實例是Calgon BCBCarbon、BPL vapor phase carbon；Carbon 207C ofSutcliffe-Speakman，Inc.；Westvaco Nuchar WV-3；和Norit RB3 of American Norit。其它各種吸附材料例如眾所周知的、市場上可買到的沸石分子篩材料如5A和13X分子篩也可以使用。
本發(fā)明優(yōu)選的炭捕集器中使用的炭床或其它吸附劑捕集器可以設(shè)計成一次性的捕集器，即其尺寸可以確定為至少約6個月能防止膜降解，此外，還應(yīng)具有一定的床層深度，使原料空氣或其它原料氣流中的壓力降小于5磅/平方英寸。本發(fā)明典型的空氣分離應(yīng)用的說明性設(shè)計特點是(1)原料流量為66,000立方英尺(標準)/小時(SCFH)，(2)原料氣的壓力為150磅/平方英寸(表壓)，(3)操作溫度為90°F，和(4)原料空氣流中烴污染物的含量C5或低級烴蒸氣(按CH4測定)為1.5ppm(按體積計)，和高于C5(按甲烷測定)的約為0.5ppm(按體積計)或更多，和/或含量不符合要求的有機蒸氣?？梢岳斫獾氖牵坎都骰蚱渌奈絼┎都鞑槐厥且淮涡缘?，但是，在本發(fā)明的實施范圍內(nèi)可以是再生型。
膜分離系統(tǒng)通常采用油冷卻的螺旋壓縮機將增壓的原料空氣供給膜分離表面。如上所述，已發(fā)現(xiàn)原料空氣中因污染而產(chǎn)生的油污染物會使膜性能降低。當(dāng)然，這種油冷卻的螺旋壓縮機可以用于其它原料氣的增壓，而其它形式的油潤滑壓縮機可以在膜或其它氣體分離操作之前用于原料空氣或其它原料氣的增壓。在所有這些用途中，烴油蒸氣以及其它有機或無機蒸氣，會進入輸送到膜或其它氣體分離系統(tǒng)的原料氣流中。由于甚至當(dāng)重質(zhì)烴油蒸氣和/或有機或無機蒸氣的濃度相當(dāng)?shù)蜁r，即低于1ppmv(C1)，都會導(dǎo)致氣體分離膜的滲透性迅速而大量地降低，一次性炭或其它吸附劑捕集器選擇性地從原料氣中除去這些重質(zhì)烴類和/或有機或無機蒸氣，同時合理地允許輕質(zhì)烴在不顯著地損害膜材料的情況下與原料氣通過該膜系統(tǒng)的能力，使膜的降解在特別簡便和經(jīng)濟可行的方式下受到控制和防止。熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員會理解到，除由于使用油冷卻的螺旋壓縮機或其它油潤滑壓縮機所產(chǎn)生的這類有害污染物而外，還存在其它這類污染原料氣的來源，在此情況下，采用本發(fā)明可以防止膜降解。因此，待分離的原料空氣或其它氣體也可能適合在船上的柴油機環(huán)境附近進行分離。同樣，空氣或其它氣體的分離也可能在烴精煉生產(chǎn)廠附近進行。在這些情況下或其它類似的應(yīng)用中，原料氣會受到重質(zhì)烴類和/或有機或無機蒸氣的污染，而足以造成不符合工業(yè)要求的膜降解率。在所有這些情況下，本發(fā)明可以提供簡便和實用的方法，以保持炭捕集器的吸附容量和防止這種損害，而沒有必要采取補充膜面積來產(chǎn)生給定的產(chǎn)品流量和純度。
本發(fā)明實現(xiàn)了在通過膜、變壓吸附(PSA)或低溫蒸餾過程分離之前，預(yù)凈化原料空氣或其它原料氣的非常滿意的改進。除了上述空氣分離的應(yīng)用之外，其它氣體分離應(yīng)用的說明性實施例是從含有甲烷、乙烷和其它烴類的廢氣中凈化氫，當(dāng)降解的主要來源是工業(yè)實際應(yīng)用中遇到的問題時，實施本發(fā)明是有利的。其它的這類實施例是從氨吹掃氣中回收氫和二氧化碳以及甲烷的分離。
在采用空氣或其它氣體膜分離過程和系統(tǒng)的一些實施方案中，可采用任一種能夠從含有所述組分和不太容易滲透組分的原料混合物中，選擇性滲透更容易滲透組分的符合要求的膜系統(tǒng)。在這方面，本文所涉及的某一種組分是與原料氣混合物中的另一種氣體或一些氣體(即另一種組分)選擇性地分離的一種氣體或一些氣體的組合物，例如從更容易滲透的氧中選擇性地回收氮和氬。因此，復(fù)合型、非對稱型的膜或任一種其它膜結(jié)構(gòu)形式，均有利于防止實施本發(fā)明時異常的降解。復(fù)合膜通常包括疊加在多孔襯底上的薄分離層或適宜的滲透性膜材料的涂層，其中分離層決定復(fù)合膜結(jié)構(gòu)的分離特性。另一方面，非對稱型膜主要由單一的可滲透膜材料組成，該膜材料具有對膜的分離特性起決定性作用的薄致密半透膜，以及用以防止薄膜層在壓力下皺縮的不太致密的多孔非選擇性載體層。這類膜結(jié)構(gòu)可以按不同的形式制成，例如螺旋纏繞、空心纖維、平板式或類似的形式。用于實施工業(yè)操作時，這些膜結(jié)構(gòu)一般采取膜裝配件的形式，即安裝在盒套內(nèi)構(gòu)成包括整個膜系統(tǒng)主要元件的一些膜組件。膜系統(tǒng)通常包括若干排列成并聯(lián)或串聯(lián)操作的組件，以及構(gòu)成空心纖維束、螺旋纏繞筒、折疊的平板膜組件或其它常用于膜工業(yè)中的這類組件。
在任一種特定的氣體分離中使用的膜材料，可以是任一種能選擇性地滲透原料空氣或其它原料氣混合物中更容易滲透組分的材料。這些材料的代表性實例是纖維素衍生物類，例如醋酸纖維、乙酸丁酸纖維素和類似的物質(zhì)；聚酰胺類和聚酰亞胺類，包括芳基聚酰胺類和芳基聚酰亞胺類；聚砜類；多芳基化合物類；聚苯乙烯類以及類似的物質(zhì)。
熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員會容易理解到，本發(fā)明同樣可以實用于各種適宜的空氣或其它氣體分離PSA或低溫系統(tǒng)和過程，其中，使用本發(fā)明提供的原料氣流預(yù)干燥對整個操作有利。
可以看出，本發(fā)明是工業(yè)上的一個重要的進步，從綜合的技術(shù)和經(jīng)濟的觀點來看，可以很顯著地使空氣或其它氣體分離操作更可行。這樣，就可使各種空氣和其它氣體分離操作的能力增強，以滿足整個工業(yè)化世界不斷增長的對更有效的操作性能的要求。
權(quán)利要求
1.一種在氣體分離系統(tǒng)中分離原料氣混合物的方法，該方法能選擇性地使原料氣混合物中的一種組分與另一種組分分離，其中該原料氣混合物含有水分和烴和/或有機或無機蒸氣污染物，改進內(nèi)容包括(a)將含有水分和污染物的原料氣混合物，輸送到薄膜干燥器系統(tǒng)的非滲透一側(cè)，該系統(tǒng)適合于使吹掃氣在其滲透一側(cè)通過，且適合于該原料氣流按相對于在其滲透一側(cè)的吹掃氣的流向逆流的方式通過，所述薄膜干燥器系統(tǒng)能選擇性地從該原料氣混合物中滲透快速滲透的水蒸汽；(b)從薄膜干燥器系統(tǒng)的非滲透一側(cè)將干燥的原料氣混合物輸送到吸附床，該吸附床能從該干燥的原料氣混合物中吸附高于C5(戊烷)的烴類和/或有機或無機蒸氣，以產(chǎn)生干燥、凈化的原料氣混合物；(c)將所述干燥、凈化的原料氣混合物送入所述氣體分離系統(tǒng)以便從該處選擇性地分離所需的組分；(d)按相對于所述原料氣混合物的流向逆流的方式，將吹掃氣輸送到薄膜干燥器系統(tǒng)的滲透一側(cè)，以加速從膜表面將快速滲透的水蒸汽除去，并保持通過薄膜干燥器從原料氣混合物中除去快速滲透的水蒸汽的驅(qū)動力；(e)回收包括通過氣體分離系統(tǒng)從氣體混合物中分離的原料氣混合物中的一種組分的干燥產(chǎn)品氣體；(f)通過所述氣體分離系統(tǒng)分別除去原料氣混合物中的其它組分；和(g)排放吹掃氣和已從所述薄膜干燥器系統(tǒng)的滲透一側(cè)滲透過該薄膜干燥器的快速滲透的水分，從而使存在于原料氣混合物中的水分和重質(zhì)烴類和/或有機或無機蒸氣能有效地除去，并可滿意地延長吸附床的操作壽命，提高氣體分離系統(tǒng)的綜合性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述吹掃氣包括來自氣體分離系統(tǒng)的干燥氣流或一部分輸送到吸附床的干燥原料氣混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，在其步驟(C)中，將所述干燥、凈化的原料氣混合物輸送到氣體膜分離系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述原料氣混合物包括空氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中將通過氣體分離系統(tǒng)分別除去的一部分所述其它組分循環(huán)，作為所述的吹掃氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述原料氣混合物包括空氣，從氣體膜分離系統(tǒng)回收的干燥產(chǎn)品氣體包括從該處以非滲透氣回收的干燥的高純氮氣，而通過氣體分離系統(tǒng)分別除去的所述其它組分包括從該處而來的干燥富氧滲透氣。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中所述氣體膜分離系統(tǒng)包括兩級或多級膜系統(tǒng)，并且將一部分滲透氣從至少一級循環(huán)到薄膜干燥器系統(tǒng)的滲透一側(cè)用作其中的吹掃氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，并且包括將吹掃氣和已從薄膜干燥器系統(tǒng)的滲透一側(cè)滲透過該薄膜干燥器的快速滲透的水蒸汽循環(huán)，以便與補充量的原料空氣一起輸送到薄膜干燥器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，并且將補充量的滲透氣從一級或多級循環(huán)到薄膜干燥器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述吸附劑材料包括活性炭。
11.一種在氣體分離系統(tǒng)中分離原料氣混合物的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能選擇性地使原料氣混合物中的一種組分與另一種組分分離，其中該原料氣混合物含有水分和烴污染物和/或有機或無機蒸氣，改進內(nèi)容包括(a)一套薄膜干燥器系統(tǒng)，該系統(tǒng)適合于使吹掃氣在其滲透一側(cè)通過，以及適合于該原料氣流按相對于在其滲透一側(cè)的吹掃氣的流向逆流的方式通過，所述薄膜干燥器系統(tǒng)能選擇性地從該原料氣混合物中滲透首先滲透的水蒸汽；(b)用于將原料氣混合物輸送到薄膜干燥器系統(tǒng)的非滲透一側(cè)的管道裝置；(c)一臺吸附床，能從所述薄膜干燥器系統(tǒng)輸送來的干燥原料氣混合物中吸附高于C5(戊烷)的烴類和/或有機或無機蒸氣，以產(chǎn)生干燥、凈化的原料氣混合物；(d)從所述薄膜干燥器系統(tǒng)，將所述干燥的原料氣混合物輸送到所述吸附床的管道裝置；(e)一套氣體分離系統(tǒng)，用以從所述干燥、凈化的原料氣混合物中選擇性地分離所需的組分；(f)用于將所述干燥、凈化的原料氣混合物，輸送到所述氣體分離系統(tǒng)的管道裝置；(g)用于將吹掃氣按相對于所述原料氣混合物的逆流流向，輸送到薄膜干燥器系統(tǒng)的滲透一側(cè)的管道裝置，以加速從膜表面將快速滲透的水蒸汽除去，并保持通過薄膜干燥器從原料氣混合物中除去快速滲透的水蒸汽的驅(qū)動力；(h)一套管道裝置，用于回收包括通過氣體分離系統(tǒng)分離的原料氣混合物中的一種組分的干燥產(chǎn)品氣體；(i)用于從所述氣體分離系統(tǒng)除去原料氣混合物中其它組分的單獨的管道裝置；(j)一套管道裝置，用于排放吹掃氣和已從其滲透一側(cè)滲透過膜的快速滲透的水蒸汽，從而使存在于原料氣混合物中的水分和重質(zhì)烴類和/或有機或無機蒸氣能有效地除去，并可滿意地延長吸附床的操作壽命，提高氣體分離系統(tǒng)的綜合性能。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其中所述管道裝置(g)包括一套管道裝置，用以將包括來自氣體分離系統(tǒng)的干燥氣流的吹掃氣或一部分輸送到吸附床的干燥氣混合物輸送到薄膜干燥器滲透一側(cè)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其中該氣體分離系統(tǒng)包括氣體膜分離系統(tǒng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其中所述用于將吹掃氣輸送到薄膜干燥器系統(tǒng)滲透一側(cè)的管道裝置，包括用于循環(huán)從氣體分離系統(tǒng)分別除去的一部分其它組分作為所述吹掃氣的管道裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其中(a)所述氣體分離系統(tǒng)包括氣體膜分離系統(tǒng)；(b)所述用于回收干燥產(chǎn)品氣體的管道裝置包括用于回收來自所述氣體膜分離系統(tǒng)的非滲透氣的管道裝置；和(c)用于從所述氣體分離系統(tǒng)除去原料氣混合物中其它組分的所述單獨的管道裝置包括用于從該處除去滲透氣的管道裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述氣體膜分離系統(tǒng)包括兩級或多級膜系統(tǒng)，并且包括管道循環(huán)裝置，用以將一部分滲透氣從一級或多級循環(huán)到薄膜干燥器系統(tǒng)的滲透一側(cè)用作吹掃氣。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)，并且包括管道循環(huán)裝置，用以將吹掃氣和已從薄膜干燥器系統(tǒng)的滲透一側(cè)滲透過該薄膜干燥器的快速滲透的水蒸汽循環(huán)，與補充量的原料氣混合物一起輸送到薄膜干燥器的非滲透一側(cè)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的系統(tǒng)，并且包括管道循環(huán)裝置，用以將補充量的所述第二級滲透氣輸送到薄膜干燥器的非滲透一側(cè)。
19.根據(jù)權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其中所述吸附劑材料包括活性炭。
20.根據(jù)權(quán)利要求11的系統(tǒng)，并且包括油潤滑壓縮機系統(tǒng)，原料氣混合物輸送到薄膜干燥器系統(tǒng)之前先輸送到該油潤滑壓縮機系統(tǒng)。
全文摘要
使用炭捕集器從輸送到膜或其它氣體分離系統(tǒng)的空氣或其它氣流中除去包括重質(zhì)烴類的烴類和/或有機或無機蒸氣。通過在炭捕集器的上游使用薄膜干燥器可以延長炭捕集器的操作壽命，提高氣體分離系統(tǒng)的綜合性能。
文檔編號B01D53/26GK1120464SQ9510842
公開日1996年4月17日 申請日期1995年7月14日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月15日
發(fā)明者R·普拉薩德 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司