使用噴射器驅(qū)動(dòng)氣體再循環(huán)的基于膜的氣體分離方法
【專利說明】使用噴射器驅(qū)動(dòng)氣體再循環(huán)的基于膜的氣體分離方法 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及基于膜的氣體分離。特別是，本發(fā)明涉及使用兩個(gè)或更多個(gè)分離步驟 的分離方法，所述分離步驟包括至少一個(gè)膜分離步驟，其中所述步驟在回路（loop)中操 作，并且使用噴射器來(lái)驅(qū)動(dòng)在所述回路之內(nèi)的氣體的再循環(huán)。本發(fā)明的方法使用膜分離來(lái) 獲得高回收率和高純度產(chǎn)物，而不需要使用很多壓縮動(dòng)力。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 在各種工業(yè)中膜分離被使用，例如，用來(lái)從氣體混合物去除雜質(zhì)，或者用來(lái)回收有 價(jià)值的組分。簡(jiǎn)單的、一步膜方法對(duì)于達(dá)到批量分離是有用的，但是當(dāng)高水平的去除和回收 被期望時(shí)是不太有用的。在這樣的情況下，通常需要多種類似的或不類似的分離步驟，并且 這樣的組合為氣體分離工業(yè)所熟悉。例如，美國(guó)專利No. 5, 089, 033和No. 5, 199, 962描述 冷凝和膜分離的組合。美國(guó)專利No. 4, 654, 047和No. 6, 161，397描述使用低溫和非低溫的 分離步驟的混合式方法。美國(guó)專利No. 4, 772, 295描述使用吸收連同膜分離的方法。美國(guó) 專利No. 4, 863, 492和No. 6, 183, 628公開用于將變壓吸附（PSA)與膜分離組合的方法，并 且若干專利，包括美國(guó)專利No. 6, 572, 679和No. 6, 630, 011，描述多步驟和多階段膜分離方 法。在混合式方法中，所述膜步驟或系統(tǒng)可以在所述非膜步驟或系統(tǒng)之前，或者反之亦然。
[0004] 在這樣的方法中，已知使來(lái)自第二分離步驟的非產(chǎn)物料流返回至第一步驟的入 口，以創(chuàng)建工藝流程回路，由此增加產(chǎn)物回收率。當(dāng)氣體通過各種單元操作時(shí)氣體壓力的 一些損失是不可避免的，所以再循環(huán)氣體在其能夠再進(jìn)入第一分離步驟之前不得不被再壓 縮。這要求工藝流程回路中包括再循環(huán)壓縮機(jī)，或者，如果到第一分離步驟的供料入口的上 游有供料壓縮機(jī)，這要求使再循環(huán)氣體再次通過所述供料壓縮機(jī)。兩者中的任何一種方法 都消耗能量，從而降低總體過程的效率。如果需要再循環(huán)壓縮機(jī)，這增加方法的資金成本和 操作復(fù)雜性。
[0005] 因而，依然存在對(duì)于更節(jié)能和簡(jiǎn)易的氣體分離方法的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明涉及混合式氣體分離方法，其中分離步驟中的至少一個(gè)是膜分離方法，并 且其中氣體混合物由兩種或更多種氣體組分組成。（術(shù)語(yǔ)"氣體組分"在本文中被用來(lái)指單 獨(dú)的氣體組分或者相關(guān)氣體組分的組。）本發(fā)明利用兩個(gè)分離步驟：膜分離步驟和"其他組 分去除"步驟。在所述膜分離步驟中，使氣體混合物經(jīng)過半可滲透膜。所述膜的背（滲透） 側(cè)被保持處于遠(yuǎn)低于供料側(cè)的壓力；因此，氣體混合物的一部分透過膜。
[0007] 膜面積被這樣選擇，以至于只有部分供料氣體透過膜。這部分被稱作"級(jí)分（Stage cut) "，并且所述透過膜的料流被稱作"滲透物料流"。所述滲透物料流是富更容易滲透該膜 的一種或多種組分（一種或多種"快"組分）的。沒有透過膜的料流保持處于壓力并且被 稱作"殘余物料流"。所述殘余物料流是貧所述一種或多種快組分而富其他一種或多種組分 (一種或多種"慢"組分）的。
[0008] 在上面描述的膜分離步驟中，將快組分從氣體料流部分地去除。在本申請(qǐng)的主題 混合式方法中，所述"其他組分去除步驟"可以是使用不同類型的膜的膜步驟或者另一種類 型的分離方法，例如部分冷凝、吸收或變壓吸附（PSA)。然而，其他組分分離步驟必須展現(xiàn)所 有以下特性：
[0009] ?所述步驟必須使氣體混合物貧這樣的組分，在來(lái)自膜分離步驟的殘余物中是富 所述組分的（即，慢組分）。這可以通過選擇這樣的膜材料來(lái)完成，所述膜材料選擇性地使 在所述其他組分去除步驟中未被去除的組分滲透，或者通過選擇用于去除來(lái)自膜去除步驟 的慢滲透組分的所述其他組分去除步驟來(lái)完成。
[0010] ?所述步驟必須構(gòu)成使殘余物氣體實(shí)質(zhì)上處于供料壓力下的流經(jīng)步驟。通過"實(shí) 質(zhì)上處于供料壓力"，我們意指通過分離步驟的壓力下降僅僅是由于氣體的流動(dòng)導(dǎo)致的摩 擦損失的結(jié)果。如果供料氣體流量減少，摩擦壓力損失也減少。
[0011] ?其一定是分壓驅(qū)動(dòng)方法，即，從混合物去除的組分的量取決于該組分在氣體中的 分壓，并且，因?yàn)檫@樣，所述方法不能從氣體去除所有慢組分。
[0012] 由分壓驅(qū)動(dòng)的流經(jīng)方法的實(shí)施例是部分冷凝，其中使供料氣體通過冷卻器并且隨 后通過相分離器。在這種情況下，所述慢組分將被優(yōu)先冷凝并且將在相分離器中從氣體料 流被去除。如果慢組分的分壓比快組分的分壓更高，更多氣體被冷凝。
[0013] 由分壓驅(qū)動(dòng)的流經(jīng)方法的另一個(gè)實(shí)施例是吸收，其中氣體被通至氣相連續(xù)接觸 器，所述氣相連續(xù)接觸器被用優(yōu)先吸收慢組分（來(lái)自第一膜分離步驟）的吸收劑氣體供料。 在這種情況下，離開接觸器的氣體實(shí)質(zhì)上處于供料壓力（除了摩擦壓力損失）并且是貧慢 組分的。如果慢組分的分壓比快組分的分壓更高，更多的氣體被吸收。
[0014] 由分壓驅(qū)動(dòng)的流經(jīng)方法的再另一個(gè)實(shí)施例是變壓吸附（PSA)。在PSA中，使氣體經(jīng) 過吸附床，并且一個(gè)組分優(yōu)先被吸附。離開吸附床的氣體料流實(shí)質(zhì)上處于供料壓力（除了 摩擦壓力損失）并且是貧慢組分的。如果慢組分的分壓比快組分的分壓更高，更多氣體被 吸附。通過降壓，被吸附的氣體從吸附床周期性地被去除。
[0015] 由分壓驅(qū)動(dòng)的另一個(gè)示例性流經(jīng)方法是第二膜分離步驟，其中包括第二膜的材料 有與第一膜相反的選擇性。在這種情況下，離開膜的殘余物料流實(shí)質(zhì)上處于供料壓力（除 了摩擦壓力損失）并且是貧慢組分（來(lái)自第一膜步驟）的。如果慢組分的分壓比快組分的 分壓更高，更多氣體被去除。
[0016] 不展現(xiàn)全部這些特性的分離步驟的實(shí)施例會(huì)是冷卻料流以實(shí)現(xiàn)部分冷凝的膨脹 禍輪（expansion turbine)。在這種情況下，殘余物氣體不是處于實(shí)質(zhì)上供料壓力的。另一 個(gè)實(shí)施例會(huì)是完全冷凝加蒸餾。在這種情況下，沒有氣體的流經(jīng)。
[0017] 具體地，本發(fā)明是用于將氣體混合物分離成兩種或更多種氣體組分的方法。所述 方法將至少兩個(gè)單獨(dú)的分離步驟組合，其中至少一個(gè)是膜分離步驟，所述膜分離步驟相對(duì) 于第二氣體組分對(duì)第一氣體組分是選擇性的，并且另一個(gè)分離步驟相對(duì)于第一氣體組分對(duì) 第二氣體組分是選擇性的。在工藝流程回路中，來(lái)自第二步驟的非產(chǎn)物氣體被再循環(huán)至第 一分離步驟的入口。所述方法其特征是，使用噴射器來(lái)再循環(huán)非產(chǎn)物氣體并且驅(qū)動(dòng)在回路 中的氣體流動(dòng)。
[0018] 噴射器（也被稱作注射器或引射器）是使用縮放（converging-diverging)噴嘴 的文丘里效應(yīng)（Venturi effect)來(lái)將動(dòng)力氣體的壓力能的一些轉(zhuǎn)化成速度能的儀器，所述 儀器創(chuàng)建吸進(jìn)和夾帶吸入氣體的低壓區(qū)。噴射器不具有移動(dòng)部件并且因此不需要機(jī)械驅(qū) 動(dòng)。
[0019] 圖5是典型的噴射器500的圖，所述噴射器500由動(dòng)力氣體入口噴嘴501和縮放 出口噴嘴502組成。動(dòng)力氣體503-典型地，空氣、料流或任何處于高壓的其他氣體-在入 口 501處提供動(dòng)力。動(dòng)力氣體503與吸入氣體504混合。在通過噴射器的喉部（throat) 后，混合氣體的速度被降低，造成通過將速度能轉(zhuǎn)化回壓力能來(lái)再壓縮混合氣體。
[0020] 文丘里效應(yīng)-伯努利定理（Bernoulli's principle)的特定情況-應(yīng)用到這種儀 器的操作。在縮放（convergent-divergent)噴嘴502的喉部（所述縮放噴嘴502在這個(gè) 點(diǎn)創(chuàng)建低壓），在高壓下的氣體被轉(zhuǎn)化成高速度噴射氣（jet)。低壓力將吸入氣體504吸進(jìn) 到縮放噴嘴502中，在所述縮放噴嘴502處所述吸入氣體與動(dòng)力氣體混合。
[0021] 實(shí)質(zhì)上，在縮放噴嘴502的喉部，入口動(dòng)力氣體503的壓力能的一些被轉(zhuǎn)化成速度 形式的動(dòng)能。根據(jù)伯努利定理，由于混合氣體在分散擴(kuò)壓器505中膨脹，在擴(kuò)壓器出口 506， 所述動(dòng)能被轉(zhuǎn)化回壓力能。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的方法，將包括氣體混合物的動(dòng)力氣體供給到噴射器的動(dòng)力氣體入口 中，所述氣體混合物至少包括第一氣體組分和第二、不同的氣體組分，并且將吸入氣體供給 到吸入氣體入口中。將包括動(dòng)力氣體和吸入氣體的混合氣體從噴射器的混合器體出口抽 出。然后使混合氣體通過膜的供料側(cè)，所述膜相對(duì)于第二氣體組分對(duì)第一氣體組分是選擇 性的。將相對(duì)于混合氣體富第一氣體組分的滲透物料流從膜的滲透?jìng)?cè)抽出；將相對(duì)于混合 氣體貧所述第一氣體組分的殘余物料流從膜的供料側(cè)抽出。然后將所述殘余物料流送去在 第二分離過程中的進(jìn)一步分離，所述第二分離過程可以是（以舉例而非限制的方式）冷凝 過程、吸收過程、變壓吸附（PSA)過程或第二膜分離過程。然后將至少部分來(lái)自第二分離過 程的殘余物（即，非產(chǎn)物）料流作為吸入氣體的部分路由回至噴射器。
[0023] 本發(fā)明的氣體分離方法的基本實(shí)施方案包括以下步驟：
[0024] (a)提供噴射器，所述噴射器包括動(dòng)力氣體入口、吸入氣體入口和混合氣體出口；
[0025] (b)將包括氣體混合物的動(dòng)力氣體通至所述動(dòng)力氣體入口，所述氣體混合物至少 包括第一氣體組分和不同于所述第一氣體組分的第二氣體組分；
[0026] (C)將吸入氣體通至所述吸入氣體入口；
[0027] (d)從所述混合氣體出口抽出包括所述動(dòng)力氣體和所述吸入氣體的混合氣體；
[0028] (e)提供膜，所述膜具有供料側(cè)和滲透?jìng)?cè)，其中所述膜相對(duì)于所述第二氣體組分對(duì) 所述第一氣體組分是選擇性的；
[0029] (f)使所述混合氣體通過所述供料側(cè)；
[0030] (g)從所述滲透?jìng)?cè)抽出滲透物料流，所述滲透物料流相對(duì)于所述混合氣體是富所 述第一氣體組分的；
[0031] (h)從所述供料側(cè)抽出殘余物料流，所述殘余物料流相對(duì)于所述混合氣體是貧所 述第一氣體組分的；
[0032] (i)將所述殘余物料流通至第二分離單元以執(zhí)行第二分離步驟；
[0033] (j)從所述第二分離單元抽出非產(chǎn)物料流，所述非產(chǎn)物料流相對(duì)于所述殘余物料 流是貧所述第二氣體組分的；以及
[0034] (k)將至少部分所述非產(chǎn)物料流作為所述吸入氣體通回至所述噴射器。
[0035] 如上面討論的，第二分離步驟必須是使殘余物氣體實(shí)質(zhì)上處于供料壓力下的、分 壓驅(qū)動(dòng)的、流經(jīng)步驟。
[0036] 本發(fā)明的方法的優(yōu)選的實(shí)施方案包括以下步驟：
[0037] (a)提供噴射器，所述噴射器包括動(dòng)力氣體入口、吸入氣體入口和混合氣體出口；
[0038] (b)將包括氣體混合物的動(dòng)力氣體通至所述動(dòng)力氣體入口，所述氣體混合物至少 包括第一氣體組分和不同于所述第一氣體組分的第二氣體組分；
[0039] (C)將吸入氣體通至所述吸入氣體入口；
[0040] (d)從所述混合氣體出口抽出包括所述動(dòng)力氣體和所述吸入氣體的混合氣體；
[0041] (e)提供膜，所述膜具有供料側(cè)和滲透?jìng)?cè)，其中所述膜相對(duì)于所述第二氣體組分對(duì) 所述第一氣體組分是選擇性的；
[0042] (f)使所述混合氣體通過所述供料側(cè)；
[0043] (g)從所述滲透?jìng)?cè)抽出滲透物料流，所述滲透物料流相對(duì)于所述混合氣體是富所 述第一氣體組分的；
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