專利名稱：用于低溫空氣分離裝置的混合物預(yù)純化器的制作方法
本申請是申請日為1989年5月12日申請?zhí)枮?50，848、于1990年6月19日以U.S.4，934，148公開的同時待批申請的部分后續(xù)申請。
本發(fā)明涉及的是空氣的低溫分離。更具體地說，它涉及的是輸送入低溫空氣分離系統(tǒng)的進料空氣的預(yù)處理。
在許多化學(xué)工藝、煉油廠、金屬制造和其它工業(yè)應(yīng)用中都需要氮氣和氧氣。有各種各樣的公知的空氣分離技術(shù)用于制備氮氣和/或氧氣，但普遍使用的是低溫蒸餾方法和系統(tǒng)來從空氣中制備氮氣和/或氧氣，或從油井氣體中除去氮氣。在各種低溫應(yīng)用中，必須從壓縮的進料氣流中除去高冰點的雜質(zhì)，否則在進行初級氣體分離的低溫下它們會固化。通常在現(xiàn)有技術(shù)中公知的是通過冷卻/吸附方法的結(jié)合來除去這類雜質(zhì)。在空氣分離操作中，可應(yīng)用反向熱交換器和冷端膠體分離器組合，或者機械空氣冷卻器/沸石分子篩吸附劑組合進行這種預(yù)清洗。在前一類型的工藝組合中，當(dāng)所述的空氣與低溫廢物和產(chǎn)物氣流熱交換時，實際上全部的雜質(zhì)都從進料空氣中凍析出來。不盡人意的是，相對于空氣進料量來說，反向熱交換器組件的自身清洗需要大量的清洗氣流。結(jié)果是，導(dǎo)致這類清洗循環(huán)空氣的回收趨向不太理想。反向熱交換組件還需要大的閥門，它們必須在循環(huán)的基礎(chǔ)上開和閉，以轉(zhuǎn)換空氣進料和廢清洗氣流通路。該閥常常位于低溫系統(tǒng)的絕熱冷卻室內(nèi)，使得難以維護。再進一步說，為了有效的操作該熱交換-膠體分離器組件必須在低溫下進行操作，固而在裝置起動過程中需要相當(dāng)長的冷卻時間。
與反向熱交換器和膠體分離器組件相反，如在Prentice的U.S。4，375，367所公開的，機械冷卻器/吸附單元組件可以在起動后的數(shù)分鐘內(nèi)提供清潔、干燥的進料空氣流。機械冷卻器使得空氣溫度從壓縮機后冷卻器約80°F至約115°F的溫度降低至約40°F。在所述較高溫度下為飽和態(tài)的空氣通過冷凝失去了它的大部分水分。因而減小了進入吸附單元的水濃度。典型的是使用一對壓力容器來進行吸附操作，一個床用于吸附，而另一個床進行再生。壓力容器內(nèi)裝滿吸附劑材料，例如氧化鋁、沸石分子篩或硅膠，吸附劑從進料空氣流中除去剩余的水蒸汽、二氧化碳和/或其它雜質(zhì)。一般吸附劑床在接近環(huán)境壓力下用不含雜質(zhì)的氣流再生，可用低溫廢氣的一部分或者干燥的空氣，可以對它們進行加熱以改進其解吸能力。機械冷卻器的操作通過增加吸附劑床的吸附容量、降低進口水分濃度并因而降低操作所需清洗氣流量和能量而對吸附劑床的性能有顯著的改善。因為必須避免在管壁上結(jié)冰，所以機械冷卻器限定了最小產(chǎn)物露點為約38°F。所述的冷卻器必須有后續(xù)水分分離器以除去從進料空氣中形成的冷凝物，并防止過量的水分進入吸附劑床。在這類操作中所用的機械冷凝器就投資和能量需求來說，特別對于小廠費用是昂貴的。還有，一般都知道這類冷卻器需要昂貴的維護費用。
考慮到這些因素，在本領(lǐng)域中一直尋求新的方法和系統(tǒng)，要求它們能省去上面提到的組成部分或者改進這些組成部分的功能，特別是機械冷卻器和水分離器，使得向低溫氣體分離設(shè)備中更經(jīng)濟地提供清潔、干燥的空氣。所感興趣的一個方面是使用從進料空氣中選擇性透過水和二氧化碳的膜系統(tǒng)。公知有某些材料能夠選擇性的透過水和二氧化碳，同時包含不易透過組分的空氣或其它氣體作為未透過的氣體得以分離。利用這種材料的膜系統(tǒng)將可替代機械冷卻器的功能。這類膜系統(tǒng)公知是較簡單的并易于操作和維護。由于這類膜系統(tǒng)是正常操作的，所以，從進料氣流中除去水分需要有顯著數(shù)量的有價值產(chǎn)物氣體共同透過。為了達到使用機械冷卻器時所達到的露點值，則要求膜系統(tǒng)在10至20%的透過量階段下進行操作。因此，這種情況降低了所能獲得的總體過程收率，增加了該過程的能量需求量，并且從經(jīng)濟角度來看，使得該方法一般失去吸引力。盡管這些因素防礙了使用膜干燥系統(tǒng)來取代機械冷卻器或所述反向熱交換器與膠體分離器組合件，但在省去了目前采用的某些技術(shù)以改進總體方法和系統(tǒng)而使用新的膜干燥系統(tǒng)，代表了在本領(lǐng)域可喜的進展。
因而，本發(fā)明的一個目的是提供一種用于生產(chǎn)干燥氮氣和/或氧氣產(chǎn)物的改進的方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種應(yīng)用低溫系統(tǒng)進行氣體分離的改進的方法和系統(tǒng)，并按需要在其中使用膜系統(tǒng)來從進料氣體中除去水分和二氧化碳。
本發(fā)明進一步的目的是在使用低溫系統(tǒng)進行空氣分離來獲得干燥的氮氣和/或氧氣的總體方法和系統(tǒng)中，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)強化的干燥效果和分離二氧化碳的膜干燥系統(tǒng)。
著眼于這些和其它的目的，后面詳細地對本發(fā)明進行說明，在所附的權(quán)利要求書中具體地指出了本發(fā)明的新的特征。
本發(fā)明采用膜干燥器系統(tǒng)與吸附設(shè)備一低溫氣體分離設(shè)備系統(tǒng)結(jié)合來實現(xiàn)所需的干燥氮氣和/或氧氣產(chǎn)物的制備。所述膜干燥器優(yōu)選的是以逆流流動類型進行操作，并在它的低壓透過側(cè)回流。從吸附一低溫設(shè)備流出的廢氣用做清洗氣體。由此降低了所需的膜的面積，并顯著增加了所需產(chǎn)物的收率。該膜干燥器采用分別除去水和二氧化碳的分離膜以單級或二級設(shè)備從進料空氣中除去水和二氧化碳雜質(zhì)。
下面參照附圖對本發(fā)明進行詳細的說明，其中

圖1是本發(fā)明一個實施例的流程示意圖，其中從低溫進料氣體分離系統(tǒng)中流出的廢氣用做膜系統(tǒng)的清洗氣體，該膜系統(tǒng)用于干燥進入所述低溫系統(tǒng)的進料氣體;
圖2是另一實施例的流程示意圖，其中從用于低溫系統(tǒng)的吸附劑床預(yù)純化器中移出的清洗氣體被用做進料氣體膜干燥系統(tǒng)的清洗氣體。
本發(fā)明的目的是通過如下手段實現(xiàn)的，即在不使低溫空氣分離方法和系統(tǒng)的總體產(chǎn)物收率下降到不能接受的值，同時能夠按照要求實現(xiàn)從進料空氣中除去水分的條件下，將用于進料空氣干燥的膜系統(tǒng)與順流吸附一低溫空氣分離系統(tǒng)結(jié)合完成的。所述的這個有利條件是關(guān)于分離的工藝系統(tǒng)的組合，所采用的具體膜組合物除去水分的選擇性、以及膜組設(shè)計條件，在該設(shè)計條件下在所述膜干燥器系統(tǒng)理想地實現(xiàn)逆流流動。這使得可以獲得干燥的氮氣和/或氧氣而在所述的干燥過程程中所述產(chǎn)物的損失量最小。
在本發(fā)明的實施中，從低溫空氣分離系統(tǒng)流出的廢氣被用來提供為膜干燥系統(tǒng)和吸附系統(tǒng)的與所述低溫系統(tǒng)逆流的清洗氣體。由于要求干燥操作，本發(fā)明能夠獲得干燥的高純度氮氣和/或氧氣產(chǎn)物氣流而于要求所需產(chǎn)物的損失量最小。本發(fā)明的總體方法和系統(tǒng)參照附圖進行說明。下面提供了為實現(xiàn)強化干燥的進料空氣而與本發(fā)明實際使用的總體低溫系統(tǒng)和與此有關(guān)組合膜系統(tǒng)的進一步資料。
在圖1中，進料空氣經(jīng)過管路1進入空氣壓縮機2，從該壓縮機出來的濕的壓縮空氣經(jīng)過管路3到達膜干燥器系統(tǒng)4。在所述的膜系統(tǒng)4中，水選擇性地通過膜材料并經(jīng)管路5做為廢氣從該系統(tǒng)中排出。從膜干燥器系統(tǒng)4中得到了呈干燥、非穿透性或駐留氣體的進料空氣，經(jīng)管路6進入吸附系統(tǒng)7，該吸附系統(tǒng)用來在所述進料空氣進入低溫空氣分離系統(tǒng)之前從干燥的進料空氣中除去雜質(zhì)。如圖示吸附系統(tǒng)7包括兩個吸附劑材料床，即床8和9，一個床一般用于它所預(yù)定的吸附目的而另一個床進行再生。從所述吸附系統(tǒng)7出來的干燥、純化的進料氣體經(jīng)線路10流至低溫空氣分離系統(tǒng)11，從該系統(tǒng)中經(jīng)管路12得到了所需的干燥、高純度產(chǎn)物氣體。干燥的廢氣流從所述的低溫系統(tǒng)經(jīng)管路13排出。這個干燥廢氣流的一部分、即氧氣或氮氣經(jīng)管路14移出使之通過吸附系統(tǒng)7，也就是通過床8或床9中的任一個，用做所述進行再生床的干燥吸附清洗氣體。吸附劑廢氣流從吸附系統(tǒng)7中經(jīng)管路15排出，所述的廢氣流含有吸附劑清洗氣體和在吸附劑床再生過程中從該床脫附的雜質(zhì)。從低溫空氣分離系統(tǒng)11流出的干燥廢氣的剩余的部分從管路16通過將其引入到膜干燥器系統(tǒng)4中做為所述膜系統(tǒng)的較低壓力、透過側(cè)的干燥清洗氣體。所述的干燥清洗氣體用于促進透過的廢氣從該膜表面的分離，并且所述的干燥清洗氣體與所述的透過氣體一起經(jīng)管路5排出。
圖1所示的本發(fā)明的實施例省去了冷卻器，而在冷卻器/吸附劑床系統(tǒng)用來從通常預(yù)純化過的低溫空氣分離裝置的壓縮空氣流中除去水和二氧化碳時，冷卻器是所述系統(tǒng)中的一個組成部分。如上面所指出的，省去冷卻器是所期望的，因為從投資和能量兩方面它都需要昂貴的費用，并且它還需要昂貴的維護費用。另一方面，人們將會看到實施本發(fā)明所用的膜干燥器系統(tǒng)實質(zhì)上是很簡單而且便宜的，并且不需昂貴的維護費用。本發(fā)明的這個實施例將膜系統(tǒng)與吸附一低溫空氣分離系統(tǒng)組合在一起，相對于通常預(yù)純化的低溫空氣分離系統(tǒng)是有益的改進，也是所希望的對現(xiàn)有技術(shù)的進一步發(fā)展。本發(fā)明圖1實施例的一個局限性是膜干燥器系統(tǒng)需要透過物清洗氣，該需求量典型的約為進入所述膜干燥器系統(tǒng)的進料空氣的10～20%，此外預(yù)純化器吸附系統(tǒng)還有10～15%的清洗氣需求量。因而，該系統(tǒng)的清洗氣需求總量近于20～35%的較大值，當(dāng)不能得到這樣大量的廢氣時，這使得低溫空氣分離系統(tǒng)中難以實現(xiàn)氮氣和氧氣的高收率。
圖2所示的實施例提出了使系統(tǒng)清洗氣需求總量最小。在這一實施例中，在管路20中的空氣于空氣壓縮機21中被壓縮，壓縮后的空氣通過管路22到達聚結(jié)劑設(shè)備23，從該設(shè)備中，水經(jīng)管路24除去。如此處理后的壓縮空氣流經(jīng)管路25到達第一級膜干燥器26(二級膜干燥器系統(tǒng)的第一部分)。在這個第一級干燥器中，還存在于進料空氣中的水的大部分被除去，如本文后面所指出的，所述的水分在透過物側(cè)通過干燥清洗氣流進行回流。呈非透過物氣體的不完全干燥的壓縮進料空氣從第一級膜干燥器26流經(jīng)管路27到達第二級膜干燥器28，在該干燥器中殘余的水被除去，使干燥的進料空氣呈非透過物氣流從該干燥器流出經(jīng)管路29到達預(yù)純化器吸附系統(tǒng)30，進行在進入低溫空氣分離系統(tǒng)之前的純化。如圖示吸附系統(tǒng)30含有兩個吸附劑床，即床31和32，應(yīng)該理解其中一個床通常用來純化干燥的進料空氣，同時另一個床進行再生。離開吸附系統(tǒng)30的干燥，純化后的進料空氣經(jīng)管路33到達低溫空氣分離系統(tǒng)34，從該系統(tǒng)中經(jīng)管路35得到所需干燥的高純度的氮氣或氧氣產(chǎn)物。干燥的廢氣從低溫系統(tǒng)34中經(jīng)管路36排出，在熱交換器37中進行加熱，并經(jīng)過管路38到達預(yù)純化器吸附系統(tǒng)30，做為清洗氣體用來使吸附系統(tǒng)中的床即床31或床32在任何給定時間內(nèi)進行再生，因為實際上在膜干燥系統(tǒng)中存在于進料空氣中的全部水分都已除去，所以從預(yù)純化器吸附系統(tǒng)30中排出的用過的清洗氣是相當(dāng)干燥的，盡管它會含有其它雜質(zhì)如二氧化碳和烴。這一用過的清洗氣經(jīng)管路39到達第一級膜干燥器26，在該干燥器中用做膜的透過物側(cè)的清洗氣體。所述的清洗氣體與透過膜干燥器26的水蒸汽一起經(jīng)管路40做為廢氣排出。這種循環(huán)清洗氣從膜干燥器26的通過促進了所述透過的水從膜的所述透過物側(cè)的表面脫離，使得在穿過膜干燥器26保持高驅(qū)動力以維持流至所述干燥器26的進料空氣流的所期望的水分分離。
在圖2的實施例中第二級膜干燥器28用來使進料空氣干燥到高于第一級膜干燥器26所達到的水平。對于這一干燥器的清洗來說，任何從低溫方法中可得到的干燥，低壓氣流都可用做干燥清洗氣體，如從低溫系統(tǒng)34中排出的廢氣，高純度氮氣或氧氣產(chǎn)物氣體，膨脹的進料空氣或類似物，或者從預(yù)純化器吸附系統(tǒng)30排出的廢氣。在圖2中，如圖示低溫系統(tǒng)34廢氣的一部分經(jīng)管路41傳送至第二級膜干燥器28用做干燥器的清洗氣體。這個清洗氣促進了在膜的透過物側(cè)透過的水從膜表面上脫離，使得在穿過膜28時保持高驅(qū)動力以維持輸送到所述膜28的進料空氣流的所期望的輔助干燥。清洗氣與輔助透過的水一起從膜干燥器中經(jīng)管路42排出。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解第二級膜干燥器28的使用不是必須的，這取決于任意特定的干燥，高純度氮氣和/或氧氣的具體操作中所需的進料空氣的干燥程度。如圖2中的實施例，因為進料空氣大部分水的分離是發(fā)生在第一級膜干燥器系統(tǒng)中，當(dāng)采用第二級膜干燥器28時一般比第一級膜干燥器26小并且所需的清洗氣體少得多。
可以看到圖2實施例的優(yōu)點是與圖1實施例相比該方法所需的總體清洗氣量減少。因而，如果膜干燥器清洗器需求總量為20%并且預(yù)純化器吸附系統(tǒng)30的清洗器需求量為15%。則在這個實施例中清洗氣的需求量僅為預(yù)純化器所采用的5%以上。在膜干燥器中基本上除去全部水分也大大減小了在預(yù)純化器干燥系統(tǒng)上水的負荷。這又大大減少了預(yù)純化器再生所需的熱能量，使得可以將壓縮機的廢熱用于預(yù)純化器的再生。
因為水在預(yù)純化器上非常強烈地被吸附，從預(yù)純化器進料氣體中除去大部分水分將導(dǎo)致改進對其它要除去物類的吸附性能，所述的物類如二氧化碳，烴及類似物。可以理解這會有利地改善預(yù)純化器的操作。應(yīng)該指出，適于除去水分的膜干燥器一般也適于選擇性地除去二氧化碳。這種二氧化碳地分離也減小了順流段吸附設(shè)備的負荷。
適于除去水的膜干燥器除去二氧化碳也是令人滿意的，而同時進一步強化整體操作的其它實施例還應(yīng)用了采用分別除去水和二氧化碳的膜的單級或二級膜系統(tǒng)。在單級系統(tǒng)中，采用了兩種膜材料，一種對除去水有最佳的選擇性，另一種對除去二氧化碳有最佳的選擇性。獨立的膜材料可以按任何需要的形式安置，如按并排或疊層安排。在Perrin專利U.S.4，880，440中敘述了能夠分離混合物流不同組分的兩種不同可滲透膜的應(yīng)用。在這種適于強化分離水和二氧化碳的單級膜系統(tǒng)中，可以方便地從預(yù)純化器吸附系統(tǒng)和/或低溫空氣分離系統(tǒng)提供比較干燥的清洗氣體，如在上面提到的實施例所述。
在本發(fā)明的混合物預(yù)純化器的另一個實施例中，可以采用兩級分離的膜。在這個實施例中，每一級都含有膜組件，所述膜組件中含有特別適合于要在其中分離的主要組分的膜材料。二級實施例優(yōu)選的安排是使得進料空氣輸送到適于除去水的第一級膜，呈非透過物的干燥進料氣體輸送到主要適于除去二氧化碳的第二級膜。在一個這樣的實施例中，從低溫空氣分離系統(tǒng)出來的廢氣的一部分可以如圖1的實施例輸送至所述的膜系統(tǒng)，使所述的清洗氣體相應(yīng)分開的部分輸送至第一和第二級膜。可以理解兩級膜的實施例使得可以對從進料空氣中除去的每種組分即水或二氧化碳的清洗氣體比例進行優(yōu)化。
應(yīng)該指出，針對二級方法來說，從第二級，除去二氧化碳的膜設(shè)備中移出的廢清洗氣是比較干燥的，可以將其方便地輸送到第一級的除去水的膜設(shè)備中用做清洗氣體。由于吸附廢氣也是比較干燥的，所以這一氣流也可以用做清洗氣體并可將其輸送到第一級膜中用于這樣的清洗目的，如圖2的實施例。簡便地，可以將來自第二級膜和預(yù)純化器吸附系統(tǒng)的廢氣流合在一起用做第一級膜設(shè)備的全部或部分清洗氣體。這一實施例典型的結(jié)果是，顯著降低了所需用于清洗目的的循環(huán)氣體總量。關(guān)于這一實施例，可以理解，雖然采用分級除去水和二氧化碳的材料和方法，但在適于除去水的第一級中可能會除去一些二氧化碳，在第二級除去二氧化碳設(shè)備中也會除去一些水分。
還應(yīng)指出，在預(yù)純化器中水的吸附本質(zhì)上是放熱的，并產(chǎn)生可觀的熱量。這會導(dǎo)致離開預(yù)純化器的空氣的溫度升高，后者又相應(yīng)增加了低溫系統(tǒng)的制冷負荷。通過使用膜干燥器系統(tǒng)從預(yù)純化器的進料中除去水分，會導(dǎo)致預(yù)純化器吸附系統(tǒng)在它的吸附過程中產(chǎn)生的熱量大大減少，因而使流程后面的低溫方法獲益。
所以在實施本發(fā)明時，將會看到膜干燥器系統(tǒng)與預(yù)純化器吸附-低溫空氣分離系統(tǒng)可有效地組合在一起，以便將干燥原料氣送到上述的吸附一低溫系統(tǒng)，而且相對于在本領(lǐng)域通常采用的慣用方法來說這種組合方式表現(xiàn)為非常理想的進步。通過在膜的透過物側(cè)使用清洗氣體強化了膜干燥器系統(tǒng)的操作，將來自吸附一低溫系統(tǒng)的干燥廢氣，或來自低溫空氣分離系統(tǒng)的干燥、高純度氮氣產(chǎn)物流的一部分輸送到膜干燥系統(tǒng)或上面提到的二級膜系統(tǒng)中在其中用做所述需要的清洗氣體，所述的膜干燥器系統(tǒng)包括采用兩種膜材料來分別除去水和二氧化碳的系統(tǒng)。
某些膜公知能從壓縮的進料空氣、氮氣流或類似物中選擇性的除去水分。不盡人意地是發(fā)現(xiàn)，如在U.S.專利4，783，201中公開的那樣，當(dāng)以交叉流透過方式操作時，為了達到在相對中等壓力下露點值為-40°F，這類膜需要階段餾分。如在150psig下操作時透過物氣體與進料氣體的流量比大約30%。顯然，這樣的交叉氣流膜設(shè)備的產(chǎn)物氣體的收率相當(dāng)?shù)?，并且這樣的總體系統(tǒng)的能量和干燥器面積需求量會不盡人意地高。為了在實施本發(fā)明時使所述的組合系統(tǒng)獲益增多，所以膜干燥器系統(tǒng)優(yōu)選是以逆流方式進行操作，使回流干燥清洗氣體在膜的透過物側(cè)通過，以促進水分從透過物側(cè)脫離并保持穿過膜以除去水分的高驅(qū)動力。這一方法特征使得所需的膜面積最小，并使得為達到給定的產(chǎn)物露點即干燥水平而必須損失的產(chǎn)物透過量減至最小。在本發(fā)明優(yōu)選實施例中理想的是將由于進料空氣所述氮氣和氧氣的共同透過而造成的產(chǎn)物損失保持在低于1%，更優(yōu)選的是低于全部產(chǎn)物流量的0.5%。
可以理解，在干燥器膜系統(tǒng)中所用的膜組合物應(yīng)該相對于氮氣和氧氣來說對水具有高選擇性。就是說，水分必須以比空氣快許多的速度選擇性透過。水/空氣分離因子應(yīng)該至少為50，優(yōu)選的是大于1，000，以利于從進料空氣中除去水分。如上面所指出的，這樣的干燥器膜系統(tǒng)也具有范圍為約10至約200的二氧化碳/空氣分離因子。還有，膜組合物對氮氣和氧氣來說應(yīng)具有相應(yīng)低的透過速率。醋酸纖維素是滿足這樣標(biāo)準的優(yōu)選膜分離材料的一個實例。還可以理解，各種其它材料也可以采用，例如乙基纖維素、硅橡膠、聚亞胺酯、酰胺、聚苯乙烯及類似物。在采用分別除去水和二氧化碳的材料的單級或二級膜系統(tǒng)中，醋酸纖維素是用于除去水的優(yōu)選材料，同時乙基纖維素用于這樣的目的也是理想的。對于獨立的除去二氧化碳的膜材料，聚丁二烯和天然橡膠是這一目的適用材料的實例。
具有適宜的膜組合物構(gòu)成的膜材料的膜干燥器系統(tǒng)，如本文所公開并列入權(quán)利要求的那樣，它與壓力波動吸附系統(tǒng)和低溫空氣分離系統(tǒng)組合在一起，如上面所述，該膜干燥器系統(tǒng)優(yōu)選的是以逆流流動方式進行操作。在空心纖維膜構(gòu)型或其它適宜的膜構(gòu)型中，例如螺旋纏繞膜，在工業(yè)實踐中目前一直通常采用集束設(shè)計用于交叉流動類型。在交叉流動操作中，透過氣體在膜的透過物側(cè)的流動方向是與進料氣體在膜的進料側(cè)的流動方向成直角。例如，在使用空心纖維束并且進料空氣在空心纖維膜的外部通過時，在所述纖維的孔內(nèi)透過物的流動方向通常與在空心纖維的外表面進料流動方向成直角。相似的，在由里向外的方法中，其中進料氣體在空心纖維的孔內(nèi)通過，透過物氣體一般從空心的表面通過，其方向通常與在所述空心纖維的孔內(nèi)進料的流動方向成直角，然后在外殼的內(nèi)部在裝置的出口方向用來通過透過氣體。如
公開日為1987年6月24的歐洲專利申請公開No.0，226，431中所示，通過如下手段可以產(chǎn)生逆流流動類型，即將空心纖維束在它的全部軸向長度外表面上除接近所述纖維束的一端的非封裝園周區(qū)域外都封裝在不透的隔離層內(nèi)。這使得進料氣體或透過物氣體(這取決于所需的操作方式即由內(nèi)向外或由外向內(nèi))在空心纖維的外面平行于透過物氣體或進料氣體在空心纖維的孔內(nèi)的流動方向呈逆流通過。在空心纖維束外面的進料氣體舉例來說形成與纖維束的中心軸平行流動，而不是與其成直角?？梢岳斫猓だw維的排列可以或者平行于集束中心軸直線組裝，或者取代它的是，可以繞中心軸呈螺旋形纏繞。在任何情況下，不滲透隔離層材料可以是一卷不可透過的薄膜，例如聚乙烯或類似物，不滲透隔離層還可以是不滲透的涂層材料，例如聚硅氧烷，在無毒溶劑中涂施，或者在膜束上以可收縮套管組裝并收縮在所述的膜束上，不滲透的隔離層這樣封裝空心纖維或其它膜束，并且如所述的專利申請公開的內(nèi)容，在所述隔離層上有開口允許氣體流入或從膜束中流出使得流體的流動方向基本上與纖維束的軸向平行。對于本發(fā)明來說，流動的類型應(yīng)為濕的進料空氣流與透過物氣體逆流流動，所述的透過物氣體包括如上面指出的所提供的清洗氣體以及與之一起的穿透膜干燥器系統(tǒng)內(nèi)的膜材料的水分。
應(yīng)該指出，在本領(lǐng)域中通常使用稠密的纖維膜進行干燥操作。對于這樣的稠密纖維來說膜的厚度也是壁厚，該厚度與不對稱膜的表層部分或者與復(fù)合膜的分離層相比是很大的。對于稠密纖維來說，壁厚必須大到可以承受相當(dāng)大的壓力。因而，稠密纖維的透過速率很低，并需要使用很大的表面積以對氮氣產(chǎn)物進行適當(dāng)?shù)母稍?。做為對比，對本發(fā)明來說相對于稠密膜優(yōu)選的是不對稱或復(fù)合膜，具有很薄的膜分離層，所述膜的較厚的多孔基底部分提供機械強度并支撐決定膜的分離性能的很薄的部分。因而相對于稠密物質(zhì)膜來說，不對稱膜或復(fù)合膜需要的表面積少得多。由于使用不對稱或復(fù)合膜而不是稠密膜因而能獲得固有改進的透過性能，所以在本發(fā)明優(yōu)選實施例中需要進一步強化不對稱和復(fù)合膜的性能，如涉及到干燥進料空氣時，以使得當(dāng)這類膜以交叉流動操作時發(fā)生共同透過時而損失的有價值的進料空氣的量顯著減少。
可以理解，本發(fā)明采用的低溫空氣分離系統(tǒng)可以是任何通常商業(yè)上可得到的能夠通過空氣低溫蒸餾以相當(dāng)?shù)臄?shù)量生產(chǎn)高純度氮氣和/或氧氣的系統(tǒng)?？諝獾蜏胤蛛x系統(tǒng)的細節(jié)不屬于本發(fā)明的要點之內(nèi)，本發(fā)明的要點涉及的是低溫系統(tǒng)與膜干燥系統(tǒng)以及與通常的預(yù)純化器吸附系統(tǒng)的組合。這類低溫空氣分離技術(shù)有代表性實例公開于Cheung的專利U.S，4，448，545，Pahade等的專利U.S.4，453，957以及Cheung的專利U.S.4，594，085中。相似的，在實施本發(fā)明時所采用的預(yù)純化器吸附系統(tǒng)包括任何本領(lǐng)域公知的并能夠從干燥的進料空氣流中在它輸送到低溫空氣分離系統(tǒng)之前除去不需要的雜質(zhì)的適用的吸附系統(tǒng)。采用的預(yù)純化器吸附系統(tǒng)可以是任意方便的，商業(yè)上可得到的能夠從干燥的進料空氣流中除去二氧化碳和/或包括殘余水分的其它雜質(zhì)的系統(tǒng)。所述的吸附系統(tǒng)通常是操作壓力波動的吸附系統(tǒng)，以便在升高的壓力下選擇性的吸附進料空氣中的上述雜質(zhì)。并在較低壓力下例如接近環(huán)境壓力下吸附所述雜質(zhì)從該系統(tǒng)中將其清除。這類壓力系統(tǒng)典型地是采用一對吸附劑床，一個床用于吸附，同時另一個床進行再生。在所述床中采用的典型的吸附劑材料包括氧化鋁，沸石分子篩或硅膠。這類系統(tǒng)還可以按熱波動吸附循環(huán)操作，其中在較低溫度下進行所需的吸附，在升高的溫度下完成解吸。
對于本發(fā)明，為保持膜面積需要量，產(chǎn)物損失和反向擴散在最小值，所需的清洗氣比值，即回流清洗氣體/非透過側(cè)進料空氣流量之比，應(yīng)至少為約10%，但優(yōu)選的是約20%或高于20%，與更高的壓力相比在較低的進料空氣壓力下所需的清洗氣比值趨向于更高。
在對本發(fā)明實施進行說明的一個實施例中，低溫空氣分離系統(tǒng)適于生產(chǎn)50噸干燥，高純度氮氣。由于在通常的預(yù)純化的低溫系統(tǒng)中基于空氣的氮氣收率典型的是為52%，所以約48%的進料空氣流為低壓廢氣。低溫系統(tǒng)可以在方便的條件下進行操作，即進料空氣壓力為91psia，空氣為115°F，廢氣壓力為18psia，在通常的系統(tǒng)中，后冷卻器露點為115°F，冷卻器產(chǎn)物空氣露點為40°F，吸附劑產(chǎn)物空氣露點為-100°F，可以方便地采用這些值。在這類系統(tǒng)中使用的通常的機械冷卻器價值均為＄30，000，消耗約10KW的電能。在這類冷凝器和水分分離器上空氣的壓降約為2psi。在本發(fā)明的實施例中，如圖1的實施例，所述的冷凝器理想地被膜干燥器系統(tǒng)所替換，所述的膜干燥的氧氣/氮氣分離因子為5.9，水/空氣分離因子為1，000或更高，膜干燥器系統(tǒng)理想的是包含以螺旋構(gòu)型纏繞的空心纖維膜，并使用不滲透的聚乙烯隔離層進行操作以封裝膜并建立逆流流動形態(tài)。為使在干燥操作中由于滲透而損失的壓縮空氣量減至最小，該膜的階段餾出物量即透過物/進料流量比，保持在很低的值。但應(yīng)認識到，如上面所指出的，實際操作階段餾出物量的一部分是由于所需的水的排出而造成的，并且如果要達到所需的干燥程度這是不可避免的。因而為加強干燥，對由于氧氣和氮氣的共同透過而產(chǎn)生的干燥階段餾出物量減至最小，即達到不超過進口進料空氣的5%，優(yōu)選的是低于0.5%。在上面所指出的具體操作條件和膜的性能下，使用了18-20%的干燥回流清洗氣比例，發(fā)現(xiàn)膜干燥器系統(tǒng)的投資和能量消耗費用顯著降低，并且在實現(xiàn)所述干燥回流清洗氣比值為至少18%的條件下，還可獲得其它益處。
膜干燥器系統(tǒng)的一個附加優(yōu)點是它向吸附-低溫系統(tǒng)并非僅限于提供40°F空氣露點的進料。給定膜的面積可用來根據(jù)采用的清洗氣比值和膜的性能提供不同量的空氣。除了使用數(shù)量增加的膜面積外，通過使用更多的清洗氣體或具有更高水分高性能的膜可以使干燥空氣中殘余水的濃度減小。這種殘余水含量的減少會使得在預(yù)純化器吸附系統(tǒng)中必須通過吸附劑床除去的水蒸汽量減少，由此增加了所述系統(tǒng)的容量并減少了其中的清洗氣和能量的需求量。因此可看到最佳膜干燥器露點取決于在膜干燥器系統(tǒng)和在預(yù)純化器系統(tǒng)除去水分的相對費用。
可以理解，在不脫離如權(quán)利要求中所限定的本發(fā)明范圍的前提下，對如本文說明的方法和系統(tǒng)的細節(jié)可以做出各種多樣的變化和改進。所以，在本發(fā)明的干燥器膜系統(tǒng)中可以采用不對稱或復(fù)合膜。同時通常用于產(chǎn)物干燥的稠密膜，盡管這類膜由于上面提到的它的固有的局限性不是優(yōu)選的，但它們在實施本發(fā)明時也可以使用。
在實施本發(fā)明時所采用的可透過膜，在采用單一材料或不同材料除去水和二氧化碳的單級或二級實施例中，所述的膜通常是以膜束的組合方式使用，典型的是位于外罩內(nèi)以形成包含膜系統(tǒng)的基本元件的膜組件。一個模系統(tǒng)可以包含一個或數(shù)個這樣的膜組件，包含數(shù)個時其排列方式為平行或順序操作。可以使用膜束以簡便的空氣纖維形式，或螺旋纏繞，打褶的平板，或其它所需的膜構(gòu)型來制造膜組件。膜組件的制造為使它具有進料空氣側(cè)，以及相對的透過物氣體出口側(cè)。對于空心纖維膜來說，進料側(cè)可以是孔內(nèi)側(cè)用于由內(nèi)向外操作，或者進料側(cè)是空心纖維的外側(cè)用于由外向內(nèi)操作。所述的裝置被用來引入進料空氣至系統(tǒng)和排出透過物和非透過物氣流。
如上面所指出，在本發(fā)明中所采用的清洗氣體應(yīng)是干燥或是相對干燥的氣體，如本文指出的來源的氣體。這里使用的相對干燥清洗氣體是指該氣體中水分的分壓不超過干燥的進料空氣流中水分的分壓。優(yōu)選的是，所述的清洗氣水分的分壓低于所述進料空氣流水分分壓的一半，上面公開的清洗氣來源就是這些。
可以看到，這里提供了非常理想的膜系統(tǒng)和方法用于在進料空氣輸送至吸附-低溫空氣分離系統(tǒng)生產(chǎn)干燥，高純度氮氣之前對其進行干燥。通過在簡便的膜系統(tǒng)中實現(xiàn)干燥，可以避免使用造價更高的冷卻器來除去水分。通過將膜干燥器系統(tǒng)的加工流程與低溫空氣分離系統(tǒng)和預(yù)純化器吸附系統(tǒng)組合在一起，方便地實現(xiàn)了用相對干燥的清洗氣體對膜干燥系統(tǒng)低壓，透過物側(cè)的清洗，所述的膜干燥器采用了含有單一或不同材料強化水和二氧化碳分離的單級或二級設(shè)備，通過采用集束排列以使得建立起逆流流動形式，以增加干燥進料空氣的收率可以進行干燥操作的優(yōu)選實施例，避免了在交叉流動滲透操作中發(fā)生的顯著數(shù)量壓縮空氣的共同透過。
權(quán)利要求
1.一種改進的用于從空氣中制備干燥的，高純度氮氣和/或氧氣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括(a)一個膜干燥器系統(tǒng)，它能夠選擇性地透過濕進料空氣中存在的水和二氧化碳，所述的這一系統(tǒng)包括不同的膜材料，一種用于選擇性透過水，另一種用于選擇性透過二氧化碳；(b)一個預(yù)純化吸附系統(tǒng)，它能夠從所述膜干燥系統(tǒng)中移出的呈非透過物氣體的干燥進料空氣中選擇性吸附殘余的水，二氧化碳和其它雜質(zhì)；(c)一個用于空氣低溫蒸餾、生產(chǎn)干燥的、高純度氮氣和/或氧氣產(chǎn)物氣體，同時產(chǎn)生干燥廢氣的低溫空氣分離系統(tǒng)；(d)用于將相對干燥的清洗氣體輸送至膜干燥器系統(tǒng)的低壓透過物側(cè)的管道裝置以促進水蒸氣和二氧化碳從膜的表面脫離并保持水蒸氣和二氧化碳穿過該膜從進料空氣流中分離的驅(qū)動力以加強水分與進料空氣的分離，所述的相對干燥的清洗氣體包括來自所述低溫空氣分離系統(tǒng)和/或預(yù)純化器吸附系統(tǒng)或環(huán)境空氣中的廢氣或產(chǎn)物氣體，由此向膜干燥器系統(tǒng)的透過物側(cè)提供清洗氣體促進了所希望的水分和二氧化碳的排除而進料空氣的損失量最小。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述膜干燥器系統(tǒng)含有適于逆流流動類型的膜束，透過物氣體流動通常平行于濕進料空氣流動。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中用于膜干燥器系統(tǒng)的所述干燥清洗氣體包括來自所述低溫空氣分離系統(tǒng)的廢氣。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，包括將來自低溫空氣分離系統(tǒng)的一部分所述廢氣輸送至所述預(yù)純化器吸附系統(tǒng)用做它的清洗氣體的管道裝置。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括將來自所述低溫空氣分離系統(tǒng)的廢氣輸送至所述預(yù)純化器吸附系統(tǒng)用做它的清洗氣體的管道裝置，來自所述預(yù)純化器吸附系統(tǒng)的廢氣包括用于膜干燥器系統(tǒng)的所述清洗氣體。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述的膜干燥器系統(tǒng)包括二級膜系統(tǒng)。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中第一級膜適于從進料空氣中除去水，并且它包括一種膜材料，第二級適于從進料空氣中除去二氧化碳并包括一種獨立的膜材料，并且所述系統(tǒng)包括將來自所述低溫空氣分離系統(tǒng)的廢氣或產(chǎn)物氣體或者膨脹的空氣輸送至所述膜系統(tǒng)的第二級用做清洗氣體的附加管道裝置。
8.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述的膜干燥器系統(tǒng)含有適于逆流流動類型的膜束，透過物氣體流動通常于濕進料空氣流動平行。
9.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，包括將來自低溫空氣分離系統(tǒng)的廢氣或產(chǎn)物氣體或者膨脹的空氣各自獨立地輸送至膜系統(tǒng)的第一和第二級用做清洗氣體的附加管道裝置。
10.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，包括將膜系統(tǒng)的第二級排出的清洗氣和透過物氣體輸送至它的第一級用做清洗氣體的裝置。
11.如權(quán)利要求10的系統(tǒng)，包括將來自所述低溫空氣分離系統(tǒng)的廢氣輸送至所述預(yù)純化器吸附系統(tǒng)用做它的清洗氣體的管道裝置。
12.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，包括將來自預(yù)純化器吸附系統(tǒng)的廢氣輸送至膜干燥器系統(tǒng)用作它的清洗氣體的裝置。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述來自預(yù)純化器吸附系統(tǒng)的廢氣被輸送至膜系統(tǒng)的第一級與所述膜系統(tǒng)的第二級排出的所述氣體一道用做清洗氣體。
14.一種改進的用于從空氣中生產(chǎn)干燥，高純度氮氣和/或氧氣的方法，該方法包括(a)將濕進料空氣輸送至能從其中選擇性透過水和二氧化碳的膜干燥器系統(tǒng)，所述的系統(tǒng)包括不同的膜材料，一種用于選擇性透過水，另一種用于選擇性透過二氧化碳;(b)將如此干燥過的進料空氣輸送至預(yù)純化吸附系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠從所述膜干燥系統(tǒng)移出的呈非透過物氣體的干燥進料空氣中選擇性吸附二氧化碳，殘余水和其它雜質(zhì);(c)將來自所述預(yù)純化吸附系統(tǒng)的干燥，預(yù)純化過的進料空氣輸送至低溫空氣分離系統(tǒng)，用來對空氣低溫蒸餾，生產(chǎn)干燥的，高純度氮氣產(chǎn)物氣體同時產(chǎn)生干燥的含氧廢氣;(d)從所述低溫空氣分離系統(tǒng)回收干燥，高純度氮氣產(chǎn)物氣體;并(e)將相對干燥清洗氣體輸送至膜干燥器系統(tǒng)的低壓透過物側(cè)以促進水蒸汽和二氧化碳從膜表面脫離并保持水蒸氣和二氧化碳穿過該膜從進料空氣流中除去的驅(qū)動力來加強水分分離，所述相對干燥清洗氣體包括來自所述低溫空氣分離系統(tǒng)和/或預(yù)純化器吸附系統(tǒng)的廢氣或產(chǎn)物氣體或者環(huán)境的空氣，由此對膜干燥器系統(tǒng)透過物側(cè)提供清洗氣體促進了所希望的水分和二氧化碳的除去而進料空氣的損失量最小。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述的膜干燥器系統(tǒng)含有適于逆流流動類型的膜束，透過物氣體流動通常與濕進料空氣流動平行。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述的用于膜干燥器系統(tǒng)的干燥清洗氣體包括來自所述低溫空氣分離系統(tǒng)的廢氣。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括將來自低溫空氣分離系統(tǒng)一部分所述廢氣輸送至所述的預(yù)純化器吸附系統(tǒng)用做它的清洗氣體。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括將來自所述低溫空氣分離系統(tǒng)的廢氣輸送至所述的預(yù)純化器吸附系統(tǒng)用做它的清洗氣體，從所述預(yù)純化器吸附系統(tǒng)出的廢氣包含用于膜干燥器系統(tǒng)的所述清洗氣體。
19.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述的膜干燥器系統(tǒng)包含二級膜系統(tǒng)。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中第一級膜適于從進料空氣中除去水并包含一種膜材料，第二級適于從進料空氣中除去二氧化碳，并包含第二種膜材料，所述方法還包括將來自所述低溫空氣分離系統(tǒng)的廢氣或產(chǎn)物氣體或者膨脹空氣輸送至所述膜系統(tǒng)的第二級用做清洗氣體。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中來自低溫空氣分離系統(tǒng)的廢氣被輸送至所述膜系統(tǒng)的第二級用做清洗氣體。
22.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述的膜干燥系統(tǒng)含有適于逆流流動類型的膜束，透過物氣體流動通常于濕進料空氣流動平行。
23.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括將來自低溫空氣分離系統(tǒng)的廢氣或產(chǎn)物氣體或者膨脹空氣分別獨立地輸送至膜系統(tǒng)的第一和第二級。
24.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括將膜系統(tǒng)的第二級排出的清洗氣和透過物氣體輸送至膜系統(tǒng)的第一級用做清洗氣體。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，還包括將來自低溫空氣分離系統(tǒng)的廢氣輸送至所述預(yù)純化器吸附系統(tǒng)用做它的清洗氣體。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，還包括將來自預(yù)純化器吸附系統(tǒng)的廢氣輸送至膜干燥器系統(tǒng)用做它的清洗氣體。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中來自預(yù)純化器吸附系統(tǒng)的廢氣被輸送至膜系統(tǒng)的第一級與所述膜系統(tǒng)第二級排出的廢氣一道用做清洗氣體。
全文摘要
本文公開了在以逆流流動路線為優(yōu)選特征的膜干燥器中，對用于制備干燥，高純度氮氣/或氧氣的預(yù)純化器吸附系統(tǒng)/低溫空氣分離系統(tǒng)的進料空氣進行干燥。通過在膜干器的透過物側(cè)使用清洗氣體強化了干燥效果，將吸附系統(tǒng)或低溫系統(tǒng)產(chǎn)物或廢氣，干燥的進料空氣或者環(huán)境空氣用作清洗氣體。在膜干燥器中采用了兩種膜材料，以單級或二級形式來強化從進料空氣中除去水和二氧化碳。
文檔編號B01D53/22GK1058545SQ9110502
公開日1992年2月12日 申請日期1991年6月17日 優(yōu)先權(quán)日1990年6月18日
發(fā)明者R·普拉薩德, F·諾塔羅, O·W·哈斯 申請人:聯(lián)合碳化工業(yè)氣體技術(shù)公司