[发明专利]分离气体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于将含氦气的气体混合物分离并制备高纯度氦气的特殊方法和特殊设备，尤其是气体分离膜组件的连接。

背景技术

从气体源获得氦气在能量方面是非常昂贵的方法并且迄今主要利用低温蒸馏操作。

为了简化这种方法和至少作为能量密集性方法步骤例如低温蒸馏的部分替代，已经提出了膜技术的使用。例如，US 2005/0217479A1和其中引用的现有技术中提供了利用膜技术从气流中纯化氦气的各种实例。然而，在所述方法中，仅能达到低纯度的氦气；此外，收率非常差。

公知的是，可以利用气体分离膜，根据各气体的不同的渗透性(＝物质流量每单位时间，面积，压差和层厚度)将气体混合物分离。一般而言，为了制备此种气体分离膜，将塑料加工以获得中空纤维或平膜。所述膜的特征在于在膜表面处的非常薄的分离层，以致所述膜的渗透率(＝物质流量每单位时间，面积和压差)尽可能大。

除了新的膜材料之外，在现有技术中还研究了膜的各种不同的连接。一系列用于将气体分离的单级或多级膜互连结构是在文献中已知的。举例来说，这里可以提及如下引用文献：Baker，IndEngChemRes，Natural Gas Processing with Membranes，47(2008)；Bhide MemSci，Hybrid processes for the removal of acid gases from natural gas，1998；Hhenar，MemSci Application of Cardo-type polyimide(PI)and polyphenylene oxide(PPO)hollow，2008；EP 0 603 798；EP 0 695 574；US 5,753,011；EP 1 634 946；EP 0 596 268；US 6,565,626B1；US 6,168,649 B1 和EP 0 799 634。所提及的方法具有缺点，即它们部分地包括多个再压缩步骤，或仅能获得高纯度的渗透物气体或仅能获得高纯度的渗余物气体。对于同时获得高纯度的渗透物气体和渗余物气体，迄今仍没有适合的膜方法。另外对于仅仅利用膜方法进行氦气纯化，迄今仍没有任何令人满意的解决方案。

发明内容

从这种现有技术出发，本发明的目的是提供用于分离和纯化含氦气的气体混合物的方法和设备，其没有或仅以降低的程度具有现有技术中的方法和设备的缺点。特别地，意于提供可以同时以高纯度制备含氦气的渗透物气体以及渗余物气体的方法和设备。在另一个特定目的中，这些方法和设备应从投资成本和操作成本方面是有利的和/或容许实现更简单的方法控制。

在下一个特定目的中，意于提供可以尽可能通用的用于纯化氦气的方法/设备。特别地，应可以高效和有效地分离任何气流，不管氦含量，不管气流的组成和不管气流中其它组分的含量如何。

本发明的另一个特别的目的是保持氦气与粗气流相比的损失尽可能低。

没有明确提及的其它目的由随后的权利要求书、说明书、实施例和附图的总体关联得出。

现已令人惊奇地发现，可以通过根据权利要求1的方法和根据权利要求2的设备或其从属权利要求之一的方法或设备获得渗透物(氦气流)和渗余物的纯料流，而不要求超过一个的压缩机。根据本发明的设备同时允许以高纯度获得氦气和渗余物料流。设备的投资成本低；它不要求额外的下游纯化工艺。因此，可以用纯的膜分离方法达到提出的目的。

本发明因此提供权利要求书中要求保护的以及下面的说明书和实施例中更详细阐明的设备和方法。

下面将详细地描述本发明。首先，定义一些重要的术语。

由两种个体气体的渗透率的商得到用于分离的膜在这两种气体方面的“选择性”，并因此指示所述膜能多好地在所述两种组分方面分离气体混合物。“渗透物”是指在所述膜、膜组件或膜分离步骤的低压侧上产生的总料流。

“渗透物气体”是指在每种情况下在膜、膜组件处或在膜分离步骤中，在渗透物料流中与相应的进入料流中相比富含的一种或多种组分。

“渗余物”是指在膜、膜组件或膜分离步骤的高压侧上产生的并不穿过所述膜的总料流。

“渗余物气体”是指在每种情况下在膜、膜组件处或在膜分离步骤中，在渗余物料流中与相应的进入料流中相比富含的一种或多种组分。