[发明专利]用于分离气体的方法和装置

说明书

技术领域

本申请涉及用于分离气体的装置和方法。

更具体地，本发明涉及借助于具有选择性隔膜的隔膜设备分离气体混合物的装置和方法，所述选择性隔膜即基于不同气体的性质而对这些不同气体具有不同渗透性的隔膜。

背景技术

视情况而定，所期望的产品可为渗透物(即穿过隔膜壁的气体)或滞留物(即未穿过隔膜壁的气体)。

传统上，用于分离气体混合物的这种装置包括压缩机设备和隔膜设备，在所述压缩机设备中，实际上为气体混合物(例如空气)的供给气的压力增加，而在所述隔膜设备中，供给气分离为渗透气体和滞留气体，例如氧气和氮气。

因为选择性隔膜非常昂贵并构成这种设备总成本的较大比例、因为这种设备的容量与压力大约成比例、以及因为压缩供给气所需的能量远没有与压力成线性地增加，所以可通过增加操作压力至显著地大于所期望的产品气体压力来降低操作这种装置的总成本。

为保持该操作压力恒定，这种装置通常配备有最小压力阀，该最小压力阀以与排放量以及消耗设备的产品气体压力无关的方式将隔膜单元中的操作压力保持在所期望的水平处。

如果这种装置的所需产品气体流小于标称设计流，则至少针对滞留气体为所需产品的装置而言，产品纯度高于设计纯度并且回收水平(即产品气体流/供给气流的比率)下降。

这是不利的，因为过纯的产品气体在应用场合中会是技术上不需要的，还因为对不必要地高的供给率加以处理会带来不必要的成本。

对以上进行改良的方法和装置例如在EP1.324.815、US5.496.388、US5.649.995以及DE10.2010.003.507中描述。

EP1.324.815描述一种装置和一种相应的方法，其中速度受控型压缩机用作压缩机设备，所述压缩机设备基于产品气体中的气体传感器或者可能地另一传感器(其生成以产品气体纯度为特征的数值)来调节压缩机的速度。

这种方法具有以下缺点：这种方法仅与速度受控型压缩机一起工作，而不与以其他方式受控的压缩机类型一起工作。

因此，如果压缩机以其最小容量操作，并且产品气体流进一步减少，则获得的不是所期望的产品纯度而是过高的产品纯度。

另有一个缺点为：不能仅调节压缩机的速度而不发生损坏或不需要频繁维护的风险。该速度范围并非必然已知或其重要性并非必然被隔膜设备的设计师悉知，因此存在有压缩机过早失效的风险。由于可接受的速度范围会是压缩机的其他参数(例如操作压力)的复函数，以上情况更是如此。

还有一个缺点为：如果压缩机设备除供应隔膜单元之外还以对其它设备(该设备具有其自身要求，例如压缩空气网络)加以供应，则EP1.324.815的解决方案无效。

US5.496.388描述一种装置，在所述装置中使用螺杆式压缩机，所述螺杆式压缩机配备有处于螺杆水平处的滑阀，所述螺杆式压缩机在满足一定的条件下基于来自于测量产品气体纯度的传感器的测量信号受控，从而控制供给气体的容量。

此解决方案同样具有以下缺点：如果压缩机设备除供应隔膜单元之外还以对其它设备(该设备具有其自身要求，例如压缩空气网络)加以供应，则该解决方案无效。

另一个缺点为：此调节和方法仅可应用于配备有滑阀的压缩机。

US5,649,995描述一种装置，在所述装置中，并非通过控制压缩机而是通过将位于滞留气体出口中的传统已知的最小压力阀构建为控制阀来控制产品气体的纯度，所述控制阀基于由纯度传感器测得的产品气体纯度而加以控制，从而以此方式获得产品气体的恒定纯度。

这种装置具有以下缺点：不能因此控制产品气体流。

许多压缩能量因此损失，因为压缩机总是以全容量操作，因此在高压力下提供大量的气流，随后通常不得不又膨胀该气流。

在DE10.2010.003.507中，通过在压缩机与隔膜单元之间设置控制阀来减少被供给至隔膜单元的气体，所述控制阀基于产品气体参数(例如纯度或压力)来调节入口流，由此经由开关控制来控制压缩机，并且其中的压力变化由直接位于压缩机后的的缓冲容积容纳。

包括所述改良的传统装置全部具有以下缺点：如果产品气体的排放量大于设备的设计容量，则纯度变得低于设计值。此例如当产生具有较低氧气含量的氮气以防止爆炸时会导致危险的情况。

此外，当产品气体排放量低时，所述改良不能防止过高的产品气体纯度问题。

当使用不同于可控式压缩机的特定类型压缩机时，对压缩机的控制同样是复杂的，或者不能构建对压缩机的控制，并且当在一个压缩机设备中使用不同类型的压缩机时，必定不能构建这种控制。