[发明专利]提高气体分离效果的方法

说明书

本发明涉及气体分离方法。更详细地说，本发明涉及在这样的气体分离操作中提高高纯度产品的回收率。

使用能够选择地渗透气体混合物中一种组分的可渗透膜已被认为是提高气体分离效果的方便的，可能是非常合乎需要的方法。使用上述膜时，在很大程度上取决于保持在膜两侧的压差，当膜两侧的压差增大时，易渗透成分穿过膜的流量就随之增加。然而，考虑到实际操作条件，例如膜本身强度，可使用于这种分离的压缩费用等等因素限制了这种压差。由于上述因素，与使用一种可渗透膜相联系的产品纯度和产品回收只限于浓缩相对高质量气流。

由于在单级膜系统中的气体分离操作不能达到工艺所要求的一般的产品纯度，因而已推荐使用两级可渗透膜系统，其中产品气体的浓度是借助渗透气体通过第一级渗透膜流向附加膜级来改进的，以提高所需产品气体纯度。因而Null的美国专利4，264，338介绍了一种双级膜系统，带有一个级间压缩机，但它表明即使这样的系统也不能提高工艺要求的规定纯度的产品。Null曾提出，在所谓的气体分离级联中使用附加膜级，将大大增加操作成本及增加压缩机、膜和有关装置的费用。因此，在许多情况下，据Null说，为了达到标准纯度的产品，所需的费用已超出经济上的可行性。结果，尽管渗透膜处理有公认的方便和其他优点，但渗透膜不能应用于许多应际工业用气体分离操作中。

为了力图克服渗透膜在实际应用中所受的限制，Null曾提出一种三级膜系统，在该系统中从串联使用的两个膜中的第二级膜出来的非渗透气体，借助级间压缩机在升高压力下流向第三级或再循环膜。从这级回收的渗透气体与第一级渗透气体在其被在线的级间压缩机再压缩之前混合，而上述经压缩的气体流向第二级膜。在这种方法中，第三级膜的非渗透气体，即在升高压力下可获得的非渗透气体与后续的原料气混合物混合，以便循环到第一级膜。上述第一级膜的非渗透气体是唯一从系统中排出的废气，而所需要的标准纯度的产品气体包括降低压力时从第二级膜回收的渗透气体。

应用循环膜级的Null法，可以应用在生产标准纯度气体的实施例中，即纯化氢或氦到大约95-97%，但在以前，利用渗透膜作气体分离时从未在实际工业生产中获得这种效果。这可理解为，只有当渗透压力和其他因素达到可以使循环膜分离第二级膜的循环气体混合物中所需的渗透部分的效果比在上述第一级膜自身完成的分离更有效时，循环膜在这方面才有使用的价值。为此目的，穿过循环膜需要更大的驱动力。因此，正如在使用可渗透膜分离气体的其他方法中一样，必须考虑这个方法中的膜和压缩成本的平衡。

尽管膜能方便地用于改进低质量的气流，以及可利用Null的多级法有效地用于生产上述标准纯度产品，但膜不能以合乎需要的高回收率有效地用于分离高纯度产品。作为本发明的目的和如现有技术所知那样，高纯度产品典型地包括含有纯度从大约98%至大约99.9摩尔%以上（在氢或氦提纯时）的产品气体。然而，Null的三级系统不适用于生产这种高纯度气体，并且根据上述评论，可使用附加膜达到高纯度，但由于这种附加膜级成本过高，是不可行的。然而，在本工艺中，仍存在以合乎需要的回收率生产高纯度产品气体时方便可行地利用渗透膜气体分离法分离的希望。

因此，本发明的一个目的是提供一种利用方便的渗透膜来改进气体分离的方法。

本发明的另一个目的是提供一种利用方便的渗透膜的气体分离法，同时还能以合乎需要的回收率回收高纯度产品气体。

本发明将在下文详细说明有关的这些或那些目的，在所附的权利要求中已特别指明本发明的新的特征。

本发明用一级或多级膜来分离大量的原料气体，来自膜的渗透气体通入压变吸附（PSA）系统以分离和回收高纯度产品气体。将PSA排气压缩并与原料气体混合，再通过上述膜。上述膜的非渗透气体在上述高压下排出。工艺过程也可有所改变，可以将上述非渗透气体和/或上述PSA的排出气流通入附加膜级，以提高回收率。在每个实施例中都从PSA系统回收高纯度的产品气体。

根据附图进一步说明本发明。

图1    是一个示意图，它示出本发明气体分离方法的具体实施例，使用了组合渗透膜和一个压变吸附系统。

图2    是本发明的另一种具体实施例的示意图，其中用于高纯度气体产品回收的是PSA系统与两级渗透膜系统联合使用。

图3    是本发明的气体分离方法的一个具体实施例示意图，其中另一个两级膜系统与一个PSA系统结合，从PSA系统以高回收率得到高纯度产品气体。