專利名稱：用于分離多組分原料流中組分的方法
背景技術：
本發(fā)明涉及一種用于將多組分原料流分離為級分的方法以及實現(xiàn)該方法的裝置，更特別地，本發(fā)明涉及一種包括用多孔分離器(porous separator)將多組分原料流分離為包含相對較高濃度的一種或多種組分的級分的方法和裝置。
已知的用于從多組分原料流中分離和回收該物流中的單獨組分的分離和回收的技術很多。例如這樣的例子包括蒸餾、多孔膜分離、離心分離、夾帶或捕集(impingement)分離、和無孔靜電膜分離。典型地，這些技術都分別用于各種不同類型的應用并且它們都在不同類型的裝置中實施。
例如，被轉(zhuǎn)讓于與本發(fā)明相同受讓人的US6032484(Chernyakov)，公開一種用于從包含有稀釋性氣體和氟化物的氣體流中分離和回收氟化物的方法，其首先將氣體流與一級或多級膜系統(tǒng)進行接觸，其中膜選擇性地比氟化物更優(yōu)先滲透稀釋性氣體，從而得到了富含稀釋性氣體的氣流以及富含氣態(tài)氟化物的氣流。每種產(chǎn)物氣體流都會在后續(xù)的分離步驟中通過蒸餾或吸附進行純化以產(chǎn)生高富含氟化物和高富含稀釋性氣體的物流。
膜分離和相變化結合應用的方法例如真空膜蒸餾(VMD)而全蒸發(fā)也是已知的。VMD系統(tǒng)使用了基于膜的方法，通過部分蒸發(fā)穿過聚合物膜來從溶液例如水中萃取低濃度揮發(fā)性有機物(VOCS)。該膜作為液相中物料和滲透過膜的氣體之間的選擇性截留層。
VMD方法的例子公開在了JP3089922的摘要中，依照其公開的內(nèi)容，提供了一種從原料流中分離溶解揮發(fā)性物質(zhì)的方法，其中將原料流引入，并與進料側(cè)的多孔分離器，例如疏水性多孔膜進行接觸，并且將含水的“回收”溶液與多孔分離器的出料側(cè)接觸。當原料流與膜接觸時，被分離的組分蒸發(fā)并在膜附近形成了氣體層。氣體形式的組分進入所述分離器的進料側(cè)，擴散通過分離器，并在分離器的出料側(cè)排出分離器。當氣體組分排出分離器時，它就會被吸附到含水回收溶液中，其中該溶液的溫度維持低于原料流的溫度。這樣，依照該公開所教導的方法，要被分離組分當它流經(jīng)分離器的時候沒有發(fā)生相變。
VMD另一個例子公開在JP61018406的摘要中。依照其公開的內(nèi)容，將原料液體引入，與多孔液相非滲透膜接觸，然后加熱使原料中的某種組分蒸發(fā)。蒸發(fā)的氣體滲透過膜進入到氣體收集空間，在這里進冷凝。如JP3089922，這個公開教導了一種方法，其中要被分離的組分流經(jīng)分離器時沒有發(fā)生相變。
相對于VMD方法，全蒸發(fā)中所使用的膜其功能是用來作為兩相，即液體進料/截留相進料和汽相滲透物之間選擇性的截留層。該膜可以使液體原料中的所需組分通過蒸發(fā)的方法經(jīng)由膜進行傳輸。這種分離主要是利用極性差異而不是原料中組分的揮發(fā)性差異。
全蒸發(fā)方法的例子公開在美國專利No.4788043(kagiyama)中，其中描述了一種用有機溶劑凈化半導體物質(zhì)的方法。當該物質(zhì)被凈化后，有機溶劑就被水、電解質(zhì)和顆粒物質(zhì)所污染。該溶劑通過兩步方法進行凈化，該方法包括分離后的第一全蒸發(fā)步驟和獨立的蒸發(fā)步驟。在全蒸發(fā)步驟過程中，將液體溶劑/水混合物轉(zhuǎn)移通過全蒸發(fā)器以從溶劑中去除大部分水和其它雜質(zhì)。更特別地，大部分溶劑滲透過全蒸發(fā)器的膜，而大部分水則沒有滲透。將滲透過膜的溶劑轉(zhuǎn)移到分離設備，該設備通過蒸餾從溶劑中去除多余的水。這樣，Kagiyama并沒有教導單獨使用分離器以通過滲透有效地分離多組分進料物流中的組分并產(chǎn)生氣體和液體滲透級分。
在US4900402(Kaschemekat)中也公開了一種全蒸發(fā)的方法，其中公開了從混合液體中分離至少一種組分的方法，例如，從發(fā)酵物質(zhì)中分離乙醇，通過用第一全蒸發(fā)設備形成富含被分離組分的第一滲透氣體，和(b)分餾第一滲透氣體，例如，通過溫度冷凝，在分餾冷凝器中形成高濃度餾分二次富含被分離的組分。依照Kaschemekat的發(fā)明，當被分離的混合物滲透過全蒸發(fā)器的膜時發(fā)生了相變(從液體到氣體)。離開全蒸發(fā)器的氣體混合物富含乙醇。將富含乙醇的氣體轉(zhuǎn)移到冷凝器中，其中至少一部分水蒸氣冷凝為液體并隨后去除。而Kaschemekat教導了一種用膜通過滲透來分離多組分進料物流的方法，并且滲透過該膜的物料發(fā)生了相變，其沒有教導通過氣體的產(chǎn)生和滲透以及液體滲透的級分而單獨用膜有效地分離多組分原料流的組分。
在US4962270(Feimer)中公開了一種多級全蒸發(fā)方法，其中用多個膜進行串聯(lián)并且在每個連續(xù)截留級操作時在逐級越來越高的真空，和越來越高的溫度，或者兩者都是的情況下進行操作的。所描述的這種方法用于分離沸點溫度在較大的范圍內(nèi)變化的組分是有效的。Feimer與Kaschemekat的相似之處在于兩者都教導了通過全蒸發(fā)器和冷凝器分離多組分原料的方法。然而，F(xiàn)eimer也教導了多級蒸發(fā)器和冷凝器可以串聯(lián)起來應用以形成多種狀態(tài)的工藝氣流。
也可以找到其它的全蒸發(fā)例子，例如，在US5108549(Wenzloff)中。
在上面所涉及公開的每個內(nèi)容中，全蒸發(fā)或VMD步驟都不能緊密的與任何其它的凈化或分離方法相結合。也就是說，全蒸發(fā)器僅僅是通過滲透來分離多組分進料物流。熱力分離(例如蒸餾)被教導作為一種間歇的步驟，該步驟是在分離裝置中進行操作的。

發(fā)明內(nèi)容
依照本發(fā)明，這里提供了一種用于將多組分進料物流分離為級分(fraction)的方法包括步驟(a)提供一種至少具有兩種在相同的相中的流體組分的進料物流；(b)提供一種具有進料側(cè)(inflow side)和出料側(cè)(outflow side)的多孔分離器；(c)保持跨多孔分離器的壓差，包括在分離器的進料側(cè)相對較高的壓力和在分離器的出料側(cè)相對較低的壓力；(d)在相對較高的壓力下將進料物流引入并與分離器的進料側(cè)進行接觸，在有效分離所述進料物流組分的條件下將其分離為截留物，其在所述分離器的進料側(cè)形成，以及滲透級分，該滲透級分(i)在分離器進料側(cè)的另一側(cè)形成；(ii)包括一種以上的所述進料物流的組分，其與在被處理的進料物流中的比例上不同；(iii)是液體滲透級分和蒸氣(vapor)滲透級分的來源；和(e)回收每種所述的的截留物、液體滲透級分和蒸氣滲透級分。
在本發(fā)明的一個典型的實施方式中(A)進料物流優(yōu)選地包括液體組分的混合物，該混合物任選地含有一種或多種蒸氣組分；(B)每種多孔分離器的種類和包括進料物流的組分的性質(zhì)是這樣的(i)大量組分中的一些當它們從高壓環(huán)境變化為低壓環(huán)境時滲透過分離器；(包括該組分的滲透級分的比例不同于其在進料物流中的比例)；和(ii)由于例如分離器孔的相對尺寸和組分分子的尺寸關系，很多組分中的一些沒有滲透過分離器(截留物)和(C)滲透級分的組分在這樣的條件下進行分離，即至少一種組分發(fā)生了相變化，例如，通過閃蒸為蒸氣(蒸氣滲透級分)，并通過重力作用與一種或更多液體組分分離，該液體組分滲透過分離器并保持在液態(tài)(液體滲透級分)。
本發(fā)明的一個重要方面是在于產(chǎn)生和保持這樣的條件，即可以有效的產(chǎn)生滲透級分，該級分包括一種或多種液相組分以及一種或多種氣相組分，包含每相的組分彼此之間個各不相同。例如，在多孔分離器和多孔分離器的出料側(cè)中的壓力條件保持在可以使?jié)B透級分的至少一種液體組分閃蒸或使?jié)B透級分的至少一種蒸氣組分冷凝。所產(chǎn)生的蒸氣滲透級分和液體滲透級分可以通過重力進行分離然后進行回收。相應地，本發(fā)明的方法可被充分和有效地操作，從而基本上同時將多組分進料物流中的一種級分從其它級分中分離出來并將其它級分分離為兩種不同的級分；這些可以通過僅僅使用跨多孔分離器的合適壓差來有效的完成。
本發(fā)明的另外一個方面提供了一種組件，該組件能夠用于將至少含有兩種在相同的相中和預定數(shù)量的流體組分的多組分原料流分離為級分，其包括(A)具有用于接收進料物流的入口和排出部分進料物流的出口的第一壓力腔室；(B)第二壓力腔室；(C)多孔分離器，其(i)位于第一和第二壓力腔室之間；(ii)具有用于接收所述進料物流的進料側(cè)和連通到所述第二壓力腔室的出料側(cè)；和(iii)其適于容許但只是物流中的一部分流體組分從進料側(cè)到出料側(cè)通過，該部分流體組分的數(shù)量不同于所述預定的數(shù)量；(D)用于將在第一壓力腔室的壓力保持為高于第二壓力腔室壓力的值從而建立跨多孔分離器的壓差的裝置；(E)在第二壓力腔室中的蒸氣出口，通過該出口在所述腔室中的蒸氣可以被去除；和(F)在第二壓力腔室中的液體出口，通過該出口在所述腔室中的液體可以被去除。
如在下面所詳細描述的，本發(fā)明的另外一個方面是提供一種裝置，其包括多個前面所述類型的組件，并被用來提供富集了進料物流中一種或多種組分的進料物流的級分。


圖1示出了依照本發(fā)明的裝置優(yōu)選的實施方式圖2類似圖1，其中還示出了流過多組分進料物流裝置的流以及由此形成的各種不同的級分。
圖3示出了依照本發(fā)明裝配有再沸器和冷凝器的裝置的實施方式。
圖4中示出了依照本發(fā)明具有多個將多組分原料流分離為級分的組件的裝置的實施方式。
具體實施例方式
依照本發(fā)明用于將多組分進料物流分離為級分的示例性裝置在此進行描述。參考圖1，其中描述了本發(fā)明優(yōu)選的實施方式，其示出了用于將多組分進料物流100分離為不同的級分的裝置10。裝置10包括單個的組件50，在其中將進料物流分離為含有物流中組分的級分。組件50包括高壓腔室22其通過多孔分離器26與低壓腔室24分開，所述多孔分離器的性質(zhì)(例如孔尺寸)取決于要被分離物流的組分。高壓腔室內(nèi)的壓力通過閥30進行控制。進料物流100中的至少兩種組分可以滲透過多孔分離器26。將低壓腔室24的壓力保持在低于高壓腔室22的壓力下。(因此，跨多孔分離器26會存在壓力差)。低壓腔室24的壓力通過閥34和閥32進行控制。所用的術語“高壓”和“低壓”不是指所述的壓力的絕對值，也就是說，無論壓力實際上是否高于或低于大氣的壓力。該術語專門用于表示一個腔室所具有的壓力高于另外腔室的壓力以至于可以產(chǎn)生跨多孔分離器26的壓差。
轉(zhuǎn)到圖2，將進料物流100引入到組件50的高壓腔室22中，在這里它與多孔分離器26進行接觸。由于多孔分離器26的特別的性質(zhì)以及通過該多孔分離器的壓差，進料物流100中的至少兩種組分的一部分滲透過多孔分離器26然后進入到低壓腔室24。通過多孔分離器的進料物流的這一部分構成了滲透級分500。保留在高壓腔室22中的組分構成截留物210，其可以通過管路200從高壓腔室中抽出。
當滲透級分500在進入低壓腔室24的途中通過多孔分離器26時，其中至少一種組分發(fā)生了相變，也就是說，該組分的物理狀態(tài)發(fā)生了變化。低壓腔室24的壓力和溫度可以保持為使得滲透級分500可以以兩相即液相420和蒸氣相320的方式排出，每相在組成上與進料物流100和滲透級分500都不同。該組合物包括在重力作用下進行的相分離并形成了液相滲透級分430和蒸氣滲透級分330，它們分別可以通過管路400和300從低壓腔室24中抽出。在一個優(yōu)選的實施方式中，進料物流100連續(xù)地供應到組件50，其中的條件以這樣的方式進行保持，即連續(xù)地產(chǎn)生截留物210、蒸氣滲透級分330和液體滲透級分430。
接下來描述本發(fā)明其它方面的內(nèi)容。
進料物流包括了處于相同流體相的至少兩種組分。確信的是滲透的發(fā)展將會更為廣泛的應用于處理含有處于液相的至少兩種組分的進料物流；無論怎樣，其也可以應用于處理含有處于氣相的至少兩種組分的進料物流。在任意一種情況下，“液”相可以含有處于氣相的一種或多種組分而“氣”相可以包括處于液相的一種或多種組分。
進料物流所含的組分可以包括環(huán)境條件下為氣體的化合物，但是由于溫度和/壓力的條件在進料物流中處于液相。進料物流組分所含化合物的例子包括水、氫氣、烷烴、烯烴、炔烴、環(huán)烷烴、芳香烴、鹵化物、鹵代烴、醇、醚、胺、腈、硝基化合物、硅烷、硫化物、亞砜、砜、硫醇、羰基化合物(carboyl)、醛、酮、酯、酰胺、醛糖、酮醣和縮醛。所述組分可以包括與一種或多種其它化合物組合的兩種或多種上述化合物。特別地組成進料物流的化合物組合的例子包括(A)乙醇和水(共沸的和非共沸的)；(B)二氧化碳、甲烷、和丙烷；和(C)氫氣、甲烷、和二氧化碳。原料流可以處于室溫或更高或更低的溫度下。
進料物流的組分通過將物流在壓力下引入與多孔分離器接觸而進行分離。沒有通過多孔分離器的物流的一種或多種組分形成了截留物。通過多孔分離器的兩種或多種組分包含滲透級分，該級分是液體和蒸氣滲透級分的來源。
本發(fā)明的多孔分離器是一種允許物流的至少兩種組分，其數(shù)量不同于其在進料物流中的數(shù)量，選擇性地滲透的材料。涉及這樣滲透工藝的變量包括，例如，跨多孔分離器的壓差、多孔分離器的孔尺寸、和該組分所含的化合物分子尺寸。
滲透級分在某種定義的條件下(例如，溫度、壓力、和組分的比例)發(fā)生部分相變化(即，閃蒸或冷凝至少一種，但是少于所有的組分)的能力可以通過應用商業(yè)工藝模擬軟件，例如ASPEN Plus來確定。這種模擬軟件有助于復雜化學工藝和裝置的模擬，例如蒸餾塔和化學反應器的工程模型的確立。典型地，對于特定的工藝一旦流程確定那么某些工藝變量就可以確定，該軟件就可以基于自然定律、已知公式、經(jīng)驗數(shù)據(jù)計算剩下的工藝變量。例如，提供了具有確定組成和壓力的進料物流，即便進料物流中組分在滲透過分離器之后會進行閃蒸或冷凝該軟件也可以預測出對于進料組分的分離器的選擇性并提供跨分離器的壓差。
由此多孔分離器的選擇取決于進料物流中特定組成也取決于級分流所需的組成。構成分離器的原料的選擇是基于其對于某種化合物特定的選擇性。在這點上，選擇性指的是多孔分離器阻礙或限制某種化合物滲透的能力，同樣地也指允許其它化合物進行滲透的能力。
構成多孔分離器的孔包括，例如，開口，例如微開口、溝槽和通道。所述孔在尺寸上可以是均勻的也可以是不均勻的。在一個典型的實施方式中，多孔材料可以含有尺寸均勻的孔，其可以用來分離基于它們尺寸的不同化合物分子。例如，水分子較小足以通過特定尺寸的孔，反之較大的苯分子由于不夠小而不能通過多孔材料。
對于前面提到的構成進料物流的化合物的選擇性滲透，除了提供通道以外，多孔材料的孔的屬性可以是這樣的即，它們在分離器中提供了空間，其中至少一部分進料物流中的液體化合物閃蒸形成蒸氣或其中至少一部分進料中的蒸氣化合物冷凝形成液體。因此，該空間容納了蒸氣和液體滲透級分，其來源是流過所述多孔分離器的滲透級分。
構成分離器的多孔材料的例子為含孔膜、分子篩和沸石晶格(zeolitelattice)，填料床物質(zhì)，例如，樹脂床和活性碳床，和納米管，例如，碳納米管。多孔分離器的結構在屬性上可以是統(tǒng)一的，也就是說，可以只包括一種類型的多孔材料，或者也可以是不統(tǒng)一的，并包括兩種或多種不同多孔材料的組合，例如，沸石和膜的聚合物基質(zhì)相結合。
含孔膜可以例如以平板薄片、管、毛細管和中空纖維的形式進行制備并且可以由多種裝配形式包括例如平板和框架、螺旋纏繞組件、中空纖維組件和管殼組件構成。膜的孔可以通過穿孔或其它手段形成。
可以實際用于本發(fā)明的分子篩的例子包括由如粘土、硅膠和多孔玻璃材料形成的合成分子篩，也包括天然分子篩例如礦物石灰(mineral lime)。
天然或合成的沸石是實際用于本發(fā)明典型分子篩的例子。沸石包括無機多孔材料，例如，鋁硅酸鹽礦物，具有較高規(guī)整性結構的孔和可以允許一些分子通過和阻礙或阻止其它分子從這里通過或可以使它們破碎(break down)的腔室。
可以實際用于本發(fā)明典型的填料床材料是用顆粒狀吸收材料，例如，活性碳或樹脂，隨機填充而構成的中空框架。所述填料具有相對較大的表面積可以用于改善與進料物流的接觸。
多孔結構可以包括用于涉及到微觀分離的納米管。
多孔分離器的材料除了以多孔性獲得分離以外還包括了其它性質(zhì)。例如，多孔分離器可以是化學可滲透的(例如疏水的)。
多孔分離器可以包括至少一種可滲透的(permeable)無孔材料，即，一種不帶孔的材料，但是，盡管如此，仍允許原料流中的至少一些組分由一種或多種過程例如，擴散、化學親合、電化學親和和電磁場而通過該分離器。對于那些僅僅使用一種多孔材料難于進行分離的兩種或多種組分，可以將多孔和無孔材料結合使用以獲得有效的分離。
可滲透的無孔材料可以是，例如，與多孔材料結合的，例如，提供一種多孔和無孔材料的混合物，或以一種或多種平行疊層的形式置于鄰近或接近分離器的位置。疊層可以設置為，例如，平行于分離器的進料側(cè)，或平行于分離器的出料側(cè)，和/或分離器可以被夾在兩個平行的可滲透無孔材料疊層之間。優(yōu)選地，可滲透無孔材料不被置于多孔分離器的出料側(cè)，這樣就不會妨礙滲透級分的至少一種組分發(fā)生相變。
可以應用的可滲透無孔材料的例子包括膜，例如，聚合物和陶瓷膜。滲透無孔材料以例如固體、液體和凝膠的形式存在，并且其與分離器聯(lián)合起來，當滲透級分通過分離器時不會阻礙滲透級分的部分相變。
如果被使用，構成多孔分離器和可滲透無孔材料的材料類型將取決于進料物流所含的組分。它是屬于選擇材料的現(xiàn)有技術的范疇內(nèi)。例如，已知活性碳過濾器用于從CO2/CH4混合物中選擇性地分離CO2。作為另外一個例子，已知沸石可以用于為氣體提供有效的分離，包括從低品天然氣中去除H2O、CO2和SO2。本領域技術人員能夠確定獲得所希望的分離所需的操作溫度和跨多孔分離器的壓差。
組件的高壓腔室被設計為接受引入的進料物流，使進料物流與多孔分離器進行接觸并且排出截留物。所述高壓腔室應該包括控制閥或?qū)⑵渲械膲毫Ρ３衷谒Ｍ闹档暮线m手段。
組件的低壓腔室設定為接受滲透級分和為滲透級分的部分閃蒸或冷凝提供場所，并且還排出蒸氣滲透級分和液體滲透級分。例如，在一個實施方式中，設計允許低壓腔室的閃蒸，以用于滲透級分的一種或多種組分的快速膨脹，并且優(yōu)選地，迅速地獲得和保持相平衡。其它的設定因素包括提供一種或多種控制閥或在低壓腔室中保持所需壓力的其它合適手段。
本發(fā)明比以前涉及到作為分離技術的傳統(tǒng)閃蒸或冷凝現(xiàn)有方法的優(yōu)勢在于本發(fā)明不需要使用外部能量源。在本發(fā)明中所發(fā)生的閃蒸或冷凝可以不用再沸器或冷凝器而被實現(xiàn)。然而在本發(fā)明中再沸器和冷凝器也是可以應用的。例如在圖3的裝置中示出了具有再沸器601和冷凝器602的組件。
在優(yōu)選的實施方式中，滲透級分中的組分通過串聯(lián)連接的多個組件進行分離。關于這點實施例1就是用于多個組件的示例并且包括了附圖4的描述。
在包括了多個組件的裝置中，組件的設計可以大體相似或可以不同，這取決于級分的分離。例如，不同類型的多孔分離器可以用于連續(xù)地獲得高純度級分或從進料物流中分離不同組分。多組件的分離能力可以通過使用較少的更長長度的組件來實現(xiàn)。
實施例依照本發(fā)明將多組分進料物流(尤其是三元和二元組分混合物)分離的幾個實施例進行模擬。模擬的結果表明基于所述條件本發(fā)明的方法和裝置分離混合物組分是有效的。實施例1到4每個都涉及將多組分進料物流分離為截留物、滲透蒸氣級分和滲透液體級分的方法的模擬。該模擬是采用ASPEN Plus程序，一種商業(yè)應用模擬軟件包。該模擬涉及到選擇如與在每個實施例中所述方法相關聯(lián)的預定條件(作為模擬輸入量)。通過模擬輸入量所表示的信息，ASPEN Plus程序產(chǎn)生某種模擬輸出量包括對于組分某種物理性質(zhì)的數(shù)值，例如，截留物和蒸氣與液體滲透級分的組成，這些可以確保該裝置在將進料物流分離為各種級分是有效的。
預定條件包括，例如，進料物流的組分以及其溫度、壓力和流率(flowrate)；在多孔分離器進料側(cè)的壓力；在多孔分離器出料側(cè)的壓力；截留物的溫度和壓力；在該方法中所用的組件的數(shù)量；是否應用再沸器和/冷凝器，以及如果這樣，其工作的能力；以及流過多孔分離器每種組分的量。最后提到的預定條件可以通過模擬輸入量來確定，該模擬輸入量辨別了滲透過多孔分離器的進料物流的體積量或滲透過分離器每種組分的量。基于前面提到的預定條件，通過應用該程序就會產(chǎn)生下面的輸出截留物的組成和流率；以及每種蒸氣滲透級分和液體滲透級分的溫度、流率和組成。
在實施例所述的方法中所用的裝置包括串聯(lián)設置的多個組件，并且在其中進料物流中的組分被處理和分離。每個組件包括位于高壓腔室和低壓腔室之間的多孔分離器、在高壓腔室中用于進料物流的入口、在高壓腔室中用于在高壓腔室中形成的截留物的出口、在低壓腔室中用于液體滲透級分的出口、以及在低壓腔室中用于蒸氣滲透級分的出口。
對于每個實施例多組分進料物流包括在給定的濃度和具有給定的流率和溫度下特定化合物的預定混合物。例如，在實施例1中，對于第一組件的預定進料物流包括流率為100Kg/hr、溫度為-32、CO2、CH4和C3H8的摩爾分率分別為0.90、0.05和0.05的三元混合物。
每個實施例都包括帶有預定特征的多孔分離器的應用，所述特征控制了，例如，滲透流過分離器的每種組分的比例。利用這樣的信息，本領域技術人員可以確定在任何特定應用中可被使用的多孔分離器的屬性。例如，已知的是交聯(lián)的聚乙烯醇或聚乙烯醇/胺的聚合物，并用埃尺寸級的二氧化硅顆粒分散在膜基質(zhì)上，并用馬來酸或用戊二醛進行交聯(lián)，將其作為多孔分離器來分離異丙醇和水的共沸混合物(參見例如實施例4)。這樣的材料或其它類型的多孔材料或這些材料兩種或多種的結合可以用于本發(fā)明的實施中，其前提是所用的特定的材料可以與所述方法的其它方面的相互兼容。
在多孔分離器的每個進料側(cè)和出料側(cè)上的壓力也可以預先設定好；這樣，依次設定跨多孔分離器的壓差。
基于涉及到每個實施例的預定條件，通過前面提到的計算機程序確定了表示每個實施例中有關所涉及到的組分，即截流物和液體以及蒸氣滲透級分的組成、壓力、溫度和流率的信息、而產(chǎn)生了模擬輸出量。該信息列在了伴隨著實施例的表格中。
實施例1實施例1闡述了從包括液體二氧化碳、丙烷和甲烷(物流中所有的組分都處于液態(tài))的加壓和冷卻的液體進料物流中分離甲烷的連續(xù)方法。在分離中所用的裝置包括串聯(lián)的十個組件。對于該裝置不用施加外部能量源(即，該裝置不包括再沸器和冷凝器)。在這個實施例中所用的裝置圖4中示出。
將包括了在下面的表1中給出了其比例的液體二氧化碳、甲烷和丙烷的多組分進料物流1以100kg/hr的流率、315psia壓力和-32溫度(所有的預定條件)下輸入到第一組件3的高壓腔室5中。組件3的低壓腔室保持在預定的壓力55psia下。相應地，跨該組件的多孔分離器的壓差為260psia。
當將進料物流引入到第一組件3的高壓腔室5時，其與多孔分離器9的進料側(cè)進行接觸。在這個模擬中，可以預定的是10體積％的進料物流滲透過了分離器。相對于進料物流，流過分離器的滲透級分(沒有示出)富集了甲烷，如在表1中指出的。相應地，相對于進料物流，形成的截留物11富集了二氧化碳和丙烷。
由于截留物11含有剩余的甲烷，將截留物進行處理回收多余量的甲烷。相應地，第一組件的截留物11變成了第二組件的進料物流13。(依次地，在第二組件中形成的截留物變成了第三組件的進料物流并且對于剩余的組件都是這樣的。)在該方法的預定條件下，包括截留物的進料物流相對于進入到第一組件的進料物流產(chǎn)生了壓降并且伴隨著溫度的降低。壓降為25psi其意味著進入到第二組件的進料物流具有290psia的壓力。(在連續(xù)的組件中由截留物形成的每種進料物流則產(chǎn)生了25psi壓降，包括最后組件的截留物110的物流在65psia[原始壓力315psia-(10組件)(25psi壓降/每個組件)＝65psia]壓力下由此排出)。對于該模擬，假定每個高壓腔室內(nèi)的壓力是均勻的。從第十組件回收的截留物110的組成和其它特征都在下面的表1中指出。
在第一組件3中由液體進料物流1形成的和通過多孔分離器9的滲透級分在如下條件下進行，即，使大體上所有的液體甲烷閃蒸是有效的，也就是說形成了蒸氣滲透級分15；該條件對于使二氧化碳和丙烷保持在液態(tài)也是有效的；同樣地，它們包括液體滲透級分17。蒸氣滲透級分15通過重力作用從液體滲透級分中分離出來并經(jīng)由管路19從第一組件3的低壓腔室中去除。相似地，液體滲透級分17經(jīng)由管路20從第一組件的高壓腔室中去除。
在這個實施例中，每個組件的低壓腔室都保持在55psia壓力下。這樣，因為在每個高壓腔室中的壓力逐漸降低，所以在每個組件中跨多孔分離器9的壓差也逐漸降低。在最后的組件300中跨多孔分離器109的壓差為10psi(組件300的高壓腔室的壓力為65psia而低壓腔室的壓力為55psia)。這些條件對于使在每個組件中的滲透級分的甲烷發(fā)生閃蒸是有效的。
從組件中抽出的每種蒸氣滲透級分與其它蒸氣滲透級分結合形成了所包含的甲烷在比例上大于在原始進料物流的組合物。相似地，從各自組件中回收的每種液體滲透級分與其它液體滲透級分結合形成了甲烷的比例比原始進料物流相對較小的組合物?！白罱K”截留物110的液體組合物(也就是從最后的組件300出來的截留物)和結合的液體滲透級分和結合的蒸氣滲透級分的組合物以及截留物和滲透級分的其它特征都在下面的表1中給出。
表1

從這些數(shù)據(jù)中可以看出，應用本發(fā)明的方法在從原始進料物流中去除大體上所有的甲烷是有效地，也就是說，應用該方法所產(chǎn)生最終的截留物和液體滲透級分中基本上不含有甲烷。
實施例2實施例2的方法與實施例1中所描述的方法相似，但是不同之處在于在分離中所用的裝置裝配了再沸器和冷凝器(兩者都沒有在圖4中示出)。
更特別地，應用在實施例1中定義的所有預定條件進行第二次模擬，除了這樣的預定條件即用部分再沸器和部分冷凝器進一步使蒸氣滲透級分中富集相對較低沸點的甲烷并進一步從液體滲透級分中去除甲烷。從每個組件中出來的液體滲透級分都進料到分離部分再沸器中，該再沸器載荷功率為5100Btu/hr并且加熱和使各自的液體滲透級分至少部分氣化。由于甲烷相對于丙烷或二氧化碳甲烷更容易氣化，這些級分的氣化部分相對于未氣化部分就富含甲烷。將氣化部分轉(zhuǎn)移到它們各自組件的低壓腔室中，而同時將基本上不含甲烷的滲透級分的“未氣化”部分進行收集。
相似地，從每個組件中出來的蒸氣滲透級分進入到分離部分冷凝器，該冷凝器具有-2850Btu/hr的累積做功能力，并且冷卻和至少部分冷凝了蒸氣滲透級分。由于相對于甲烷，丙烷和二氧化碳更容易冷凝，這些級分的冷凝部分相對于“未冷凝”部分就富含丙烷和二氧化碳。將冷凝部分轉(zhuǎn)移到組件的低壓腔室中，而同時將富含甲烷的未冷凝部分進行收集。
從組件中抽出的每種蒸氣滲透級分與其它蒸氣滲透級分結合形成了所包含的甲烷在比例上大于在原始進料物流的組合物。相似地，從各自組件中回收的每種液體滲透級分與其它液體滲透級分結合形成了甲烷的比例比原始進料物流相對較小的組合物?！白罱K”截留物的液體組合物(也就是從最后的組件出來的截留物)和結合的液體滲透級分和結合的蒸氣滲透級分的組合物以及截留物和滲透級分的其它特征都在下面的表2中給出。
表2

從上面的數(shù)據(jù)中可以看出，本方法可以從原始進料物流中有效地去除大體上所有的的甲烷并且形成了基本上不含甲烷的液體滲透級分和富含甲烷的蒸氣滲透級分。相對于在實施例1(其中所描述的不包括應用再沸器和冷凝器的方法)的結果，本方法形成了含有更高比例甲烷和大體上更低比例二氧化碳和丙烷的蒸氣滲透級分和含有較低比例甲烷的液體滲透級分。
實施例3依照本發(fā)明實施例3是用來從CO2、CH4和H2的預定蒸氣混合物中分離CO2方法的典型例子。該模擬與實施例1的相似，除了后面所要提到的，增加了不同進料物流的處理。
(A)包括一種蒸氣的混合物；(B)跨每個多孔分離器的預定壓力梯度為260psi；(C)從裝置中最后組件排出的截留物的預定壓力與進入到第一組件的進料物流的壓力相同，也就是說，對于每個組件進料物流的壓力都與該組件的截留物的壓力相同；(D)滲透過每個多孔分離器的H2/CO2的預定摩爾比為1.43∶1；(E)滲透過每個多孔分離器的CH4/CO2的預定摩爾比為0.078∶1；和(F)滲透過每個多孔分離器的進料物流的預定量為0.2 lb-mol/hr。
在這個實施例中，將富含甲烷但是也含有二氧化碳和氫氣的氣體進料物流以流率為100kg/hr，壓力為315psia和溫度為-32輸送過第一組件的高壓腔室。由于進料物流的溫度高于混合物的露點溫度(即大約-111)，混合物處于其蒸氣狀態(tài)。當進料物流與不同組件的多孔分離器進行接觸時，大體上所有的氫氣和二氧化碳與一部分甲烷一起滲透過多孔分離器形成了富含甲烷的截留物。將滲透級分置于如下的條件下，即將二氧化碳冷凝并且與甲烷相分離。
這個模擬的結果在表3中給出。從組件中抽出的每種蒸氣滲透級分與其它蒸氣滲透級分結合形成了所包含的甲烷和氫氣在比例上大于原始進料物流的組合物。相似地，從各自組件中回收的每種液體滲透級分與其它液體滲透級分結合形成了二氧化碳的比例比原始進料物流相對較大的組合物?！白罱K”截留物的液體組合物(也就是從最后的組件出來的截留物)和結合的液體滲透級分和結合的蒸氣滲透級分的組合物以及截留物和滲透級分的其它特征都在下面的表3中給出。
表3

從上面的數(shù)據(jù)可以看出，實施例3的方法在將三組分進料物流分離為富含甲烷和基本不含二氧化碳和氫氣的截留物、富含甲烷的蒸氣滲透級分以及富含二氧化碳的液體滲透級分是有效的。
實施例4實施例4闡述了應用本發(fā)明分離異丙醇和水的共沸混合物。該模擬與實施例1相似，除了后面要提到的預定條件。增加了預定不同進料物流的處理，(A)包括采用串聯(lián)連接的十四個組件的方法；(B)對于每個組件進料物流的壓力與該組件截留物的壓力相同；(C)跨每個多孔分離器的壓差為99.9psi；(D)滲透過每個多孔分離器的進料物流的量為0.1 lb-mol/hr；和(E)滲透過每個多孔分離器的異丙醇/水的摩爾比為30∶1。
在這個實施例中，在表4中的特定的濃度和壓力為100psia和溫度為291下將水和異丙醇的共沸混合物輸送到組件的高壓腔室中。當進料物流進入到每個組件時，它與該組件的多孔分離器的進料側(cè)進行接觸。如上面所設定的，滲透過分離器的異丙醇與水的摩爾比為30∶1。通過相對于共沸進料物流增加在滲透級分中的異丙醇的濃度，滲透級分的組合物就停止共沸。結果，滲透級分就閃蒸形成了富集了異丙醇的蒸氣滲透級分。
從進料物流中回收部分異丙醇也可以產(chǎn)生富含水且不是共沸的截留物。如每個預定的條件，從組件的高壓腔室中流過的截留物的壓力與流入到下一個組件的相應的進料物流的壓力相同。這樣，理論上在原始進料物流和從最后組件排出的截留物之間不存在壓差。
在表4中給出了這個模擬的結果。給出的液體滲透級分參數(shù)在下面表示了通過每個組件產(chǎn)生的單個液體滲透級分的總數(shù)。相似地，給出的蒸氣滲透級分參數(shù)表示了通過每個組件產(chǎn)生的單個蒸氣滲透級分的累積值。
表4

從上面的數(shù)據(jù)可以看出，用實施例4的方法可以有效的破壞水/異丙醇的共沸并產(chǎn)生富含異丙醇的蒸氣滲透級分和富含水的液體滲透級分。
前述的實施例和優(yōu)選實施方式的描述應該是用來解釋而不是限制如通過權利要求所定義的本發(fā)明。容易理解的是，上面所闡述的特征的多種變形和組合可以實施而不背離如在權利要求中所闡述的本發(fā)明。這樣的變化不會背離本發(fā)明的精神和范圍。而且所有的變化都包括在了下面權利要求的范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種用于將多組分進料物流分離為級分的方法，包括步驟(a)提供一種至少具有兩種在相同的相中的流體組分的進料物流；(b)提供一種具有進料側(cè)和出料側(cè)的多孔分離器；(c)保持跨多孔分離器的壓差，包括在分離器的進料側(cè)相對較高的壓力和在分離器出料側(cè)相對較低的壓力；(d)在相對較高的壓力下將進料物流引入并與分離器的進料側(cè)進行接觸，在有效分離所述進料物流組分的條件下將其分離為截留物，其在所述分離器的進料側(cè)形成，以及滲透級分，該滲透級分(i)在分離器進料側(cè)的另一側(cè)形成；(ii)包括一種以上的所述進料物流的組分，其比例與在被處理的進料物流中的比例不同；(iii)是液體滲透級分和蒸氣滲透級分的來源；和(e)回收每種所述的的截留物、液體滲透級分和蒸氣滲透級分。
2.如權利要求1的方法，其中所述進料物流的所述兩種組分為液體。
3.如權利要求1的方法，其中所述進料物流的所述兩種組分為蒸氣。
4.如權利要求2的方法，其中所述進料物流進一步包括蒸氣組分。
5.如權利要求1的方法，其中所述進料物流包括三種或多種組分。
6.如權利要求1的方法，其中所述進料物流是共沸的并且所述液體和蒸氣滲透級分為非共沸的。
7.如權利要求1的方法，其中步驟(a)到(e)在沒有能量輸入存在的情況下進行。
8.如權利要求1的方法，其中步驟(a)到(e)在有能量輸入存在的情況下進行。
9.如權利要求1的方法，其中步驟(a)到(e)在被重復預定的次數(shù)。
10.一種能夠用于將多組分進料物流分離為級分的裝置，所述多組分進料物流含有至少兩種在相同的相中和在預定的數(shù)量下的流體組分，其具有包括如下部分的組件(a)第一壓力腔室，其具有用于接收進料物流的入口和排出部分進料物流的出口；(b)第二壓力腔室；(c)多孔分離器，其(i)位于第一和第二壓力腔室之間；(ii)具有用于接收所述進料物流的進料側(cè)和連通到所述第二壓力腔室的出料側(cè)；和(iii)其適于容許但只是物流中的一部分流體組分從進料側(cè)到出料側(cè)通過，該部分流體組分的數(shù)量不同于所述預定的數(shù)量；(d)用于將在第一壓力腔室的壓力保特為高于第二壓力腔室壓力的值從而建立跨多孔分離器的壓差的裝置；(e)在第二壓力腔室中的蒸氣出口，通過該出口在所述腔室中的蒸氣可以被去除；和(f)在第二壓力腔室中的液體出口，通過該出口在所述腔室中的液體可以被去除。
11.如權利要求10的裝置，其具有多個串聯(lián)的所述組件，其中所述串聯(lián)的組件的第一腔室的出口與緊隨其后的所述串聯(lián)的組件的第一腔室的入口流體連通。
12.如權利要求10的的裝置，進一步包括選自再沸器和冷凝器的至少一種換熱設備。
13.如權利要求10的裝置，其中所述多孔分離器包括至少一種選自多孔膜、分子篩、沸石晶格、填料床材料和納米管的多孔材料。
14.如權利要求13的裝置，其中所述的多孔分離器進一步包括可滲透的無孔材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于分離多組分進料物流的方法和裝置，其中使用了多孔分離器以有效地通過滲透和相變產(chǎn)生至少三種不同組成的級分。
文檔編號B01D53/22GK101085416SQ20071010991
公開日2007年12月12日 申請日期2007年6月11日 優(yōu)先權日2006年6月9日
發(fā)明者W·曹, V·Y·格什坦 申請人:氣體產(chǎn)品與化學公司