專利名稱:增強(qiáng)氣體分離方法
本發(fā)明是關(guān)于從含有雜質(zhì)的氣流中分離出所需組份的方法。特別是關(guān)于在此氣體分離操作中增強(qiáng)高純度產(chǎn)品回收的方法。
從含有不需要的它種組份或雜質(zhì)的進(jìn)料氣體混合物中，分離和提純出所需的單一組份或多種組份氣體，可滲透的薄膜系統(tǒng)能提供一種工業(yè)可行的方法。為此目的，進(jìn)料氣體混合物通過一個(gè)能選擇性地使混合物中某些組份透過的滲透膜，這些可滲透的氣體組分在降低壓力下從膜的卸料面排出。而氣體混合物的不能滲透部份基本上在進(jìn)氣壓力下，從膜的進(jìn)料面排出。典型地看，當(dāng)上述進(jìn)料氣體混合物中作為雜質(zhì)的不透部份排出時(shí)，作為需要提純的可透部分將被回收。在其應(yīng)用上，包括了從氨或甲醇工廠中排出氣體的提純，這類排出氣體，基本在反應(yīng)壓力水平情況下，一般通過一可滲透膜系統(tǒng)。所要回收的組份，如氨工廠中的氫與氮，和甲醇工廠中的氫和二氧化碳，均作為可滲透氣體在降低壓力下進(jìn)行回收，然后重新壓縮，再循環(huán)到氨或甲醇的回路中去，用以進(jìn)一步生產(chǎn)所需的產(chǎn)品。來自反應(yīng)回路的排出氣體通常也含有氨氣或甲醇以及不同過程的雜質(zhì)。在引入的排出氣體與可滲透膜相接觸之前，氨氣或甲醇要除去到一定程度，使它們不致?lián)p害滲透膜，從而在它預(yù)定的工作壽命內(nèi)不致影響它的效率。為此目的，通常是用水洗或用蒸餾法，此時(shí)氨或甲醇則以含水的形式除掉。
在從合成氨的排出氣流來回收氫的處理中，所用的滲透分離膜是由Gardner等人提出，曾以題為“分離氣體用的空心纖維板滲透器”的論文，于1977年11月在化學(xué)工程進(jìn)展(Chemical Engin-eeying Progress)雜志中發(fā)表(76～78頁)。由Perry在U.S.4，172，885上所論述的，在超壓下氫與氮生成氨的反應(yīng)中，肯定了此種方法。正如該文中指出，含氨的反應(yīng)流出物，從氨的合成反應(yīng)區(qū)中排出。這種反應(yīng)流出物含有很多未反應(yīng)的氫與氮，它們在熟知的合成氨的回路里，再循環(huán)到氨的合成反應(yīng)區(qū)中。在合成氨的回路中加入了再循環(huán)的反應(yīng)流出物，就是由氫、氮和雜質(zhì)如甲烷、氬等所組成的進(jìn)料氣流。在此回路里除了從反應(yīng)流出物中除去產(chǎn)品流出物之外，還要從反應(yīng)流出物中除去一定量的排出氣流，以保持雜質(zhì)含量在所需的較低值。在此過程中，正如Perry所描述的那樣，由氨合成回路中來的排出氣流被急劇冷卻，凝聚并凝結(jié)成氨后，再用水洗，這樣得到的排出氣體中氨與水蒸汽的含量小于0.5%的體積百分比。另一方法，用激冷來凝結(jié)氨，或者用氨的吸收可使排出氣流中的氨含量能降到體積的0.1%。如此處理的排出氣流，然后基本在合成反應(yīng)壓力下通過可滲透的薄膜，使其中的氫透過并再輸入到氨合成的反應(yīng)區(qū)中。
應(yīng)該指出的，如上所述的除氨的預(yù)處理作業(yè)必定需要用凝結(jié)器，洗滌器等等;此外為了避免產(chǎn)品氨的過多損失，還需要使含水形式被除掉這一部分氨，得到再生。當(dāng)此方法用于工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，在工藝方面還需要技術(shù)和裝置系統(tǒng)方面的改進(jìn)。為避免滲透膜與進(jìn)料氣體中以某些特定濃度存在的有害組分相接觸，需要簡化預(yù)處理工藝過程和避免用水洗以及氨的再生。與此同時(shí)，要提高排出氣體中氨含量的回收。從而使氨的生產(chǎn)中產(chǎn)品的總回收提高。熟練掌握該技術(shù)的人，對甲醇的生產(chǎn)將會(huì)考慮類似的問題和有關(guān)的要求。同樣，對其他氣體的提純工藝也需要這些改進(jìn)，這不一定與反應(yīng)合成回路有關(guān)，而是由于進(jìn)料氣流中存在對滲透膜有害，但從另一角度又是有用的氣體組份，在它們與上述薄膜接觸之前，需要從其中除去。在這些操作中，一般還要避免這類有用組份的損失，這樣才能得到回收率大、純度高的產(chǎn)品。
因此，本發(fā)明的目的之一是提供一種能把氣流中的所需組分與其中雜質(zhì)分離的改進(jìn)方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一種用與滲透膜接觸來增強(qiáng)從氣流中分離雜質(zhì)的方法。
本發(fā)明更進(jìn)一步的目的是提供一種能促進(jìn)從氣流中回收所需組分的方法，而這一回收過程是在與滲透膜相接觸的上述氣流中分離雜質(zhì)之前進(jìn)行的。
按照上述各項(xiàng)目的和其他目的，本發(fā)明的細(xì)節(jié)將在以下文中介紹，而其中新的特色也將在附加權(quán)利要求
中特別指出。
當(dāng)氣流與滲透膜接觸之前，進(jìn)料氣流中對滲透膜有害的某些成份應(yīng)去掉。為此采用了一個(gè)壓力交變吸附系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)處理。如果上述有害成份是構(gòu)成進(jìn)料氣流的有用組分時(shí)，則來自薄膜的純凈氣流可作為壓力交變吸附系統(tǒng)的排出氣來促進(jìn)其回收。如果上述有害組份不是進(jìn)料氣流所需的組分，則來自薄膜的廢氣流，也類似地將它作為排出氣使用，以促進(jìn)所需高純度產(chǎn)品的回收的增加。
本發(fā)明的各項(xiàng)目的是通過壓力交變吸附(PSA)工藝與滲透膜分離技術(shù)的巧妙結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的。這一結(jié)合，正如說明書和權(quán)利要求
所描述的那樣，來自進(jìn)料氣流中對滲透膜有害的組份，不必用水清除。由于PSA與可滲透薄膜的結(jié)合，增強(qiáng)了所需高純度產(chǎn)品的回收，從某種意義上也促進(jìn)了PSA系統(tǒng)的再生。
上面所提到的，在本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用中，以對合成氨的回路中排出氣體的處理為例作了說明，在排出氣與滲透膜相接觸前，用PSA系統(tǒng)來降低氨在排出氣中的濃度。因此，氨作為排出氣中更易吸附的成份選擇性地被吸附，而未反應(yīng)的氫和氮與雜質(zhì)例如甲烷和氬一起作為不易吸附的組分而通過PSA系統(tǒng)。因此，不需經(jīng)過水的清洗，就可把氨從排出氣中清除，這樣被處理的氣體保持著干燥狀態(tài)，除去氨的氣流從PSA系統(tǒng)通到一個(gè)分離器，該分離器有一個(gè)氣體滲透膜，它可選擇性地透過其中的氫和氮。甲烷和氬雜質(zhì)作為不可滲透的氣體由分離器中清除。而在預(yù)處理的PSA系統(tǒng)中，被清除的氨盡管可能對所采用的特殊滲透膜有害，但它仍然是一種有價(jià)值的產(chǎn)物，它的損失將會(huì)對整個(gè)氨的生產(chǎn)操作中所期望得到的高回收率產(chǎn)生不利的影響。然而，如果通過已有技術(shù)所述的工藝處理，從排出氣的合成回路中分離和回收氨是很不方便的，而且費(fèi)用很高。反之，本發(fā)明采用一種有助于增強(qiáng)高純度氨的回收率的便利方式，促進(jìn)了氨的回收。這樣經(jīng)凈化處理過的，但仍含有作為被處理氣流的滲透部份，從分離器清除出來的氫和氮的氣流，再循環(huán)到PSA系統(tǒng)中，以促進(jìn)PSA系統(tǒng)中原先所吸附的氨的解吸和回收。從PSA系統(tǒng)出來的排出氣，基本上是干燥的，并含有氮、氫和上述解吸的氨，它可作為一種基本上不含雜質(zhì)的純化氣體，很方便地重新循環(huán)到氨的回路中，但與此同時(shí)基本上沒有產(chǎn)品氨的不合理損失。
值得指出，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可用于許多其他各種滲透膜氣體分離操作。例如甲醇生產(chǎn)操作通常包含甲醇合成回路中排出氣的去除，這種排出氣體含有要回收的有價(jià)值的甲醇產(chǎn)品氣體，但同時(shí)也含有一種被認(rèn)為是對各種典型滲透膜材料有害的組分。因此應(yīng)先將排出氣送到PSA系統(tǒng)，使甲醇被選擇性吸附。然后再把處理過的、基本干燥的、不含甲醇的排出氣流通到一個(gè)具有滲透膜的，能將有用成份從雜質(zhì)中選擇地分開的分離器。在甲醇生產(chǎn)應(yīng)用中，所需的產(chǎn)品組份，即氫和二氧化碳選擇性地穿過滲透膜，并作為被處理氣流中的滲透部份進(jìn)行回收。而其中的雜質(zhì)，即甲烷和氮，作為被處理氣流的未滲透部份被清除去。在應(yīng)用本發(fā)明時(shí)，上述滲透部分作為排出氣體送到PSA系統(tǒng)和吸附床中再循環(huán)，以促使甲醇從中解吸和清除。因此，從PSA系統(tǒng)出來的基本干燥的排出氣體中含有氫、二氧化碳和上述解吸出來的甲醇，這個(gè)排出氣體作為純凈的氣流送入甲醇回路中再循環(huán)，這個(gè)氣體基本上已除去了上述甲醇合成回路中的雜質(zhì)，而且基本上也沒有甲醇的不必要的損失。本發(fā)明的另一實(shí)施例，體現(xiàn)在對需要與二氧化碳、H2S和水分離的天然氣的進(jìn)料氣流的處理。因?yàn)樯鲜鰵饬髦泻械母鞣N碳?xì)浠衔飳Ω鞣N可滲透膜是有害的，它們對于將進(jìn)行的天然氣處理操作來說是雜質(zhì)。在碳?xì)浠衔铩2S、無水天然氣通過一個(gè)帶有滲透膜的分離區(qū)之前，上述有害的碳?xì)浠衔镫s質(zhì)與上述的H2S、水一起先被選擇性地吸附在一個(gè)壓力交變吸附系統(tǒng)中。二氧化碳?xì)怏w選擇性地透過滲透膜，這些形成被處理氣流的滲透部分的二氧化碳作為排出氣體被送回PSA系統(tǒng)再循環(huán)，以便解吸和清除碳?xì)浠衔镆约白鳛镻SA系統(tǒng)天然氣處理工藝操作的雜質(zhì)的其它被吸附的成份。在這種情況下，從PSA系統(tǒng)出來的排出氣體作為廢物或作為它用，而被處理氣流的未滲透部分，即已純化的天然氣氣流，則作為產(chǎn)品氣體取走。
本發(fā)明使一種干凈、干燥的進(jìn)氣流從滲透膜通過，從而提高膜的壽命和效率，并且能使最初加進(jìn)的被認(rèn)為對膜有害的氣流可以方便地以高純度氣體形式而不是含水狀態(tài)進(jìn)行回收。因此，事實(shí)上，相比于水洗或蒸餾過程，為達(dá)到所期望的成分的分離和回收，本發(fā)明所需的能量較少。此外，除非在特殊應(yīng)用中，被處理氣流的滲透部分或非滲透部分可以無水狀態(tài)送入反應(yīng)環(huán)路中。
本發(fā)明實(shí)際應(yīng)用中所用的PSA系統(tǒng)具有一個(gè)或更多的床，通常至少有兩個(gè)吸附床。顯然，進(jìn)料氣流例如天然氣氣流或氨或甲醇回路的排出氣體或上述有關(guān)的天然氣氣流，在處理過程的各個(gè)階段的適當(dāng)間隔，以循環(huán)的方式通過每一個(gè)床。這各個(gè)階段的次序包括(a)在較高的吸附壓力下吸附，(b)通過從床的產(chǎn)品出口端釋放無效空間氣體從而順流減壓至一個(gè)或幾個(gè)中等的壓力，(c)通過從床的進(jìn)氣端釋放氣體，逆流減壓至一個(gè)較低的吸附壓力，(d)排出，(e)從所說的較低的吸附壓力增壓至較高的吸附壓力。熟悉此工藝的人會(huì)明白通常此PSA系統(tǒng)至少要具有三個(gè)或四個(gè)吸附床，此系統(tǒng)可具有多達(dá)十個(gè)或更多的床，但這只在根據(jù)產(chǎn)量、純度和給定應(yīng)用的回收需要所決定的特殊應(yīng)用中才有用。此系統(tǒng)的每一個(gè)床一般地說包括所知的吸附顆粒以及工藝上可實(shí)現(xiàn)的能選擇性地吸附進(jìn)料氣體中對所用滲透膜有害成份的工藝。每一個(gè)吸附床也應(yīng)被理解為包括將被處理的進(jìn)料氣體通到床的進(jìn)料端的手段，和將不易于吸附的處理氣流從它的排放端排出的手段，以及用一個(gè)適當(dāng)?shù)难h(huán)方式來實(shí)現(xiàn)上述處理階段的各個(gè)步驟。
在通常的壓力交變吸附操作中，為了使壓力均勻化，從一個(gè)床釋放出來的無效空間氣體通常直接或間接地通到最初處于較低壓力的另一個(gè)床。附加的無效空間氣體可以從順流減壓的床的產(chǎn)品出口端釋放，在PSA系統(tǒng)的另一個(gè)床從較低吸附壓力增壓之前，用這種無效空間氣體對它提供排出氣體。然而在本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用中，利用順流減壓氣體對進(jìn)料混合氣中有害于下游滲透膜的組分進(jìn)行吸附和回收，但在形成有用的產(chǎn)物氣體和/或一種或幾種所需要的反應(yīng)物的同時(shí)，將導(dǎo)致所述組分和順流減壓氣體中的雜質(zhì)以及進(jìn)料氣流中的有用組份一起回收。所以與傳統(tǒng)的PSA不同，從PSA系統(tǒng)排出的被處理的氣流通到分離區(qū)，以便將氣流中的有用組份和與其相合的雜質(zhì)分開，用從分離器出來的凈化過的氣體作為排出氣體循環(huán)送到PSA系統(tǒng)的吸附床，代替順流減壓氣體。因此，通過本發(fā)明的PSA-滲透膜系統(tǒng)，想要從進(jìn)料氣流中分離出來的雜質(zhì)，并未包括在PSA系統(tǒng)的排出氣體中。應(yīng)當(dāng)指出在本發(fā)明的實(shí)施中從進(jìn)料氣流中除去的有害組份并不包括所需的反應(yīng)物或產(chǎn)品氣體。本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用使得這樣的成份能夠從吸附床解吸出來，并從PSA系統(tǒng)中除去，而不產(chǎn)生有價(jià)值的產(chǎn)品氣體和/或反應(yīng)物的不合理損失。如果在這種情況下，從一個(gè)順流減壓的床放出來的無效空間氣體，像華格納美國專利第3，430，418號(hào)中所描述的常規(guī)操作一樣被用作為排出氣體，那么有害氣體的解吸和排出將必然帶來有價(jià)值的反應(yīng)物和/或產(chǎn)物氣體的損失，并且會(huì)釋放出不需要的雜質(zhì)。含有相當(dāng)量從分離器中分離出來的雜質(zhì)的氣流再循環(huán)到PSA系統(tǒng)，使有害的，無價(jià)值的組份在排放被處理氣流的滲透部分或未滲透部分(更一般的情況)以前就清除掉，這樣可使有用反應(yīng)物和(或)產(chǎn)物氣體的損失減至最小。因此，將根據(jù)任何一個(gè)指定的特殊操作來提供一些裝置，使被處理氣體的滲透部分和未滲透部分作為排出氣體，在分離區(qū)和PSA系統(tǒng)之間進(jìn)行循環(huán)。同樣能提供管道裝置來使排出氣體流出物從PSA系統(tǒng)通到合適的合成區(qū)或作廢物或作特殊的應(yīng)用。
在預(yù)處理的PSA系統(tǒng)的吸附床內(nèi)采用任何合適的吸附劑都屬于本發(fā)明的范圍。因此，所用的吸附劑應(yīng)是，能將加入的混合氣體中的有害組份作為更易吸附的組分來進(jìn)行選擇性的吸附，而使被處理氣體中要在分離區(qū)中被分離的組分，作為不易吸附的組分通過PSA系統(tǒng)。工藝中吸附劑材料的種類是眾所周知的，在任何特殊應(yīng)用中，適于本發(fā)明實(shí)際使用的吸附劑取決于所要求的吸附劑特性和氣體分離特性。沸石分子篩，活性炭，二氧化硅凝膠，活性氧化鋁和類似的材料都是合適的工業(yè)上有用的吸附劑的例子，而在本發(fā)明的各種實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中則一般推薦了特種類型的分子篩材料。
本發(fā)明的分離器包括一個(gè)任何適宜形式，適用于所需的氣體分離操作的滲透膜。因此，這種膜可以用板式或框式，也可以包括螺旋形薄膜，管狀膜，空心纖維膜等等。一般說來提出使用空心纖維膜是由于可因此而得到大的比表面積。使用管狀或空心纖維狀的膜時(shí)，大多數(shù)可方便地排列成平行束的形式。在這樣的具體裝置中，引入的進(jìn)料氣流可與膜粒的管外或管際空間接觸或與管內(nèi)或管內(nèi)空間接觸。通常最好是被處理的進(jìn)料氣流送到分離器管際空間，因?yàn)檫@種排列一般使通過膜的相對的壓力降比進(jìn)料氣流通過管內(nèi)空間的要低。熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人將會(huì)知道，在分離區(qū)內(nèi)，進(jìn)料氣體的流動(dòng)與滲透氣體的流動(dòng)可能是同向的，也可能是反向的。當(dāng)使用一束空心纖維和薄膜管時(shí)，相對于空心纖維或薄膜管在分離區(qū)放置的方向來說，進(jìn)料氣體的流動(dòng)可能是徑向的，也可能是軸向的。
使用任何合適的滲透膜材料都屬于本發(fā)明的范圍，用這種包含分離區(qū)的滲透膜能夠?qū)⒘鬟^PSA系統(tǒng)的被處理氣流的有用成分與其中所含的雜質(zhì)選擇性地分離開來。在應(yīng)用本發(fā)明的，回收來的滲透氣體可能是有用部分，也可能是雜質(zhì)，因此，要根據(jù)所進(jìn)行的分離氣體操作的具體情況將被處理的氣流的滲透部分或不滲透部分作為排出氣體再循環(huán)到PSA系統(tǒng)中。在上述過程應(yīng)用于氨和甲醇回路的排出氣體時(shí)，一般是將從分離區(qū)出來的被處理氣流的滲透部分作為排出氣體送回PSA系統(tǒng)中，以促進(jìn)解吸有害但有用的成分，即如本例中的氨和甲醇，它們在有關(guān)生產(chǎn)過程中在循環(huán)回到氨和甲醇的合成回路中時(shí)除去了。在天然氣的處理過程中，被處理氣流中含有CO2的不滲透部分將降低壓力，并作為排出氣體送回PSA系統(tǒng)中，以便清除有害的，沒有價(jià)值的雜質(zhì)。熟練掌握這項(xiàng)技術(shù)的人將會(huì)知道可供選擇的膜材料有金屬膜、無機(jī)物膜、各種有機(jī)聚合物、或混有象攙入加固物之類的無機(jī)物的有機(jī)聚合物，等等。可以在各種實(shí)際的工業(yè)過程中使用的有機(jī)聚合物有聚砜;聚過氧化苯乙烯;含有苯乙烯的聚合物，如丙烯腈-苯乙烯共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物和苯乙烯-乙烯芐鹵化共聚物;纖維質(zhì)聚合物，如醋酸纖維素、醋酸-丁酸纖維素、甲基纖維素以及乙基纖維素;聚酰胺和聚亞胺;聚碳酸酯;聚胺酯、聚酯，包括聚丙烯酸酯和聚乙烯;聚丙烯;聚乙烯吡啶，等等。這些聚合物是可取代或不可取代的，可取代的聚合物的常用取代基有鹵素，如氯、氟和溴;羥基;低分子量烷基;低分子量烷氧基;單環(huán)芳基;低分子量芳基，等等。
在如上面指出的美國4，172，885號(hào)佩利(Perry)專利所證實(shí)的那樣，這項(xiàng)技術(shù)一般要求滲透膜盡可能薄，同時(shí)又要有相當(dāng)?shù)暮穸纫员ＷC膜有足夠的強(qiáng)度來承受它所處的分離條件。使用可滲透膜與外涂材料結(jié)合也是已知可行的，這樣的結(jié)合使用既能夠具有良好的分離選擇性，又可以增大通過膜的流量。常見的涂料有可取代的以及不可取代的聚合物，它們在氣體分離條件下是固體或者液體的。這種涂料有合成橡膠和天然橡膠，有機(jī)預(yù)聚物，聚胺酯，聚胺，等等。當(dāng)然，這些涂層可在它們應(yīng)用于所使用的滲透膜之前或者之后進(jìn)行聚合。
應(yīng)指出，進(jìn)料氣流中對所用的滲透膜有害的成分并不一定要在PSA系統(tǒng)進(jìn)行的預(yù)處理中完全除去?？墒牵瑥腜SA系統(tǒng)出來的被處理氣流只是基本上除去了上述有害成分的干氣流，但在其中上述有害成分的濃度是在所允許的殘余值以下的，從而對與被處理氣流相接觸的滲透膜不會(huì)造成過度損害。顯然，這個(gè)殘余值隨著所進(jìn)行的氣體分離、所處的操作條件、所用的特定的PSA系統(tǒng)、滲透膜的化學(xué)成分和形狀等因素的不同而不同。熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人將會(huì)理解，在這里使用的“有害”一詞是指(1)對于薄膜的預(yù)期壽命及在此壽命期間的效率有某種損害作用。(2)在膜的產(chǎn)品氣體中出現(xiàn)不想要或不能要的成分。
作為一個(gè)典型的例子，在合成氨回路的排出氣體裝置中，排出氣流中一般含有體積百分比為0.5%到5%的氨，如果在PSA系統(tǒng)預(yù)處理后，剩余氨的含量的體積百分比超過大約0.5%，則一般說來，使用本發(fā)明的PSA-膜組合是不經(jīng)濟(jì)的。在本發(fā)明的實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中，采用各種措施，PSA系統(tǒng)被用來選擇性地吸收氨，以使得在除過氨的、基本上純凈的被處理氣流中剩余氨的濃度小于0.5%體積百分比。用其它的一些辦法，還可以將氨的含量進(jìn)一步降低到0.1%體積百分比以下，比如在10到1，000ppm(百萬分率)之間。按本發(fā)明的實(shí)施對于其它氣體的分離操作明顯地也具有類似的適用性。
在本發(fā)明的應(yīng)用中，操作條件無疑將取決于特定氣體分離操作、特定的PSA系統(tǒng)和所用的滲透膜單元的具體細(xì)節(jié)?？梢钥吹剑诒炯夹g(shù)應(yīng)用于合成氨回路排出氣體時(shí)，合成氨反應(yīng)允許一個(gè)較寬的溫度和壓力范圍，溫度一般在大約150℃到600℃之間。如同前面所說的那樣，采用間接熱轉(zhuǎn)換的辦法，反應(yīng)流出物被用來加熱輸入到反應(yīng)器中的進(jìn)料氣體。這樣，在排出氣體從回路出來的出口處，反應(yīng)流出物的溫度一般低于100℃。氨合成的壓力一般在100至200個(gè)絕對大氣壓之間，或者更高。一般來說，從氨回路中出來的排出氣流通過PSA系統(tǒng)時(shí)，其壓力至少基本上是在上述合成壓力范圍之內(nèi)，雖然根據(jù)具體情況也可采用較高或較低的壓力。于是這個(gè)壓力就成了PSA系統(tǒng)的吸附高壓。從PSA系統(tǒng)中排出的處理過的氣流，即排出氣流中較不容易吸附的部分，其壓力也將為上述的吸附高壓。一般地說，被處理的氣流通過分離區(qū)的壓力越高越好，這樣可以使排出氣流從分離區(qū)到氨回路的再循環(huán)中避免不必要的，重新壓縮的耗費(fèi)。因此，雖然本發(fā)明無疑應(yīng)能使被處理氣流以任何所需要的壓力通過分離區(qū)，但是，以上述吸附高壓，或大致以上述吸附高壓通過分離區(qū)更為可取。通過滲透膜后，被處理氣流的滲透部分顯然要降低壓力，這個(gè)壓力最低大約為20個(gè)大氣壓，最高大約為120個(gè)大氣壓，一般在50至100個(gè)大氣壓之間。被處理氣流的不滲透部分離開分離區(qū)的壓力實(shí)際上與被處理氣體進(jìn)入分離區(qū)的壓力是相同的。在前面討論過的氨排出氣體的例子中，被處理氣流的滲透部分作為排出氣體在降低的壓力下送回PSA系統(tǒng)，以便清除從吸附床上選擇性地吸附的成分。上述降低了的壓力就成為所用的PSA循環(huán)過程的解吸低壓。在其他一些應(yīng)用中，比如上述的天然氣的處理過程，被處理氣流的不滲透部分可在降低的壓力下送回PSA系統(tǒng)中，這個(gè)降低的壓力就是相應(yīng)的PSA過程循環(huán)中的解吸低壓。在典型的氨排出回路中，排出氣體通過一個(gè)三個(gè)床的PSA系統(tǒng)，這些床上有在130個(gè)大氣壓的較高吸附壓力下合適的吸附劑，被處理氣體基本上在上述較高吸附壓力下通過合適的，裝有工業(yè)用薄膜的分離區(qū)。可滲透氣體在30個(gè)大氣壓回收，它含有氫氣和氮?dú)舛鴽]有如甲烷和氬氣這些不要的雜質(zhì)，并且被作為排出氣體在上述低壓下送回到PSA系統(tǒng)，這個(gè)低壓就是PSA循環(huán)的解吸低壓。上述凈化氣體有助于被選擇性吸收的氨的解吸和回收，從而使被處理氣流在通過裝有薄膜的分離區(qū)時(shí)氨的濃度為被處理氣流的0.1%體積百分比。從PSA系統(tǒng)出來的排出氣體將送回合成氨壓縮過程中。
熟練掌握這項(xiàng)技術(shù)的人將會(huì)知道，這里所描述的過程和系統(tǒng)的細(xì)節(jié)可以作種種變化和修改，但并未超出在附加的權(quán)利要求
所提出的發(fā)明的范圍。例如，假若含氫的可滲透氣流不夠量的話，則可用蒸汽或其他熱源的熱間接地加熱這個(gè)可滲透氣體來針對PSA床的再生步驟，從而促進(jìn)有害成分從PSA床上解吸和除去。另一可行但不太想用的辦法是，可以將一部分不滲透氣體在適當(dāng)?shù)亟档蛪毫χ笥脕硌a(bǔ)充排出作用。
如上所述，在PSA系統(tǒng)中用于起排出作用的從分離區(qū)中分離出來的氣體即可以是滲透部分，也可以是不可滲透部分，這取決于被選擇的吸附組分是清除還是廢棄。因此在工廠實(shí)際應(yīng)用中，可以使用無用的殘留氣或不可滲透氣作為再生排出氣，來去掉所吸附的芳香化合物、H2S或H2O及其它碳?xì)浠衔铩Ｔ诩妆饺ネ榛膽?yīng)用中，所吸附的芳香化合物中含有用組分，故可回收利用，并且利用回收的可滲透部分的純凈氫氣流作為再生排出氣再循環(huán)到主回路中。
本發(fā)明提供一種非常先進(jìn)而又方便的方法可用于在膜氣體分離過程中獲得具有所需性能的產(chǎn)品，而在這一分離過程中，被分離的氣流含有一種或幾種對分離膜壽命和性能有害的組分。在本發(fā)明實(shí)施中所使用的預(yù)處理PSA系統(tǒng)提供了所需要的處理過程的適用性，它取決于給定氣體分離操作的具體條件。本發(fā)明實(shí)施中所使用的PSA-分離膜組合系統(tǒng)在用于處理天然氣、氨氣或甲醇合成循環(huán)回路中排出氣體的提純，以及應(yīng)用于其它所需的工業(yè)中顯示了很大的優(yōu)越性。
勘誤表
權(quán)利要求
1.在生產(chǎn)某種所需產(chǎn)品的方法中，用滲透膜把進(jìn)料氣流中的有用組分與雜質(zhì)相分離，在進(jìn)料氣流與滲透膜接觸之前必須對進(jìn)料氣流進(jìn)行處理，以降低其中對滲透膜有害的組分的濃度，此方法的改進(jìn)包括以下方面(a)在較高吸附壓力下，上述進(jìn)料氣流從壓力交變吸附系統(tǒng)的吸附床進(jìn)氣口進(jìn)入，此系統(tǒng)將有選擇地吸附氣流中的一種或多種有害組分而不吸附其中的有用組分，這樣從吸附床產(chǎn)品出口以上述較高吸附壓力排出的被處理的氣流將不含有一種或多種有害組分；(b)在較高吸附壓力下，上述被處理過的氣流通過分離區(qū)，這種分離區(qū)有一個(gè)可滲透氣體的膜，它能夠有選擇地將有用組分與無用雜質(zhì)分離開，在此被處理過的氣流中有害組分濃度是所要求的殘余值；(c)從分離區(qū)中分別排出被處理氣體的未滲透部分和可滲透部分，其中一部分構(gòu)成含有進(jìn)料氣流中有用組分的凈化氣，而另一部分則含有通過分離區(qū)的被處理氣流中的大部分雜質(zhì)；(d)從分離中排出的凈化氣用于所需產(chǎn)品的生產(chǎn)中，首先把這種凈化氣或其一部分作為排出氣再循環(huán)到壓力交變吸附系統(tǒng)的吸附床中，此時(shí)的壓力低于吸附作業(yè)時(shí)所用的較高壓力，以便從床中排除有害組分，這些有害組分就是產(chǎn)品氣體和/或產(chǎn)品生產(chǎn)中所需要的反應(yīng)物；(e)排出上述含有大部分雜質(zhì)的氣流，將它廢棄或作它用。這氣流作為排出氣再循環(huán)到壓力交變吸附系統(tǒng)的吸附床中，其壓力低于吸附作業(yè)中所用的較高壓力，以便從床中排除有害氣體組分。這里的有害組分并不包括生產(chǎn)所需產(chǎn)品所需要的反應(yīng)物，這就避免了滲透薄膜與進(jìn)料氣流中的有害組分之間那種不希望的接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所說的方法，其中凈化氣由從分離區(qū)中排出的被處理氣流的滲透部分組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2中所說的方法，其中被處理氣流滲透部分在降低壓力下，作為排出氣再循環(huán)到壓力交變吸附系統(tǒng)中，以從中排除有害組分，這種有害組分含有產(chǎn)品氣體和/或生產(chǎn)產(chǎn)品所需要的反應(yīng)物。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3中提到的方法，其中被處理的氣流中沒有滲透的那部分被排除廢棄掉或是有其它用途。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4提到的方法。其中進(jìn)料氣流由從氨合成回路中除去的氨回路排出氣體，組成這種排出氣送到壓力交變吸附系統(tǒng)中，以便從那里有選擇地將氨預(yù)先吸附，氨對于滲透薄膜是有害的，但也構(gòu)成有價(jià)值的產(chǎn)品氣體。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5中提到的方法，其中不含氨的被處理過的氣流，被送到上述的氣體滲透薄膜，在降低壓力下，薄膜能夠有選擇地滲透其中的氫和氮的組分，同時(shí)在那里的甲烷和氬氣雜質(zhì)組成不滲透部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6中提到的方法，其中凈化氣由從壓力交變吸附系統(tǒng)中排放出去的基本上干燥的排出氣組成，并含有氫、氮和被吸附的氨，這一凈化氣再循環(huán)到上述的氨回路中去。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7中提到的方法，其中輸入分離區(qū)的被處理的氣流，其氨的體積濃度要小于0.5%。
9.根據(jù)權(quán)利要求
8中提到的方法，其中氨的體積濃度約從0.1～0.5%。
10.根據(jù)權(quán)利要求
8中提到的方法，其中氨的體積濃度低于0.1%。
11.根據(jù)權(quán)利要求
10中提到的方法，其中氨的濃度約從十萬分之一到千分之一。
12.根據(jù)權(quán)利要求
8中提到的方法，其中排出氣流出物再循環(huán)到合成氨的進(jìn)料氣中，此氣體被送到氨回路去。
13.根據(jù)權(quán)利要求
8中提到的方法，其中排出氣流出物再直接循環(huán)到氨合成回路中。
14.根據(jù)權(quán)利要求
13中提到的方法，其中氨的體積濃度約從0.1%～0.5%。
15.根據(jù)權(quán)利要求
13中提到的方法，其中氨的體積濃度低于0.1%。
16.根據(jù)權(quán)利要求
1提到的方法，其中進(jìn)料氣流由從甲醇回路中除去的甲醇合成回路排出氣組成，這種排出氣是被送到壓力交變吸附系統(tǒng)中，以便從那里預(yù)先吸附對滲透薄膜有害的甲醇。
17.根據(jù)權(quán)利要求
2中提到的方法，其中進(jìn)料氣流由有一種天然氣氣流組成，這種天然氣氣流還含有H2S和水及碳?xì)浠衔?，這些物質(zhì)對滲透薄膜是有害的，此外還含有在天然氣處理作業(yè)時(shí)出現(xiàn)的雜質(zhì)，這些有害雜質(zhì)在壓力交變吸附系統(tǒng)中選擇性地被吸附掉。
18.根據(jù)權(quán)利要求
17中提到的方法，其中含有二氧化碳的被處理氣流的未滲透部分，作為排出氣在降低壓力下再循環(huán)到壓力交變吸附系統(tǒng)，以從那里除去那些對于滲透薄膜有害的組分以及在工藝過程中出現(xiàn)的雜質(zhì)，從壓力交變吸附系統(tǒng)里排出的排出氣流出物含有上述組分或廢棄掉或作它用。
19.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中包括在凈化氣循環(huán)到吸附床以前要將其加熱，以促進(jìn)解吸和從吸附床中排除掉有害成分。
專利摘要
使用精選的滲透薄膜提純氣流以把所需組份與雜質(zhì)分離，這就要求在上述氣流通過滲透薄膜之前將有害氣體成分用壓力交變吸附系統(tǒng)除去。如果那些有害成分是上述氣流中有用組分，則得到該氣流的凈化氣，或是滲透的或是不滲透部分，都用來作為壓力交變吸附系統(tǒng)的排出氣，用來能吸和回收這些有害組分和上述通過薄膜提純得到的所需組分。上述氣流的雜質(zhì)部分，或滲透或不滲透部分都被用來作為上述壓力交變吸附系統(tǒng)的排出氣，以使能吸和排除上述雜質(zhì)及從氣體提純作業(yè)中出現(xiàn)的有害組分。
文檔編號(hào)B01D53/04GK86104191SQ86104191
公開日1986年11月26日 申請日期1986年5月24日
發(fā)明者基肖爾·賈斯拉杰·多希 申請人:聯(lián)合碳化公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan