專利名稱：多級膜控制系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及多級膜控制系統(tǒng)和適用于在各種要求條件下，尤其是在多級膜控制系統(tǒng)的條件下分離流體的方法，以及適用于在各種要求下分離氣體的方法。
滲透膜系統(tǒng)已在各種流體分離方法中不斷增加其應(yīng)用。在這類分離方法中，流體混合物與膜表面接觸，以經(jīng)過膜透過該流體混合物中易滲透組分。由于較易滲透組分作為一般滲透物流排出，流體混合物中較難滲透組分則以非滲透物流回收或除去。
膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要因子和整個(gè)效率，是對于給定流體分離所需的總膜表面積和為了獲得所需產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量所需的膜兩邊的分壓差，它們各自反映了該膜的滲透性和選擇性(或分離因子)。實(shí)用膜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求在膜表面積和分壓之間達(dá)到最佳的折衷選擇。因此，膜兩邊的分壓差或推動(dòng)力越大，對給定的流體分離而言，所需的膜表面積越小。這迫使使用較昂貴的泵設(shè)備和較高的泵操作成本，但使膜設(shè)備成本保持較低。另一方面，若使用較小推動(dòng)力，則需較大膜表面積，整個(gè)系統(tǒng)和操作的各方面的相對費(fèi)用就相應(yīng)改變。
在實(shí)踐中，并不經(jīng)常完全將膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)和達(dá)到全負(fù)荷、穩(wěn)定不變的流動(dòng)條件，即設(shè)計(jì)條件的最佳狀態(tài)。在操作條件而非設(shè)計(jì)條件下，最佳操作條件的不同結(jié)合將勝于膜面積與分壓差的關(guān)系，因?yàn)樾枰は到y(tǒng)進(jìn)行的流體分離應(yīng)用一般不在穩(wěn)定流動(dòng)條件下操作。對膜系統(tǒng)的需要量常常依據(jù)產(chǎn)品的產(chǎn)量和/或質(zhì)量而改變。例如，對從空氣分離膜系統(tǒng)產(chǎn)生氮?dú)獾漠a(chǎn)品的需要量，在一天二十四小時(shí)的時(shí)間內(nèi)會(huì)依據(jù)氮?dú)饬魉俸?或所需純度而有重大改變。這種對產(chǎn)品的需求的改變支配著將膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)成能在偏離需要量或在降低需求條件下有效操作。
為了在偏離需要量或降低需求條件下有效操作膜系統(tǒng)，已使用了或提出了幾種技術(shù)。U.S.P.4，806，132公開了一系列以前用作在偏離需要量或降低需求條件下操作膜的技術(shù)。這些以前的技術(shù)涉及減小非滲透產(chǎn)品物流的流量，使用的方法是通過增加物料流體混合物的滲透量、關(guān)閉部分可利用的膜表面積，或使用緩沖罐來使膜系統(tǒng)卸下負(fù)載。然而，由于可利用的膜表面和能力得不到充分利用，該專利決定降低物料流在偏離需要量或降低需求條件下的流量，以有效地操作膜系統(tǒng)。流入膜系統(tǒng)的物料流的流量由控制裝置通過調(diào)節(jié)位于膜系統(tǒng)的入口管線的物料壓縮機(jī)的操作進(jìn)行控制。
U.S.P.4，857，082在第1、2欄討論了，尤其是U.S.P.4，397，662公開了在降低需求條件下操作膜系統(tǒng)的技術(shù)。該技術(shù)涉及在預(yù)定生產(chǎn)水平下，由自動(dòng)關(guān)閉部分膜組件來減小膜面積。為了達(dá)到這種結(jié)果，膜系統(tǒng)使用了涉及附加閥、管道和裝備等的復(fù)雜設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)由于使用了幾組較小的平行的組件或膜單元，使成本提高。因此，U.S.P.4，857，082的意圖是使用膜單元周圍的一系列閥門和控制單元，以有效地控制膜兩邊的壓力差，以追隨產(chǎn)品需求或物料流量的變化。這種辦法特別適合于滲透氣體是所需產(chǎn)品的那些過程。
然而，上述技術(shù)沒有一件涉及適用于具有至少三個(gè)膜級和至少一個(gè)循環(huán)壓縮機(jī)、能回收高純非滲透性產(chǎn)品物流的多級膜系統(tǒng)的控制系統(tǒng)和過程。這種多級膜系統(tǒng)的重要性與日俱增，因?yàn)樗鼈兛梢援a(chǎn)生例如高純氮而不用脫氧裝置。因此確實(shí)需要適用于在偏離需要或降低需求條件下，操作具有至少三個(gè)膜級和至少一臺循環(huán)壓縮機(jī)的多級膜系統(tǒng)的控制系統(tǒng)和過程。
根據(jù)本發(fā)明，上列確實(shí)需要可由使用具有下列特征的多級滲透膜系統(tǒng)得到滿足。
a)至少三個(gè)膜單元，其中至少兩個(gè)是串聯(lián)連接，所說的至少三個(gè)膜單元每個(gè)均由具有非滲透側(cè)和可滲透側(cè)的膜組成，所述膜能夠從非滲透側(cè)向滲透側(cè)滲透流體混合物的至少一種流體組分;
b)將流體混合物引到所述至少三個(gè)膜單元的任何一個(gè)的非滲透側(cè)的流體入口裝置;
c)從串聯(lián)連接的第2、第3和/或最后一級膜單元的非滲透側(cè)排出產(chǎn)品流體的產(chǎn)品出口裝置;
d)選自第一循環(huán)導(dǎo)管和第二循環(huán)導(dǎo)管的循環(huán)導(dǎo)管裝置，第一循環(huán)導(dǎo)管用于使流體由第3膜單元和/或最后一級膜單元的滲透側(cè)通向所述膜單元至少之一的非滲透側(cè)，第二循環(huán)導(dǎo)管用于使流體由第二膜單元的滲透側(cè)通向第三膜單元的非滲透側(cè)，然后使流體從第三膜單元的非滲透側(cè)通向所述膜單元的至少之一的非滲透側(cè);
e)將在所述第一循環(huán)導(dǎo)管內(nèi)的或第二循環(huán)導(dǎo)管內(nèi)的流體泵送或壓縮的循環(huán)壓縮機(jī)和泵裝置;
f)用于控制和調(diào)節(jié)所述循環(huán)壓縮機(jī)或泵裝置的控制裝置;
g)用于傳感和/或監(jiān)測在第一或第二循環(huán)導(dǎo)管內(nèi)的流體的壓力、流速和/或純度的裝置;和h)適合于接受來自所述傳感和/或監(jiān)測裝置的相應(yīng)于在第一或第二循環(huán)導(dǎo)管裝置內(nèi)流體的壓力、流速和/或純度的過程變量信號，并將相應(yīng)的輸出信號傳送給用于控制或調(diào)節(jié)循環(huán)壓縮機(jī)或泵裝置的操作，以改變所述壓縮機(jī)或泵裝置的能力，來適應(yīng)改變的產(chǎn)品流體要求條件的控制裝置，因而能使第2、3和/或最后一級膜單元的滲透側(cè)的壓力保持穩(wěn)定或基本穩(wěn)定的至少一個(gè)過程控制系統(tǒng)。
該多級滲透膜系統(tǒng)也可包括用于壓縮或泵送所述流體入口裝置內(nèi)的流體的附加壓縮機(jī)或泵裝置;用于調(diào)節(jié)所述附加壓縮機(jī)或泵裝置的操作的附加控制裝置;和傳感和/或監(jiān)測產(chǎn)品出口裝置內(nèi)的產(chǎn)品流體的壓力、流速和/或純度的裝置。上述過程系統(tǒng)也適合于接受來自所述傳感和/或監(jiān)測裝置的相應(yīng)于在產(chǎn)品出口裝置內(nèi)產(chǎn)品流體的壓力、流速和/或純度的過程變量信號，和將相應(yīng)的輸出信號傳送給用于調(diào)節(jié)附加壓縮機(jī)和/或泵裝置的操作，以增加或減少在流體入口裝置內(nèi)的流體混合物的流速和/或壓力，來適應(yīng)改變的產(chǎn)品流體需求條件的附加控制裝置。
具有上述特點(diǎn)的該多級滲透膜系統(tǒng)可用于流體分離方法，其中包括回收氮、干燥氣體、氫、氧、氬等。由應(yīng)用上述特點(diǎn)，可利用的膜表面積在多級膜系統(tǒng)中能獲充分或基本充分利用，甚至在改變的產(chǎn)品流體需求條件下也是如此。
現(xiàn)參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。
在附圖中，

圖1、2和3說明多級膜系統(tǒng)及其有關(guān)的控制裝置，它們在對于在偏離需要或降低需求條件下有效分離流體是有效的。
圖4說明供給的空氣的流速和壓力如何隨設(shè)計(jì)膜裝置能力降低的變化。
圖5說明圖2的膜系統(tǒng)在有或沒有其有關(guān)控制系統(tǒng)時(shí)分離空氣的能量需求。
如上圖1-3所示，對于分離流體，例如空氣，有幾種優(yōu)選的多級膜系統(tǒng)。這些優(yōu)選的實(shí)施方案不排斥對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員閱讀了本公開文件后變得明顯的其它多級膜系統(tǒng)。
本發(fā)明涉及多級流體分離方法和系統(tǒng)的控制。這些方法和系統(tǒng)應(yīng)用至少一個(gè)循環(huán)壓縮機(jī)或泵裝置及其有關(guān)的控制系統(tǒng)，用以以有效方式在偏離需要或需求下降條件下分離流體混合物。至少一個(gè)壓縮機(jī)或泵裝置的操作受到控制，這樣膜單元或膜組件的滲透側(cè)可以保持在預(yù)定值。這反過來又允許保持膜兩邊的所需壓力比，以及在偏離需要或需求下降條件下保持所需的降低能量消耗。應(yīng)用至少一個(gè)循環(huán)壓縮機(jī)或泵裝置及其有關(guān)的控制裝置，也使多級流體分離系統(tǒng)和方法能生產(chǎn)所需質(zhì)量(純度)和數(shù)量(產(chǎn)品流速)的產(chǎn)品，即使當(dāng)回收產(chǎn)品的數(shù)量根據(jù)變化了的產(chǎn)品需求而改變時(shí)也可。
現(xiàn)參考附圖，圖1-3說明多級膜系統(tǒng)包括至少3個(gè)膜單元或組件，而其中至少2個(gè)膜單元或組件是以串聯(lián)連接。每單元或組件具有非滲透側(cè)和滲透側(cè)，因此任何流體混合物的至少一種組分能從膜的非滲透側(cè)滲透到膜的滲透側(cè)。
實(shí)踐中，入口管(1)用于將流體混合物引入多級膜系統(tǒng)的膜單元或組件。供給入口管(1)的該流體混合物開始送給入口壓縮機(jī)或泵送裝置(2)，經(jīng)加壓的流體混合物從(2)經(jīng)管(3)送至第1級膜單元或組件(5)?？梢园惭b至少1個(gè)冷卻裝置(4)來從流體混合物中除去熱量，再送至第1級膜單元或組件(5)。在第1級膜單元或組件(5)中，至少一部分不想要的流體混合物組分滲透到滲透側(cè)(5b)，并經(jīng)管道(6)廢棄。在非滲透側(cè)(5a)具有預(yù)定純度或干燥水平的剩余的流體混合物，以基本物料壓力經(jīng)管道(7)流入第2級膜單元或組件(8)的非滲透側(cè)(8a)。不想要的流體混合物組分與一些流體混合物的需要組分滲透到第2級膜單元或組件(8)的滲透側(cè)(8b)，直至非滲透流體達(dá)到所需的純度或干燥水平。在滲透側(cè)(8b)的已滲透流體經(jīng)循環(huán)管道(9)導(dǎo)入管道(1、3和7)的至少一條中。循環(huán)管道(9)中的循環(huán)流體由一個(gè)循環(huán)壓縮機(jī)或泵裝置(11)壓縮，并可在一冷卻裝置(未示出)內(nèi)冷卻。第2級膜單元或組件(8)的滲透側(cè)(8b)的壓力基本上相同該循環(huán)壓縮機(jī)或泵裝置的吸氣壓力。在循環(huán)管道內(nèi)(9)的加壓流體，可由使用位于循環(huán)管道(9)的第3級膜單元或組件(12)(如圖1所示)分離產(chǎn)生具有特定純度水平的滲透和非滲透物流。在該膜單元或組件(12)的滲透側(cè)(12b)的已滲透物流可被廢棄或被送至第1級膜單元或組件滲透側(cè)或入口管(1)。同時(shí)，在非滲透側(cè)(12a)的剩余流體送至管道(3和7)至少之一中，所以從第2級膜單元或組件流出的非滲透物流的至少一部分可經(jīng)帶閥(10)的出口管(13)作為產(chǎn)品物流回收。如圖2和3所示的，膜單元或組件(14)可用作為第3級膜單元或組件(12)的替換件或附加件。膜單元或組件(14)由管道(15)與第2膜單元或組件的替換件或附加件。膜單元或組件(14)由管道(15)與第2膜單元或組件(8)的非滲透側(cè)相連接，所以從第2膜單元流出的非滲透流體流的至少一部分，可在膜單元或組件(14)的非滲透側(cè)(14a)以較高壓力接收。接收到來自第2級膜單元或組件的非滲透氣流，又進(jìn)一步分離成具有所需質(zhì)量(純度)的滲透和非滲透氣流。在滲透側(cè)(14b)的滲透物流，經(jīng)循環(huán)管道(16)循環(huán)到管道(1、3、7、9和15)中至少一條中。管道(16)中的循環(huán)流體由循環(huán)壓縮機(jī)或泵裝置(17)再壓縮，并在它導(dǎo)入這些管道中至少一條之前，可由管線上冷卻裝置(31)冷卻。另外，如圖3所示，在管道(16)處也可以應(yīng)用一附加膜單元或組件(18)，以使壓縮的循環(huán)流體分離成滲透和非滲透流體，方法是使流體從其非滲透側(cè)(18a)向其滲透側(cè)(18b)滲透，直至非滲透流體產(chǎn)品具有所需的純度。從膜單元或組件(18)流出的非滲透流體循環(huán)到管道(7和15)的至少一條中，同時(shí)從膜單元或組件(18)流出的滲透流體循環(huán)至管道(1、3和9)的至少一條中，或流到第1級膜單元或組件的滲透側(cè)。由于從膜單元或組件(14)流出的滲透物流被循環(huán)返回到用或不用任選膜單元(18)的處理管道中，至少一部分非滲透物流，經(jīng)帶或不帶閥(33)的出口管(32)，作為產(chǎn)品被回收。也有可能增加膜單元的級數(shù)(未示出)，以進(jìn)一步純化或干燥從膜單元或組件(14)流出的非滲透產(chǎn)品物流。所需的產(chǎn)品可從包括第2、第3和/或最后一級的一級或多級膜級回收得到，這取決于所需的產(chǎn)品純度和/或流體混合物入口管的所設(shè)位置。應(yīng)當(dāng)理解，可以在任何位置使用任意數(shù)目流體混合物入口管和流體產(chǎn)品出口管，只要從使用這些入口出口管道中能回收到具有所需質(zhì)量和數(shù)量的產(chǎn)品。
為了在變化的產(chǎn)品需求或需求降低的條件下操作上述膜系統(tǒng)，在膜系統(tǒng)的產(chǎn)品出口管(13或32)處設(shè)置產(chǎn)品的壓力、流速和/或純度的監(jiān)測和/或傳感裝置(19)。這些監(jiān)測和/或傳感裝置，例如流量計(jì)、氣體分析器和/或壓力傳感器，具有將輸入信號(過程變量信號)經(jīng)過適當(dāng)?shù)挠蓴?shù)字(22)表示的電的、機(jī)械的、液壓的或氣動(dòng)的聯(lián)結(jié)作用，送入過程控制系統(tǒng)(21)，例如過程計(jì)算機(jī)或模擬控制機(jī)的常規(guī)變送器(20)。因此，該監(jiān)測和/或傳感裝置(19)用于監(jiān)測產(chǎn)品流量、產(chǎn)品壓力和產(chǎn)品純度，而變送器(20)則用于將過程變量信號，即比例于產(chǎn)品的流量、壓力和純度的信號，送入過程控制系統(tǒng)(21)。向過程控制系統(tǒng)(21)也輸入一個(gè)由數(shù)字(23)表示的純度設(shè)定點(diǎn)，它可根據(jù)操作對產(chǎn)品純度要求而改變。
過程控制系統(tǒng)(21)，例如常規(guī)的過程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或常規(guī)的模擬控制系統(tǒng)，或者被程序化或者被設(shè)計(jì)成將輸出信號，通過由數(shù)字(25)代表的適當(dāng)?shù)臋C(jī)械或電聯(lián)結(jié)作用，傳送給用于調(diào)節(jié)壓縮機(jī)工作能力的控制設(shè)備(24)，通過調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)难h(huán)閥、吸氣閥、變速馬達(dá)等，將壓力和/或流量條件調(diào)節(jié)到適合于指示的需求條件的值。該過程控制系統(tǒng)，例如過程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，隨著設(shè)計(jì)條件的變化，作為過程應(yīng)用、膜性能方面的改進(jìn)等的差示結(jié)果，其靈活性很高，該過程控制系統(tǒng)容易被再程序化，以匹配不同的或改進(jìn)的過程應(yīng)用的新設(shè)計(jì)條件。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員懂得，所需產(chǎn)品純度經(jīng)?？梢允菑臑檎谑芸刂频哪は到y(tǒng)中生產(chǎn)產(chǎn)品氣體或流體而進(jìn)行的下游操作中輸入的一個(gè)變量。由于產(chǎn)品流量降低，產(chǎn)回純度將開始升高，過程控制系統(tǒng)將把這種純度升高的信號傳送出去，并降低壓縮機(jī)的負(fù)荷。然而，應(yīng)當(dāng)指出，使用產(chǎn)品純度作為主要量度手段，在某些場合會(huì)引起一些不穩(wěn)定的因素，這是由于收集和分析產(chǎn)品純度涉及到固有的時(shí)間滯后。與此相反，達(dá)到產(chǎn)品流量變化或產(chǎn)品壓力變化的瞬時(shí)監(jiān)測較有可能。
一般而言，入口壓縮機(jī)或原裝置的操作可以改變，以在基于測量產(chǎn)品流量、產(chǎn)品壓力和/或產(chǎn)品純度和基于所需的純度設(shè)定得到的所需純度時(shí)，產(chǎn)生所需的流量。
然而，在上述膜系統(tǒng)降低需求期間，系統(tǒng)的操作壓力下降，如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)操作壓力下降時(shí)，其結(jié)果是滲透流速降低。換言之，流向循環(huán)壓縮機(jī)或泵裝置(11和/或17)的流體減少。若例如正位移壓機(jī)之類的循環(huán)壓機(jī)或泵裝置在恒入口體積下操作，及滲透流速下降，則壓機(jī)的入口壓也下降以使小量流體填充在較大體積中。因此，壓機(jī)兩邊的壓力比將升高，導(dǎo)致更高的功耗及產(chǎn)品氣體純度會(huì)經(jīng)歷變化。
為了在改變產(chǎn)品需求或降低需求的條件下強(qiáng)化上述膜系統(tǒng)的操作，應(yīng)用了監(jiān)測和/或傳感循環(huán)導(dǎo)管(9和/或16)中滲透流體的壓力、流速和/或純度水平的附加裝置(26)。該監(jiān)測和傳感裝置可以是一個(gè)流量計(jì)、氣體分析器和/或一個(gè)壓力傳感器。在這些監(jiān)測傳感裝置中，最優(yōu)選壓力傳感裝置，因?yàn)樗軐?shí)現(xiàn)對與循環(huán)導(dǎo)管相關(guān)的膜單元或組件的滲透側(cè)的瞬時(shí)壓力變化的監(jiān)測。這種監(jiān)測或傳感裝置，若需要，可具有常規(guī)的發(fā)送器(27)，以將輸入信號(過程變量信號)經(jīng)適當(dāng)?shù)碾?、機(jī)械、液壓或氣動(dòng)信號發(fā)送裝置(28)發(fā)送到過程控制系統(tǒng)(21)。在偏離需要或降低需求的條件期間，監(jiān)測滲透流體的壓力或流量。根據(jù)監(jiān)測和/或傳感值，該發(fā)送器發(fā)送一相應(yīng)的過程變量信號，即正比于產(chǎn)品壓力和/或流量的信號，給過程控制系統(tǒng)(21)。該控制系統(tǒng)(21)也適于(程序的，設(shè)計(jì)的，等)接收過程變量信號，并經(jīng)適當(dāng)?shù)男盘杺魉脱b置(29)將相應(yīng)的輸出信號傳送給控制和/或調(diào)節(jié)循環(huán)壓機(jī)或泵裝置(11和/或17)的工作能力的控制裝置(30)，以適應(yīng)改變了的產(chǎn)品流體需求或減小了的滲透流體壓力或減小了的進(jìn)入循環(huán)壓機(jī)或泵裝置(11和/或17)的入口的流量。例如，該控制裝置(30)控制壓機(jī)位移或壓機(jī)速度以調(diào)節(jié)循環(huán)壓機(jī)的工作能力。通過調(diào)節(jié)壓機(jī)的工作能力，膜單元或組件的滲透側(cè)，即與壓機(jī)以流體相連側(cè)，就可以保持在設(shè)定的壓力。這樣反過來又保持了膜兩邊的所需壓力比，以及在偏離需要或降低需求條件時(shí)減少所需的能耗。
在一個(gè)說明性的空氣分離操作中，設(shè)計(jì)了圖2的三級膜分離系統(tǒng)以在全要求條件下操作。該系統(tǒng)在空氣供氣壓力為約165psia條件下達(dá)到最佳化操作，并產(chǎn)生含約3%氧的高純氮約10000ncfh。若該系統(tǒng)在偏離需要或降低需求條件下操作期間，在約60%的工作能力下操作，則需要的空氣流量為設(shè)計(jì)的空氣流量的約68%(體積)。如圖4所示，對于充分利用可利用的膜面積和獲得具有設(shè)計(jì)純度水平的氮?dú)猓枰目諝夤鈮毫s為110psia。雖然圖4說明了具體的空氣供氣壓力與特定的空氣流量和特定的膜平面設(shè)計(jì)之間的關(guān)系，在降低條件期間彼此的關(guān)系及其效果可應(yīng)用于其它系列的條件。然而，圖4曲線的形狀，在不同系列條件下也可略為改變。
在另一個(gè)說明性實(shí)施方案中，圖2的膜系統(tǒng)在滿要求條件下在空氣供氣壓力為約165psia條件下達(dá)到最佳化操作，并產(chǎn)生具有所需純度的高純氮約10000ncfh。在空氣物料流量下降55%時(shí)，高純氮產(chǎn)品流量和產(chǎn)品壓力就降低。然而，膜系統(tǒng)滲透的第36壓力保持在約15psia。如表Ⅰ所示，高純氮產(chǎn)品的質(zhì)量并未改變。因此，循環(huán)壓機(jī)可在最小功率下操作?？衫玫哪っ娣e也完全得到了利用。
表Ⅰ設(shè)計(jì)能力需求降低55％Yo(%體積)20.9%20.9%Po(PSIA)14.514.5P1(PSIA) 165 115F6(NCFH) 10.000 5.520P6(PSIA) 159 109Y6(%) 0.1% 0.1%F7(NCFH) 18.500 11.945P7(PSIA) 15.0 15.0Y0＝導(dǎo)入入口管(1)的空氣中的氧濃度P0＝導(dǎo)入入口管(1)的空氣壓力P1＝用入口壓機(jī)(2)加壓空氣的壓力F6＝出口管(32)中高純氮產(chǎn)品的流速P6＝出口管(32)中高純氮中的壓力Y6＝出口管(32)中高純氮產(chǎn)品的氧濃度F7＝離開最后一級膜級(14)的滲透側(cè)(14a)的滲透氣流的流速P9＝離開最后一級膜級(14)的滲透側(cè)(14a)的滲透氣流的壓力圖5也說明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。例如，圖5表明不利用本發(fā)明的膜裝置在約60%生產(chǎn)能力下操作時(shí)，比用本發(fā)明的相同裝置多消耗18%的能源。
需求降低時(shí)達(dá)到的節(jié)能量也取決于本發(fā)明實(shí)踐中所用的壓縮裝置的類型。應(yīng)該理解，本領(lǐng)域中許多生產(chǎn)能力控制裝置可以利用，這取決于所用壓縮裝置的類型?？衫玫难b置實(shí)例有變速馬達(dá)、內(nèi)循環(huán)閥、吸入閥減壓器，它們均可用于按本發(fā)明的可調(diào)壓縮裝置。
實(shí)施這里所述的及在各種流體分離操作中請求專利保護(hù)的可調(diào)方法均屬于本發(fā)明的范圍之內(nèi)，其中上述用于生產(chǎn)氮的空氣分離實(shí)施方案只是說明遇到可調(diào)條件的實(shí)例。這些操作包括一種滲透膜系統(tǒng)可有效地用于使流體混合物中易滲透組分與不易滲透組分的分離的操作。作為從一種脫硫化裝置中排出的含氫排放氣，它是另一個(gè)適于在滲透膜操作的合適物料，并用于本發(fā)明的可調(diào)控制方法的實(shí)例。從氨清掃氣中回收氫以及二氧化碳和甲烷的分離，是在合適情況下應(yīng)用本發(fā)明的可調(diào)方法的其它商業(yè)流體分離操作的說明性實(shí)例。也應(yīng)當(dāng)指出，盡管上面描述了有關(guān)在大氣壓下方便地排放滲透的氧氣流的空氣分離應(yīng)用，其它合適而優(yōu)選的壓力條件也包括在本發(fā)明的各種其它實(shí)施方案之內(nèi)。在某些場合中，在需求降低的條件下利用可利用的物料壓力可以是合乎需要的，膜兩邊驅(qū)動(dòng)力的減小是通過增加滲透壓而不是減小物料氣壓力而實(shí)現(xiàn)。達(dá)到的產(chǎn)品和/或產(chǎn)品回收率，當(dāng)然也在某種程度上取決于任何給定膜分離操作的整體要求。
本發(fā)明的可控方法可用于任何需要的可滲透膜系統(tǒng)。因此，應(yīng)用的膜材料可以是任何一種能選擇性滲透一種更易滲透氣體組分或其它流體混合物的材料，例如纖維素衍生物，如纖維素乙酸酯、纖維素丁酸酯等;聚酰胺和聚亞酰胺，包括芳基聚酰胺和芳基聚亞酰胺;聚砜類;聚苯乙烯類等。也應(yīng)指出，應(yīng)用任何所需結(jié)構(gòu)的可滲透透膜也屬于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。因此，可滲透膜可以是復(fù)合形式的，具有固定在多孔載體層上的、決定膜的選擇性和滲透特性的分離層。也可以應(yīng)用非對稱型膜，其中較大密度的表面范圍決定了膜的選擇性和滲透特性的分離層。也可以應(yīng)用非對稱型膜，其中較大密度的表面范圍決定了膜的選擇性和滲透特性，而更大的多孔范圍提供了支承。其它形式的膜，如致密膜也可應(yīng)用于特定目的。用于本發(fā)明目的的可滲透膜，可以取任何形式，如平板形、空心纖維、螺旋彎管、或其它所需形式，以空心纖維最為優(yōu)選?？招睦w維或膜材料的其它所需形式通常被裝配成膜組件，包括空心纖維束、帶褶的平板膜組件或螺旋形盤管，它們均帶有物料進(jìn)口和滲透物出口側(cè)，以及給分開除去物料流的非滲透部分和滲透部分提供的導(dǎo)管裝置。所有這些系統(tǒng)均可按本發(fā)明有效地進(jìn)行可調(diào)，安裝的膜表面在所有操作條件下均能被完全利用。
雖然本發(fā)明已參考了作為實(shí)例的具體實(shí)施方案進(jìn)行了描述，也應(yīng)當(dāng)理解，它也打算包括在所附權(quán)利要求書范圍內(nèi)的所有變化或其等同物。
權(quán)利要求
1.一種能夠分離流體混合物中至少一種組分的多級滲透膜系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括a)至少三個(gè)膜單元，其中至少兩個(gè)是串聯(lián)連接，所說的至少三個(gè)膜單元每個(gè)均由具有非滲透側(cè)和可滲透側(cè)的膜組成，所述膜能夠從非滲透側(cè)向滲透側(cè)滲透流體混合物的至少一種流體組分；b)將流體混合物引到所述至少三個(gè)膜單元的任何一個(gè)的非滲透側(cè)的流體入口裝置；c)從串聯(lián)連接的第2、第3和/或最后一級膜單元的非滲透側(cè)排出產(chǎn)品流體的產(chǎn)品出口裝置；d)選自第一循環(huán)導(dǎo)管和第二循環(huán)導(dǎo)管的循環(huán)導(dǎo)管裝置，第一循環(huán)導(dǎo)管用于使流體由第3膜單元和/或最后一級膜單元的滲透側(cè)通向所述膜單元至少之一的非滲透側(cè)，第二循環(huán)導(dǎo)管用于使流體由第二膜單元的滲透側(cè)通向第三膜單元的非滲透側(cè)，然后使流體從第三膜單元的非滲透側(cè)通向所述膜單元的至少之一的非滲透側(cè)；c)將在所述第一循環(huán)導(dǎo)管內(nèi)的或第二循環(huán)導(dǎo)管內(nèi)的流體泵送或壓縮的循環(huán)壓縮機(jī)和泵裝置；f)用于控制和調(diào)節(jié)所述循環(huán)壓縮機(jī)或泵裝置的控制裝置；g)用于傳感和/或監(jiān)測在第一或第二循環(huán)導(dǎo)管內(nèi)的流體的壓力、流速和/或純度的裝置；和h)適合于接受來自所述傳感和/或監(jiān)測裝置的相應(yīng)于在第一或第二循環(huán)導(dǎo)管裝置內(nèi)流體的壓力、流速和/或純度的過程變量信號，并將相應(yīng)的輸出信號傳送給用于控制或調(diào)節(jié)循環(huán)壓縮機(jī)或泵裝置的操作，以改變所述壓縮機(jī)或泵裝置的能力，來適應(yīng)改變的產(chǎn)品流體要求條件的控制裝置，因而能使第2、3和/或最后一級膜單元的滲透側(cè)的壓力保持穩(wěn)定或基本穩(wěn)定的至少一個(gè)過程控制系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的多級滲透膜系統(tǒng)，還包括用于壓縮或泵送所述流體入口裝置內(nèi)的流體的附加壓縮機(jī)或泵裝置;用于驅(qū)動(dòng)和/或調(diào)節(jié)所述附加壓縮機(jī)或泵裝置的操作的附加控制裝置;和傳感和/或監(jiān)測產(chǎn)品出口裝置內(nèi)的產(chǎn)品流體的壓力、流速和/或純度的裝置，其中所述的至少一種過程系統(tǒng)也適合于接受來自所述傳感和/或監(jiān)測裝置的相應(yīng)于在產(chǎn)品出口裝置內(nèi)產(chǎn)品流體的壓力、流速和/或純度的過程變量信號，和將相應(yīng)的輸出信號傳送給用于調(diào)節(jié)附加壓縮機(jī)和/或泵裝置的操作，以增加或減少在流體入口裝置內(nèi)的流體混合物的流速和/或壓力，來適應(yīng)改變的產(chǎn)品流體需求條件的附加控制裝置，因而在變動(dòng)的產(chǎn)品流體要求條件下能完全利用或基本完全利用可利用的膜表面積。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的多級滲透膜系統(tǒng)，它還包括位于所述第一循環(huán)導(dǎo)管處的至少一個(gè)第4級膜單元，因此所述至少一個(gè)第4級膜單元的非滲透側(cè)與所述膜單元的至少一個(gè)的非滲透側(cè)相通。
4.一種多級滲透膜系統(tǒng)流體分離方法，所述方法包括a)將一種流體物料流在足以滲透所述物料流的至少一個(gè)組分，以產(chǎn)生第1非滲透物流和滲透物流的壓力下，引入具有1個(gè)膜的至少一個(gè)第1級膜單元;b)將來自至少一個(gè)第1級膜單元的第1非滲透物流的一部分，在足以產(chǎn)生第2非滲透物流和滲透物流的壓力下，通入具有1個(gè)膜的至少一個(gè)第2級膜單元;c)將來自至少一個(gè)第2級膜單元的第2滲透物流，經(jīng)一臺具有控制裝置的、能提供足以產(chǎn)生第3非滲近物流和滲透物流的循環(huán)壓縮機(jī)或泵裝置，送入至少一個(gè)第3級膜單元;d)將至少部分的第3非滲透物流與所述物料流、第1非滲透物流和/或第2非滲透物流合并;e)監(jiān)測和/或傳感第2滲透物流的壓力、流速和/或純度;f)將相應(yīng)于傳感和/或監(jiān)測的第2滲透物流的壓力、流速和/或純度的過程變量信號傳送給適合于將相應(yīng)的輸出信號傳送給控制裝置以控制循環(huán)壓縮機(jī)或泵裝置的操作的過程控制系統(tǒng);g)為了響應(yīng)改變或降低了的產(chǎn)品要求，改變或減小進(jìn)入所述至少一個(gè)第1級膜的流體物料流的流速;h)為了響應(yīng)監(jiān)測和/或傳感的第2滲透物流的壓力、流速和/或純度，由控制裝置調(diào)節(jié)所述循環(huán)壓縮機(jī)或泵裝置，來調(diào)節(jié)或減小所述循環(huán)壓機(jī)或泵裝置的工作能力，因此使至少一個(gè)第2級膜的滲透側(cè)維持在不變或基本不變的壓力下;以及i)回收預(yù)定選擇量的第2非滲透物流作為產(chǎn)品，或?qū)㈩A(yù)選量的第2非滲透物流通入附加的膜單元，以回收更純化的產(chǎn)品。
5.一種多級滲透膜系統(tǒng)流體分離方法，所述方法包括a)將一種流體物料流在足以滲透所述物料流的至少一個(gè)組分，以產(chǎn)生第1級非滲透物流和滲透物流的壓力下，引入具有1個(gè)膜的至少一個(gè)第1膜單元;b)將來自至少一個(gè)第1級膜單元的第1非滲透物流，在足以產(chǎn)生第2非滲透物流和滲透物流的壓力下，通入具有1個(gè)膜的至少一個(gè)第2級膜單元;c)將來自至少一個(gè)第2級膜單元的第2滲透物流，送入具有1個(gè)膜以產(chǎn)生第3非滲透物流和滲透物流的至少一個(gè)第3級膜單元;d)由具有控制裝置的循環(huán)壓縮機(jī)或泵裝置循環(huán)第3滲透物流，以使第3滲透物流的至少一部分與第2非滲透物流、第1非滲透物流和/或流體物料流合并;e)監(jiān)測和/或傳感第2滲透物流的壓力、流速和/或純度;f)將相應(yīng)于傳感和/或監(jiān)測的第3滲透物流的壓力、流速和/或純度的過程變量信號傳送給適合于將相應(yīng)的輸出信號傳送給控制裝置以控制循環(huán)壓縮機(jī)或泵裝置的操作的過程控制系統(tǒng);g)為了響應(yīng)改變或降低了的產(chǎn)品要求，改變或減小進(jìn)入所述至少一個(gè)第1級膜的流體物料流的流速;h)為了響應(yīng)監(jiān)測和/或傳感的第3滲透物流的壓力、流速和/或純度，由控制裝置調(diào)節(jié)所述循環(huán)壓縮機(jī)或泵裝置，來調(diào)節(jié)或減小所述循環(huán)壓機(jī)或泵裝置的工作能力，因此使至少一個(gè)第3級和/或最后一級膜單元的滲透側(cè)維持在不變或基本不變的壓力下;以及i)從至少一個(gè)第3級膜單元中除去預(yù)選量的第3非滲透物流。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的多級滲透膜流體分離方法，還包括將第3滲透物流的至少一部分通入具有一膜的至少一個(gè)第4級膜單元，以產(chǎn)生第4非滲透物流和滲透物流，然后再與第2非滲透物流、第1非滲透物流和/或流體物料流合并，因此第4非滲透物流的至少一部分與第2非滲透物流和/或第1非滲透物流合并。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的多級滲透膜流體分離方法，其中的流體物料流是空氣或含氫氣體。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的多級滲透膜流體分離方法，還包括冷卻來自循環(huán)壓機(jī)或泵裝置的至少一部分第3滲透物流，然后再使其至少一部分與第2非滲透物流、第1非滲透物流和/或流體物料流合并。
全文摘要
本發(fā)明涉及多級流體分離方法和系統(tǒng)。這些方法和系統(tǒng)應(yīng)用至少一臺循環(huán)壓機(jī)或泵以及控制裝置，以在偏離要求和可變條件下有效分離一種流體混合物。至少一臺循環(huán)壓機(jī)或泵的操作受到控制，以使?jié)B透測的壓力維持在設(shè)定值。因此在偏離要求和可變條件下，保持了多級膜兩邊所需的壓力比，并獲得所需的減小了的能量消耗。
文檔編號B01D61/02GK1089882SQ9312049
公開日1994年7月27日 申請日期1993年12月15日 優(yōu)先權(quán)日1993年1月6日
發(fā)明者D·R·湯普森 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司