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CN114682055A - 带有冷却和使用吹扫气体的三级膜气体分离 - Google Patents

带有冷却和使用吹扫气体的三级膜气体分离 Download PDF

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CN114682055A CN202111674372.9A CN202111674372A CN114682055A CN 114682055 A CN114682055 A CN 114682055A CN 202111674372 A CN202111674372 A CN 202111674372A CN 114682055 A CN114682055 A CN 114682055A
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Abstract

包括第一气体和第二气体的气体混合物的分离可以使用三级气体分离膜组件来改进，包括冷却送至进气级的进气流和使用渗透级滞留物的一部分作为渗透级上的吹扫气体的附加技术。

Description

带有冷却和使用吹扫气体的三级膜气体分离
相关申请的交叉引用
无。
背景
技术领域
本发明涉及一种用于净化气体混合物的、具有改进的膜计数/表面积的基于气体分离膜的系统和方法。
相关技术
气体分离膜长期以来用于将第一气体和第二气体的混合物分离成富含第一有价值的气体的产品气体、以及富含第二通常不那么有价值的气体的排出气体。特别地，第一气体和第二气体的物理性质和化学性质以及膜(特别是膜的分离层)的材料性质在确定第一气体和第二气体穿过膜的通量时是最重要的。
特别期望的分离是其中气体中的一种气体(比如第二气体)穿过膜的通量远高于气体中的另一种气体(比如第一气体)的通量的分离。在这种情况下膜被认为对第二气体比第一气体而言是有选择性的。穿过膜的第二气体的通量受到穿过膜的第二气体的分压的差异(即，分压差)的影响。通量(或膜的驱动力)随着分压差的增加而升高，反之亦然。
可以通过增加进气压力同时将渗透压力保持在相同水平来增大分压差。虽然这对于一些分离可能是令人满意的解决方案，但是这需要更大的压缩量，并因此增加了这种系统的运行支出。除了具有非常低的转化温度的气体(比如氢气和氦气)之外，由这种较大的分压差引起的相对较大量的焦耳-汤姆逊冷却可能会导致膜的不期望的冷却和气体混合物的可冷凝组分在膜的进气侧上的潜在冷凝。对于进体压力固定且渗透气体压力受控的系统，可以降低渗透压力。虽然这对于一些分离可能是令人满意的解决方案，但是这导致了较低压力的渗透气体可能需要被再压缩以便达到期望的压力水平。类似于增加进气压力(如上所解释)，这可能导致膜的不期望的冷却水平和可冷凝组分在膜的进气侧上的潜在冷凝。
另一种增加气体(比如第二气体)穿过膜的通量的方法是在膜的渗透侧上引入吹扫气体。假设渗透压力受控，将吹扫气体引入膜的渗透侧中引起渗透的气体(在渗透侧上)的稀释，从而降低其分压。通常，吹扫气体是惰性气体。
一些人已经提出使用一定量的富含第一气体的滞留气体作为吹扫气体。目前，这种类型的吹扫气体正被用于多级工艺中，以努力改善正被吹扫的级的生产率。这样做的益处是通过减少实现期望的分离所需的膜的数量来减少资本支出。对于其中级的渗透物被排出的多级工艺，排出渗透物的级不被吹扫。这是因为，如果来自滞留物的一部分有价值的第一气体用作吹扫气体，用作吹扫气体的量的第一气体将(与渗透穿过该级的膜的富含第二气体的气体一起)被排出，而不是被回收到产品气体中。考虑到这一点，使用一部分滞留气体作为吹扫仅应用于两级工艺的第二级，三级工艺的第一级和/或第二级、以及四级工艺的第一级、第二级和/或第三级。
即使当技术人员避免吹扫多级生产的级时，当该级产生排出的渗透物时，当一部分滞留物用作吹扫气体时，仍存在一定量(～3vol％-7vol％)的有价值的第一气体落到被吹扫的级的渗透物中。虽然通过使被吹扫回到第一级上游的压缩机的抽吸入口的、该级的渗透气体再循环来回收该量的第一气体，但是这略微增加了被再循环的气体的量。结果，由于对附加量的再循环气体的压缩能量的需求增加，这种膜分离方案的运行支出增加。
因此，存在增加气体穿过气体分离膜的通量的需要，而不会导致压缩成本增加、膜冷却过度、气体混合物的可冷凝组分冷凝在膜上、或者如传统气体分离膜方案所经历的回收率降低。
除了通过操纵膜上的分压差来增加膜的驱动力之外，一些人已经提出通过改变膜的操作温度或进气的温度来改动膜的选择性和通量。除了气体混合物和气体分离膜材料的某些组合的一些例外，较低的温度将增加选择性(表示为第二气体的渗透性与第一气体的渗透性之比)，同时降低第二气体穿过膜的通量。另一方面，较高的温度将降低选择性，同时增加通量。因为理想的分离以高选择性和高通量这两者来表征，所以在某些特定的应用之外，操纵膜或进气体温度本身并不显示是使用气体分离膜改善气体分离的令人满意的方式。
众所周知的是，气体混合物的较好分离通常通过增加进行预期分离的膜的膜表面积(也指增加膜计数)来实现。虽然以这种方式可以获得更大量的产品气体，不过由于气体分离膜通常是气体分离设施的主要资本支出部分，从而增加膜计数会使许多这样的应用变得不经济。换句话说，增加产品气体产量带来的增值被增加的膜计数的资本成本淹没。
因此，需要提供一种具有改进性能的气体分离方案，而不要求不令人满意地增加膜计数。
许多基于膜的分离的重要目标是提高产品气体(即第一气体)的回收率。考虑三级膜分离方案，其中第一(或进气)级的滞留物被送至第二(或滞留)级，产品气体构成来自第二级的滞留气体，来自第一级的渗透物被送至第三(或渗透)级，第二级渗透物和第三级滞留物这两者被再循环到第一级，并且第三级渗透物被排出。US 10,561,978公开了在这种方案的第一级和第二级中的每个中使用一部分滞留气体作为吹扫气体。然而，由于对压缩能量的需求增加，这是以增加运行支出为代价的，因为再循环的渗透物在被送至进气级之前必须被压缩。如果再循环流足够大，甚至可能需要使用更大的压缩机，并且相应地增加这种方案的资本支出。再有，因为第三级渗透物被排出并且没有再循环回到第一级，本领域普通技术人员将清楚地认识到US 10,561,978没有公开在第三级上同样使用吹扫气体，因为这将会降低产品气体中有价值的第一气体的回收率。
发明内容
公开了一种将包含第一气体和第二气体的气体混合物分离成富含该第一气体的第一产品气体和富含该第二气体的第二产品气体的方法。该方法包括以下步骤。在第一热交换器处冷却进气流。经冷却的进气流被送至第一气体分离膜组件，该第一气体分离膜组件在下面称为进气级。第一气体分离膜组件包括压力容器、至少一个管板、以及聚合物膜，该聚合物膜对第二气体比对第一气体具有选择性。进气级适于并且被配置为接收经冷却的进气流并且产生与进气相比富含第二气体的进气级渗透气体流、以及与进气相比富含第一气体的进气级滞留气体流。进气级渗透气体流和进气级滞留气体流从进气级撤出。进气级滞留气体流被送至第二气体分离膜组件，该第二气体分离膜组件在下面称为滞留级。第二气体分离膜组件包括压力容器、至少一个管板、以及聚合物膜，该聚合物膜对第二气体比对第一气体有选择性。滞留级适于并且被配置为接收进气级滞留气体流的剩余部分并且产生与进气级滞留气体流相比富含第二气体的滞留级渗透气体流、以及与进气级滞留气体流相比富含第一气体的滞留气体流。滞留级渗透气体流和滞留级滞留气体流从滞留级撤出。滞留级滞留气体流的至少一部分被回收作为第一产品气体。进气级渗透气体流被送至第三气体分离膜组件，该第三气体分离膜组件在下面称为渗透级。第三气体分离膜组件包括压力容器、至少一个管板、以及聚合物膜，该聚合物膜对第二气体比对第一气体有选择性。渗透级适于并且被配置为接收进气级渗透气体流并且产生与进气相比富含第二气体的渗透级渗透气体流、以及与进气相比富含第一气体的渗透级滞留气体流。渗透级滞留气体流和渗透级渗透气体流从渗透级撤出。渗透级滞留气体流的一部分被送至渗透级的渗透侧作为吹扫气体。气体混合物的流、滞留级渗透气体流、以及渗透级滞留气体流的剩余部分被组合和压缩，进气流由气体混合物、滞留级渗透气体、以及渗透级滞留气体流的剩余部分的经压缩和组合的流组成。渗透级渗透气体流可选地在进一步处理以从中除去一种或多种杂质之后要么被排出要么被回收作为第二产品气体。
还公开了一种将包含第一气体和第二气体的气体混合物分离成富含该第一气体的第一产品气体和富含该第二气体的第二产品气体的系统，该系统包括：第一热交换器，该第一热交换器适于并且被配置为冷却进气流；第一气体分离膜组件，该第一气体分离膜组件在下面称为进气级，可操作地与该第一热交换器相关联，该第一气体分离膜组件包括压力容器、至少一个管板、以及聚合物膜，该聚合物膜对该第二气体比对该第一气体有选择性，该进气级适于并且被配置为接收来自该第一热交换器的经冷却的进气流并且产生与进气相比富含该第二气体的进气级渗透气体流、以及与该进气相比富含该第一气体的进气级滞留气体流；第二气体分离膜组件，该第二气体分离膜组件在下面称为滞留级，可操作地与该进气级相关联，该第二气体分离膜组件包括压力容器、至少一个管板、以及聚合物膜，该聚合物膜对该第二气体比对该第一气体有选择性，该滞留级适于并且被配置为接收该进气级滞留气体流的剩余部分并且产生与该进气级滞留气体流相比富含该第二气体的滞留级渗透气体流、以及与该进气级滞留气体流相比富含该第一气体的滞留级滞留气体流，其中，该滞留级滞留气体流的至少一部分被回收作为该第一产品气体；第三气体分离膜组件，该第三气体分离膜组件在下面称为渗透级，可操作地与该进气级相关联，该第三气体分离膜组件包括压力容器、至少一个管板、以及聚合物膜，该聚合物膜对该第二气体比对该第一气体有选择性，该渗透级适于并且被配置为接收该进气级渗透气体流并且产生与该渗透级渗透气体流相比富含该第二气体的渗透级渗透气体流、以及与该进气级渗透气体流相比富含该第一气体的渗透级滞留气体流，其中，该渗透级滞留气体流的一部分被送至该渗透级的渗透侧作为吹扫气体；以及压缩机，该压缩机与该滞留级、该渗透级和该进气级可操作地相关联，该压缩机适于并且被配置为组合并压缩该气体混合物的流、该滞留级渗透气体流、以及该渗透级滞留气体流的剩余部分，其中，该进气流由该气体混合物、该滞留级渗透气体流、以及渗透级滞留气体流的经压缩和组合的流组成，并且该渗透级渗透气体流可选地在进一步处理以从中除去一种或多种杂质之后要么被排出要么被回收作为该第二产品气体。
所公开的方法和/或系统可以包括以下方面中的一个或多个：
-该进气级滞留气体流在被送至该滞留级之前在第二热交换器处进行冷却。
-该进气级渗透气体流在被送至该渗透级之前在第三热交换器处进行冷却。
-所撤出的滞留级滞留气体流的一部分不被回收作为该第一产品气体，而是在该滞留级处用作吹扫气体。
-所撤出的进气级滞留气体流的一部分不被送至该滞留级，而是在该进气级处用作吹扫气体。
-该气体混合物是包含50-70vol％的甲烷和20vol％至50vol％的二氧化碳的生物气，该第一气体是甲烷，以及该第二气体是二氧化碳。
-使用PSA、TSA或TPSA从气体混合物除去一种或多种杂质，其中，用被用作吹扫气体的渗透级滞留气体流的一部分稀释的渗透级渗透气体流在PSA、TSA或TPSA处用作再生气体。
-再生气体从PSA、TSA或TPSA撤出，在热氧化器处热氧化所撤出的再生气体，并且将经热氧化的再生气体从热氧化器排出。
-用被用作吹扫气体的渗透级滞留气体流的一部分稀释的渗透级渗透气体流被燃烧。
-该聚合物膜由聚酰亚胺制成并且具有至少8的第二气体/第一气体选择性。
-该气体混合物是包含甲烷和二氧化碳的天然气，该第一气体是甲烷，以及该第二气体是二氧化碳。
-空气冷却器可操作地与压缩机和热交换器相关联，并且适于和被配置为除去压缩机处的进气流的压缩产生的压缩热。
-该热交换器上游的经压缩的进气流的温度与该热交换器下游的经冷却的压缩进气流的温度之间的温度差为140-180°F。
-该热交换器上游的经压缩的进气流的温度与该热交换器下游的经冷却的压缩进气流的温度之间的温度差为30-80°F。
附图说明
为了进一步理解本发明的本质和目的，应结合附图来参考以下详细说明，在附图中相似元件给予相同或类似的附图标记，并且在附图中：
图1是本发明的实施例的示意图，其中送至进气级的进气流被冷却，并且用渗透级滞留物的一部分吹扫渗透级。
图2是图1的方案的变型，该变型还包括在进气级滞留物被送至滞留级之前冷却进气级滞留物。
图3是图2的方案的变型，该变型还包括在进气级渗透物被送至渗透级之前冷却该进气级渗透物。
图4是图3的方案的变型，该变型还包括使用滞留级滞留物的一部分来吹扫滞留级。
图5是图4的方案的变型，该变型还包括使用进气级滞留物的一部分来吹扫进气级。
图6是图2的方案的变型，该变型还包括使用滞留级滞留物的一部分来吹扫滞留级。
图7是图6的方案的变型，该变型还包括使用进气级滞留物的一部分来吹扫进气级。
图8是图2的方案的变型，该变型还包括使用进气级滞留物的一部分来吹扫进气级。
图9是图1的方案的变型，该变型还包括在进气级渗透物被送至渗透级之前冷却该进气级渗透物。
图10是图9的方案的变型，该变型还包括使用滞留级滞留物的一部分来吹扫滞留级。
图11是图10的方案的变型，该变型还包括使用进气级滞留物的一部分来吹扫进气级。
图12是图9的方案的变型，该变型还包括使用进气级滞留物的一部分来吹扫进气级。
图13是图1的方案的变型，该变型还包括使用滞留级滞留物的一部分来吹扫滞留级。
图14是图13的方案的变型，该变型还包括使用进气级滞留物的一部分来吹扫进气级。
图15是图1的方案的变型，该变型还包括使用进气级滞留物的一部分来吹扫进气级。
具体实施方式
包括第一气体和第二气体的气体混合物的分离可以使用三级气体分离膜组件改进，包括冷却被送至第一级的进气流和使用第三级滞留物的一部分作为第三级上的吹扫气体的附加技术。冷却进气流导致第一级的聚合物膜的操作温度降低。这种降低的操作温度增加了膜对第二气体比对第一气体的选择性。从现有技术的角度可以预期的第二气体的通量(生产率)损失可以通过用来自第三气体分离组件的滞留物的一部分吹扫该组件得到更大的补偿。令人惊讶的是，这两种技术的协同效果超过了本领域技术人员从单独冷却和单独吹扫的效果的组合中可能预期的效果。
气体混合物的第一气体和第二气体不受限制，只要本发明中使用的聚合物膜对第二气体比对第一气体有选择性即可。这意味着第二气体的渗透性与第一气体的渗透性之比大于一。典型地，选择性至少为8。优选地，选择性大于20，并且可以达到约25或30或甚至高于30。
尽管本发明的实施例的以下描述包括气体混合物(为生物气)特有的特征，但是本发明适用于包括第一气体和第二气体的任何其它气体混合物，其中与气体混合物相比，由基于膜的发明产生的第一产品气体富含第一气体，并且其中第二气体在聚合物膜中表现出比第一气体更高的渗透性(即，聚合物膜对第二气体比对第一气体有选择性)。例如，包含相似量的甲烷和二氧化碳的天然气流可以用本发明处理。另一示例是脱水，其中气体混合物包括第一气体(比如天然气中的甲烷)和水蒸气(作为第二气体)，并且膜对水比对第一气体(比如甲烷)有选择性。又进一步的示例是将来自空气的氮气和氧气分离成富含氮的第一产品气体(即富氮空气)和富含氧的第二产品气体(或废气)(即富氧空气)。
通过本发明用于分离的特定气体混合物是生物气，该生物气可选地被预先处理以除去一种或多种污染物。
生物气典型地是指在厌氧消化过程中，有机物在没有氧气的情况下分解而产生的不同气体的混合物(即，消化气)。生物气可以由比如农业废物、粪肥、城市废物、植物材料、污水、绿色废物或食品废物等原材料产生。生物气典型地包含50％-70％的甲烷(CH4)和20％到50％的二氧化碳(CO2)作为主要组分，以及较低量的其他组分，比如N2和O2、最多5,000ppm或更多的硫化氢(H2S)、硅氧烷、最多1,000-2,000ppm的挥发性有机化合物(VOC)，并且水饱和。生物气也指填埋气体(LFG)，填埋气体源自固体废物填埋场，这些固体废物填埋场随时间分解为有机废物，并且微生物消化各种有机废物，以产生甲烷和CO2以及上述多种分解产物。在任一种情况下，生物气包含高浓度的甲烷和二氧化碳、水蒸气、以及较低浓度的VOC和其他污染物。
虽然以下实施例的特征不时地涉及生物气特有的成分，但是这些实施例适用于如上所述的任何气体混合物的、根据本发明的分离。
在生物气(比如填埋气体或消化气)的情况下，原始生物气通常处于0-10psig的压力、50-120°F的温度，并且包含约50-70vol％的甲烷、20-50vol％的二氧化碳，不过有时观察到更低量的甲烷和更高量的二氧化碳，比如或差不多等量的甲烷和二氧化碳。来自填埋场的生物气通常在95°F左右，而来自消化池的生物气通常在120°F左右。可选地，可以对低压原始生物气进行初步处理步骤，以在主压缩机处压缩到气体混合物在第一级处被分离的压力之前对该原始生物气进行调节，或者刚好在主压缩机处压缩之后对原始生物气进行调节。如果原始生物气的压力不足以进行预期的初步净化步骤，则可以使用上游鼓风机或小型压缩机将原始生物气的压力提升到适用于这种初步净化步骤的压力。来自灰尘的颗粒可以使用机械过滤器被过滤掉。可以使用凝聚过滤器除去水和/或油滴。可以使用如变压吸附(PSA)、变温吸附(TSA)、变温压吸附(TPSA)、和/或非可再生吸附剂(比如活性炭)床的这样净化技术来除去比如H2S和/或挥发性有机化合物(VOC)等其他污染物。US 7,025,803公开了一种示例性初步处理。应该注意的是，如果原始生物气不包含对聚合物膜有害的或者水平超过产品气体的期需规格的污染物量，则不需要总是预先处理原始生物气以除去一种或多种污染物。
如图1中最佳示出的，在任何可选的初步净化步骤之后，气体混合物的流1在主压缩机5处与任何再循环气体一起被压缩，直到操作第一气体分离膜组件13的压力为止。取决于冷却器(比如空气冷却器)是否设置在压缩机的下游，压缩的并且可选地空气冷却的进气流8典型地处于160-240psig的压力、100-220°F的温度。
经压缩的进气流7在热交换器9(即冷冻器)处进行冷却。在热交换器9处，来自较高温度的进气流7的热传递到较低温度的传热流体。传热流体典型地是乙二醇和水的混合物，但是可以是任何适于在进气级13处将经压缩的进气流7冷却到预期温度的传热流体。经冷冻的压缩进气流11被冷却到尽可能低的温度，而不会导致气体混合物中的可冷凝组分冷凝或存在任何水的冻结。换句话说，经压缩的进气流7不应被冷冻到其露点。经冷冻的压缩进气流11典型地处在160-240psig的压力，以及处在30-80°F、通常40-70°F的温度。本领域普通技术人员将认识到，在未冷冻的压缩进气流7与经冷冻的压缩进气流11之间存在显著的温度差(30-180°F)。
设置在压缩机5下游的可选空气冷却器可以与本发明的热交换器9相区别。空气冷却器的目的是除去压缩机9产生的压缩热，而不是将进气流7冷却到明显低于预压缩温度。相反，热交换器9的目的是将压缩进气流7冷却到明显低于预压缩温度、并因此明显低于常规进气流的温度的温度。例如，在本发明中热交换器9下游的经冷却的压缩进气流11典型地仅在30-80°F的温度。因此，在空气冷却器设置在压缩机5下游的情况下，热交换器9上游的经压缩的进气流7与热交换器9下游的经冷却的压缩进气流11之间的温度差为30-80°F。当压缩机5与热交换器9之间不存在冷却器(比如空气冷却器)时，未冷冻的压缩进气流7的温度可以高达220°F。在这种情况下，热交换器9上游的经压缩的进气流7与热交换器9下游的经冷却的压缩进气流11之间的温度差高达140-180°F。
经冷冻的进气流11被送至第一气体分离膜组件13，该第一气体分离膜组件又称为进气级或第一级。第一气体分离膜组件包括压力容器、至少一个管板、以及聚合物膜，该聚合物膜对第二气体(比如二氧化碳)比对第一气体(比如甲烷)有选择性。本领域技术人员将认识到，这种气体分离膜组件13适于并且被配置为产生渗透气体流15和滞留气体流17。与进气流3相比，渗透气体流15(以下称为进气级渗透气体流15)富含第二气体，而第一气体较少。相反，与进气流3相比，滞留气体流17(以下称为进气级滞留气体流17)富含第一气体，而第二气体较少。
如气体分离膜领域中的典型的，进气级13可以包括多个平行布置的气体分离膜组件，其中，歧管用于将经冷却的压缩进气流11送至多个(气体分离膜组件)中的每一个，从多个中的每一个收集滞留气体流17，并且从多个中的每一个收集渗透气体流15。
尽管在气体分离膜领域中已知的对第二气体(比如二氧化碳)比对第一气体(比如甲烷)有选择性的聚合物膜的任何聚合物材料可以用于进气级13中，但是通常聚合物材料是聚酰亚胺。包括聚酰亚胺膜的特别合适的气体分离膜组件可以从美国特拉华州新港的液化空气先进分离公司获得。
进气级滞留气体流17典型地具有150-230psig的压力和30-60°F的温度。考虑包含50vol％的第一气体甲烷和50vol％的第二气体二氧化碳的气体混合物。在进气级13处分离这种气体混合物典型地会使得第一滞留气体流17具有约75vol％的甲烷和25vol％的二氧化碳，不过甲烷和二氧化碳的含量当然可以更高或更低，这取决于气体混合物的成分和聚合物膜的特定选择性。普通技术人员将认识到，进气级滞留物气流17的温度远低于典型地由常规膜方案展示出的进气级滞留物的温度。
进气级渗透气体流15典型地具有30-60psig的压力和40-70°F的温度。同样，考虑包含50vol％的甲烷和50vol％的二氧化碳的气体混合物。在进气级13处分离这种气体混合物典型地会使得进气级渗透气体流15具有约5vol％的甲烷和95vol％的二氧化碳，不过甲烷和二氧化碳的含量可以更高或更低，这也取决于气体混合物的成分和聚合物膜的选择性。
进气级滞留气体流17被送至第二气体分离膜组件23，该第二气体分离膜组件也称为滞留级或第二级。
类似于第一气体分离膜组件13，第二气体分离膜组件23包括压力容器、至少一个管板、以及聚合物膜，该聚合物膜对第二气体二氧化碳比对第一气体甲烷有选择性。本领域技术人员将认识到，这种气体分离膜组件适于并且被配置为产生对应的渗透气体流25和滞留气体流27。与进气级滞留气体流17相比，渗透气体流25(下面为第二渗透气体流)富含第二气体，而第一气体较少。相反，与进气级滞留气体流17相比，滞留级滞留气体流27(下面为第二滞留气体流)富含第一气体，而第二气体较少。
类似于进气级13，滞留级23可以包括多个平行布置的气体分离膜组件，其中，歧管用于将进气级滞留气体流17的剩余部分21送至多个(气体分离膜组件)中的每一个，从多个中的每一个收集滞留级滞留气体流27，并且从多个中的每一个收集滞留级渗透气体流25。
尽管在气体分离膜领域中已知的对第二气体(比如二氧化碳)比第一气体(比如甲烷)有选择性的聚合物膜的任何聚合物材料可以用于滞留级27中，但是通常聚合物材料是聚酰亚胺。包括聚酰亚胺膜的特别合适的气体分离膜组件可以从美国特拉华州新港的液化空气先进分离公司获得。例如，滞留级的聚合物膜可以具有相对高的生产率(即第二气体的通量)、以及与第一气体相比对第二气体的相对较低的选择性。
滞留级渗透气体流25被送至(即，再循环至)主压缩机5的抽吸入口，在此该滞留级渗透气体流与气体混合物的流1进行组合并且被压缩。使滞留级渗透气体流25再循环允许其中包含的大量第一气体被回收并且经受膜分离以如上所述除去第二气体量。
被回收的滞留级滞留气体流27构成第一产品气体并且可以积聚在缓冲箱中。可选地，它可以被进一步压缩到适合于填充以天然气为燃料的交通工具的箱的压力。可替代地，第一产品气体可以被进一步压缩并且注射到本地天然气网中。
进气级渗透气体流15被送至第三气体分离膜组件，该第三气体分离膜组件在下面称为渗透级。类似于第一气体分离膜组件13和第二气体分离膜组件23，第三气体分离膜组件31包括压力容器、至少一个管板、以及聚合物膜，该聚合物膜对第二气体二氧化碳比对第一气体甲烷有选择性。本领域技术人员将认识到，这种气体分离膜组件适于并且被配置为产生对应的渗透气体流33和滞留气体流35。与渗透级渗透气体流15相比，渗透气体流33(在下面为第二渗透气体流)富含第二气体，而第一气体较少。相反，与进气级渗透气体流15相比，滞留气体流35(在下面为渗透级滞留气体流)富含第一气体，而第二气体较少。
类似于第一气体分离膜组件13和第二气体分离膜组件23，渗透级31可以包括多个平行布置的气体分离膜组件，其中，歧管用于将进气级渗透气体流15送至多个(气体分离膜组件)中的每一个，从多个中的每一个收集渗透级滞留气体流35，并且从多个中的每一个收集渗透级渗透气体流33。
尽管在气体分离膜领域中已知的对第二气体(比如二氧化碳)比对第一气体(比如甲烷)有选择性的聚合物膜的任何聚合物材料可以用于渗透级27中，但是通常聚合物材料是聚酰亚胺。包括聚酰亚胺膜的特别合适的气体分离膜组件可以从美国特拉华州新港的液化空气先进分离公司获得。
对于包含甲烷和二氧化碳的气体混合物，渗透级渗透气体流33可以简单地燃烧。如果考虑到任何适用的环境法规，甲烷含量过高，则排出流在从热氧化器(TOX)排出之前可能首先在TOX中被热氧化。可替代地，排出流可以用作可能存在于主压缩机5上游的任何TSA、PSA或TPSA预先处理的再生气体。由再生产生的废气(包括来自第一气体分离膜组件的渗透气体流和来自TSA、PSA或TPSA的任何解吸杂质)通常在TOX中被热氧化，然后排出。
可替代地，渗透级渗透气体流33可以被回收作为富含第二气体的第二产品气体。
渗透级滞留气体流35的一部分37用作渗透级31的吹扫气体。本领域技术人员将认识到，利用吹扫的气体分离膜组件的配置在气体分离膜分离领域是众所周知的，并且在此不需要重复它们的细节。由于用一定量的渗透级滞留气体流35稀释的渗透级渗透气体流33中的第二气体的分压降低，所以穿过聚合物膜的更大的第二气体分压差使第二气体穿过膜的通量更大。因此，从进气级渗透气体流15除去第二气体尤其通过使用吹扫气体而得到增强。如上所述，渗透级31可以包括多个并联的气体分离膜组件。在这样的实施例中，各单个气体分离组件可以用由该单个组件产生的渗透级滞留气体流35的一部分37吹扫，或者可替代地，从渗透级31收集的进气滞留气体流35的一部分37可以经由歧管被提供至渗透级31的单独的气体分离膜组件中的每一个。
渗透级滞留气体流35的剩余部分39被送至(即，再循环至)主压缩机5的抽吸入口，在此该剩余部分与气体混合物的流1和滞留级渗透气体流25一起被组合和压缩。经组合和压缩的滞留级气体渗透气体流、气体混合物的流、以及渗透级滞留气体流的剩余部分构成在第一热交换器处进行冷却的进气流7。使滞留级渗透气体流25和渗透级滞留气体流35的剩余部分39这两者再循环允许其中包含的大量第一气体被回收并且经受膜分离以如上所述除去第二气体量。
如图2中最佳所示，进气级滞留气体流21可以在被送至滞留级23之前在第二热交换器22处进行冷冻。第二热交换器22可以可选地与第一热交换器9成一体。这种可选的冷冻不影响被送至滞留级23的剩余部分21的进气级滞留气体流17的成分，并且对压力只有很小的影响。这种可选的冷冻当然不是必需的，因为经压缩的进气流7的冷却不仅导致进气级13的聚合物膜的操作温度降低，还导致滞留级23的聚合物膜的操作温度降低。
如图3中最佳展示的，进气级滞留气体流21可以在被送至滞留级23之前在第二热交换器22处进行冷冻。另外，进气级渗透气体流15可以在被送至渗透级31之前在第三热交换器41处进行冷冻。第二热交换器22和/或第三热交换器41可以可选地与第一热交换器9成一体。
如图4中最佳所示，进气级滞留气体流21可以在被送至滞留级23之前在第二热交换器22处进行冷冻。另外，进气级渗透气体流15可以在被送至渗透级31之前在第三热交换器41处进行冷冻。第二热交换器22和/或第三热交换器41可以可选地与第一热交换器9成一体。另外，滞留级滞留气体流27的一部分28可以用作滞留级23的吹扫气体，以及剩余部分30被回收作为产品气体。由于用一定量的滞留级滞留气体流27稀释的滞留级渗透气体流25中的第二气体的分压降低，所以穿过聚合物膜的更大的第二气体分压差使第二气体穿过膜的通量更大。因此，从进气级滞留气体流17的部分21除去第二气体尤其通过使用吹扫气体而得到增强。
如图5中最佳展示的，进气级滞留气体流21可以在被送至滞留级23之前在第二热交换器22处进行冷冻。另外，进气级渗透气体流15可以在被送至渗透级31之前在第三热交换器41处进行冷冻。第二热交换器22和/或第三热交换器41可以可选地与第一热交换器9成一体。另外，滞留级滞留气体流27的一部分28可以用作滞留级23的吹扫气体，以及剩余部分30被回收作为产品气体。进一步地，进气级滞留气体流17的一部分19可以用作进气级13的吹扫气体。由于用一定量的渗透级滞留气体流17稀释的进气级渗透气体流15中的第二气体的分压降低，所以穿过聚合物膜的更大的第二气体分压差使第二气体穿过膜的通量更大。因此，从进气流3除去第二气体尤其通过使用吹扫气体而得到增强。
如图6中最佳所示，进气级滞留气体流21可以在被送至滞留级23之前在第二热交换器22处进行冷冻。第二热交换器22可以可选地与第一热交换器9成一体。另外，滞留级滞留气体流27的一部分28可以用作滞留级23的吹扫气体，以及剩余部分30被回收作为产品气体。
如图7中最佳展示的，进气级滞留气体流21可以在被送至滞留级23之前在第二热交换器22处进行冷冻。第二热交换器22可以可选地与第一热交换器9成一体。另外，滞留级滞留气体流27的一部分28可以用作滞留级23的吹扫气体，以及剩余部分30被回收作为产品气体。进一步地，进气级滞留气体流17的一部分19可以用作进气级13的吹扫气体。
如图8中最佳所示，进气级滞留气体流21可以在被送至滞留级23之前在第二热交换器22处进行冷冻。第二热交换器22可以可选地与第一热交换器9成一体。另外，进气级滞留气体流17的一部分19可以用作进气级13的吹扫气体。
如图9中最佳展示的，进气级渗透气体流15可以在被送至渗透级31之前在第三热交换器41处进行冷冻。第三热交换器41可以可选地与第一热交换器9成一体。
如图10中最佳所示，进气级渗透气体流15可以在被送至渗透级31之前在第三热交换器41处进行冷冻。第二热交换器41可以可选地与第一热交换器9成一体。另外，滞留级滞留气体流27的一部分28可以用作滞留级23的吹扫气体，以及剩余部分30被回收作为产品气体。
如图11中最佳展示的，进气级渗透气体流15可以在被送至渗透级31之前在第三热交换器41处进行冷冻。另外，滞留级滞留气体流27的一部分28可以用作滞留级23的吹扫气体，以及剩余部分30被回收作为产品气体。进一步地，进气级滞留气体流17的一部分19可以用作进气级13的吹扫气体。第三热交换器41可以可选地与第一热交换器9成一体。
如图12中最佳所示，进气级渗透气体流15可以在被送至渗透级31之前在第三热交换器41处进行冷冻。另外，进气级滞留气体流17的一部分19可以用作进气级13的吹扫气体。第三热交换器41可以可选地与第一热交换器9成一体。
如图13中最佳展示的，滞留级滞留气体流27的一部分28可以用作滞留级23的吹扫气体，以及剩余部分30被回收作为产品气体。
如图14中最佳所示，滞留级滞留气体流27的一部分28可以用作滞留级23的吹扫气体，以及剩余部分30被回收作为产品气体。另外，进气级滞留气体流17的一部分19可以用作进气级13的吹扫气体。
如图15中最佳展示的，进气级滞留气体流17的一部分19可以用作进气级13的吹扫气体。
当从气体混合物的三级分离的常规解决方案的角度看时，(通过冷却进气流)降低进气级的聚合物膜的操作温度和吹扫渗透级的组合效果产生了预期的优点。本领域技术人员理解，高组件生产率(即，第二气体的通量)和(对第二气体比对第一气体的)高选择性对于第一气体和第二气体的气体混合物的成本高效分离非常重要。本领域技术人员将理解，虽然降低聚合物膜的操作温度使(第二种气体相对于第一种气体的)选择性增加，但是生产率会降低到需要增加膜表面积(即，增加膜计数)的水平。增加膜计数会使商业项目在经济上不可行。即使本发明的进气流在被送至进气级之前被冷却，并且自身将需要更高的膜计数，但是通过吹扫渗透级所带来的生产率的提高超过了由冷却引起的生产率的降低。
本发明的技术效果出乎意料地令人惊讶，因为本领域的技术人员会拒绝这样的方案，这是由于明显的缺点是通过用一定量的滞留物吹扫渗透级而引起在产品气体中第一气体的回收损失。
计算机模拟
创建了具有50vol％的甲烷、48vol％的二氧化碳、0.5vol％的氧气和1.5vol％的氮气的生物气的标准两级膜分离的计算机模拟，目的是产生天然气管道质量的产品气体，该产品气体包含至少96vol％的甲烷、不超过1vol％的二氧化碳、不超过0.2vol％的氧气和不超过2.8vol％的氮气，同时维持(产品气体中)甲烷的95％回收率。
第一对比(基线)示例(I)不包括吹扫第三级(即，第三气体分离膜组件)和冷却进气流(即，冷却且吹扫)。
第二对比示例(II)包括吹扫第三级，但不包括冷却进气流(即吹扫但不冷却)。
第三对比示例(III)不包括吹扫第三级，但包括冷却进气流(即，冷却但不吹扫)。
本发明的示例(Inv)包括吹扫第三级和冷却进气流这两者(即，冷却且吹扫)。
对比示例和本发明的示例的进气流的温度(T进气)在表1中以°F的形式列出。第一级膜计数(MC 1)、第二级膜计数(MC 2)、第三级膜计数(MC 3)、总膜计数(MC T)、循环比率(RR)和压缩机负荷(CD)的特征在表1中以与第一对比(基线)示例展示的相同特征相比的百分比增加或百分比减少的形式列出。膜计数相当于膜表面积。循环比率是循环的第二渗透气体流的流速与被送至压缩机的气体混合物的流速的比率。压缩机负荷是压缩经组合的气体混合物和第二渗透气体流所需的压缩能量。
表1：计算机模拟结果
T<sub>进气</sub> MC 1 MC 2 MC 3 MC T RR CD
I 80 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
II 80 0.0 0.0 -17.5 -5.7 0.6 0.5
III 50 0.0 0.0 30.9 10.1 -2.5 -2.7
Inv 50 -1.1 -1.1 7.1 1.6 -2.5 -2.9
第二对比示例(II)(吹扫、但不冷却)表现出第一级膜计数(和总膜计数)的减少，这与现有技术的观点一致，但是也经历了循环流和压缩机负荷的增加。这转化为由于压缩机负荷增加而增加的运行费用。
第三对比示例(III)(冷却、但没有吹扫)经历了降低的循环比率和降低的压缩机负荷。然而，它与第二对比示例(II)相比对膜也表现出相同和相反的效果，使用吹扫导致第三级的膜计数显著增加，以及总膜计数增加。这转化为增加的资本支出和循环流(低OPEX)。
相反，与比较示例中的每个相比，本发明的示例实现了压缩机负荷的显著降低。尽管总膜计数需要适度增加，但是这转化为由于显著较低的压缩机负荷而明显较低的运行成本，该显著较低的压缩机负荷与针对循环气体流减少的压缩能量减少相关联。
虽然已经结合本发明的具体实施例描述了本发明，但显然，鉴于前述说明，许多替代方案、修改、和变化对于本领域技术人员将是清楚的。因此，旨在包含落入所附权利要求的精神和广泛范围内的所有此类替代方案、修改和变化。本发明可以适当地包含所披露的要素、由所披露的要素组成或基本上由所披露的要素组成，并且可以在不存在未披露的要素下实施。此外，如果存在涉及顺序的语言，例如第一和第二，应在示例性意义上、而不是在限制性意义上进行理解。例如，本领域技术人员可以认识到，可以将某些步骤组合成单一步骤。
单数形式“一个/种(a/an)”和“该”包括复数个指示物，除非上下文另外清楚地指出。
权利要求书中的“包括(comprising)”是开放式过渡术语，其是指随后确定的权利要求要素是无排他性的清单，即，其他任何事物可以附加地被包括并且保持在“包括”的范围内。“包括”在此被定义为必然包含更有限的过渡术语“基本上由……组成”和“由……组成”；因此，“包括”可以由“基本上由……组成”或“由……组成”代替，并且保持在“包括”的明确限定的范围内。
权利要求中的“提供”被定义为是指供给、供应、使可获得或制备某物。该步骤可以相反地由任何行动者在权利要求中没有明确的语言的情况下执行。
可选的或可选地是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生。本说明包括其中所述事件或情况发生的实例以及其中所述事件或情况不发生的实例。
在本文中范围可以表述为从约一个具体值和/或到约另一个具体值。当表述这样的范围时，应理解的是另一个实施例是从一个具体值和/或到另一个具体值、连同在所述范围内的所有组合。
在此确定的所有参考文件各自特此通过引用以其全文结合到本申请中，并且是为了具体的信息，引用各个参考文件以获得具体信息。

Claims (13)

1.一种将包含第一气体和第二气体的气体混合物分离成富含该第一气体的第一产品气体和富含该第二气体的第二产品气体的方法，所述方法包括以下步骤：
在第一热交换器处冷却进气流；
将经冷却的进气流送至第一气体分离膜组件，该第一气体分离膜组件在下面称为进气级，该第一气体分离膜组件包括压力容器、至少一个管板、以及聚合物膜，该聚合物膜对该第二气体比对该第一气体有选择性，该进气级适于并且被配置为接收该经冷却的进气流并且产生与进气相比富含该第二气体的进气级渗透气体流、以及与该进气相比富含该第一气体的进气级滞留气体流；
从该进气级撤出该进气级渗透气体流和该进气级滞留气体流；
将该进气级滞留气体流送至第二气体分离膜组件，该第二气体分离膜组件在下面称为滞留级，该第二气体分离膜组件包括压力容器、至少一个管板、以及聚合物膜，该聚合物膜对该第二气体比对该第一气体有选择性，该滞留级适于并且被配置为接收该进气级滞留气体流的剩余部分并且产生与该进气级滞留气体流相比富含该第二气体的滞留级渗透气体流、以及与该进气级滞留气体流相比富含该第一气体的滞留级滞留气体流；
从该滞留级撤出该滞留级渗透气体流和该滞留级滞留气体流；
回收该滞留级滞留气体流的至少一部分作为该第一产品气体；
将该进气级渗透气体流送至第三气体分离膜组件，该第三气体分离膜组件在下面称为渗透级，该第三气体分离膜组件包括压力容器、至少一个管板、以及聚合物膜，该聚合物膜对该第二气体比对该第一气体有选择性，该渗透级适于并且被配置为接收该进气级渗透气体流并且产生与该进气级渗透气体流相比富含该第二气体的渗透级渗透气体流、以及与该进气级渗透气体流相比富含该第一气体的渗透级滞留气体流；
从该渗透级撤出该渗透级滞留气体流和该渗透级渗透气体流；
将该渗透级滞留气体流的一部分送至该渗透级的渗透侧作为吹扫气体；以及
组合并压缩该气体混合物的流、该滞留级渗透气体流、以及该渗透级滞留气体流的剩余部分，该进气流由该气体混合物、该滞留级渗透气体流、以及该渗透级滞留气体流的剩余部分的经压缩和组合的流组成，其中，该渗透级渗透气体流可选地在进一步处理以从中除去一种或多种杂质之后要么被排出要么被回收作为该第二产品气体。
2.如权利要求1所述的方法，其中，该进气级滞留气体流在被送至该滞留级之前在第二热交换器处进行冷却。
3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，该进气级渗透气体流在被送至该渗透级之前在第三热交换器处进行冷却。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所撤出的滞留级滞留气体流的一部分不被回收作为该第一产品气体，而是在该滞留级处用作吹扫气体。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所撤出的进气级滞留气体流的一部分不被送至该滞留级，而是在该进气级处用作吹扫气体。
6.如权利要求1所述的方法，其中，该气体混合物是包含50-70vol％的甲烷和20vol％至50vol％的二氧化碳的生物气，该第一气体是甲烷，以及该第二气体是二氧化碳。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括使用PSA、TSA或TPSA从该气体混合物除去一种或多种杂质的步骤，其中，用被用作吹扫气体的该渗透级滞留气体流的一部分稀释的该渗透级渗透气体流在该PSA、TSA或TPSA处用作再生气体。
8.如权利要求7所述的方法，进一步包括从该PSA、TSA或TPSA撤出该再生气体的步骤、在热氧化器处热氧化所撤出的再生气体的步骤、以及将经热氧化的再生气体从该热氧化器排出的步骤。
9.一种将包含第一气体和第二气体的气体混合物分离成富含该第一气体的第一产品气体和富含该第二气体的第二产品气体的系统，该系统包括：
第一热交换器，该第一热交换器适于并且被配置为冷却进气流；
第一气体分离膜组件，该第一气体分离膜组件在下面称为进气级，可操作地与该第一热交换器相关联，该第一气体分离膜组件包括压力容器、至少一个管板、以及聚合物膜，该聚合物膜对该第二气体比对该第一气体有选择性，该进气级适于并且被配置为接收来自该第一热交换器的经冷却的进气流并且产生与进气相比富含该第二气体的进气级渗透气体流、以及与该进气相比富含该第一气体的进气级滞留气体流；
第二气体分离膜组件，该第二气体分离膜组件在下面称为滞留级，可操作地与该进气级相关联，该第二气体分离膜组件包括压力容器、至少一个管板、以及聚合物膜，该聚合物膜对该第二气体比对该第一气体有选择性，该滞留级适于并且被配置为接收该进气级滞留气体流的剩余部分并且产生与该进气级滞留气体流相比富含该第二气体的滞留级渗透气体流、以及与该进气级滞留气体流相比富含该第一气体的滞留级滞留气体流，其中，该滞留级滞留气体流的至少一部分被回收作为该第一产品气体；
第三气体分离膜组件，该第三气体分离膜组件在下面称为渗透级，可操作地与该进气级相关联，该第三气体分离膜组件包括压力容器、至少一个管板、以及聚合物膜，该聚合物膜对该第二气体比对该第一气体有选择性，该渗透级适于并且被配置为接收该进气级渗透气体流并且产生与该进气级渗透气体流相比富含该第二气体的渗透级渗透气体流、以及与该进气级渗透气体流相比富含该第一气体的渗透级滞留气体流，其中，该渗透级滞留气体流的一部分被送至该渗透级的渗透侧作为吹扫气体；以及
压缩机，该压缩机与该滞留级、该渗透级和该进气级可操作地相关联，该压缩机适于并且被配置为组合并压缩该气体混合物的流、该滞留级渗透气体流、以及该渗透级滞留气体流的剩余部分，其中，该进气流由该气体混合物、该滞留级渗透气体流、以及渗透级滞留气体流的经压缩和组合的流组成，并且该渗透级渗透气体流可选地在进一步处理以从中除去一种或多种杂质之后要么被排出要么被回收作为该第二产品气体。
10.如权利要求9所述的系统，其中，该进气级滞留气体流在被送至该滞留级之前在第二热交换器处进行冷却。
11.如权利要求9或权利要求10所述的系统，其中，该进气级渗透气体流在被送至该渗透级之前在第三热交换器处进行冷却。
12.如权利要求9所述的系统，其中，所撤出的滞留级滞留气体流的一部分不被回收作为该第一产品气体，而是在该滞留级处用作吹扫气体。
13.如权利要求9所述的系统，其中，所撤出的进气级滞留气体流的一部分不被送至该滞留级，而是在该进气级处用作吹扫气体。
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