專利名稱：膜法氣體分離器組用于氣體置換時的操作方法
技術領域：
本發明涉及膜法氣體分離技術，特別是將膜法氣體分離器組用于氣體置換時的操作方法。
石化、冶金等行業中，為保證安全并防止氧化等有害化學過程的發生，廣泛使用富氮空氣作為設備的置換氣。置換的目的不同，對置換氣純度的要求也不一樣。用于石化設備的置換氣，一般要求氮含量為99.5%或更高。
膜法富氮是氣體膜分離的重要應用領域。但限于目前高分子膜的分離性能，單級富氮只適合于生產較低純度的富氮氣(≥98%)。欲使富氮濃度更高，單級分離的氮回收率將嚴重下降，所需膜面積迅速增大，故一般不用單級膜分離抽取更高純度富氮氣。R.Prasad在U.S.Pat.5，102，432中描述了用三級膜分離從空氣富氮的過程。在所述的三級膜分離器組中，他將第二級的滲透氣返回到第一級的進料氣中，將第三級的滲透氣返回到第二級的進料氣中，可提高膜分離過程的氮回收率，并得到較高純度的富氮氣。但是，欲使第三級的滲透氣返回到第二級的進料氣，須加壓，故增加了設備投資和操作費用。此外，在氣體置換開始時，不必用高濃度的富氮氣，故該專利所述的多級膜分離富氮過程不適合作氣體置換氣氣源。
本發明的目的在于提供一種操作方法，使得將膜法氣體分離器組用于氣體置換時，在不增加設備投資和操作費用的情況下，得到較高濃度的富氮氣。
本發明提供的膜法氣體分離器組用于氣體置換時的操作方法，其特征在于-開始置換時，2～20根分離器并聯為一段使用，流經被置換設備的置換氣排入大氣，以獲得較大流量，純度較低的富氮氣(一段開放);
-在置換后期，將分離器組分為兩段串聯使用，流經被置換設備的置換氣被引到壓縮機進口并循環使用，同時壓縮機進口補充空氣，以獲得較高濃度的富氮氣。
由于一段滲透氣量較大，為充分發揮第二段分離器的作用，當進行循環置換時，第二段膜面積小于第一段膜面積。另外第二段的滲透氣也可以被引到壓縮機進口循環使用，這是因為第二段分離器的原料氣氮濃度較高，相對于空氣而言，其滲透氣是富氮的，將它作為一段分離器原料氣的一部分，能適當增加氮收率，降低能耗。總之，本發明提供的一段開放/兩段循環置換工藝在開放置換時能提供較大流量，較低純度(97%左右)的富氮氣，使待置換設備內盡快達到95%的氮濃度;在置換后期，通過二段循環置換又能得到99.5%以上的富氮氣。該置換工藝的優點在于分離器組中各分離器在開放置換和循環置換中都充分發揮了作用。此外，從一段開放轉為二段循環流程，操作簡單方便，不增加壓縮機功耗及其它投資、操作費用。下面通過實施例詳述本發明。
附
圖1，由四根膜分離器組成的一段開放二段循環設備氣體置換流程示意圖。
實施例1如圖1所示，膜分離器組由四根膜分離器組成。通過閥門1～7的適當組合，它們可方便地組成用于開放置換的一段并聯流程(四根并聯)，或用于循環置換的兩段串聯流程(三并一串)見表1
所用的分離器為中空纖維膜分離器，其分離性能和標準操作條件為氧滲透系數;3.5×10-5cm3/cm2·s·cmHg氧/氮分離系數3.7原料氣側壓力0.8MPa滲透氣側壓力0.1MPaφ200×3000mm分離器膜面積400M2，處理空氣量110NM3/hr。
按本發明公開的一段開放/兩段循環方式操作，在開放置換時，四根分離器并聯，可產生97%的富氮空氣135NM3/hr，可使待置換設備內氮濃度盡快達到95%。在循環置換時，三根分離器作為第一段，一根分離器作為第二段，第二段的滲透氣返回壓縮機進口，這樣可得到99.7%富氮氣40NM3/hr，或99.8%富氮氣35NM3/hr。
實施例2 有待置換設備容積260M3，要求置換到氮含量99.5%。所用富氮分離器組由8根φ200×3000mm分離器組成，每根器面積400M2。膜性能和操作條件同例1。
Jo2＝3.5×10-5cm3/cm2·s·cmHg，O2/N2分離系數α＝3.7;操作條件原料氣側壓力0.8MPa，滲透氣側壓力0.1MPa。
以上8根器并聯可獲97%富氮氣260M3(STP)/hr，或99.8%富氮氣64M3(STP)/hr。若直接用99.8%富氮氣置換，可計算出置換時間為t1＝(260/64)ln[(99.8-79)/(99.8/99.5)]＝17.3(hr)若先用8根器并聯(即一段開放置換)制取97%富氮氣進行置換，則置換到95%濃度耗時t2＝(260/260)ln[(97-79)/(97-95)]＝2.2(hr)再將6根器并聯為第一段，2根器并為第二段進行循環置換至99.5%濃度，須耗時t3＝(260/80)ln[(99.8-95)/(99.8/99.5)]＝9.0(hr)t2+t3＝11.2(hr)即一段開放/二段循環置換所需時間。
實施例3 有待置換設備容積100M3，要求置換到氮含量97.5%。所用膜分離器組由10根φ100×3000mm分離器組成，每根器面積100M2。膜性能Jo2＝2×10-5cm3/cm2·s·cmHg，O2/N2分離系數α＝4.5;操作條件為原料氣側壓力0.8MPa，滲透氣側壓力0.1MPa。
以上條件下，10根器并聯產生95%富氮氣90.6M3(STP)/hr，或98%富氮氣47.7M3(STP)/hr。若直接用98%富氮氣置換，須耗時t1＝(100/47.7)ln[(98-79)/(98/97.5)]＝7.6(hr)若用本專利申請書公開的方法，可先用10根器并聯(一段)產生95%富氮氣進行置換，可置換到94%，耗時t2＝(100/90.6)ln[(95-79)/(95-94)]＝3.0(hr)再將7根分離器并聯組成一段，3根分器組成第二段，可獲98.6%富氮氣36.7M3(STP)/hr，置換到97.5%須耗時t3＝(100/36.7)ln[(98.6-95)/(98.6-97.5)]＝3.2(hr)t2+t3＝6.2(hr)，即一段開放/二段循環置換法所需時間。
權利要求
1.一種膜法氣體分離器組用于氣體置換時的操作方法，其特征在于--開始置換時，2～20根分離器并聯為一段使用，流經被置換設備的置換氣排入大氣，以獲得較大流量，純度較低的富氮氣(一段開放)；--在置換后期，將分離器組分為兩段串聯使用，流經被置換設備的置換氣被引到壓縮機進口并循環使用，同時壓縮機進口外充空氣，以獲得較高濃度的富氮氣。
2.按權利要求1所述膜分離富氮操作方法，其特征在于其中兩段分離器串聯操作時，第二段的滲透氣被引到壓縮機進口并循環使用。
3.按權利要求1，2所述膜分離富氮操作方法，其特征在于當進行循環置換時，第二段膜面積小于第一段膜面積。
全文摘要
一種膜法氣體分離器組用于氣體置換時的操作方法，其特征在于開始置換時，2～20根分離器并聯為一段使用，流經被置換設備的置換氣排入大氣，以獲得較大流量，純度較低的富氮氣(一段開放)；在置換后期，將分離器組分為兩段串聯使用，流經被置換設備的置換氣被引到壓縮機進口并循環使用，同時壓縮機進口補充空氣，以獲得較高濃度的富氮氣。本發明可以在不增加設備投資和操作費用的情況下，得到較高濃度的富氮氣。
文檔編號B01D69/08GK1098023SQ93115710
公開日1995年2月1日 申請日期1993年7月30日 優先權日1993年7月30日
發明者蔣國梁, 徐仁賢, 陳華 申請人:中國科學院大連化學物理研究所