专利名称：膜法气体分离器组用于气体置换时的操作方法
技术领域：
本发明涉及膜法气体分离技术，特别是将膜法气体分离器组用于气体置换时的操作方法。
石化、冶金等行业中，为保证安全并防止氧化等有害化学过程的发生，广泛使用富氮空气作为设备的置换气。置换的目的不同，对置换气纯度的要求也不一样。用于石化设备的置换气，一般要求氮含量为99.5%或更高。
膜法富氮是气体膜分离的重要应用领域。但限于目前高分子膜的分离性能，单级富氮只适合于生产较低纯度的富氮气(≥98%)。欲使富氮浓度更高，单级分离的氮回收率将严重下降，所需膜面积迅速增大，故一般不用单级膜分离抽取更高纯度富氮气。R.Prasad在U.S.Pat.5，102，432中描述了用三级膜分离从空气富氮的过程。在所述的三级膜分离器组中，他将第二级的渗透气返回到第一级的进料气中，将第三级的渗透气返回到第二级的进料气中，可提高膜分离过程的氮回收率，并得到较高纯度的富氮气。但是，欲使第三级的渗透气返回到第二级的进料气，须加压，故增加了设备投资和操作费用。此外，在气体置换开始时，不必用高浓度的富氮气，故该专利所述的多级膜分离富氮过程不适合作气体置换气气源。
本发明的目的在于提供一种操作方法，使得将膜法气体分离器组用于气体置换时，在不增加设备投资和操作费用的情况下，得到较高浓度的富氮气。
本发明提供的膜法气体分离器组用于气体置换时的操作方法，其特征在于-开始置换时，2～20根分离器并联为一段使用，流经被置换设备的置换气排入大气，以获得较大流量，纯度较低的富氮气(一段开放);
-在置换后期，将分离器组分为两段串联使用，流经被置换设备的置换气被引到压缩机进口并循环使用，同时压缩机进口补充空气，以获得较高浓度的富氮气。
由于一段渗透气量较大，为充分发挥第二段分离器的作用，当进行循环置换时，第二段膜面积小于第一段膜面积。另外第二段的渗透气也可以被引到压缩机进口循环使用，这是因为第二段分离器的原料气氮浓度较高，相对于空气而言，其渗透气是富氮的，将它作为一段分离器原料气的一部分，能适当增加氮收率，降低能耗。总之，本发明提供的一段开放/两段循环置换工艺在开放置换时能提供较大流量，较低纯度(97%左右)的富氮气，使待置换设备内尽快达到95%的氮浓度;在置换后期，通过二段循环置换又能得到99.5%以上的富氮气。该置换工艺的优点在于分离器组中各分离器在开放置换和循环置换中都充分发挥了作用。此外，从一段开放转为二段循环流程，操作简单方便，不增加压缩机功耗及其它投资、操作费用。下面通过实施例详述本发明。
附
图1，由四根膜分离器组成的一段开放二段循环设备气体置换流程示意图。
实施例1如图1所示，膜分离器组由四根膜分离器组成。通过阀门1～7的适当组合，它们可方便地组成用于开放置换的一段并联流程(四根并联)，或用于循环置换的两段串联流程(三并一串)见表1
所用的分离器为中空纤维膜分离器，其分离性能和标准操作条件为氧渗透系数;3.5×10-5cm3/cm2·s·cmHg氧/氮分离系数3.7原料气侧压力0.8MPa渗透气侧压力0.1MPaφ200×3000mm分离器膜面积400M2，处理空气量110NM3/hr。
按本发明公开的一段开放/两段循环方式操作，在开放置换时，四根分离器并联，可产生97%的富氮空气135NM3/hr，可使待置换设备内氮浓度尽快达到95%。在循环置换时，三根分离器作为第一段，一根分离器作为第二段，第二段的渗透气返回压缩机进口，这样可得到99.7%富氮气40NM3/hr，或99.8%富氮气35NM3/hr。
实施例2 有待置换设备容积260M3，要求置换到氮含量99.5%。所用富氮分离器组由8根φ200×3000mm分离器组成，每根器面积400M2。膜性能和操作条件同例1。
Jo2＝3.5×10-5cm3/cm2·s·cmHg，O2/N2分离系数α＝3.7;操作条件原料气侧压力0.8MPa，渗透气侧压力0.1MPa。
以上8根器并联可获97%富氮气260M3(STP)/hr，或99.8%富氮气64M3(STP)/hr。若直接用99.8%富氮气置换，可计算出置换时间为t1＝(260/64)ln[(99.8-79)/(99.8/99.5)]＝17.3(hr)若先用8根器并联(即一段开放置换)制取97%富氮气进行置换，则置换到95%浓度耗时t2＝(260/260)ln[(97-79)/(97-95)]＝2.2(hr)再将6根器并联为第一段，2根器并为第二段进行循环置换至99.5%浓度，须耗时t3＝(260/80)ln[(99.8-95)/(99.8/99.5)]＝9.0(hr)t2+t3＝11.2(hr)即一段开放/二段循环置换所需时间。
实施例3 有待置换设备容积100M3，要求置换到氮含量97.5%。所用膜分离器组由10根φ100×3000mm分离器组成，每根器面积100M2。膜性能Jo2＝2×10-5cm3/cm2·s·cmHg，O2/N2分离系数α＝4.5;操作条件为原料气侧压力0.8MPa，渗透气侧压力0.1MPa。
以上条件下，10根器并联产生95%富氮气90.6M3(STP)/hr，或98%富氮气47.7M3(STP)/hr。若直接用98%富氮气置换，须耗时t1＝(100/47.7)ln[(98-79)/(98/97.5)]＝7.6(hr)若用本专利申请书公开的方法，可先用10根器并联(一段)产生95%富氮气进行置换，可置换到94%，耗时t2＝(100/90.6)ln[(95-79)/(95-94)]＝3.0(hr)再将7根分离器并联组成一段，3根分器组成第二段，可获98.6%富氮气36.7M3(STP)/hr，置换到97.5%须耗时t3＝(100/36.7)ln[(98.6-95)/(98.6-97.5)]＝3.2(hr)t2+t3＝6.2(hr)，即一段开放/二段循环置换法所需时间。
权利要求
1.一种膜法气体分离器组用于气体置换时的操作方法，其特征在于--开始置换时，2～20根分离器并联为一段使用，流经被置换设备的置换气排入大气，以获得较大流量，纯度较低的富氮气(一段开放)；--在置换后期，将分离器组分为两段串联使用，流经被置换设备的置换气被引到压缩机进口并循环使用，同时压缩机进口外充空气，以获得较高浓度的富氮气。
2.按权利要求1所述膜分离富氮操作方法，其特征在于其中两段分离器串联操作时，第二段的渗透气被引到压缩机进口并循环使用。
3.按权利要求1，2所述膜分离富氮操作方法，其特征在于当进行循环置换时，第二段膜面积小于第一段膜面积。
全文摘要
一种膜法气体分离器组用于气体置换时的操作方法，其特征在于开始置换时，2～20根分离器并联为一段使用，流经被置换设备的置换气排入大气，以获得较大流量，纯度较低的富氮气(一段开放)；在置换后期，将分离器组分为两段串联使用，流经被置换设备的置换气被引到压缩机进口并循环使用，同时压缩机进口补充空气，以获得较高浓度的富氮气。本发明可以在不增加设备投资和操作费用的情况下，得到较高浓度的富氮气。
文档编号B01D69/08GK1098023SQ93115710
公开日1995年2月1日 申请日期1993年7月30日 优先权日1993年7月30日
发明者蒋国梁, 徐仁贤, 陈华 申请人:中国科学院大连化学物理研究所