專利名稱：從空氣中回收氮氣的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種借助讓空氣通過一氣體分離膜的手段從空氣中回收氮氣的方法和一種適合于實施這種類型的方法的裝置。
這種類型的一種方法已披露于Th.Johannessen等人的論文“基于膜分離技術的氮氣發(fā)生器”的第207-210頁中。更具體地說，具有7-100巴(7×105～1×107帕)，如30巴(3×106帕)高壓的空氣首先被過濾，以除去粒徑大于1μm的顆粒，如油質顆粒等，然后讓凈化的空氣經過一個或多個氣體分離單元。由空心纖維構成的膜被置于這些氣體分離單元中，“堅牢的”(“fast”)分子如水蒸汽，氦，二氧化碳，還有氧通過在所述的膜中的擴散被從原料流中部分除去，結果一方面獲得了一種濃縮的、特別是氧(滲透物)的產品，另一方面得到了一種富含氮的產品(保留物(retentate))。所述膜的空心纖維具有復合型式，即雙層結構，表層塑料層控制滲透，內層塑料層對膜提供物理強度。操作溫度在0℃-85℃的范圍內。然而，在這種情況下，應指出或顯示出的是氣體分離裝置的效率和容量在高壓和高溫下可以明顯地增加。
意想不到的是已發(fā)現如果讓溫度在20℃以下的空氣通過空心聚-(2，6-二甲基-對-亞苯基氧化物)纖維(空心PPO纖維)膜，則在序言中定義過的方法就能有利地得以實施，并且可回收到作為保留物獲得的氮氣。
特別地，已發(fā)現如果要處理的空氣的溫度較低的話，則對于空心PPO纖維膜來說氧相對氮的分離系數會很明顯地增加。
本發(fā)明的方法優(yōu)選在10℃至-40℃的溫度范圍內進行，更特別地是在0℃至-25℃范圍內進行。
本發(fā)明的方法的優(yōu)點取決于當空心PPO纖維膜處于低溫時對分離效率的改進。借助于這一較好的分離效率，每一定數量的產品因而只需要較小數量的用作原料的壓縮空氣，因此所述的裝置只需要一較小的壓縮機，或是能源消耗量較低。此外，本發(fā)明的方法提供了一種獲得較純產品也就是說一種在低溫下，在其它相同條件下富含氮氣的產品的可能性。
含有用于本發(fā)明方法的空心PPO纖維的單元尤其為那些在歐洲專利EP-B0298531中定義的單元，該單元含有一束不對稱的空心PPO纖維，這種纖維的平均分子量Mw為105-5×106，優(yōu)選為2×105-8×105，這種不對稱空心PPO纖維具有厚度為0.1～5μm，優(yōu)選為0.1-1μm的緊密表層。至于上述非常薄的表層，為了完整性起見，應指出的是其為能影響實際上的氣體分離的這樣一種層。更準確地說，空心PPO纖維如

圖1a所示，而多孔纖維壁的局部斷面，包括所述空心纖維的表層，如圖1b所示。在圖1b中，(a)表示壁的多孔狀內側，(b)為緊密的壁外側或表層。在這種情況下，應該指出的是通過改善制備空心PPO纖維的工藝條件也有可能在空心纖維的內側上施加所述的緊密表層。根據本發(fā)明方法的需要而降低用作原料的空氣的溫度可以通過本領域技術人員已知的任何方法來實現。例如，空氣溫度可以通過機械冷卻來降低，但優(yōu)選用液體冷卻劑如使用液氮。液氮特別適合用于較大型的裝置中，這是因為空氣冷卻后獲得的氣態(tài)氮可以簡單地與依據本發(fā)明的方法得到的最終產品混合，這樣可以得到一個具有很高氮含量的產品。
關于術語“空氣”，應該指出的是其不僅用于表示“環(huán)境空氣”，也表示那些具有適當的氮含量和低氧含量的廢氣，如由化學過程等產生的未完全消耗掉的燃燒氣體。
用于本發(fā)明裝置的壓縮機將吸進來的空氣的壓力升高了，通常升到5～100巴(5×105-1×107帕)或甚至更高。然而，壓力為5～15巴(5×105-1.5×106帕)的壓縮空氣是優(yōu)選使用的。
本發(fā)明還涉及所獲得的氮氣，其僅含有0.1-5%V/V的O2，優(yōu)選含有0.5-2.5%V/V的O2。所述的氮氣可以用于不同的領域，如制備黑色及有色金屬材料，如鋁壓制件，冷軋鋼等等。
本發(fā)明還包括適合于實施上述定義的方法的裝置，這種類型的裝置包括一空氣吸入管線，一與該管線相連的壓縮機和一個或多個氣體分離單元，這些單元按順流方向連接并且含有以空心PPO纖維為基礎的薄膜，最后的單元裝有供輸出得到的氮氣的排放管線，其特征在于在所述的裝置上裝有冷卻裝置，至少裝在最終的氣體分離單元的上游。所述的冷卻裝置優(yōu)選含有液氮，或是一個機械冷卻器。
附圖簡要說明圖1a為不對稱空心PPO纖維的示意圖。
圖1b為不對稱空心PPO纖維壁的局部斷面示意圖，(a)表示壁的多孔狀內側，(b)表示薄的、緊密的壁外側或表層。
圖2為適合實施本發(fā)明方法的裝置示意圖，其中1表示一壓縮機，2和3為用于去除液態(tài)水，塵和油質顆粒的過濾器，4，5，6和7為氣體分離單元，8含有液態(tài)N2的貯罐，9熱交換器。
圖3為一個含有空心PPO纖維10的氣體分離單元。該氣體分離單元備有一個入口11，一個保留物的出口12和一個滲透物的出口13。
圖4為適合于實施本發(fā)明方法的另一個裝置的示意圖，其中14表示用于壓縮空氣的原料輸送管線，15第一氣體分離單元，16第一單元的保留物管線，17第一單元的滲透物管線，該管線與管線18相連，19熱交換器，20來自熱交換器19的排放管線，其通向熱交換器21，22來自熱交換器21的排放管線，其通向熱交換器23，以及24為來自熱交換器23的排放管線，其通向第二氣體分離單元25，26為來自于第二單元的滲透物管線，其反回到熱交換器21，27為來自第二單元的保留物管線，其反回到熱交換器19，28表示用于輸出得到的氮氣的排放管線，29表示含有液氮并且與熱交換器23相連的貯罐。
圖5表示在+20℃和-20℃下在實施例Ⅰ中進行的試驗的結果曲線圖。
以下結合附圖用實施例進一步說明本發(fā)明的方法，但這并不意味著對本發(fā)明的任何限制。
實施例Ⅰ在本實施例中采用如圖2所示的裝置。在這種情況下，壓縮機1(功率額定值0.5kW)按3∶1的比例吸進20℃的環(huán)境空氣和來自氣體分離單元7的滲透物。所述的滲透物具有比環(huán)境空氣低的氧含量(15%V/V)，因而可以降低吸進的混合物中的氧含量的百分比。借助于過濾器2除去液態(tài)水，油質及塵埃顆粒，使被壓縮到8巴(8×105帕)的氣體混合物得以凈化。經壓縮的氣體混合物流進氣體分離單元4的空心纖維中(也可參見圖3)。所述的單元4含有一ADU膜(Aqua-tech.Environmental，Bend(OR)，USA)，這種膜對水蒸汽具有高選擇性，也就是說其很容易讓水蒸汽通過，但很難讓氧和氮滲透過去。來自單元5和單元6的滲透物被輸送到所述膜的低壓一邊(滲透物邊)。所述的滲透物吸收了由單元4的膜滲透出的水蒸汽。
具有低水分含量的氣體混合物(空氣)是從單元4作為保留物得到的并在熱交換器9中使用從貯罐8流出的液氮冷卻至-20℃。讓冷卻的氣體混合物(空氣)通過第二過濾器，以除去冷凝的水蒸汽。在過濾器3中處理過的氣體混合物通過該過濾器被送入氣體分離單元5，該單元含有一具有5m2的分離表面積的膜，該膜以具有6×105的Mw和0.2μm厚的緊密表層的不對稱空心PPO纖維為基礎。來自單元5的保留物被送入氣體分離單元6，該單元同樣包含一具有5m2的總分離表面積和以具有6×105的Mw和0.2μm厚的緊密表層的不對稱空心PPO纖維為基礎的膜。來自單元6的滲透物如上所述被送入單元5的滲透側，然后再到單元4的滲透側。來自單元6的保留物則被送入氣體分離單元7，該單元同樣包含一具有5m2的分離表面積和以具有6×105的Mw和0.2μm厚的緊密表層的不對稱空心PPO纖維為基礎的膜。來自單元7的保留物最終與由熱交換器9得到的氮氣一起作為終產品被輸出，而滲透物則如上所述被送入壓縮機1。
為了說明本發(fā)明的有意效果，重復上述試驗，但并未將+20℃的氣體混合物冷卻至-20℃。結果列于下面的表A和表B中;回收率由下述的商數值獲得回收率＝ (生產的氮氣)/(引入的空氣)
表A
表B
實施例2本實施例所用的裝置如圖4所示。壓力為8巴、溫度為5℃的壓縮空氣(200l/min)通過管線14流進第一氣體分離單元15，該單元包含一具有12m2的分離表面積和以具有6×105的Mw和0.2μm厚的緊密表層的不對稱空心PPO纖維為基礎的膜。該單元將所述的壓縮空氣分離成一股富氧氣流17(氣流18被加進該氣流中)和一股低氧含量的氣流16。所述的氣流16使單元15處于較低的溫度下，這是因為該氣流通過單元15被冷卻了，單元15利用氣流18起到了一個熱交換器的作用。此外，低氧含量的氣流16被干燥了。因此單元15具有三種功能，即(a)冷卻壓縮空氣流;
(b)從壓縮空氣流中除去水蒸汽，以及(c)從壓縮空氣流中除去(部分)氧。
然后，氣流16在熱交換器19中利用溫度在-20℃左右的氣流27進一步得到冷卻。由熱交換器19得到的氣流20在熱交換器21中利用溫度為-20℃的氣流26得到冷卻。為了盡可能快速地使終產品28升溫，需慎重地選擇熱交換順序，氣流18被用來冷卻單元15中的氣流14。
空氣流22借助熱交換器23中的液氮得到冷卻，使氣流24溫度為-20℃左右并被送入氣體分離單元25，該單元包含一具有12m2的分離表面積和以具有6×105的Mw和0.2μm厚的緊密表層的不對稱空心PPO纖維為基礎的膜。由單元25出來的、流速為70 l/min的保留物氣流27的氧含量為0.5%V/V的O2。由單元25出來的滲透物氣流26被送入熱交換器21用以冷卻空氣流20。
權利要求
1.一種借助讓空氣通過一氣體分離膜的手段從空氣中回收氮氣的方法，其特征在于讓溫度在20℃以下的空氣通過空心PPO纖維膜，并回收作為保留物得到的氮氣。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于該方法在10℃至-40℃的溫度范圍內進行。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于該方法在0℃至-25℃的溫度范圍內進行。
4.如權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于用液態(tài)N2冷卻所述的空氣。
5.如權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于借助一機械冷卻裝置來冷卻所述的空氣。
6.如權利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于使用壓力為5-100巴的空氣。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于使用壓力為5-15巴的空氣。
8.如權利要求1至7中任一項所述的方法，其特征在于所回收的是含有0.1-5%V/V的氧的氮氣。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于所回收的是含有0.5-2.5%V/V的氧的氮氣。
10.一種適合于從空氣中回收氮氣的裝置，包括一條空氣吸入管線;一臺與所述的吸入管線相連的壓縮機和一個或多個分離單元，最后的單元裝有供輸出氮氣的排放管線，其特征在于所述的裝置裝有一個至少處于最后的氣體分離單元的上游的冷卻裝置，所述的單元含有空心PPO纖維膜。
11.如權利要求10所述的裝置，其特征在于所述的冷卻裝置含有液態(tài)N2。
12.如權利要求10所述的裝置，其特征在于所述的冷卻裝置為一機械冷卻器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種從空氣中回收氮氣的方法，該方法借助讓溫度為20℃以下的空氣通過一由空心聚-(2，6-二甲基-對-亞苯基氧化物)纖維(空心PPO纖維)制成的氣體分離膜而完成。更具體地說該膜由一具有平均分子量10
文檔編號B01D53/22GK1083447SQ9311657
公開日1994年3月9日 申請日期1993年9月1日 優(yōu)先權日1992年9月4日
發(fā)明者庫斯特斯·阿諾德斯·彼得勒斯·瑪麗亞, 范登胡根·鮑勃, 迪邦特·約翰尼斯·馬塞爾斯 申請人:迪拉爾干燥和空氣處理技術有限公司