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CN104797322B - 采用膜的气体分离装置的气体组成控制 - Google Patents

采用膜的气体分离装置的气体组成控制 Download PDF

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Abstract

本发明涉及控制包括膜分离级的气体分离装置的方法、由此控制的装置及其用于分离气体混合物，尤其是在生物气或天然气或合成气处理中的用途。

Description

采用膜的气体分离装置的气体组成控制
技术领域
本发明涉及控制气体分离装置的方法、由此控制的装置及其用于分离气体混合物，尤其是在生物气或天然气处理中的用途。
背景技术
膜已知用于借助其可以在压力驱动法中将气体相对容易地互相分离。气体在此以低花费，但多数也以产物的较低纯度彼此分开。尤其当在气体混合物的情况下二元混合物的两种组分都要以尽可能纯形式分离时，与简单的单级互连布置的情况(其中例如只必须以一定纯度制备渗余物组分，而渗透物可以弃置(例如由空气生产氮气))相比，需要对膜的技术布置和工艺的控制投入更大的花费。例如二氧化碳和甲烷(例如在天然气或生物气中)的分离需要这种提高的花费，其中甲烷首先作为有价值的材料应当尽可能进入到产物气体中以由此实现最大增值，并应当以尽可能低的浓度存在于废气中，因为甲烷是对气候有害的气体并且不应进入大气。在合成气分离成一氧化碳和氢的情况下也存在类似的任务提出。
各组分在膜的渗余物侧和渗透物侧之间的分压差是用膜分离二元气体混合物的经典分离中的分离驱动力。在此，在渗余物侧上的一定压力水平下，可驱使一定量的气体混合物穿过该膜以获得较慢的组分在渗余物气体中的一定浓度。如果这时进料气的组成改变，则渗余物气体和渗透物气体的组成也会改变。在进料气量改变时，该系统发生相同的改变。通常，取渗余物气体和/或渗透物气体中的浓度变化作为控制变量，并因此调节进料气量或渗余物压力以重新建立渗透物和/或渗余物中的所需浓度。这种控制方案的实例可见于例如EP 1 324 815、US 4,806,132和US 5,281,253。
如以上所提到，经常使用多级膜互连布置以分离尽可能纯的最终产物。其实例可见于WO 2012/000727、US 6,565,626和US 6,168,649。
在单级或渗余物分级的两级或三级互连布置中产物流中的浓度调节无法在这两种浓度不互相影响的情况下进行。如果改变例如渗余物产物流中的渗余物压力(＝该系统的主压力或运行压力)，则渗余物的组成以及渗透物的组成都改变。类似的情况也适用于进料气量的改变。
如申请WO2012000727 A1中所已经公开的三级互连布置的使用允许在分离甲烷和CO2的混合物中使甲烷以高于99％的收率纯化，其中渗余物气体和渗透物气体的纯度明显超过97％。这种方法中因此在三级互连布置中分离至少两种组分的气体混合物，以在该气体混合物是二元混合物时可以相对较纯的形式分离两种组分。但是，如果在此方法中粗气体的组成改变或如果要处理更大或更少量的粗气体，则渗余物气体和渗透物气体的组成在每种情况下会显著改变，这是不合意的。因此，将这种气体分离装置连接到例如生物气装置上是成问题的。这是因为如果通过主压力(＝运行压力或渗余物产物流中的压力或渗余物产物气体压力)的改变对抗控制进料流中的变化，则渗余物体积流量也会改变。这在许多情况中是不合意的，因为在这些情况中将气体送入输送线路而后者需要最小压力以及经常还是最小和/或最大体积。因此在现有技术中(例如在EP 1 324 815中)部分提议在产物流中安装另一压缩机以调节输送线路的压力。这在能量方面不利并且就控制技术而言昂贵并不方便，因此商业吸引力较小。此外，如上文解释，三级互连布置中无法通过调节主压力来独立于渗余物品质地影响渗透物品质。
因此仍然非常需要气体混合物分离的装置和/或其控制，其可连接到具有变动的粗气体组成、压力和量的气体源上并可以同时以高纯度、以恒定品质和恒定的产物气体压力输出至少两种产物。
发明内容
本发明的一个目的因此是提供控制气体分离装置的方法和由此控制的气体分离装置，其不具有或仅以降低的程度具有现有技术方法和装置的缺点。
一个特定目的是提供各自能够同时以高纯度输出至少两种产物的方法和装置。
一个非常特定的目的是提供即使粗气体组成和/或压力和/或量变化时也能够同时以高纯度输出至少两种产物的方法和装置。这种装置或这种方法更特别还应允许优选在连续运行中提供恒定的品质，即在窄变动范围内。
本发明的方法或装置在一个特定目的中应该特别灵活且渗余物和渗透物品质应该可以彼此独立地控制。在一个非常特定的目的中，应该可以改变该装置的产能，例如以顺应粗气流的变化，而不必开通或关闭膜面和/或改变主压力(渗余物产物气流的压力)，以获得无需额外再压缩就适合用作气体输送线路的优选连续的进料的产物气流。
本发明的控制系统应该优选简单并任选地可集成在现有装置中。
从本说明书、实施例、权利要求书和附图的整体关联可看出没有明确提及的其它目的。
通过根据权利要求1和17的装置或通过根据权利要求9的方法实现了本发明的目的。
本发明的方法和本发明的装置的特征在于，它们是一种膜互连布置，其包含至少进料流分离级1、渗余物分离级2和渗透物分离级3，其中渗余物分离级2的第二渗透物流9a+9b和渗透物分离级3的第三渗余物流10a+10b再循环并与粗气流混合。通过控制这两个流9a和10a的流量和因此控制渗余物分离级2的渗透物压力和/或渗透物分离级3的渗余物压力，令人惊讶地成功实现所述目的。
本发明人由此成功地提供一种方法和一种装置，在其中可以彼此独立地控制渗余物分离级2和渗透物分离级3的产物流的纯度和收率。甚至在粗气流波动的情况下也可获得非常高的收率以及同时非常好的纯度。
采用本发明的方法还可以使主压力(渗余物分离级2的渗余物压力)保持恒定，使得本发明的装置无需附加压缩装置就可连接到气体输送线路。
本发明的装置特别好地适合用于处理来自生物气装置的粗气流。在这种类型的装置中，生成的粗气体的量和粗气体的组成极常改变。本发明的控制系统无问题地补偿这些波动。
本发明的调控系统简单并可集成在现有气体分离装置中。
本发明的方法也灵活，因为可以独自或一起使用多种不同种类的传感器。可以利用料流的组成调控分离级2和3中的压力，就像向这些分离级供应的料流的流量那样。特别地，在使用流量传感器的情况下，由此可以在校准后提供有利、快速、准确和简单的方法。
因此本发明提供根据权利要求1和17的装置和根据权利要求9的方法。在从属权利要求中要求保护优选实施方案。
下面详细描述本发明。首先定义一些重要的术语。
各气体的渗透性的比率得到膜对关于这两种气体的分离的选择性并因此表明该膜能够多么有效地将气体混合物关于这两种组分进行分开。术语“渗透物”是指在膜、膜组件或膜分离步骤的低压侧上生成的整个料流。
渗透物气体是指膜上、膜组件上或膜分离步骤中各自在渗透物流中与各自的进料流相比富集的一种或多种组分。
渗余物是指在膜、膜组件或膜分离步骤的高压侧上生成并且未穿过膜的整个料流。
渗余物气体是指膜上、膜组件上或膜分离步骤中各自在渗余物流中与各自的进料流相比富集的一种或多种组分。
粗气体或粗气体混合物或粗气流17是指至少两种气体的气体混合物或这种气体混合物的料流，其要使用本发明的方法和/或本发明的装置分离。
进料流5是指向进料流分离级1供给的气流。在该方法的实施开始时，这种料流可对应于粗气流17或通过压缩机压缩的粗气流。在第二渗透物流9b和第三渗余物流10b再循环后，进料流5由粗气流17、第二渗透物流9b和第三渗余物流10b的气体构成。可通过料流9b和10b都与未压缩的粗气流17混合或都与压缩的粗气流混合或一种与未压缩的粗气流混合且一种与压缩的粗气流混合，或通过料流9b和/或10b在压缩机中与粗气流17混合来获得进料流5。上述变化方案的组合也构成的本发明的主题。
进料流分离级1是指用于将进料流5分离成第一渗透物流6和第一渗余物流7的膜分离级。
渗余物分离级2是指用于将第一渗余物流7分离成第二渗透物流9a+9b和第二渗余物流8的膜分离级，其在构造上可以与进料流分离级1相同或不同。
渗透物分离级3是指用于将第一渗透物流6分离成第三渗透物流11和第三渗余物流10a+10b的膜分离级(其构造可以与进料流分离级1和/或渗余物分离级2相同或不同)。
借助本发明方法的下述优选和具体实施方案以及优选和特别合适的实施方式以及附图和附图说明仅仅例示性地进一步阐述本发明；也就是说，本发明不限于这些实施例和应用例或不限于各实施例内的各自的特征组合。
与具体的实施例相关地指出和/或描述的独立特征不限于这些实施例或不限于与这些实施例的其余特征的组合，而是可以在技术可能性的范围内与任何其它变化方案组合，即使在本文中它们没有单独论述。
各图和附图图示中相同的标记是指相同或类似的部件或以相同或类似的方式工作的部件。借助附图中的描绘，也可明显看出无标记的那些特征，无论随后是否描述这些特征。另一方面，本说明书中包括的但在附图中不可见或没有描绘的特征也是本领域技术人员可容易理解的。
本发明涉及一种气体分离装置，其包括作为膜分离级的至少进料流分离级1、渗余物分离级2和渗透物分离级3，以及至少一个压缩机4和/或至少一个，优选一个或两个真空泵，
其中
所述进料流分离级1将由至少两种组分构成的进料流5分离成第一渗透物流6和第一渗余物流7，
所述渗余物分离级2将所述第一渗余物流7分离成第二渗透物流9a+9b和作为产物取出或进一步加工的第二渗余物流8，其中9a代表在所述控制装置18上游和在所述渗余物分离级2下游的分流且9b代表在所述控制装置18下游的分流，并将所述分流9b供应至所述进料流5，
所述渗透物分离级3将所述第一渗透物流6分离成第三渗余物流10a+10b和作为产物取出或进一步加工或弃置的第三渗透物流11，其中10a代表在所述控制装置19上游并在所述渗透物分离级3下游的分流且10b代表在所述控制装置19下游的分流，并将所述分流10b供应至所述进料流5。
本发明的装置的特征在于
-所述第二渗透物流9a+9b包含至少一个渗透物控制装置18，借此可以提高或降低所述渗余物分离级2的渗透物压力并基于所述第一渗余物流7中的一个或多个测量装置20a和/或所述第二渗余物流8中的一个或多个测量装置20b的测量值控制，
和/或
-所述第三渗余物流10a+10b包含至少一个渗余物控制装置19，借此可以提高或降低所述渗透物分离级3的渗余物压力并基于所述第一渗透物流6中的一个或多个测量装置21a和/或所述第三渗透物流11中的一个或多个测量装置21b的测量值控制。
本发明的方法或本发明的装置的特征在于将其设计使得甚至在与第二渗透物流9b和第三渗余物流10b一起供应至进料流5的粗气流17的组成或量或压力变动的情况下，通过本发明的控制系统也能确保两个产物气流8和11的保持不变的收率和品质。在此必须特别强调的是，可以彼此独立地调控产物气流8和11的纯度；即不同于现有技术的方法，对这两个产物流的纯度和收率的调控成功地脱开。布置在回流9a+9b和10a+10b中的根据本发明使用的控制装置18和19用于此目的。
“控制装置”在本发明的上下文中应被理解为是指能够提高或降低回流9a和10a中的压力的仪器、结构部件、装置或装置部件。可能的控制装置的非排他性列举包括：降压或升压阀、气体卸压装置、真空泵、鼓风机、压缩装置，尤其是压缩机。
用测量装置20a、20b、21a和21b测定的测量值调节控制装置18和19。
在本发明的第一个优选实施方案中，测量装置20b和21b测定产物流8和11的参数，例如气流中的一种或多种组分的含量。根据所用测量装置而定，可以用测量装置20b和21b在线或离线测定产物气流8和/或11的参数。在线测量是优选的，因为调节可因此更快进行。本领域技术人员知道合适的测量装置。但是，它们优选是能够就一种或多种组分测量气流的组成的气体测量仪器，尤其是在气流中直接测量的在线测量仪器(例如通过红外吸收或声速、密度、Coreolis(科里奥利))，和根据相同测量原理的外部测量仪器，其从料流中取样并连续或非连续地对其测量。这些具有可非常快测定组成并可即时将其用作调控系统中的输入变量的优点。
如果发生粗气体的组成改变或粗气流17和/或进料流5的量或压力改变，则在不存在任何反控制的情况下，产物流8和11的性质，例如组成也会改变。通过测量装置20b和21b记录相应的变化并经由控制装置18和19引发反控制装置，因此可以调控本发明的装置以使得产物气流8和11的性质，尤其是组成，再次回到预定范围/区域。本发明的装置在此允许同时调控这两个产物气流8和11，但是也允许使这两个料流中的仅一个保持在预定区域内。
因此，在本发明的这种第一个优选实施方案中，本发明提供如下方法，其中根据一个或多个下列备选方案控制本发明的装置：
i.所述第二渗余物流8的较难渗透组分B的浓度(任选也通过与其相关的参数测定)落到低于预定的规定值，因此通过所述渗透物控制装置18降低所述第二渗透物流9a的压力直至所述参数，特别是所需浓度，再次回到规定范围内。
ii.所述第二渗余物流8的较难渗透组分B的浓度(任选也通过与其相关的参数测定)升到高于预定的规定值，因此通过所述渗透物控制装置18提高所述第二渗透物流9a的压力直至所述参数，特别是所需浓度，再次回到规定范围内。
iii.所述第三渗透物流11的较难渗透组分B的浓度(任选也通过与其相关的参数测定)落到低于预定的规定值，因此通过所述渗余物控制装置19提高所述第三渗余物流10a的压力直至所述参数，优选所需浓度，再次回到规定范围内。
iv.所述第三渗透物流11的较难渗透组分B的浓度(任选也通过与其相关的参数测定)升到高于预定的规定值，因此通过所述渗余物控制装置19降低所述第三渗余物流10a的压力直至所述参数，特别是所需浓度，再次回到规定范围内。
在第二个优选实施方案中，本发明的装置包括测量装置20a和21a。测量装置20a和21a分别测定第一渗余物流7和第一渗透物流6的参数，例如体积流量。在这一实施方案中，因此不分析产物流8和11的性质，而是向第二或第三膜分离级供应的气流的性质。
如果发生粗气流17或进料流5的组成波动或量或压力改变，则在不存在任何反控制的情况下，这会分别影响第一渗透物流6和第一渗余物流7的性质，例如组成或量和压力。测量装置20a和21a记录相应的变化。通过装置的校准能将第一渗透物流6的这些性质与第三渗透物流11(第二产物流)的性质相关联和将第一渗余物流7的性质与第二渗余物流8(第一产物流)的性质相关联。因此，也可采用测量装置20a和21a调控这两个产物流8和11的性质，尤其是组成和收率。这又利用控制装置18和19实现。对产物气流8和11的组成的控制在这一实施方案中也脱开，并且可以彼此独立地调控。第二渗余物流8(第一产物流)和第三渗透物流11(第二产物流)的性质在这种情况下应被理解为是指可在相应料流上测量并要借助本发明的装置保持在一定范围内或调节至其中的参数。特别优选涉及相应产物流的组成和/或压力和/或量或体积流量，因为这些参数必须在一定界限范围内以将产物气体送入管道。这些性质或参数在本文中也被称作与第一渗余物流7或第一渗透物流6的各自体积流量相关的性质。
如已经解释的那样，在本发明的这一实施方案中首先必须一次性校准该装置。但是，这种最初的多花费和不便通过在校准后例如可实现料流6和7的简单流量测量(这比例如连续监测产物气流8和11的组成更快且更便宜)而过度补偿。
下文使用带有本发明的三级互连布置的生物气装置作为一个实例阐释校准的基本原理。本发明的装置的校准可以如下进行：
首先，确定第三渗透物流11和第二渗余物流8中的较慢渗透组分B的规定浓度。然后，改变例如粗气流17的组成，并使用测量装置20a和21a测定第一渗余物流7和第一渗透物流8的目标参数(在这种示例性校准中为体积流量)的变化。平行地，使用测量装置20b和21b经由例如气体传感器测定第三渗透物流11和第二渗余物流8的组成变化。此外，测量渗余物分离级2的渗透物压力和渗透物分离级3的渗余物压力。利用控制装置18和19，可以改变所述渗透物或渗余物压力直至再次达到第三渗透物流11和第二渗余物流8中的组分B的规定浓度。这时可以将第一渗余物流7的测得体积流量对照渗余物分离级2的渗透物压力绘图和将第一渗透物流6的体积流量对照渗透物分离级3的渗余物压力绘图。图2中举例显示必须如何调节渗余物分离级2的渗透物中的压力以保持渗余物流8中的较难渗透组分B的浓度恒定。必须提到，粗气流的气体组成在此造成这些曲线的平行移位。这在图2中也可看出，其中标示对于三种不同的粗气体组成(44、55和65％组分B)渗余物分离级2的必要渗透物压力对第一渗余物流7的体积流量的曲线轨迹。如可以看出的那样，结果是对于各粗气体组成得到各自分开的曲线。
如果分离的目标仅是确保第二渗余物流8中的较差渗透组分B的最低限度的品质，则为简化本发明的方法，可免去测定对于粗气体的较差渗透物的不同浓度的各种曲线并仅使用采用更易渗透组分A的最高浓度的操作曲线操作。或者，可以仅使用采用较差渗透组分B的最低浓度的操作曲线。当粗气体中的较差渗透组分B的浓度提高时，实际上必须提高级2的渗透物压力以使级2的渗余物气体中的较差渗透组分B的浓度保持恒定。当没有适应性调节该压力时，级2的渗余物中组分B的浓度提高，但在使用在粗气体中组分B的最低浓度下的校准直线时它总是高于指定的最低规定值。尽管在渗余物流8的情况中产生多个在不同粗气体组成下的曲线，但渗透物分离级3的渗余物压力对第一渗透物流6的体积流量的数据可以在一个曲线上(例如见图3)。
通过使用对所得曲线推导的数学函数，在此可以仅通过使用测量装置20a和/或21a测量体积流量，也在不使用测量装置20b和21b进行产物流中的浓度的更昂贵和不方便的测量的情况下，确保该装置的快速控制，即使粗气体组成改变或要处理更多的粗气体。
对于处理变动量的粗气体有利的是，压缩机的控制系统(控制装置)接收来自生物气装置的料位计(例如气袋或发酵罐中的压力)或来自粗气流17中的传感器的信号。随后也可以控制压缩机以保持粗制生物气的规定料位。该装置随后自己根据上述调节机理调节。下文中提供关于这一优选实施方案的细节。
优选流量计(质量或体积)用作测量装置20a和/或21a。可以由测量装置20a和21a在线或离线测定参数。在线测量是优选的。本领域技术人员知道合适的测量装置。
本发明在这一实施方案中因此提供如下方法，其中优选根据一个或多个下列备选方案控制本发明的装置：
v.所述第一渗余物流7的体积流量(任选也通过与其相关的参数测定)升到高于预定的规定值，因此通过所述渗透物控制装置18降低所述第二渗透物流9a的压力直至根据校准曲线达到必需压力且因此所述第二渗余物流8的所需性质，优选所述第二渗余物流8的组成，再次回到规定范围内，
vi.所述第一渗余物流7的体积流量(任选也通过与其相关的参数测定)降到低于预定的规定值，因此通过所述渗透物控制装置18提高所述第二渗透物流9a的压力直至基于校准曲线达到必需压力且因此所述第二渗余物流8的所需性质，优选所述第二渗余物流8的组成，再次回到规定范围内，
vii.所述第一渗透物流6的体积流量(任选也通过与其相关的参数测定)升到高于预定的规定值上，因此通过所述渗余物控制装置19提高所述第三渗余物流10a的压力直至基于校准曲线达到必需压力且因此所述第三渗透物流11的所需性质，优选所述第三渗透物流11的组成，再次回到规定范围内，
viii.所述第一渗透物流6的体积流量(任选也通过与其相关的参数测定)降到低于预定的规定值，因此通过所述渗余物控制装置19降低所述第三渗余物流10a的压力直至基于校准曲线达到必需压力且因此所述第三渗透物流11的所需性质，优选所述第三渗透物流11的组成，再次回到规定范围内。
本发明的装置和本发明的方法的一个巨大优点在于最高度可变的装置产能，即可变地控制装置生产能力并使其顺应对产物气体的需求的可能性。如已提到，这可以在不开通或关闭膜面的情况下实现。在本发明的一个优选实施方案中，为此通过改变所述压缩机4的输送体积来提高或降低本发明的装置的装置生产能力，并根据方法备选方案i或ii抵消所述第二渗余物流8中所述较难渗透组分B的浓度的由此引起的改变，和/或根据方法备选方案iii或iv抵消所述第三渗透物流11中所述较难渗透组分B的浓度的由此引起的改变，和/或根据方法备选方案v或vi抵消所述第一渗余物流7的流量的由此引起的改变，和/或根据方法备选方案vii或viii抵消所述第一渗透物流6的流量的由此引起的改变。
上述方法i至viii可以互相组合，和/或可以使用混合形式。测量装置20a、20b、21a或21b是指独立的测量仪器、设备等，以及多个仪器、设备等的组合或组合连接体。测量装置20a、20b、21a或21b可以在各种方法备选方案中以灵活方式互相组合。例如，测量装置20a可以与测量装置20b一起使用以调节渗透物控制装置18。在这种情况中，存在备用测量系统，其使得可以互相监控并保护测量系统。由此可以确定例如测量装置何时已失效。本发明的相应实施方案也可以由本领域技术人员从本发明的说明书和实施例中容易找出，并且也包含在本发明内。
根据所用测量和/或控制装置及其数量，可以有利地在测量和控制装置之间连接至少一个数据处理装置(未显示在附图中)，优选至少一个计算机。由此可容易地中央调控本发明的装置或本发明方法和记录和协调各种测量值或调节步骤。相应的技术解决方案可购得和/或是本领域技术人员已知的并共同包括在本发明的范围内。
在本发明的方法中特别优选在所述第一渗余物流7和/或所述第一渗透物流6中使用流量计作为测量装置20a和/或21a。
同样特别优选在所述第二渗余物流8和/或所述第三渗透物流11中使用在线或离线测量装置20b和/或21b测定相应的气体混合物的组成。除如上所述通过控制装置18和19控制料流9a+9b和10a+10b外，本发明还包括在该装置或在该方法中进行再另外的控制或调节的实施方案。
在另一优选实施方案中，本发明的装置包括控制装置24(未显示在附图中)，其调节压缩机4的性能(Leistung)，优选其转速和因此其输送体积。变频器是对此的一个实例。
采用该控制装置优选调节压缩机的性能以适应要分离的粗气体的量(例如发酵罐中的生物气产量)或要生产的产物气体(例如渗余物流8中的甲烷流)的量。可以例如在粗气体中间存储器的料位指示计上或以发酵罐中的粗气体压力读出粗气体(例如来自生物气装置的粗生物气)的产量变化。如果发酵罐中的料位或压力上升，则可以通过提高压缩装置的转速来提高该膜分离装置的分离能力。由此可以使发酵罐中的压力或中间存储器中的料位保持恒定或降低。如果与此相反，中间存储器中的料位或发酵罐中的压力降低，则可以通过降低压缩机的转速来降低该膜分离装置的分离能力并由此使中间存储器中的料位或发酵罐中的压力保持恒定或降低。在由压缩机的转速改变得到的进料体积流量5改变的情况下，得到渗余物流8和渗透物流11的组成改变。本发明的一个巨大优点在于，可通过本发明中的上文所述调节机理预防这种改变。通过为了产物气体的产量和品质的这种根据本发明的装置控制，在此能够彼此独立地控制该装置的分离能力和产物气流8和11的组成。因此，在不必适应性调节分离级1和2中的渗余物压力并且不必开通或关掉膜面的情况下，可经由控制装置18和19借助压缩机的控制装置在一定范围内改变该装置的产能，而不改变料流8和11中的产物气体品质。
这种产能灵活性可局限于一定范围的压缩机转速和因此粗气体输送体积，其取决于该装置的设计，尤其是在分离级中的压力、各分离级1、2和3中的膜的面积比方面，特别是在控制装置18和19和它们的与各自的气流9a和10a中的压力调节中的带宽方面。如果例如渗透物流9a中的最小可能的压力为0.3巴(绝对)(bara)，则这是进料气体积流量5的限制性参数。进料气体积流量5的进一步提高意味着渗余物流8中较慢组分B的浓度会降到低于规定值并因此不再可保持该装置的所需操作点。在渗透物9a中的压力不再能比例如环境压力更进一步提高的情况中同样如此。这种压力在此限制进料体积流量5的降低，因为进料体积流量5的进一步降低的情况下较难渗透组分B在渗余物8中的含量升到高于规定值。
“控制装置”在本文中应被理解为是指压缩机的控制单元，其控制压缩机的性能，优选其转速。可以构造这种控制装置以使其处理来自粗气流17和/或上游的存储器或生产装置中的传感器的测量数据。例如，来自测量装置的信号然后可以控制压缩装置的变频器。相应的压缩机和检查或控制装置可购得并且是本领域技术人员已知的。
采用上述实施方案，即压缩机性能控制和适应性调节，可确保该膜分离装置的分离能力顺应粗气体产量和/或产物气体8和11的必要量的要求。通过控制装置18和19补偿由粗气体17的不同加工量及其组成变动得出的料流8和11的气体组成波动。
在另一优选实施方案中，构造本发明的装置以通过调节来自粗气流17的粗气体的供应量来平衡(优选自动地)来自所述第二渗透物流9b和/或所述第三渗余物流10b的再循环气体的变化量。这特别优选在在此不改变所述压缩机的转速的情况下进行。这允许使用更简单且更便宜的不可调节压缩机。
这一实施方案中在此可以使用第二渗透物流9b和/或第三渗余物流10b中的气体传感器、体积或质量流量计或压力计作为测量装置22和23。优选通过粗气流中的粗气流控制装置25控制粗气体的进料量。粗气流控制装置必须能够替代缺失量(＝压缩装置的吸气量与再循环流9b和10b总量之差)。这例如通过将粗气流控制装置构造为压缩装置4吸入侧上的压力测量装置来实现。通过这种压力测量装置控制的剂量装置(例如可调节的模拟阀或鼓风机或压缩单元)随后可通过粗气体17的不同进给量保持压力恒定。如果粗气体处于符合压缩机的吸气压力规格的压力下，则也可以由压缩机直接吸入除回流9b和10b外还需要的粗气体量，而不需要额外的粗气体控制装置17。在此也可以在测量装置22和23以及粗气流控制装置25之间连接数据处理装置。
原则上，上述数据处理装置可涉及不同装置，即在本发明的方法中可以使用多个数据处理装置。这些数据处理装置可任选联网在一起。但是，优选仅使用一个中央数据处理装置，采用其在中央监督和调节所有测量和控制步骤。
本发明的装置，例如参见图1，如上文所提到包含至少三个膜分离级的链接。各级由一个或多个物理气体分离组件构成，它们并联和/或串联互连在一个级内。该组件中的气体分离驱动力是在各自的膜分离级中在渗余物侧和渗透侧之间产生的分压差。该分压差由布置在进料流分离级1的进料侧上的压缩机4并任选地由在进料流分离级1下游，优选在渗余物分离级2的渗透侧上在第二渗透物流9a+9b中和/或在渗透物分离级3的渗透侧上在第三渗透物流11中的至少一个，优选一个或两个真空泵(未描绘在图1中)产生。任选地，在一个或多个膜分离级中使用渗透侧吹扫气流产生或增强分压差是有利的。
在本发明的一个优选实施方案中，压缩机4使粗气体混合物或来自粗气流17和第二渗透物流9b和/或第三渗余物流10b的气体混合物达到5至100巴的所需压力，但优选达到9至75巴的压力。如果粗气流17已具有所需压力，则压缩装置4只再需使第二渗透物流9b和/或第三渗余物流10b达到5至100巴的所需压力，但优选达到9至75巴的压力。将所得进料流5引入进料流分离级1。进料流分离级1中将粗气体混合物预分离成较易渗透组分(渗透物气体)(其大部分进入第一级的渗透物中)和较不快渗透组分(渗余物气体)(其主要被膜留住并富集在渗余物中)。在一个优选实施方案中，本发明的方法或本发明的装置的特征在于，其经构造使得在送回所述第二渗透物流9b和所述第三渗余物流10b后，所述进料流分离级1的至少一种渗透物气体的浓度在所述进料流5中与在所述粗气流17中的浓度相比提高，优选提高至少2％，更优选至少3％，再更优选3至40％。提高程度可取决于粗气流17的组成并在低渗透物气体浓度(10至20％)下特别显著。当粗气流17的渗透物气体含量为30至70％时，渗透物气体之一的浓度提高优选为2至15％，更优选3至8％。已表明，当提高进料流分离级1中的渗透物气体浓度时，整个工艺的渗余物气体收率提高，因此渗余物气体损失降低。在相同的级分割率(＝所涉级的渗透物流与进料流之比)下，当进料流5中的至少一种在进料流分离级1中较易渗透的组分A或渗透物气体A的浓度提高时，明显更少的渗透物气体进入进料流分离级1的渗透物中。类似地，在待提纯的进料流5中组分A或渗透物气体A的浓度降低时，观察到降低。例如，当待提纯的进料流5中组分A或渗透物气体A的浓度为50％时，级分割率为10至60％，优选15至55％，更优选20至50％。在本发明的一个特别优选的实施方案中，因此这样设计本发明的方法或本发明装置以在第二渗透物流9b和第三渗余物流10b再循环后，进料流5中进料流分离级1的渗透物气体含量为基于进料流5体积计的大于或等于40体积％，优选大于50体积％，最优选大于55体积％。如已经解释的那样，通过进料流5中的这种渗透物气体浓度提高而提高进料流分离级1的效率，这又使得更少的渗余物气体B进入第一渗透物流6。这又提高渗透物分离级3的效率并也确保在此也是较少的不想要渗余物气体进入第三渗透物流10a+b。尤其对含甲烷的粗气体的分离而言，这带来可明显降低对气候有害的甲烷的不希望的排放的优点。
可一般而言，优选20至100％，更优选40至70％的较易渗透组分A，即渗透物气体A，在进料流分离级1中从进料流5进入渗透物中。
进料流分离级1的渗余物，任选在经由任选存在的减压阀12减压下或在升压下，借助第一渗余物流7送入至渗余物分离级2，在此发生精细提纯。在渗余物分离级2的渗余物侧，即第二渗余物流8中，优选安置减压阀13(未显示在图1中)，借此可以使该系统中的主压力(分离级1和2的运行压力＝级1和2的渗余物压力)维持并且保持恒定。较难渗透组分B，即渗余物气体B的含量在渗余物分离级2中进一步提高以使第二渗余物流8中组分B或渗余物气体B的含量大于90％，优选大于95％，更优选大于97％。在一个特别优选的变化方案中，本发明的方法或本发明的装置的特征因此在于，随所述粗气流17输入所述装置的进料流分离级1渗余物组分的至少95％，优选至少97％，更优选至少99％，最优选至少99.5％经由所述第二渗余物流8排出。
当第一渗余物流7中组分A或渗透物气体A的浓度为50％时，渗余物分离级2的级分割率为10至60％，优选20至50％。
渗余物分离级2的渗透物经由第二渗透物流9b再循环，更优选不首先将一部分渗透物流9a或9b在进料流分离级1下游供应入第一渗余物流7中，再更优选完全地进行并且供应至进料流5中并进一步处理。这，如上文在术语“进料流”的定义中已经解释的那样，可根据使用压缩机4还是甚至多级压缩机4而以不同方式进行。在单级压缩机4的情况下，将第二渗透物流9b优选供应至压缩机4的吸入侧。
高度富集组分A或渗透物气体A的进料流分离级1的渗透物经由第一渗透物流6供应至渗透物分离级3。必须使用渗透物分离级3的渗余物流中，即第三渗余物流10a+b中的渗余物控制装置19阻止渗透物分离级3的渗余物压力降至环境压力。由此，可以保持渗透物分离级3的驱动力。渗透物分离级3产生具有大于95％，优选大于97％，再更优选大于99％的可较好渗透组分A或渗透物气体A含量的渗透物，其经由第三渗透物流11从该装置中排出。在一个特别优选的实施方案中，本发明的装置这样设计使得随所述粗气流17送入所述装置的进料流分离级1的较慢渗透组分B的最多5％，优选最多3％，更优选最多1％，最优选最多0.5％经由所述第三渗透物流11排出。
渗透物分离级3的级分割率优选为50至95％，更优选70至93％。
第三渗余物流10b再循环，供应至进料流5并进一步处理。这可以以不同方式进行并可以例如取决于是否使用压缩机4还是甚至多级压缩机4。在单级压缩机4的情况下，在压缩机的吸气压力低于分离级3的渗余物压力时将第三渗余物流10b优选供应至压缩机4的吸入侧。如果使用多级压缩机，则优选在相应级中压缩机级压力低于分离级3的渗余物压力时将第三渗余物流10b在两个压缩级之间引入压缩机。
在本发明的方法或本发明装置在另一优选实施方案中特别的特征在于，其经设计使得在所述第二渗透物流9b和所述第三渗余物流10b中再循环的气体体积合计为粗气流17的体积的小于60体积％，优选10至50体积％，再更优选20至40体积％。根据产物气流8和11中的所需纯度控制再循环的渗余物气体流的量。所需的纯度越低，回流9b和10b越小。回流非常特别受膜分离级1至3中所用的膜组件的类型和选择性影响。具有提高的选择性的膜组件在此使得回流9b和10b明显减少。同样地，该系统中的主压力(＝分离级1和2中的压力)影响再循环气体的量。该系统中的压力越高，再循环量越小。各个级中的膜面积的比率是另一影响因素。分离级3中的较大面积例如降低回流流量，而分离级2中的较大面积提高回流流量。因此，本发明的方法或装置的特征在于，尽管回流很小，也确保进料流5中的渗透物组分浓度的如上文详述的提高。这使得整个方法的效率明显提高。
如已经解释的那样，使用多级压缩机4是特别有利的。这是因为在这种情况中，可以免除渗透物分离级3的渗余物的完全卸压，因为可以将渗透物分离级3的渗余物进给到压缩机4的两个压缩级之间。由于渗余物分离级2在卸压至进给压力的情况下通常在选择性受限制的范围内运行，因此将第二渗透物流9a仅卸压到多级增压单元，即多级压缩机4的较高压力级可能是有用的，因为这降低压缩单元的运行成本而不会使分离结果显著变差。本发明的一个特别优选的实施方案中因此采用多级压缩机4并在每种情况中将气流9b和10b在两个压缩级之间供应至这一压缩机。
在一个优选实施方案中，经过进料流分离级1的压降限于1至30巴，优选2至20巴，更优选3至10巴。同时或另选，优选确保经过进料流分离级1和渗余物分离级2的压降限于1至100巴，优选5至80巴，更优选10至70巴。
本发明的装置或本发明的方法原则上可以用能够分离二元气体混合物或多气体混合物的任何膜实现。优选但不排他性地使用塑料作为膜材料。特别优选使用聚酰亚胺、聚酰胺、聚砜、乙酸纤维素和衍生物、聚苯醚、聚硅氧烷、具有固有微孔性的聚合物、混合基质膜、促进传递膜、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、碳膜或沸石或它们的混合物作为分离活性层中的塑料。
特别优选的膜包括下列通式的聚酰亚胺作为分离活性层的材料或作为整个膜的材料
其中0≤x≤0.5且1≥y≥0.5且R对应于选自基团L1、L2、L3和L4的一个或多个相同或不同的基团R。
特别优选涉及x＝0、Y＝1且R由64摩尔％L2、16摩尔％L3和20摩尔％L4构成的聚合物。这种聚合物可以以名称P84或P84类型70(CAS号9046-51-9)获自Evonik Fibres GmbH公司。特别优选的是组成为x＝0.4、y＝0.6且R由80摩尔％L2和20摩尔％L3构成的聚合物。这种聚合物可以以名称P84HT或P84HT 325(CAS号134119-41-8)获自Evonik Fibres GmbH公司。同样可优选使用所述聚酰亚胺的混合物。
由该优选聚酰亚胺制成的膜可以以名称Sepuran获自Evonik Fibres GmbH公司。在WO 2011/009919A1中公开了制造这些优选膜的方法。这一公开文本中公开的所有膜都可优选用于本发明的方法。为避免单纯重复，对本专利申请的内容全文经此引用并入本文。已发现采用这些膜可以实现最佳分离结果。
该膜优选以中空纤维膜和/或平膜的形式使用。将这些膜组装成组件，其随后可用于分离任务。本领域中已知的所有气体分离组件可用作该组件，例如但不排他性地是中空纤维气体分离组件、螺旋卷绕气体分离组件、缓冲垫(cushion)气体分离组件或管束气体分离组件。
根据本发明，该气体分离膜组件具有至少30，优选至少35，更优选至少40，再更优选至少45，最优选至少45至80的组分A(CO2)和B(CH4)的混合气体选择性(＝穿过该膜的料流A与料流B之比)。选择性较高的膜的优点在于，该分离更有效并且更少的渗透物必须从渗余物分离级2再循环或更少的渗余物必须从渗透物分离级3再循环。因此，尤其当使用单级压缩机4时，必须二次压缩的气体更少，这在装置运行中带来经济优势。对于选择性为45的选择性很高的膜组件，作为粗气体输入进料流分离级1的气体的仅大约30％必须二次压缩，而在选择性仅为10的膜组件的情况下可能的是，二次压缩高达300％。35％和300％的数据基于其中供给具有等摩尔量的组分A和B的气体混合物(＝进料)且级2的渗余物气体中含有98.5％组分B、级3的渗透物流中含有99％组分B的试验。
显而易见的是，选择性较高的膜使得本发明的方法在运行上明显更经济并可以降低所需压缩机的尺寸和能量需求。
本发明的方法/本发明的装置的优点更特别在于，其是纯的膜法并对许多用途而言，不需要渗透物流11和/或渗余物流8的额外纯化。例如，在生物气或天然气的提纯(＝从甲烷中分离除去二氧化碳)中，不再使用变压吸附或胺洗用于渗余物的精细提纯，因此这可以送入天然气网。此外，采用本发明的方法/本发明的装置可在生物气和天然气提纯中同时产生纯渗余物流8和纯渗透物流11。其因此可以释放到大气中而没有大的甲烷损失并且不会严重损害环境，不需要通过催化的后续燃烧或热后续燃烧或在中央供暖站中利用而再进一步处理该气体。因此不需要对其它装置部件的投资，这导致生物气和天然气的更经济的提纯方法。
在WO 2012/000727中已在很大程度上描述了本发明的装置。WO2012/000727的主题因此全文经此引用并入本发明的说明书中。
WO 2012/000727没有公开允许补偿粗气流的组成或压力或流量的波动的控制系统。WO 2012/000727仅公开了压缩机性能和一般压力范围的变化方案，其应被保持以获得产物气体的良好收率和纯度。本发明首次公开了根据WO 2012/000727的膜互连布置的控制和调节构思，其允许将这种提纯装置也直接连接到提供可变进料流的生物气装置上。因此可以免去专门的上游装置，其提供大致恒定的粗气流。本发明因此代表WO 2012/000727的装置和方法的重要的进一步发展。由于控制装置18和19和它们的根据本发明的调节可确保，即使要加工的粗气体17的量和/或要生产的产物气体8和/或11的量和/或粗气体组成改变时，料流8和11的气体品质恒定或根据要求变动而改变，因此情况特别如此。在此有利的是，为了保持料流8和11中的所需气体品质，不必改变该系统中的主压力(＝分离级1和2中的运行压力)和分离级1至3中的膜面积。
另一优点在于本发明的方法/本发明的装置以明显低于现有技术的已知方法的设备和能量花费就足够。
本发明的装置/本发明的方法尤其可用于分离包含至少两种气体的气体混合物，在此分离的气体混合物非常特别优选是主要但不仅仅是二氧化碳和甲烷、或主要但不仅仅是氢气和甲烷、或主要但不仅仅是一氧化碳和氢气的混合物；或粗制生物气或粗制天然气。
下面的实施例意于进一步阐释和描述本发明，但无论如何不限制本发明。
具体实施方式
通用实验布置
在使用根据图1的三级互连布置的膜分离装置上进行试验。
-粗气体组成54％甲烷、46％CO2(＝来自生物气装置的生物气)
-使用三件Sepuran Green的2“实验组件(每个级1个组件)
-该系统中的主压力(＝渗余物级2压力)为17bara
-空气压力950mbara
-渗透物分离级3的渗透物压力为1000mbara
实施例1:
这一试验的目的是找出校准直线，其允许当进料流5中的进料流量或压缩机转速改变时，通过改变渗余物分离级2的渗透物压力保持渗余物流8中的产物气体品质恒定，和通过改变渗透物分离级3的渗余物压力来保持渗透物流11中的排气品质恒定。
为此，在根据通用实验布置的运行的3级互连布置中，分级提高压缩机效率(leistung)。然后通过改变渗余物分离级2的渗透物压力和渗透物分离级3的渗余物压力尝试使排气浓度11和产物气体浓度8保持恒定在窄范围内。随着压缩机效率从最初60％提高到最后75％，进料体积流量5从3.83m3/h提高到5.23m3/h，或提高了36％。在这一区间内，渗余物分离级2的渗透物压力从951mbara降至241mbara且渗透物分离级3的渗余物压力从3.6bara提高到4.43bara。在所有压缩机效率下，产物气体浓度8在95.23和95.75％甲烷之间波动且甲烷的排气浓度在0.5和0.62％之间波动。这两个值在测量精度范围内都已调节在窄范围内。关于这一试验的详细数据列在下表1中：
表1:
此外，测量第二渗余物流8、第一渗透物流6、第三渗透物流11(＝排气)和第二渗透物流9a的体积流量。可以由第二渗余物流8和第二渗透物流9a的体积流量值的总和测定第一渗余物流7的体积流量。
然后通过相对于第一渗余物流7的体积流量绘制渗余物分离级2的渗透物压力确定校准曲线，以当渗余物分离级2的进料量改变(例如由于压缩机转速改变或由于粗气体的组成改变)时保持产物气体浓度恒定(见图4)。
如从图4可以看出，获得具有良好相关性的线性回归的测量点。然后可以利用这一关系以便用于本发明的装置的控制系统中。这一控制系统在借助体积流量计20a测量的第一渗余物流7的流量值测定后，通过根据图4中的直线方程计算渗透物压力来测定在渗余物分离级2中对于保持产物气体浓度恒定所需的渗透物压力。然后使用第二渗透物流中的控制装置18适当调节这一压力。
然后通过相对于第一渗透物流6的量绘制渗透物分离级3的渗余物压力类似地也获得校准曲线，以当在渗透物分离级3中的进料量，即第一渗透物流6的进料量改变(例如由于压缩机转速改变或由于粗气体的组成改变)时，保持渗透物流11中的排气浓度恒定(见图5)。
在图5中也获得具有良好相关性的线性回归的测量点。这一关系随后可以与上文对渗余物分离级2描述的程序类似地利用，以用于本发明的装置的控制系统。在此首先测定通过用体积流量计21a测量的第一渗透物流6的流量值并由在图5中的直线方程测定渗透物分离级3中所需的渗余物压力，和使用第三渗余物流10中的控制装置19调节，以保持渗透物流11中的排气浓度恒定。
实施例2:
要检查的是通过使用第三渗余物流10中的控制装置19改变渗透物分离级3的渗余物压力是否可以实现来自该装置的排气(第三渗透物流11)中的甲烷浓度的改变并获得校准曲线。如果排气浓度的测量中发生改变，则随后可以使用这种校准关系适应性调节排气中的甲烷含量。
为此，在使压缩机转速保持恒定的同时，用第三渗余物流10中的控制装置19改变渗透物分离级3的渗余物压力并测量随之改变的第三渗透物流11(排气)中的甲烷浓度。也记录该装置的体积流量。数值显示在表2中。
表2:
如表2所示，由于渗透物分离级3中的渗余物压力提高，排气流11中的甲烷浓度提高。这以图表形式显示在图6中。该函数在此是线性的，具有极好相关性。这一曲线可用作用于控制的校准曲线。通过在图6的方程中插入所需甲烷浓度，可以测定为此所需的渗余物压力。
认为感兴趣的是，在渗透物分离级3的渗余物压力降低和因此排气中的甲烷浓度降低的情况下明显上升的二次压缩率以图表形式描绘在图7中。
实施例3:
可以通过用第二渗透物流9a中的控制装置18改变渗余物分离级2的渗透物压力实现该装置的产物气体(＝第二渗余物流8)中的甲烷浓度的改变。如果产物气体浓度的测量中发生改变，则可以使用这种校准关系适应性调节产物气体中的甲烷含量。
为此，在使压缩机转速保持恒定的同时改变渗余物分离级2的渗透物压力并测量随之改变的产物气体中的甲烷浓度。数值显示在表3中。
表3:
级2渗透物压力[bara] 渗余物流8中的c(CH4)[％]
1.005 96.44
0.95 96.77
0.9 97.03
0.85 97.23
0.8 97.48
0.75 97.68
0.7 97.93
0.65 98.14
0.6 98.34
0.55 98.55
0.5 98.80
0.445 99.07
0.4 99.28
0.35 99.47
0.3 99.59
0.284 99.66
显而易见的是，通过降低渗余物分离级2中的渗透物压力，产物气体8中的甲烷浓度提高。这以图表形式显示在图8中。
该函数在此是线性的，具有很好相关性。这一曲线可用作用于控制的校准曲线。通过在曲线图5中的方程中插入所需甲烷浓度，可以测定为此所需的渗透物压力。
附图说明
图1:包含测量装置20a和20b、21a和21b、22和23以及控制装置18和19的示例性本发明的互连布置。没有显示粗气流17中的控制装置和监控和数据处理装置。但是，它们的布置和应用从说明书整体关联显而易见。图1显示料流9b和10b再循环到压缩机的吸入侧上的一种本发明的布置。本领域技术人员可容易作为图1的变型推导出上文的描述中解释的另选布置，例如一个或多个料流9b或10b再循环到压缩机4的升高的压缩级，或没有测量装置22和23，或只有测量装置20a和20b和/或21a和21b中的一部分，因此没有单独显示。图1仅作为本发明的阐释提供并且无论如何不限制其保护范围。
图2:作为第一渗余物流7的体积流量的函数显示为实现第二渗余物流8中98.3％组分B和第三渗透物流11中0.7％组分B的渗余物品质而在渗余物分离级2中需要的渗透物压力。为膜分离级中的膜选择的面积比如下：级1:级2:级3＝2:2:3。描绘在粗气流17中45、55和65％的组分B(在这种情况中为CH4)的不同浓度下的三个曲线。
图3:作为第一渗透物流6的体积流量的函数显示为实现第二渗余物流8中98.3％组分B和第三渗透物流11中0.7％组分B的渗余物品质而在渗透物分离级3中需要的渗余物压力。为膜分离级中的膜选择的面积比如下：级1:级2:级3＝2:2:3。描绘在粗气流17中45％、55％和65％的组分B(在这种情况中为CH4)不同浓度下的三个曲线，它们彼此融合。
图4:为保持产物气体品质恒定，渗余物分离级2的渗透物压力与渗余物分离级2的进料气量的函数关系
图5:为保持排气品质恒定，渗透物分离级3的渗余物压力与渗透物分离级3的进料气量的函数关系
图6:排气11中的甲烷浓度与渗透物分离级3的渗余物压力的函数关系
图7:再循环率与渗透物分离级3的渗透物11中的甲烷含量的函数关系
图8:产物气体8中的甲烷浓度与渗余物分离级2的渗透物压力的函数关系
附图标记列表:
1:进料流分离级
2:渗余物分离级
3:渗透物分离级
4:单级或多级压缩机
5:进料流
6:第一渗透物流
7:第一渗余物流
8:第二渗余物流
9:由在控制装置18与渗余物分离级2之间的分流9a和在控制装置18下游的分流9b构成的第二渗透物流
10:由在控制装置19与渗透物分离级3之间的分流10a和在控制装置19下游的分流10b构成的第三渗余物流
11:第三渗透物流
12:第一渗余物流7中的任选减压阀(未显示在附图中)
13:第二渗余物流8中的任选减压阀(未显示在附图中)
14:第三渗余物流10中的任选减压阀(未显示在附图中)
15:真空泵(未显示在附图中)
16:混合室(未显示在附图中)
17:粗气流
18:第二渗透物流中的渗透物控制装置(在说明书中也简称为控制装置18)
19:第三渗余物流中的渗余物控制装置(在说明书中也简称为控制装置19)
20a:用于分析第一渗余物流的第一渗余物测量装置(在说明书中也简称为测量装置20a)
20b:用于分析第二渗余物流的第二渗余物测量装置(在说明书中也简称为测量装置20b)
21a:用于分析第一渗透物流的第一渗透物测量装置(在说明书中也简称为测量装置21a)
21b:用于分析第三渗透物流的第二渗透物测量装置(在说明书中也简称为测量装置21b)
22:用于分析第二渗透物流的第三渗透物测量装置(在说明书中也简称为测量装置22)
23:用于分析第三渗余物流的第三渗余物测量装置(在说明书中也简称为测量装置23)
24:压缩机的控制装置(未显示在附图中)
25:用于控制粗气流17的粗气体控制装置(未显示在附图中)

Claims (52)

1.气体分离装置，其包括作为膜分离级的至少进料流分离级(1)、渗余物分离级(2)和渗透物分离级(3)，以及布置在所述进料流分离级(1)的进料侧上的至少一个压缩机(4)和/或布置在所述进料流分离级(1)下游的至少一个真空泵，
其中
所述进料流分离级(1)将由至少两种组分构成的进料流(5)分离成第一渗透物流(6)和第一渗余物流(7)，
所述渗余物分离级(2)将所述第一渗余物流(7)分离成第二渗透物流(9)和作为产物取出或进一步加工的第二渗余物流(8)，其中第二渗透物流(9)由在渗透物控制装置(18)上游和在所述渗余物分离级(2)下游的分流(9a)和在所述渗透物控制装置(18)下游的分流(9b)构成，并将在所述渗透物控制装置(18)下游的分流(9b)供应至所述进料流(5)，
所述渗透物分离级(3)将所述第一渗透物流(6)分离成第三渗余物流(10)和作为产物取出或进一步加工或弃置的第三渗透物流(11)，其中第三渗余物流(10)由在渗余物控制装置(19)上游并在所述渗透物分离级(3)下游的分流(10a)和在所述渗余物控制装置(19)下游的分流(10b)构成，并将在所述渗余物控制装置(19)下游的分流(10b)供应至所述进料流(5)，
其特征在于
-所述第二渗透物流(9)包含至少一个渗透物控制装置(18)，借此可以提高或降低所述渗余物分离级(2)的渗透物压力并且其借助所述第一渗余物流(7)中的一个或多个测量装置(20a)和/或所述第二渗余物流(8)中的一个或多个测量装置(20b)的测量值控制，
和/或
-所述第三渗余物流(10)包含至少一个渗余物控制装置(19)，借此可以提高或降低所述渗透物分离级(3)的渗余物压力并且其借助所述第一渗透物流(6)中的一个或多个测量装置(21a)和/或所述第三渗透物流(11)中的一个或多个测量装置(21b)的测量值控制。
2.根据权利要求1的气体分离装置，
其特征在于真空泵布置在所述渗余物分离级(2)的渗透物侧上在第二渗透物流(9)中和/或在所述渗透物分离级(3)的渗透物侧上在第三渗透物流(11)中。
3.根据权利要求1的气体分离装置，
其特征在于所述气体分离装置包括一个或两个真空泵。
4.根据权利要求1的气体分离装置，
其特征在于所述第一渗余物流(7)中的一个或多个测量装置(20a)和/或所述第二渗余物流(8)中的一个或多个测量装置(20b)是不同的。
5.根据权利要求1的气体分离装置，
其特征在于所述第一渗透物流(6)中的一个或多个测量装置(21a)和/或所述第三渗透物流(11)中的一个或多个测量装置(21b)是不同的。
6.根据权利要求1的气体分离装置，
其特征在于
不对所述第一渗透物流(6)施以再压缩
和/或
至少在所述进料流分离级(1)中，使用具有至少30的混合气体选择性CO2/CH4的气体分离膜组件，
和/或
进料流分离级(1)、渗余物分离级(2)和渗透物分离级(3)中至少一个包含并联和/或串联的多于一个的气体分离膜组件，
和/或
所述一个或多个气体分离膜组件由中空纤维膜和/或平膜构成，
和/或
所述气体分离装置的构造使得在所述第二渗透物流(9b)和所述第三渗余物流(10b)中再循环的气体体积合计为粗气流(17)的体积的小于60体积％，所述粗气流(17)是指要使用所述气体分离装置分离的至少两种气体的气体混合物的料流，
和/或
所述气体分离装置的构造使得在再循环所述第二渗透物流(9b)和所述第三渗余物流(10b)后，所述进料流分离级(1)的至少一种渗透物气体的浓度在所述进料流(5)中与在所述粗气流(17)中的浓度相比提高。
7.根据权利要求6的气体分离装置，
其特征在于
在所有三个膜分离级，即进料流分离级(1)、渗余物分离级(2)和渗透物分离级(3)中，使用具有至少30的混合气体选择性CO2/CH4的气体分离膜组件。
8.根据权利要求6的气体分离装置，
其特征在于
至少在所述进料流分离级(1)中，使用具有至少35的混合气体选择性CO2/CH4的气体分离膜组件。
9.根据权利要求6的气体分离装置，
其特征在于
至少在所述进料流分离级(1)中，使用具有至少40的混合气体选择性CO2/CH4的气体分离膜组件。
10.根据权利要求6的气体分离装置，
其特征在于
至少在所述进料流分离级(1)中，使用具有至少45的混合气体选择性CO2/CH4的气体分离膜组件。
11.根据权利要求6的气体分离装置，
其特征在于
所述气体分离装置的构造使得在再循环所述第二渗透物流(9b)和所述第三渗余物流(10b)后，所述进料流分离级(1)的至少一种渗透物气体的浓度在所述进料流(5)中与在所述粗气流(17)中的浓度相比提高至少2％。
12.根据权利要求6的气体分离装置，
其特征在于
所述气体分离装置的构造使得在再循环所述第二渗透物流(9b)和所述第三渗余物流(10b)后，所述进料流分离级(1)的至少一种渗透物气体的浓度在所述进料流(5)中与在所述粗气流(17)中的浓度相比提高至少3％。
13.根据权利要求6的气体分离装置，
其特征在于
所述气体分离装置的构造使得在再循环所述第二渗透物流(9b)和所述第三渗余物流(10b)后，所述进料流分离级(1)的至少一种渗透物气体的浓度在所述进料流(5)中与在所述粗气流(17)中的浓度相比提高3至40％。
14.根据权利要求1-13中任一项的气体分离装置，
其特征在于
将所述第二渗透物流(9b)和所述第三渗余物流(10b)导向所述压缩机(4)的吸入侧，
和/或
使用多级压缩机(4)，
和/或所述压缩机(4)布置在所述气体分离装置中以使得其在所述进料流分离级(1)中产生压力梯度。
15.根据权利要求14的气体分离装置，
其特征在于
所述第二渗透物流(9b)和/或所述第三渗余物流(10b)在两个压缩级之间引入所述压缩机(4)。
16.根据权利要求1至13任一项的气体分离装置，
其特征在于
所述气体分离装置包括控制装置(24)，其使所述压缩机(4)的性能被调节以适应所述第二渗透物流(9b)和/或所述第三渗余物流(10b)和/或粗气流(17)的改变，所述粗气流(17)是指要使用所述气体分离装置分离的至少两种气体的气体混合物的料流，
和/或
所述气体分离装置的构造使得通过调节粗气体供应量来平衡来自所述第二渗透物流(9b)和/或所述第三渗余物流(10b)的再循环气体的变动量。
17.根据权利要求16的气体分离装置，
其特征在于
所述压缩机(4)的性能是其转速。
18.根据权利要求16的气体分离装置，
其特征在于
所述气体分离装置的构造使得通过调节粗气体供应量来自动平衡来自所述第二渗透物流(9b)和/或所述第三渗余物流(10b)的再循环气体的变动量。
19.根据权利要求16的气体分离装置，
其特征在于
经由粗气体控制装置(25)调节粗气体供应量。
20.根据权利要求16的气体分离装置，
其特征在于
所述气体分离装置的构造使得通过调节粗气体供应量来平衡来自所述第二渗透物流(9b)和/或所述第三渗余物流(10b)的再循环气体的变动量，不改变所述压缩机(4)的转速。
21.根据权利要求1至13任一项的气体分离装置，
其特征在于
使用流量计作为所述第一渗余物流(7)和/或所述第一渗透物流(6)中的测量装置(20a)和/或(21a)，
或
在所述第二渗余物流(8)和/或所述第三渗透物流(11)中使用在线或离线测量装置(20b)和/或(21b)以测定相应气体混合物的组成。
22.根据权利要求1至13任一项的气体分离装置，
其特征在于
使用无定形或部分结晶的塑料作为所述膜的分离活性层的材料。
23.根据权利要求22的气体分离装置，
其特征在于
作为所述膜的分离活性层的材料使用下列通式的聚酰亚胺
其中0≤x≤0.5且1≥y≥0.5且R对应于选自基团L1、L2、L3和L4的一个或多个相同或不同的基团R。
24.根据权利要求23的气体分离装置，
其特征在于
作为所述膜的分离活性层的材料使用CAS号9046-51-9的聚酰亚胺和/或CAS号134119-41-8的聚酰亚胺。
25.根据权利要求1至13任一项的气体分离装置，
其特征在于
随粗气流(17)引入所述气体分离装置的进料流分离级(1)的渗余物组分的至少95％经由所述第二渗余物流(8)排出，所述粗气流(17)是指要使用所述气体分离装置分离的至少两种气体的气体混合物的料流，
和/或
随所述粗气流(17)引入所述气体分离装置的进料流分离级(1)的渗余物组分的不多于5％经由所述第三渗透物流(11)排出。
26.根据权利要求25的气体分离装置，
其特征在于
随所述粗气流(17)引入所述气体分离装置的进料流分离级(1)的渗余物组分的至少97％经由所述第二渗余物流(8)排出。
27.根据权利要求25的气体分离装置，
其特征在于
随所述粗气流(17)引入所述气体分离装置的进料流分离级(1)的渗余物组分的至少99％经由所述第二渗余物流(8)排出。
28.根据权利要求25的气体分离装置，
其特征在于
随所述粗气流(17)引入所述气体分离装置的进料流分离级(1)的渗余物组分的至少99.5％经由所述第二渗余物流(8)排出。
29.根据权利要求25的气体分离装置，
其特征在于
随所述粗气流(17)引入所述气体分离装置的进料流分离级(1)的渗余物组分的不多于3％经由所述第三渗透物流(11)排出。
30.根据权利要求25的气体分离装置，
其特征在于
随所述粗气流(17)引入所述气体分离装置的进料流分离级(1)的渗余物组分的不多于1％经由所述第三渗透物流(11)排出。
31.根据权利要求25的气体分离装置，
其特征在于
随所述粗气流(17)引入所述气体分离装置的进料流分离级(1)的渗余物组分的不多于0.5％经由所述第三渗透物流(11)排出。
32.控制根据权利要求1至31任一项的气体分离装置的方法，
其特征在于
i.当任选也通过与其相关的参数测定的所述第二渗余物流(8)的较难渗透组分B的浓度降到低于预定的规定值时，通过所述渗透物控制装置(18)降低所述第二渗透物流(9a)的压力直至所述浓度或参数再次回到规定范围内，
ii.当任选也通过与其相关的参数测定的所述第二渗余物流(8)的较难渗透组分B的浓度升到高于预定的规定值时，通过所述渗透物控制装置(18)提高所述第二渗透物流(9a)的压力直至所述浓度或参数回到规定范围内，
和/或特征在于
iii.当任选也通过与其相关的参数测定的所述第三渗透物流(11)的较难渗透组分B的浓度降到低于预定的规定值时，通过所述渗余物控制装置(19)提高所述第三渗余物流(10a)的压力直至所述浓度或参数再次回到规定范围内，
iv.当任选也通过与其相关的参数测定的所述第三渗透物流(11)的较难渗透组分B的浓度升到高于预定的规定值时，通过所述渗余物控制装置(19)降低所述第三渗余物流(10a)的压力直至所述浓度或参数再次回到规定范围内。
33.根据权利要求32的方法，
其特征在于
在线和/或离线测定所述浓度。
34.控制根据权利要求1至31任一项的气体分离装置的方法，
其特征在于
v.当所述第一渗余物流(7)的体积流量提高时，通过所述渗透物控制装置(18)降低所述第二渗透物流(9a)的压力直至通过校准曲线与所述第一渗余物流(7)的所述体积流量相关联的所述第二渗余物流(8)的性质再次回到规定范围内，
vi.当所述第一渗余物流(7)的体积流量降低时，通过所述渗透物控制装置(18)提高所述第二渗透物流(9a)的压力直至通过校准曲线与所述第一渗余物流(7)的所述体积流量相关联的所述第二渗余物流(8)的性质再次回到规定范围内，
和/或
vii.当所述第一渗透物流(6)的体积流量提高时，通过所述渗余物控制装置(19)提高所述第三渗余物流(10a)的压力直至通过校准曲线与所述第一渗透物流(6)的所述体积流量相关联的所述第三渗透物流(11)的性质再次回到规定范围内，
viii.当所述第一渗透物流(6)的体积流量降低时，通过所述渗余物控制装置(19)降低所述第三渗余物流(10a)的压力直至通过校准曲线与所述第一渗透物流(6)的所述体积流量相关联的所述第三渗透物流(11)的性质再次回到规定范围内。
35.根据权利要求34的方法，
其特征在于
v或vi中，所述第二渗余物流(8)的性质是所述第二渗余物流(8)的组成。
36.根据权利要求34的方法，
其特征在于
vii或viii中，所述第三渗透物流(11)的性质是所述第三渗透物流(11)的组成。
37.根据权利要求34的方法
其特征在于
根据含有流量与压力之间的关联的校准曲线进行控制以保持另一种气流中的浓度。
38.根据权利要求32至37任一项的方法，
其特征在于
将经过所述进料流分离级(1)的压降调节为1至30巴，
和/或
将经过所述进料流分离级(1)和所述渗余物分离级(2)的压降调节为1至100巴。
39.根据权利要求38的方法，
其特征在于
将经过所述进料流分离级(1)的压降调节为2至20巴。
40.根据权利要求38的方法，
其特征在于
将经过所述进料流分离级(1)的压降调节为3至10巴。
41.根据权利要求38的方法，
其特征在于
将经过所述进料流分离级(1)和所述渗余物分离级(2)的压降调节为5至80巴。
42.根据权利要求38的方法，
其特征在于
将经过所述进料流分离级(1)和所述渗余物分离级(2)的压降调节为10至70巴。
43.根据权利要求32至37任一项的方法，
其特征在于
用于分离任务的驱动力是相应膜分离级中的渗余物侧和渗透物侧之间的分压差，其中由布置在所述进料流分离级(1)的进料侧上的压缩机(4)和任选地由所述第二渗透物流(9)和/或第三渗透物流(11)中的至少一个真空泵和/或由渗透物侧的吹扫气流产生所述分压差，
和/或
所述进料流分离级(1)的渗透物压力与环境压力相比是相等或提高的，使得在所述渗透物分离级(3)的渗余物和渗透物之间仍存在分压差，并因此对于所述渗透物分离级(3)的所述渗透物处于大气压或被施加负压的情况下提供驱动力。
44.根据权利要求43的方法，
其特征在于
用于分离任务的驱动力是相应膜分离级中的渗余物侧和渗透物侧之间的分压差，其中由布置在所述进料流分离级(1)的进料侧上的压缩机(4)和任选地由所述第二渗透物流(9)和/或第三渗透物流(11)中的一个或两个真空泵和/或由渗透物侧的吹扫气流产生所述分压差。
45.根据权利要求32至37任一项的方法，
其特征在于
借助控制装置(24)使所述压缩机(4)的性能被调节以适应所述第二渗透物流(9b)和/或所述第三渗余物流(10b)和/或粗气流(17)的改变，所述粗气流(17)是指要使用所述气体分离装置分离的至少两种气体的气体混合物的料流，
和/或
通过调节粗气体供应量来平衡来自所述第二渗透物流(9b)和/或所述第三渗余物流(10b)的再循环气体的变动量，
或
通过改变所述压缩机(4)的输送体积来提高或降低所述气体分离装置的装置性能，其中
根据方法备选方案i或ii抵消所述第二渗余物流(8)中所述较难渗透组分B的浓度的由此引起的改变，
和/或
根据方法备选方案iii或iv抵消所述第三渗透物流(11)中所述较难渗透组分B的浓度的由此引起的改变，
和/或
根据方法备选方案v或vi抵消所述第一渗余物流(7)的流量的由此引起的改变，
和/或
根据方法备选方案vii或viii抵消所述第一渗透物流(6)的流量的由此引起的改变。
46.根据权利要求45的方法，
其特征在于
所述压缩机(4)的性能是其转速。
47.根据权利要求45的方法，
其特征在于
通过调节粗气体供应量来自动平衡来自所述第二渗透物流(9b)和/或所述第三渗余物流(10b)的再循环气体的变动量。
48.根据权利要求45的方法，
其特征在于经由所述粗气体控制装置(25)调节粗气体供应量。
49.根据权利要求45的方法，
其特征在于通过调节粗气体供应量来平衡来自所述第二渗透物流(9b)和/或所述第三渗余物流(10b)的再循环气体的变动量，不改变所述压缩机的转速。
50.根据权利要求32至37任一项的方法，其特征在于
在操作生物气装置的范围内实施所述方法，且根据所述生物气装置料位控制所述压缩机的转速和因此所述压缩机(4)的输送体积，以使发酵罐和/或中间存储器中的料位改变或保持恒定，
和/或
所用气体混合物是主要但不仅仅是二氧化碳和甲烷的混合物、或主要但不仅仅是氢气和甲烷的混合物、或主要但不仅仅是一氧化碳和氢气的混合物，或粗制生物气或粗制天然气。
51.根据权利要求50的方法，其特征在于
所述生物气装置料位通过发酵罐压力或中间存储器料位测定。
52.生物气装置，其包括根据权利要求1至31任一项的气体分离装置。
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