СПОСОБ МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ДЛЯ ОБОГАЩЕНИЯ, ПО КРАЙНЕЙ МЕРЕ, ОДНОГО ГАЗОВОГО КОМПОНЕНТА В ГАЗОВОМ ПОТОКЕ Российский патент 2008 года по МПК C01B13/02 C01B31/20 B01D53/22 

Изобретение заключается в способе мембранного разделения для обогащения, по крайней мере, одного газового компонента в газовом потоке, в частности для обогащения воздуха кислородом и/или для обогащения углекислого газа в газовом потоке, для этого газовый поток подводится в мембранный сепаратор, и обогащение происходит при наличии, по крайней мере, одной единицы мембранного разделения, содержащей, по крайней мере, одну мембрану, в результате чего происходит разделение газового потока на мембране на выведенный на ретентатной стороне ретентат и на выведенный на пермеатной стороне пермеат. Отсюда следует, что настоящее изобретение заключается в создании устройства мембранного разделения для обогащения, по крайней мере, одного газового компонента в газовом потоке, в частности для обогащения воздуха кислородом, для этого газовый поток для обогащения газового компонента подводится в мембранный сепаратор, и обогащение происходит при наличии, по крайней мере, одной единицы мембранного разделения, содержащей, по крайней мере, одну мембрану и входящей в состав мембранного сепаратора, в результате чего происходит разделение газового потока на мембране на выведенный на ретентатной стороне ретентат и на выведенный на пермеатной стороне пермеат.

Кислород и азот в настоящее время производятся с помощью способа криогенного отделения, разработанного 100 лет назад Линдом и Клауде (жидкий воздух), при котором воздух охлаждается до ниже 180°С и дистиллируется и/или ректифицируется. В связи с очень низкими температурами большие затраты на энергию являются неизбежными. По причине сложного выполнения и конструкции большие промышленные газоразделительные установки для технических газов требуют больших энергетических и финансовых затрат. Они служат для производства очищенных газов в больших объемах.

Следующие возможности для добычи кислорода и обогащенного кислородом воздуха предлагают способы адсорбционного разделения воздуха на азот и кислород с использованием молекулярных сит, цеолитов и активированного угля. В зависимости от размера молекул, а также адсорбционного и диффузионного взаимодействия происходит разделение. Недостатками вышеупомянутого способа являются большой расход энергии и дорогостоящие аппаратные элементы. Установки, главным образом, строятся в промышленном масштабе и преимущественно имеют высокую производительность, прежде всего по очищенным газам. Сложность составляющих обуславливает большие расходы по техническому обслуживанию, капитальные затраты, затраты на ремонт.

По сравнению с классическими способами разделения разделение газа при помощи мембраны отличается низкими технологическими затратами. При разделении газа посредством мембран в зависимости от имеющегося агрегатного состояния «жидкое» или «газообразное» и веществ или компонентов, подлежащих разделению, различают газовые мембранные контакторы, мембранную первапорацию и газовую пермеацию. Способы с применением газовых мембранных контакторов характеризуются тем, что на пермеатной стороне находится жидкая фаза, в которой абсорбируется пермеат и при известных условиях химически реагирует. Газовая первапорация является способом для разделения водянистых органических или чисто органических жидких смесей, при котором проникающие компоненты переходят из жидкого состояния в парообразное. Газовая фильтрация напротив отличается тем, что как поток впуска или поток ретентата, так и поток пермеата находятся в газообразном состоянии.

Преимуществом разделения газа посредством мембран является неэнергоемкое производство газов желаемого качества. Затраты на приведение в состояние готовности, такие как затраты на техническое обслуживание и расходы на текущий ремонт, значительно ниже по сравнению с расходами классических разделительных способов. Затраты на управление и регулировку способа разделения с помощью мембраны незначительные. Установки часто построены модулями, что делает возможным точную настройку и регулировку требованых объемных потоков. Дальнейшими преимуществами является экономичность оборудования и особенная долговечность отдельных компонентов. Недостатком известных способов разделения посредством мембраны является то, что газ должен подводится к мембранному сепаратору под высоким давлением для того, чтобы содействовать прохождению подлежащих разделению и/или обогащению компонентов в поток пермеата. Сжатие подаваемого потока газа перед поступлением в мембранный сепаратор связано с большими затратами энергии, и поэтому является дорогостоящим. Заданием настоящего изобретения является предоставить разделительную установку или способ разделения вышеуказанного вида, причем сделать возможным разделение газа и/или обогащение газового компонента в газовом потоке при незначительном расходе энергии и низких эксплуатационных и капитальных затратах.

Указанная выше и поставленная перед данным изобретением задача, с использованием вышеописанного типа способа мембранного разделения, решается за счет того, что газовый поток на входе в мембранный сепаратор сжимается до давления выше давления окружающей среды, а уровень давления на стороне пермеата понижается по отношению к уровню входного давления газового потока. Для решения вышеописанной проблемы, согласно изобретению, существует альтернативная конструктивная форма способа мембранного разделения, при которой подвод газового потока к мембранному сепаратору проходит под давлением окружающей среды, и выходное давление ретентата при выходе из мембранного сепаратора понижается по отношению к давлению окружающей среды, и уровень давления пермеата понижается по отношению к выходному давлению ретентата. Вышеуказанное задача, согласно изобретению, решается конструктивно путем установки, по меньшей мере, одного отсасывающего устройства для понижения давления на стороне пермеата, в частности до уровня ниже 1 бар.

Основной идеей изобретения является понизить уровень давления на пермеатной стороне мембраны по отношению к входному давлению газового потока, подлежащего обогащению, или по отношению к выходному давлению потока ретентата более чем сама потеря давления при прохождении подлежащего отделению компонента через мембрану. Движущая сила, необходимая для прохождения газового компонента, подлежащего отделению, через мембрану в поток пермеата, устанавливается посредством разницы входного давления газового потока и давления потока пермеата или разницы давления потока ретентата и потока пермеата. При использовании известных способов мембранного разделения подаваемый поток конденсируется до высокого уровня давления (обычно 8-20 бар), таким образом, достигается достаточно высокая движущая сила. В данном изобретении избегают использования этой технологии, причем движущая сила для прохождения газового компонента, подлежащего обогащению, через мембрану в поток пермеата генерируется не при помощи сжатия подаваемого потока газа, а путем снижения давления на стороне пермеата. В связи с тем, что энергетические затраты на сжатие газового потока или на понижение давления почти пропорциональны к объему газа, энергетические расходы на обогащение газового компонента в газовом потоке при помощи представленного изобретения могут быть значительно меньше по сравнению с известными способами мембранного разделения. А именно, при использовании изобретения нет необходимости сжимать весь подаваемый поток, необходимо только понизить давление потока пермеата, который частично меньше, чем подаваемый поток газа. С использованием настоящего способа мембранного разделения впервые становится возможным находить новые сферы для применения и рентабельного внедрения способа мембранного разделения в отдельных областях.

Настоящий способ мембранного разделения предлагает две альтернативные конструктивные формы установки мембранного разделения вышеуказанного типа. Во-первых, газовый поток может быть сжат перед входом в разделительную мембранную установку до входного давления выше давления окружающей среды. В данном случае давление на стороне пермеата должно быть настолько понижено по отношению к входному давлению газового потока, чтобы обеспечить прохождение подлежащего обогащению компонента через мембрану в проникающий поток. Во-вторых, можно понизить давление на стороне ретентата, причем газовый поток подводится к установке под давлением окружающей среды. В этом случае необходимо понизить давление на стороне пермеата по отношению к выходному давлению потока ретентата, чтобы обеспечить прохождение подлежащего обогащению компонента через мембрану в проникающий поток пермеата.

Теперь важным является обеспечить сжатие газового потока перед входом в мембранный сепаратор или снижение давления потока ретентата на выходе из сепаратора до такого уровня, чтобы компенсировать потерю давления в мембранном сепараторе, возникающую на стороне ретентата при переходе газового потока. Чем меньше сжатие газового потока или чем слабее должно быть понижение давления потока пермеата на выходе по отношению к давлению окружающей среды, тем меньше энергии потребляется при применении способа мембранного разделения.

Одновременно сокращаются капитальные и производственные затраты способа.

Кроме того, большое значение имеет такое снижение давления на стороне пермеата, достаточное для генерации движущей силы, способствующей обогащению газового компонента в потоке пермеата. Конечно, изобретение не исключает и возможности повышения давления подаваемого газового потока в дополнение к снижению давления на стороне пермеата, что, таким образом, еще больше увеличит движущую силу.

Хотя помимо этого, согласно изобретению, данный способ можно использовать для обогащения воздуха кислородом, возможно также обогащение других компонентов газового потока. Например, этот способ можно использовать для обогащения воздуха азотом, причем кислород из воздуха выходит через мембрану в поток пермеата, и, таким образом, происходит обогащение потока ретентата азотом. Кроме того, данный способ может применяться для отделения углекислого газа или же для отделения/обогащения отработанных газов после сжигания. Наконец, можно предположить, что данный способ можно применять не только для обогащения компонентов газа в газовом потоке, но и для обогащения любых жидких веществ.

Обогащение газообразного компонента газового потока базируется на механизме пермеации газов, при этом подаваемый поток или поток ретентата и тоже поток пермеата находятся в газообразном состоянии. Процесс газовой пермеации сам по себе известен и может быть описан при помощи механизма растворения - диффузии. В мембранном сепараторе на поверхности мембраны происходит сорбирование проникающих компонентов газового потока, например кислорода из воздуха. После того следует диффузия сквозь мембранный разделительный слой, и в конце десорбция на пермеатной стороне мембраны.

Основной областью применения способа является обогащение воздуха кислородом. Обогащенный кислородом воздух может использоваться во многих процессах. Согласно изобретению, способ позволяет генерировать обогащенный кислородом воздух, используя при этом менее энергоемкий и более рентабельный способ. Снижение давления на стороне пермеата способствует улучшению процесса разделения. Содержание кислорода в пермеате повышается за счет увеличения трансмембранной разницы давления. Одновременно увеличивается объем потока пермеата. Эти два процесса ведут к улучшению качества разделения. Кроме того, способ делает возможным простое регулирование объема потока пермеата и отличается простым и экономичным применением.

Разделение подаваемого потока на обогащенный кислородом поток пермеата и обедненный кислородом поток ретентата основывается на механизме фильтрации газов. Благодаря изобретению настоящего способа обогащения становится возможным получение потока пермеата с концентрацией кислорода 22-45%, при этом предпочтительной концентрацией кислорода в потоке ретентата является концентрация около 30%. Тогда как для обогащения воздуха кислородом предполагается, что кислород переходит через мембрану в поток, газовый компонент для обогащения может также находиться в удерживаемом потоке. В этом случае большая часть компонентов проходит через мембрану в поток пермеата, а подлежащий обогащению компонент не проходит через мембрану, и тогда обогащение происходит в потоке ретентата.

Настоящее изобретение делает возможным простое регулирование объема потока пермеата и/или концентрации подлежащего обогащению компонента в потоке пермеата путем понижения давления на стороне пермеата. Таким образом, появляется очень выгодная возможность точно и воспроизводительно регулировать объем потока пермеата или концентрации обогащенных компонентов в потоке пермеата в соответствии с требованиями пользователя при незначительных энергетических затратах.

Выгодная конструктивная форма способа, составляющего изобретение, предусматривает однокаскадный вариант способа. «Однокаскадно» подразумевает в данном случае предусмотренное изобретенным способом повышение давления подаваемого потока или понижение давления ретентата и/или понижение давления пермеата. Однокаскадный способ отличается простотой построения и наглядностью технологического процесса.

Использование одноэтапного способа является наиболее продуктивным в технических условиях для получения только частично обогащенного потока пермеата. Это касается, например, обогащения воздуха кислородом. Одноэтапное применение способа характеризуется незначительными капитальными и эксплуатационными затратами, являясь, таким образом, очень рентабельным.

С целью поддержания низкого уровня расхода энергии для сжатия газового потока перед входом в мембранный сепаратор предусмотрена предпочтительная разница давления газового потока и потока ретентата, которая не должна превышать 1 бар, лучше всего должна быть в пределах от 0,2 бар до 0,5 бар. При этом очень важно, чтобы разница давления газового потока и потока ретентата была достаточной для компенсации потери давления на стороне ретентата, которая происходит во время прохождения газового потока через мембранный сепаратор. Если разница давления газового потока и потока ретентата окажется недостаточной, концентрация обогащенного компонента в потоке пермеата будет меньше.

Следующая конструктивная форма, предусматриваемая изобретенным способом, ставит регулирование разницы давления в зависимость от концентрации подлежащего обогащению компонента в потоке пермеата. Общей целью является как можно более низкий уровень давления подаваемого потока и ретентата, соответствующий необходимой концентрации обогащенного пермеата, что позволит свести к минимуму расход энергии.

В ходе разработки способа было установлено, что отвод потока пермеата должен происходить под абсолютным давлением 0,2-2,0 бар, или лучше 0,4-1,4 бар, лучше всего под абсолютным давлением 0,5-1 бар, и еще лучше под абсолютным давлением ниже 1 бар, то есть ниже атмосферного, таким образом, можно обеспечить прохождение подлежащего обогащению компонента через мембрану в поток пермеата и одновременно расход меньшего количества энергии на обогащение. Дальнейший предпочтительный уровень давления потока пермеата равен 0,5-0,65 бар. В этом случае газовый поток необходимо подводить под абсолютным давлением от 1 до 6 бар, лучше не больше, чем 3 бар, лучше всего 1,35-1,5 бар, при этом разница давления подаваемого потока и потока пермеата должна равняться 0,2-0,5 бар. Поток ретентата может отводиться под абсолютным давлением от 1 до 5,5 бар, лучше 2,5, лучше всего 1 бар, то есть под давлением окружающей среды. Под этим следует понимать, что все вышеуказанные значения были высчитаны в соответствии с изобретенным способом, при применении которого, если необходимо, могут быть выделены также дополнительные преимущества.

Изобретение предусматривает использование в качестве единиц мембранного разделения, например, пластинчатых модулей, карманных модулей или модулей с полыми волокнами. Конечно, возможно также комбинирование многих разных единиц мембранного разделения для достижения оптимальных результатов. Вещественные характеристики мембран, например толщина разделительного слоя, проницаемость, избирательность и термостойкость, влияют на мощность установки мембранного разделения. В основном для внедрения настоящего способа можно вырабатывать и применять все типы мембран в зависимости от конкретного случая.

Срок службы установки мембранного разделения неограничен, так как подвижные детали не вызывают механической нагрузки. В связи с этим способ не требует сложного технического обслуживания. В случае выбора подходящих типов мембран, в зависимости от конкретных условий внедрения способа, влияние старения мембран является лишь вторичным.

Для получения потоков разного объема способ предусматривает разделение газового потока, по меньшей мере, надвое для дальнейшего разделения в нескольких избранных параллельно расположенных единицах и/или мембранных сепараторах. Конечно, эксплуатация мембранного сепаратора возможна и для большего количества параллельно действующих модулей. В принципе возможным является и последовательное подключение нескольких единиц мембранного разделения.

Перед входом в мембранную разделительную установку или перед сжатием способ предусматривает удаление лишних компонентов из газового потока, прежде всего частиц и/или масел, и/или жиров, которые могут нанести вред мембранному сепаратору, мембране и/или препятствовать процессу сжатия и/или отсасывания. Следует стараться избегать проникновения таких лишних компонентов в компоненты оборудования, потому что лишние компоненты могут негативно повлиять на процесс разделения или на обогащение газовых компонентов. Прежде всего, следует опасаться повреждения встроенной в установку мембраны. Помимо этого, следует стараться ограничить объем энергетических затрат на очищение газа для того, чтобы все-таки минимизировать расходы.

Перед входом в разделительную мембранную установку, а лучше после сжатия, газовый поток можно подогреть либо охладить. Благодаря этому обеспечивается то, что уровень температуры не переходит максимально допустимое ограничение для конкретного типа мембраны. Нагревание газового потока может препятствовать конденсации газовых компонентов, и подлежащих конденсации, например водяного пара. При этом газовый поток следует нагревать от температуры 35-50°С, лучше 45°С, до 50-75°С, а лучше всего 60-65°С. Охлаждение газового потока следует проводить до температуры 0-30°С, в особенности 0-20°С. Подогревание или охлаждение происходит в зависимости от типа мембраны, а также от термостойкости специфических параметров, определяющих процесс разделения через мембрану. В случае обогащения воздуха кислородом воздух может подводиться в мембранный сепаратор непосредственно из окружающей среды, и процесс может применяться при температуре окружающей среды.

Преобладающей сферой использования описанного в начале способа для обогащения воздуха кислородом является применение потока пермеата для сжигания мусорного газа в газовых двигателях. После принятия технической инструкции по утилизации бытовых отходов существенно изменилось количество и качество газов на мусорных свалках. Диффузная дегазация метана из мусорных свалок направленно сокращается для соблюдения дополнительных мер предосторожности при использовании технологии мусорных свалок, газового дренажа и газопроводов. Качество газа меняется и сейчас мусорный газ может перерабатываться в газовых двигателях на блочной ТЭС только если в нем содержится не менее 40% метана. Альтернативный способ предусматривает сжигание метана в факелах, в другом случае дегазация увеличивается и наносит вред окружающей среде. Метан в 23 раза больше способствует парниковому эффекту, чем углекислый газ, и остается незадействованным источником энергии.

Закон об обновляемых источниках энергии в Германии гарантирует стабильные цены на электрический ток, добытый из мусорных газов. Хотя на мусорных свалках и имеется оборудование, его часто не удается использовать из-за изменения качества газов.

При помощи одностадийного способа обогащения воздуха кислородом возможно построение такого модуля, в котором можно изготавливать дутьевой воздух с повышенным содержанием кислорода. При экономически выгодных условиях применения способ может быть использован в технических целях на блочных ТЭС даже при более низком качестве газа (<40% метана). Происходит смещение долей инертных газов и образуется воспламеняемая смесь горючего и воздуха, которая гарантирует надежную работу двигателя. Другие преимущества заключаются в сокращении объема выбросов, повышении КПД и улучшении качества горючего. Таким образом, параллельно с экономическими преимуществами появляется возможность внести существенный вклад в защиту окружающей среды.

Указанные выше преимущества касаются также при применении инновационного способа сжигания в газовых двигателях деревянного газа или других видов газа, таких как, например, из очистных станций или биогазов, однако этот конкретный случай освещать не будут. Возможно также использование воздуха, обогащенного кислородом, в микротурбинной и топливной технике. Таким образом, благодаря изобретению описанного способа при использовании обогащенного кислородом воздуха можно повысить КПД.

Настоящий способ можно применять для производства обогащенного кислородом воздуха в спортивном учреждении, например в центре здоровья и т.д. В подобных заведениях существует правило обогащать или обеднять воздух кислородом для улучшения самочувствия и работоспособности спортсменов, учитывая повышенное потребление кислорода во время спортивных тренировок. Обычно кислород для обогащения воздуха закупается в баллонах со сжатым газом и в связи с этим является дорогостоящим. Изобретенный способ имеет преимущества в этом отдельном случае в качестве низкого потребления энергии и значительно более низких расходах на обогащение или обеднение воздуха в спортивном заведении. Более того, возможным является применение данного способа одновременно с кондиционированием воздуха в помещении. Настоящий способ можно применять для обогащения кислородом сточных вод в аэротэнках очистительного оборудования и т.д. При этом можно выравнивать небольшие или переменные концентрации кислорода. Наконец использование обогащенных кислородом газов на основании изобретенного способа также позволит в химических реакциях сократить расходы, например в доменных печах.

Ниже без ограничения основной идеей способа объясняется изобретенный способ на примере одной из конструктивных форм при использовании чертежей, где изображены:

Фиг.1 - технологическая схема способа обогащения воздуха кислородом с использованием одной единицы мембранного разделения и

Фиг.2 - кривая концентрации кислорода в потоке пермеата в зависимости от необходимого объема потребления энергии и объема потока пермеата.

На фиг.1 схематически показан однокаскадный способ обогащения кислородом воздуха с использованием установки мембранного разделения 1. Как видно по первой схеме, установка мембранного разделения состоит из мембранного сепаратора 2, отсасывающего устройства 3, в данном случае это компрессор, который начинает работу только после мембранного сепаратора 2, еще одного компрессора 4, а также теплообменника 5 и фильтра 6 в качестве опции, которые включаются перед мембранным сепаратором 2.

Обогащенный воздух 7 откачивается из окружающей среды и подводится к фильтру 6 для отделения частиц и грязи. Затем воздух сжимается в компрессоре 4 до абсолютного давления 1-3 бар, лучше - около 1,5 бар.

Согласно методике опцией является нагрев или охлаждение воздуха 7 в теплообменнике 5 после сжатия. Таким образом, можно быть уверенным, что поддерживается допустимая рабочая температура мембранного сепаратора 2 и, прежде всего, мембран, входящих в состав единицы мембранного разделения 10. Кроме того, благодаря нагреву воздуха 7 можно избежать конденсации водяного пара, который поступает в установку с воздухом 7.

После прохождения через теплообменник 5 поток воздуха 7 попадает в мембранный сепаратор 2, где делится на обедненный кислородом ретентат 8 и на обогащенный кислородом пермеат 9.

Способ предусматривает понижение давления на пермеатной стороне 11 мембранного сепаратора при помощи отсасывающего устройства 3. Желаемый уровень давления на пермеатной стороне 11 мембранного сепаратора 2 равен 0,4-1,4 бар, лучше всего - ниже 1 бар, в то время как на ретентатной стороне 12 мембранного сепаратора 2 уровень давления равен 1-2,5 бар, в частности 1 бар.

Мембранный сепаратор 2 может содержать в себе единицы мембранного разделения 10 разного строения. В качестве единиц мембранного разделения 10 могут использоваться, например, пластинчатые модули, карманные модули и/или модули с полями-волокнами. Могут применяться также другие конструктивные варианты единиц мембранного разделения. Единицы мембранного разделения могут работать параллельно с целью получения потоков разного объема. Основным условием является при этом наличие в единице мембранного разделения 10, по меньшей мере, одной мембраны, способной обеспечить переход выбранного компонента газового потока в пермеат 9.

Важным преимуществом способа является его проведение в один каскад, которое облегчает простое проведение процесса. Подведенный поток воздуха 7 делится в мембранном сепараторе по принципу пермеации газов. Движущей силой этого разделения является разница давления воздуха 7 и пермеата 9. Процесс обогащения одного компонента газового потока можно регулировать в зависимости от конкретных условий путем варьирования объемов потоков воздуха 7, ретентата 8 и пермеата 9, а также уровня давления в соответствующих потоках. При этом давление на пермеатной стороне 11 мембранного сепаратора 2, прежде всего на абсолютном уровне 0,4-1,4 бар, а особенно на уровне ниже давления окружающей среды, улучшает эффективность процесса разделения. Таким образом можно варьировать объем потока пермеата 9 и содержание в нем кислорода.

В связи с этим способ предусматривает, что разница в давлении поступающего в мембранный сепаратор воздуха 7 и обедненного кислородом ретентата 8 не должна превышать 0,5 бар. Вышеуказанную разницу можно регулировать в зависимости от желания сократить потребление энергии и от желаемой концентрации кислорода в пермеате 9.

Из схемы не видно, что компрессор 4 может быть установлен и на ретентатной стороне 12 мембраны, так что ретентат 8 будет отсасываться. В этом случае пропадает необходимость сжимать воздух 7 перед входом в мембранный сепаратор 2. Следует помнить, что движущая сила разделения и/или обогащения кислородом пермеата 9 будет зависеть от разницы в давлении ретентата 8 и пермеата 9.

Для быстрой транспортировки установки мембранного разделения 1 предусмотрен переносной футляр для мембранного сепаратора 2, отсасывающего устройства 3, компрессора 4, а также других структурных составляющих установки мембранного разделения 1, который помещается в своего рода контейнер и может быть легко перемещен. Это возможно прежде всего благодаря тому, что установка имеет компактное строение, которое позволяет чтобы составные части и приборы контроля имели небольшой размер и вес.

Приведем пример обогащения кислородом воздуха 7, в котором к мембранному сепаратору 2 подводится поток воздуха 7 на скорости 7,6 м³/ч под абсолютным давлением 1,3 бар. В мембранном сепараторе происходит разделение воздуха 7 на обогащенный кислородом поток, пермеат 9 и на поток, обедненный кислородом, ретентат 8. На пермеатной стороне 11 при помощи отсасывающего устройства 3 достигается уровень давления ниже атмосферного, а именно 200 мбар. Получаем поток со скоростью 3,1 м³/ч, под абсолютным давлением 0,8 бар, с долей кислорода 25,46%. На стороне впуска 12 достигается абсолютное давление 1,15 бар. Поток ретентата 8, содержащий 18,75% кислорода, имеет скорость 4,5 м³/ч.

На фиг.2 схематически и качественно показано изменение концентрации кислорода y_O2 [%] в виде кривой b, которая зависит от снижения давления на пермеатной стороне мембранного сепаратора.

Способ позволяет установить, что оптимальные условия для обогащения кислородом потока пермеата зависят от уровня давления подаваемого потока и ретентата. Речь идет об увеличении концентрации кислорода в пермеате. Если разница в давлении подаваемого потока и ретентата слишком мала, то достигнутая концентрация кислорода снижается.

Кроме того, удалось установить, что понижение давления на стороне пермеата по отношению к входному давлению газового потока в мембранный сепаратор ведет к улучшению и увеличению концентрации подлежащего обогащению компонента потока пермеата.

Проникающий поток V_p [m³/h] представлен нисходящей кривой с понижением давления на стороне пермеата (кривая а). Уровень потребления энергии P_el [kw], необходимый для понижения давления на стороне пермеата, представленный на чертеже кривой с, обратно пропорционально растет при снижении давления на стороне пермеата.

Помимо этого, обратим внимание на то, что рециркуляция пермеата 9 и/или ретентата 8 хотя и не предвидится, но является возможной. Также не предусмотрено повторное соединение пермеата 9 с ретентатом 8, но это является возможным, прежде всего, к случаям применения изобретенного способа для обогащения кислородом.

Изобретение относится к мембранному разделению газов для обогащения, по меньшей мере, одного компонента газового потока, в частности для обогащения воздуха кислородом и/или для обогащения углекислого газа в газовом потоке. Газовый поток подводят к мембранному сепаратору, содержащему, по меньшей мере, одну единицу мембранного разделения, содержащую, по меньшей мере, одну мембрану. На мембране газовый поток разделяется путем пермеации на выведенный на ретентатной стороне мембраны ретентат и на выведенный на пермеатной стороне мембраны пермеат. При этом пермеат обогащается кислородом до концентрации 22-45 об.%. Перед входом в мембранный сепаратор газовый поток сжимают до входного давления выше уровня давления окружающей среды, а именно до значений абсолютного давления между 1,35 и 1,5 бар. На пермеатной стороне уровень давления понижается по отношению ко входному давлению до значений абсолютного давления между 0,4 и меньше 1,0 бар. Технический результат - снижение энергетических, капитальных и производственных затрат. 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ мембранного разделения для обогащения воздуха кислородом (7), для этого воздух подводится к мембранному сепаратору (2), и обогащение происходит при наличии, по меньшей мере, одной единицы мембранного разделения (10), содержащей, по меньшей мере, одну мембрану, за чем следует разделение воздуха путем пермеации газов на мембране на выведенный на ретентатной стороне (12) мембраны ретентат (8), и на выведенный на пермеатной стороне мембраны (11) пермеат (9), при этом обогащаемый газовый компонент при помощи механизма растворения-диффузии проникает через мембрану, при этом перед входом в мембранный сепаратор (2) воздух сжимается до входного давления выше, чем давление окружающей среды, а на пермеатной стороне (11) уровень давления понижается по отношению к входному давлению, при этом пермеат (9) обогащается кислородом до концентрации 22-45 об.%, отличающийся тем, что газовый поток подводится в мембранный сепаратор (2) под абсолютным давлением между 1,35 и 1,5 бар, а пермеат (9) выводится под абсолютным давлением между 0,4 и меньше 1,0 бар.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разница давления газового потока и ретентата (8) не превышает 1 бар, лучше - 0,2-0,5 бар, и/или разница давления регулируется в зависимости от концентрации обогащаемого компонента в пермеате (9).3. Способ по п.1, отличающийся тем, что объем потока пермеата (9) и/или концентрация обогащенного компонента регулируется путем понижения давления на пермеатной стороне выпуска (11).4. Способ по п.1, отличающийся тем, что пермеат (9) обогащается кислородом до концентрации 30 об.%.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс проходит однокаскадно.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что газовый поток делится на, по меньшей мере, два потока и затем проводится через большое количество параллельных единиц мембранного разделения (10) и/или устройств мембранного разделения (2), входящих в состав установки мембранного разделения (1).7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве единицы мембранного разделения (10) используется, по меньшей мере, один пластинчатый модуль и/или модуль с полыми волокнами.8. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед входом в мембранный сепаратор (2), лучше - перед сжатием, предусмотрено удаление нежелательных компонентов газового потока, прежде всего частиц и/или масел и/или жиров.9. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед входом в мембранный сепаратор (2), а лучше - после сжатия, газовый поток нагревают или охлаждают на 10-25°C.10. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед входом в мембранный сепаратор (2) из газового потока удаляются компоненты, подлежащие конденсации, прежде всего вода.11. Способ по п.1, отличающийся тем, что разделение газового потока в мембранном сепараторе (2) происходит при температуре окружающей среды.12. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие газового потока перед входом в мембранный сепаратор (2) и/или понижение давления ретентата (8) и/или пермеата (9) происходит в одну стадию, и лучше сжатие происходит в соответствии с измененным заранее заданным давлением.