用于分离多组分原料流中组分的方法

摘要

本发明提供了一种用于分离多组分进料物流的方法和装置，其中使用了多孔分离器以有效地通过渗透和相变产生至少三种不同组成的级分。

权利要求

1、一种用于将多组分进料物流分离为级分的方法，包括步骤：(a)提供一种至少具有两种在相同的相中的流体组分的进料物流；

(b)提供一种具有进料侧和出料侧的多孔分离器；

(c)保持跨多孔分离器的压差，包括在分离器的进料侧相对较高的压力 和在分离器出料侧相对较低的压力；

(d)在相对较高的压力下将进料物流引入并与分离器的进料侧进行接触， 在有效分离所述进料物流组分的条件下将其分离为截留物，其在所述分离器的 进料侧形成，以及渗透级分，该渗透级分(i)在分离器进料侧的另一侧形成； (ii)包括一种以上的所述进料物流的组分，其比例与在被处理的进料物流中 的比例不同；(iii)是液体渗透级分和蒸气渗透级分的来源；和(e)回收每种所述的的截留物、液体渗透级分和蒸气渗透级分。

2、如权利要求1的方法，其中所述进料物流的所述两种组分为液体。

3、如权利要求1的方法，其中所述进料物流的所述两种组分为蒸气。

4、如权利要求1的方法，其中所述进料物流包括三种或多种组分。

5、如权利要求1的方法，其中所述进料物流是共沸的并且所述液体和蒸 气渗透级分为非共沸的。

6、如权利要求1的方法，其中步骤(a)到(e)在没有能量输入存在的 情况下进行。

7、如权利要求1的方法，其中步骤(a)到(e)在有能量输入存在的情 况下进行。

8、如权利要求1的方法，其中步骤(a)到(e)被重复预定的次数。

9、一种能够用于将多组分进料物流分离为级分的装置，所述多组分进料 物流含有至少两种在相同的相中和在预定的数量下的流体组分，其具有包括如 下部分的组件(a)第一压力腔室，其具有用于接收进料物流的入口和排出部分进料物 流的出口；

(b)第二压力腔室；

(c)多孔分离器，其(i)位于第一和第二压力腔室之间；(ii)具有用 于接收所述进料物流的进料侧和连通到所述第二压力腔室的出料侧；和(iii) 其适于容许但只是物流中的一部分流体组分从进料侧到出料侧通过，该部分流 体组分的数量不同于所述预定的数量；

(d)用于将在第一压力腔室的压力保持为高于第二压力腔室压力的值从 而建立跨多孔分离器的压差的装置；

(e)在第二压力腔室中的蒸气出口，通过该出口在所述腔室中的蒸气可 以被去除；和(f)在第二压力腔室中的液体出口，通过该出口在所述腔室中的液体可 以被去除。

10、如权利要求9的装置，其具有多个串联的所述组件，其中所述串联的 组件的第一腔室的出口与紧随其后的所述串联的组件的第一腔室的入口流体 连通。

11、如权利要求9的的装置，进一步包括选自再沸器和冷凝器的至少一种 换热设备。

12、如权利要求9的装置，其中所述多孔分离器包括至少一种选自多孔膜、 分子筛、沸石晶格、填料床材料和纳米管的多孔材料。

13、如权利要求12的装置，其中所述的多孔分离器进一步包括可渗透的 无孔材料。

说明书

本发明涉及一种用于将多组分原料流分离为级分的方法以及实现该方法的 装置，更特别地，本发明涉及一种包括用多孔分离器(porous separator)将多 组分原料流分离为包含相对较高浓度的一种或多种组分的级分的方法和装置。

已知的用于从多组分原料流中分离和回收该物流中的单独组分的分离和回 收的技术很多。例如这样的例子包括：蒸馏、多孔膜分离、离心分离、夹带或捕 集(impingement)分离、和无孔静电膜分离。典型地，这些技术都分别用于各种 不同类型的应用并且它们都在不同类型的装置中实施。

例如，被转让于与本发明相同受让人的US6032484(Chernyakov)，公开 一种用于从包含有稀释性气体和氟化物的气体流中分离和回收氟化物的方法，其 首先将气体流与一级或多级膜系统进行接触，其中膜选择性地比氟化物更优先渗 透稀释性气体，从而得到了富含稀释性气体的气流以及富含气态氟化物的气流。 每种产物气体流都会在后续的分离步骤中通过蒸馏或吸附进行纯化以产生高富 含氟化物和高富含稀释性气体的物流。

膜分离和相变化结合应用的方法例如真空膜蒸馏(VMD)而全蒸发也是已知 的。VMD系统使用了基于膜的方法，通过部分蒸发穿过聚合物膜来从溶液例如水 中萃取低浓度挥发性有机物(VOCS)。该膜作为液相中物料和渗透过膜的气体之 间的选择性截留层。

VMD方法的例子公开在了JP3089922的摘要中，依照其公开的内容，提供了 一种从原料流中分离溶解挥发性物质的方法，其中将原料流引入，并与进料侧的 多孔分离器，例如疏水性多孔膜进行接触，并且将含水的“回收”溶液与多孔分 离器的出料侧接触。当原料流与膜接触时，被分离的组分蒸发并在膜附近形成了 气体层。气体形式的组分进入所述分离器的进料侧，扩散通过分离器，并在分离 器的出料侧排出分离器。当气体组分排出分离器时，它就会被吸附到含水回收溶 液中，其中该溶液的温度维持低于原料流的温度。这样，依照该公开所教导的方 法，要被分离组分当它流经分离器的时候没有发生相变。

VMD另一个例子公开在JP61018406的摘要中。依照其公开的内容，将原料 液体引入，与多孔液相非渗透膜接触，然后加热使原料中的某种组分蒸发。蒸发 的气体渗透过膜进入到气体收集空间，在这里进行冷凝。如JP3089922，这个公 开教导了一种方法，其中要被分离的组分流经分离器时没有发生相变。

相对于VMD方法，全蒸发中所使用的膜其功能是用来作为两相，即液体进料 /截留相进料和汽相渗透物之间选择性的截留层。该膜可以使液体原料中的所需 组分通过蒸发的方法经由膜进行传输。这种分离主要是利用极性差异而不是原料 中组分的挥发性差异。

全蒸发方法的例子公开在美国专利No.4788043(kagiyama)中，其中描 述了一种用有机溶剂净化半导体物质的方法。当该物质被净化后，有机溶剂就被 水、电解质和颗粒物质所污染。该溶剂通过两步方法进行净化，该方法包括分离 后的第一全蒸发步骤和独立的蒸发步骤。在全蒸发步骤过程中，将液体溶剂/水 混合物转移通过全蒸发器以从溶剂中去除大部分水和其它杂质。更特别地，大部 分溶剂渗透过全蒸发器的膜，而大部分水则没有渗透。将渗透过膜的溶剂转移到 分离设备，该设备通过蒸镏从溶剂中去除多余的水。这样，Kagiyama并没有教 导单独使用分离器以通过渗透有效地分离多组分进料物流中的组分并产生气体 和液体渗透级分。

在US4900402(Kaschemekat)中也公开了一种全蒸发的方法，其中公开了 从混合液体中分离至少一种组分的方法，例如，从发酵物质中分离乙醇，通过用 第一全蒸发设备形成富含被分离组分的第一渗透气体，和(b)分馏第一渗透气 体，例如，通过温度冷凝，在分馏冷凝器中形成高浓度馏分二次富含被分离的组 分。依照Kaschemekat的发明，当被分离的混合物渗透过全蒸发器的膜时发生了 相变(从液体到气体)。离开全蒸发器的气体混合物富含乙醇。将富含乙醇的气 体转移到冷凝器中，其中至少一部分水蒸气冷凝为液体并随后去除。而 Kaschemekat教导了一种用膜通过渗透来分离多组分进料物流的方法，并且渗透 过该膜的物料发生了相变，其没有教导通过气体的产生和渗透以及液体渗透的级 分而单独用膜有效地分离多组分原料流的组分。

在US4962270(Feimer)中公开了一种多级全蒸发方法，其中用多个膜进行 串联并且在每个连续截留级操作时在逐级越来越高的真空，和越来越高的温度， 或者两者都是的情况下进行操作的。所描述的这种方法用于分离沸点温度在较大 的范围内变化的组分是有效的。Feimer与Kaschemekat的相似之处在于两者都 教导了通过全蒸发器和冷凝器分离多组分原料的方法。然而，Feimer也教导了 多级蒸发器和冷凝器可以串联起来应用以形成多种状态的工艺气流。

也可以找到其它的全蒸发例子，例如，在US5108549(Wenzloff)中。

在上面所涉及公开的每个内容中，全蒸发或VMD步骤都不能紧密的与任何其 它的净化或分离方法相结合。也就是说，全蒸发器仅仅是通过渗透来分离多组分 进料物流。热力分离(例如蒸馏)被教导作为一种间歇的步骤，该步骤是在分离 装置中进行操作的。

发明内容

依照本发明，这里提供了一种用于将多组分进料物流分离为级分(fraction) 的方法包括步骤：
(a)提供一种至少具有两种在相同的相中的流体组分的进料物流；
(b)提供一种具有进料侧(inflow side)和出料侧(outflow side)的多孔 分离器；
(c)保持跨多孔分离器的压差，包括在分离器的进料侧相对较高的压力和 在分离器的出料侧相对较低的压力；
(d)在相对较高的压力下将进料物流引入并与分离器的进料侧进行接触， 在有效分离所述进料物流组分的条件下将其分离为截留物，其在所述分离器的进 料侧形成，以及渗透级分，该渗透级分(i)在分离器进料侧的另一侧形成；(ii) 包括一种以上的所述进料物流的组分，其与在被处理的进料物流中的比例上不 同；(iii)是液体渗透级分和蒸气(vapor)渗透级分的来源；和
(e)回收每种所述的的截留物、液体渗透级分和蒸气渗透级分。
在本发明的一侧的实施方式中：(A)进料物流优选地包括液体组分的 混合物，该混合物任选地含有一种或多种蒸气组分；(B)每种多孔分离器的种 类和包括进料物流的组分的性质是这样的：(i)大量组分中的一些当它们从高 压环境变化为低压环境时渗透过分离器；(包括该组分的渗透级分的比例不同于 其在进料物流中的比例)；和(ii)由于例如分离器孔的相对尺寸和组分分子的 尺寸关系，很多组分中的一些没有渗透过分离器(截留物)和(C)渗透级分的 组分在这样的条件下进行分离，即至少一种组分发生了相变化，例如，通过闪蒸 为蒸气(蒸气渗透级分)，并通过重力作用与一种或更多液体组分分离，该液体 组分渗透过分离器并保持在液态(液体渗透级分)。
本发明的一个重要方面是在于产生和保持这样的条件，即可以有效的产生渗 透级分，该级分包括一种或多种液相组分以及一种或多种气相组分，包含每相的 组分彼此之间个各不相同。例如，在多孔分离器和多孔分离器的出料侧中的压力 条件保持在可以使渗透级分的至少一种液体组分闪蒸或使渗透级分的至少一种 蒸气组分冷凝。所产生的蒸气渗透级分和液体渗透级分可以通过重力进行分离然 后进行回收。相应地，本发明的方法可被充分和有效地操作，从而基本上同时将 多组分进料物流中的一种级分从其它级分中分离出来并将其它级分分离为两种 不同的级分；这些可以通过仅仅使用跨多孔分离器的合适压差来有效的完成。
本发明的另外一个方面提供了一种组件，该组件能够用于将至少含有两种在 相同的相中和预定数量的流体组分的多组分原料流分离为级分，其包括：
(A)具有用于接收进料物流的入口和排出部分进料物流的出口的第一压力 腔室；
(B)第二压力腔室；
(C)多孔分离器，其(i)位于第一和第二压力腔室之间；(ii)具有用于 接收所述进料物流的进料侧和连通到所述第二压力腔室的出料侧；和(iii)其 适于容许但只是物流中的一部分流体组分从进料侧到出料侧通过，该部分流体组 分的数量不同于所述预定的数量；
(D)用于将在第一压力腔室的压力保持为高于第二压力腔室压力的值从而 建立跨多孔分离器的压差的装置；
(E)在第二压力腔室中的蒸气出口，通过该出口在所述腔室中的蒸气可以 被去除和
(F)在第二压力腔室中的液体出口，通过该出口在所述腔室中的液体可以 被去除。
如在下面所详细描述的，本发明的另外一个方面是提供一种装置，其包括多 个前面所述类型的组件，并被用来提供富集了进料物流中一种或多种组分的进料 物流的级分。

附图说明

图1示出了依照本发明的装置优选的实施方式
图2类似图1，其中还示出了流过多组分进料物流装置的流以及由此形成的 各种不同的级分。
图3示出了依照本发明装配有再沸器和冷凝器的装置的实施方式。
图4中示出了依照本发明具有多个将多组分原料流分离为级分的组件的装 置的实施方式。

具体实施方式

依照本发明用于将多组分进料物流分离为级分的示例性装置在此进行描 述。参考图1，其中描述了本发明优选的实施方式，其示出了用于将多组分进料 物流100分离为不同的级分的装置10。装置10包括单个的组件50，在其中将进 料物流分离为含有物流中组分的级分。组件50包括高压腔室22其通过多孔分离 器26与低压腔室24分开，所述多孔分离器的性质(例如孔尺寸)取决于要被分 离物流的组分。高压腔室内的压力通过阀30进行控制。进料物流100中的至少 两种组分可以渗透过多孔分离器26。将低压腔室24的压力保持在低于高压腔室 22的压力下。(因此，跨多孔分离器26会存在压力差)。低压腔室24的压力 通过阀34和阀32进行控制。所用的术语“高压”和“低压”不是指所述的压 力的绝对值，也就是说，无论压力实际上是否高于或低于大气的压力。该术语专 门用于表示一个腔室所具有的压力高于另外腔室的压力以至于可以产生跨多孔 分离器26的压差。
转到图2，将进料物流100引入到组件50的高压腔室22中，在这里它与多 孔分离器26进行接触。由于多孔分离器26的特别的性质以及通过该多孔分离器 的压差，进料物流100中的至少两种组分的一部分渗透过多孔分离器26然后进 入到低压腔室24。通过多孔分离器的进料物流的这一部分构成了渗透级分500。 保留在高压腔室22中的组分构成截留物210，其可以通过管路200从高压腔室 中抽出。
当渗透级分500在进入低压腔室24的途中通过多孔分离器26时，其中至少 一种组分发生了相变，也就是说，该组分的物理状态发生了变化。低压腔室24 的压力和温度可以保持为使得渗透级分500可以以两相即液相420和蒸气相320 的方式排出，每相在组成上与进料物流100和渗透级分500都不同。该组合物包 括在重力作用下进行的相分离并形成了液相渗透级分430和蒸气渗透级分330， 它们分别可以通过管路400和300从低压腔室24中抽出。在一个优选的实施方 式中，进料物流100连续地供应到组件50，其中的条件以这样的方式进行保持， 即连续地产生截留物210、蒸气渗透级分330和液体渗透级分430。
接下来描述本发明其它方面的内容。
进料物流包括了处于相同流体相的至少两种组分。确信的是渗透的发展将会 更为广泛的应用于处理含有处于液相的至少两种组分的进料物流；无论怎样，其 也可以应用于处理含有处于气相的至少两种组分的进料物流。在任意一种情况 下，“液”相可以含有处于气相的一种或多种组分而“气”相可以包括处于液相 的一种或多种组分。
进料物流所含的组分可以包括环境条件下为气体的化合物，但是由于温度和 /压力的条件在进料物流中处于液相。进料物流组分所含化合物的例子包括：水、 氢气、烷烃、烯烃、炔烃、环烷烃、芳香烃、卤化物、卤代烃、醇、醚、胺、腈、 硝基化合物、硅烷、硫化物、亚砜、砜、硫醇、羰基化合物(carboyl)、醛、 酮、酯、酰胺、醛糖、酮醣和缩醛。所述组分可以包括与一种或多种其它化合物 组合的两种或多种上述化合物。特别地组成进料物流的化合物组合的例子包括： (A)乙醇和水(共沸的和非共沸的)；(B)二氧化碳、甲烷、和丙烷；和(C) 氢气、甲烷、和二氧化碳。原料流可以处于室温或更高或更低的温度下。
进料物流的组分通过将物流在压力下引入与多孔分离器接触而进行分离。没 有通过多孔分离器的物流的一种或多种组分形成了截留物。通过多孔分离器的两 种或多种组分包含渗透级分，该级分是液体和蒸气渗透级分的来源。
本发明的多孔分离器是一种允许物流的至少两种组分，其数量不同于其在进 料物流中的数量，选择性地渗透的材料。涉及这样渗透工艺的变量包括，例如， 跨多孔分离器的压差、多孔分离器的孔尺寸、和该组分所含的化合物分子尺寸。
渗透级分在某种定义的条件下(例如，温度、压力、和组分的比例)发生部 分相变化(即，闪蒸或冷凝至少一种，但是少于所有的组分)的能力可以通过应 用商业工艺模拟软件，例如ASPEN来确定。这种模拟软件有助于复杂化学 工艺和装置的模拟，例如蒸馏塔和化学反应器的工程模型的确立。典型地，对于 特定的工艺一旦流程确定那么某些工艺变量就可以确定，该软件就可以基于自然 定律、已知公式、经验数据计算剩下的工艺变量。例如，提供了具有确定组成和 压力的进料物流，即便进料物流中组分在渗透过分离器之后会进行闪蒸或冷凝该 软件也可以预测出对于进料组分的分离器的选择性并提供跨分离器的压差。
由此多孔分离器的选择取决于进料物流中特定组成也取决于级分流所需的 组成。构成分离器的原料的选择是基于其对于某种化合物特定的选择性。在这点 上，选择性指的是多孔分离器阻碍或限制某种化合物渗透的能力，同样地也指允 许其它化合物进行渗透的能力。
构成多孔分离器的孔包括，例如，开口，例如微开口、沟槽和通道。所述孔 在尺寸上可以是均匀的也可以是不均匀的。在一个典型的实施方式中，多孔材料 可以含有尺寸均匀的孔，其可以用来分离基于它们尺寸的不同化合物分子。例 如，水分子较小足以通过特定尺寸的孔，反之较大的苯分子由于不够小而不能通 过多孔材料。
对于前面提到的构成进料物流的化合物的选择性渗透，除了提供通道以外， 多孔材料的孔的属性可以是这样的即，它们在分离器中提供了空间，其中至少一 部分进料物流中的液体化合物闪蒸形成蒸气或其中至少一部分进料中的蒸气化 合物冷凝形成液体。因此，该空间容纳了蒸气和液体渗透级分，其来源是流过所 述多孔分离器的渗透级分。
构成分离器的多孔材料的例子为含孔膜、分子筛和沸石晶格(zeolite lattice)，填料床物质，例如，树脂床和活性碳床，和纳米管，例如，碳纳米管。 多孔分离器的结构在属性上可以是统一的，也就是说，可以只包括一种类型的多 孔材料，或者也可以是不统一的，并包括两种或多种不同多孔材料的组合，例如， 沸石和膜的聚合物基质相结合。
含孔膜可以例如以平板薄片、管、毛细管和中空纤维的形式进行制备并且可 以由多种装配形式包括例如平板和框架、螺旋缠绕组件、中空纤维组件和管壳组 件构成。膜的孔可以通过穿孔或其它手段形成。
可以实际用于本发明的分子筛的例子包括由如粘土、硅胶和多孔玻璃材料形 成的合成分子筛，也包括天然分子筛例如矿物石灰(mineral lime)。
天然或合成的沸石是实际用于本发明典型分子筛的例子。沸石包括无机多孔 材料，例如，铝硅酸盐矿物，具有较高规整性结构的孔和可以允许一些分子通过 和阻碍或阻止其它分子从这里通过或可以使它们破碎(break down)的腔室。
可以实际用于本发明典型的填料床材料是用颗粒状吸收材料，例如，活性碳 或树脂，随机填充而构成的中空框架。所述填料具有相对较大的表面积可以用于 改善与进料物流的接触。
多孔结构可以包括用于涉及到微观分离的纳米管。
多孔分离器的材料除了以多孔性获得分离以外还包括了其它性质。例如，多 孔分离器可以是化学可渗透的(例如疏水的)。
多孔分离器可以包括至少一种可渗透的(permeable)无孔材料，即，一种不 带孔的材料，但是，尽管如此，仍允许原料流中的至少一些组分由一种或多种过 程例如，扩散、化学亲合、电化学亲和和电磁场而通过该分离器。对于那些仅仅 使用一种多孔材料难于进行分离的两种或多种组分，可以将多孔和无孔材料结合 使用以获得有效的分离。
可渗透的无孔材料可以是，例如，与多孔材料结合的，例如，提供一种多孔 和无孔材料的混合物，或以一种或多种平行叠层的形式置于邻近或接近分离器的 位置。叠层可以设置为，例如，平行于分离器的进料侧，或平行于分离器的出料 侧，和/或分离器可以被夹在两个平行的可渗透无孔材料叠层之间。优选地，可 渗透无孔材料不被置于多孔分离器的出料侧，这样就不会妨碍渗透级分的至少一 种组分发生相变。
可以应用的可渗透无孔材料的例子包括膜，例如，聚合物和陶瓷膜。渗透无 孔材料以例如固体、液体和凝胶的形式存在，并且其与分离器联合起来，当渗透 级分通过分离器时不会阻碍渗透级分的部分相变。
如果被使用，构成多孔分离器和可渗透无孔材料的材料类型将取决于进料物 流所含的组分。它是属于选择材料的现有技术的范畴内。例如，已知活性碳过滤 器用于从CO2/CH4混合物中选择性地分离CO2。作为另外一个例子，已知沸石可以 用于为气体提供有效的分离，包括从低品天然气中去除H2O、CO2和SO2。本领域 技术人员能够确定获得所希望的分离所需的操作温度和跨多孔分离器的压差。
组件的高压腔室被设计为接受引入的进料物流，使进料物流与多孔分离器进 行接触并且排出截留物。所述高压腔室应该包括控制阀或将其中的压力保持在所 希望的值的合适手段。
组件的低压腔室设定为接受渗透级分和为渗透级分的部分闪蒸或冷凝提供 场所，并且还排出蒸气渗透级分和液体渗透级分。例如，在一个实施方式中，设 计允许低压腔室的闪蒸，以用于渗透级分的一种或多种组分的快速膨胀，并且优 选地，迅速地获得和保持相平衡。其它的设定因素包括提供一种或多种控制阀或 在低压腔室中保持所需压力的其它合适手段。
本发明比以前涉及到作为分离技术的传统闪蒸或冷凝现有方法的优势在于 本发明不需要使用外部能量源。在本发明中所发生的闪蒸或冷凝可以不用再沸器 或冷凝器而被实现。然而在本发明中再沸器和冷凝器也是可以应用的。例如在图 3的装置中示出了具有再沸器601和冷凝器602的组件。
在优选的实施方式中，渗透级分中的组分通过串联连接的多个组件进行分 离。关于这点实施例1就是就是用于多个组件的示例并且包括了附图4的描述。
在包括了多个组件的装置中，组件的设计可以大体相似或可以不同，这取决 于级分的分离。例如，不同类型的多孔分离器可以用于连续地获得高纯度级分或 从进料物流中分离不同组分。多组件的分离能力可以通过使用较少的更长长度的 组件来实现。
实施例
依照本发明将多组分进料物流(尤其是三元和二元组分混合物)分离的几个 实施例进行模拟。模拟的结果表明基于所述条件本发明的方法和装置分离混合物 组分是有效的。实施例1到4每个都涉及将多组分进料物流分离为截留物、渗透 蒸气级分和渗透液体级分的方法的模拟。该模拟是采用ASPEN程序，一种 商业应用模拟软件包。该模拟涉及到选择如与在每个实施例中所述方法相关联的 预定条件(作为模拟输入量)。通过模拟输入量所表示的信息，ASPEN程 序产生某种模拟输出量包括对于组分某种物理性质的数值，例如，截留物和蒸气 与液体渗透级分的组成，这些可以确保该装置在将进料物流分离为各种级分是有 效的。
预定条件包括，例如，进料物流的组分以及其温度、压力和流率(flow rate)；在多孔分离器进料侧的压力；在多孔分离器出料侧的压力；截留物的温 度和压力；在该方法中所用的组件的数量；是否应用再沸器和/冷凝器，以及如 果这样，其工作的能力；以及流过多孔分离器每种组分的量。最后提到的预定条 件可以通过模拟输入量来确定，该模拟输入量辨别了渗透过多孔分离器的进料物 流的体积量或渗透过分离器每种组分的量。基于前面提到的预定条件，通过应用 该程序就会产生下面的输出：截留物的组成和流率；以及每种蒸气渗透级分和液 体渗透级分的温度、流率和组成。
在实施例所述的方法中所用的装置包括串联设置的多个组件，并且在其中进 料物流中的组分被处理和分离。每个组件包括位于高压腔室和低压腔室之间的多 孔分离器、在高压腔室中用于进料物流的入口、在高压腔室中用于在高压腔室中 形成的截留物的出口、在低压腔室中用于液体渗透级分的出口、以及在低压腔室 中用于蒸气渗透级分的出口。
对于每个实施例多组分进料物流包括在给定的浓度和具有给定的流率和温 度下特定化合物的预定混合物。例如，在实施例1中，对于第一组件的预定进料 物流包括流率为100Kg/hr、温度-32°F、CO2、CH4和C3H8的摩尔分率分别为 0.90、0.05和0.05的三元混合物。
每个实施例都包括带有预定特征的多孔分离器的应用，所述特征控制了，例 如，渗透流过分离器的每种组分的比例。利用这样的信息，本领域技术人员可以 确定在任何特定应用中可被使用的多孔分离器的属性。例如，已知的是交联的聚 乙烯醇或聚乙烯醇/胺的聚合物，并用埃尺寸级的二氧化硅颗粒分散在膜基质 上，并用马来酸或用戊二醛进行交联，将其作为多孔分离器来分离异丙醇和水的 共沸混合物(参见例如实施例4)。这样的材料或其它类型的多孔材料或这些材 料两种或多种的结合可以用于本发明的实施中，其前提是所用的特定的材料可以 与所述方法的其它方面的相互兼容。
在多孔分离器的每个进料侧和出料侧上的压力也可以预先设定好；这样，依 次设定跨多孔分离器的压差。
基于涉及到每个实施例的预定条件，通过前面提到的计算机程序确定了表示 每个实施例中有关所涉及到的组分，即截流物和液体以及蒸气渗透级分的组成、 压力、温度和流率的信息、而产生了模拟输出量。该信息列在了伴随着实施例的 表格中。
实施例1
实施例1阐述了从包括液体二氧化碳、丙烷和甲烷(物流中所有的组分都处 于液态)的加压和冷却的液体进料物流中分离甲烷的连续方法。在分离中所用的 装置包括串联的十个组件。对于该装置不用施加外部能量源(即，该装置不包括 再沸器和冷凝器)。在这个实施例中所用的装置图4中示出。
将包括了在下面的表1中给出了其比例的液体二氧化碳、甲烷和丙烷的多组 分进料物流1以100kg/hr的流率、315psia压力和-32°F温度(所有的预定条 件)下输入到第一组件3的高压腔室5中。组件3的低压腔室保持在预定的压力 55psia下。相应地，跨该组件的多孔分离器的压差为260psia。
当将进料物流引入到第一组件3的高压腔室5时，其与多孔分离器9的进料 侧进行接触。在这个模拟中，可以预定的是10体积％的进料物流渗透过了分离 器。相对于进料物流，流过分离器的渗透级分(没有示出)富集了甲烷，如在表 1中指出的。相应地，相对于进料物流，形成的截留物11富集了二氧化碳和丙烷。
由于截留物11含有剩余的甲烷，将截留物进行处理回收多余量的甲烷。相 应地，第一组件的截留物11变成了第二组件的进料物流13。(依次地，在第二 组件中形成的截留物变成了第三组件的进料物流并且对于剩余的组件都是这样 的。)在该方法的预定条件下，包括截留物的进料物流相对于进入到第一组件的 进料物流产生了压降并且伴随着温度的降低。压降为25psi其意味着进入到第二 组件的进料物流具有290psia的压力。(在连续的组件中由截留物形成的每种进 料物流则产生了25psi压降，包括最后组件的截留物110的物流在65psia[原始 压力315psia-(10组件)(25psi压降/每个组件)＝65psia]压力下由此排 出)。对于该模拟，假定每个高压腔室内的压力是均匀的。从第十组件回收的截 留物110的组成和其它特征都在下面的表1中指出。
在第一组件3中由液体进料物流1形成的和通过多孔分离器9的渗透级分在 如下条件下进行，即，使大体上所有的液体甲烷闪蒸是有效的，也就是说形成了 蒸气渗透级分15；该条件对于使二氧化碳和丙烷保持在液态也是有效的；同样 地，它们包括液体渗透级分17。蒸气渗透级分15通过重力作用从液体渗透级分 中分离出来并经由管路19从第一组件3的低压腔室中去除。相似地，液体渗透 级分17经由管路20从第一组件的高压腔室中去除。
在这个实施例中，每个组件的低压腔室都保持在55psia压力下。这样，因 为在每个高压腔室中的压力逐渐降低，所以在每个组件中跨多孔分离器9的压差 也逐渐降低。在最后的组件300中跨多孔分离器109的压差为10psi(组件300 的高压腔室的压力为65psia而低压腔室的压力为55psia)。这些条件对于使在 每个组件中的渗透级分的甲烷发生闪蒸是有效的。
从组件中抽出的每种蒸气渗透级分与其它蒸气渗透级分结合形成了所包含 的甲烷在比例上大于在原始进料物流的组合物。相似地，从各自组件中回收的每 种液体渗透级分与其它液体渗透级分结合形成了甲烷的比例比原始进料物流相 对较小的组合物。“最终”截留物110的液体组合物(也就是从最后的组件300 出来的截留物)和结合的液体渗透级分和结合的蒸气渗透级分的组合物以及截留 物和渗透级分的其它特征都在下面的表1中给出。
表1
  单位   进料   最终截留   物   结合的液体   渗透级分   结合的蒸气   渗透级分   压力   温度   流率   组成：   CO2   CH4   C3H8   Psia   °F   Kg/hr   摩尔分率   摩尔分率   摩尔分率   摩尔分率   摩尔分率   摩尔分率   315   -32   100   0.900   0.929   0.050   0.019   0.050   0.052   65   -75.8   36   0.931   0.931   4.5x10-6   1.6x10-6   0.069   0.069   55   -82.6   47.2   0.955   0.955   3.0x10-5   2.8x10-5   0.045   0.045   55   -94.2   16.8   0.713   0.853   0.258   0.112   0.029   0.035
从这些数据中可以看出，应用本发明的方法在从原始进料物流中去除大体上 所有的甲烷是有效地，也就是说，应用该方法所产生最终的截留物和液体渗透级 分中基本上不含有甲烷。
实施例2
实施例2的方法与实施例1中所描述的方法相似，但是不同之处在于在分离 中所用的装置装配了再沸器和冷凝器(两者都没有在图4中示出)。
更特别地，应用在实施例1中定义的所有预定条件进行第二次模拟，除了这 样的预定条件即用部分再沸器和部分冷凝器进一步使蒸气渗透级分中富集相对 较低沸点的甲烷并进一步从液体渗透级分中去除甲烷。从每个组件中出来的液体 渗透级分都进料到分离部分再沸器中，该再沸器载荷功率为5100Btu/hr并且加 热和使各自的液体渗透级分至少部分气化。由于甲烷相对于丙烷或二氧化碳甲烷 更容易气化，这些级分的气化部分相对于未气化部分就富含甲烷。将气化部分转 移到它们各自组件的低压腔室中，而同时将基本上不含甲烷的渗透级分的“未气 化”部分进行收集。
相似地，从每个组件中出来的蒸气渗透级分进入到分离部分冷凝器，该冷凝 器具有-2850Btu/hr的累积做功能力，并且冷却和至少部分冷凝了蒸气渗透级 分。由于相对于甲烷，丙烷和二氧化碳更容易冷凝，这些级分的冷凝部分相对于 “未冷凝”部分就富含丙烷和二氧化碳。将冷凝部分转移到组件的低压腔室中， 而同时将富含甲烷的未冷凝部分进行收集。
从组件中抽出的每种蒸气渗透级分与其它蒸气渗透级分结合形成了所包含 的甲烷在比例上大于在原始进料物流的组合物。相似地，从各自组件中回收的每 种液体渗透级分与其它液体渗透级分结合形成了甲烷的比例比原始进料物流相 对较小的组合物。“最终”截留物的液体组合物(也就是从最后的组件出来的截 留物)和结合的液体渗透级分和结合的蒸气渗透级分的组合物以及截留物和渗透 级分的其它特征都在下面的表2中给出。
表2
  单位   进料   最终截留   物   结合的液体   渗透级分   结合的蒸气   渗透级分   压力   温度   流率   组成：   CO2   CH4   C3H8   Psia   °F   Kg/hr   摩尔分率   摩尔分率   摩尔分率   摩尔分率   摩尔分率   摩尔分率   315   -32   100   0.900   0.929   0.050   0.019   0.050   0.052   65   -75.8   36   0.931   0.932   4.5x10-6   5.47x10-7   0.069   0.068   55   -82.5   61.7   0.957   0.957   8.0x10-8   2.9x10-8   0.043   0.043   55   -161.5   2.3   0.071   0.172   0.925   0.818   0.004   0.010
从上面的数据中可以看出，本方法可以从原始进料物流中有效地去除大体上 所有的的甲烷并且形成了基本上不含甲烷的液体渗透级分和富含甲烷的蒸气渗 透级分。相对于在实施例1(其中所描述的不包括应用再沸器和冷凝器的方法) 的结果，本方法形成了含有更高比例甲烷和大体上更低比例二氧化碳和丙烷的蒸 气渗透级分和含有较低比例甲烷的液体渗透级分。
实施例3
依照本发明实施例3是用来从CO2、CH4和H2的预定蒸气混合物中分离CO2方 法的典型例子。该模拟与实施例1的相似，除了后面所要提到的，增加了不同进 料物流的处理。
(A)包括一种蒸气的混合物；
(B)跨每个多孔分离器的预定压力梯度为260psi；
(C)从装置中最后组件排出的截留物的预定压力与进入到第一组件的进料 物流的压力相同，也就是说，对于每个组件进料物流的压力都与该组件的截留物 的压力相同；
(D)渗透过每个多孔分离器的H2/CO2的预定摩尔比为1.43∶1；
(E)渗透过每个多孔分离器的CH4/CO2的预定摩尔比为0.078∶1；和
(F)渗透过每个多孔分离器的进料物流的预定量为0.2lb-mol/hr。
在这个实施例中，将富含甲烷但是也含有二氧化碳和氢气的气体进料物流以 流率为100kg/hr，压力为315psia和温度为-32°F输送到第一组件的高压腔室。 由于进料物流的温度高于混合物的露点温度(即大约-111°F)，混合物处于其 蒸气状态。当进料物流与不同组件的多孔分离器进行接触时，大体上所有的氢气 和二氧化碳与一部分甲烷一起渗透过多孔分离器形成了富含甲烷的截留物。将渗 透级分置于如下的条件下，即将二氧化碳冷凝并且与甲烷相分离。
这个模拟的结果在表3中给出。从组件中抽出的每种蒸气渗透级分与其它蒸 气渗透级分结合形成了所包含的甲烷和氢气在比例上大于原始进料物流的组合 物。相似地，从各自组件中回收的每种液体渗透级分与其它液体渗透级分结合形 成了二氧化碳的比例比原始进料物流相对较大的组合物。“最终”截留物的液体 组合物(也就是从最后的组件出来的截留物)和结合的液体渗透级分和结合的蒸 气渗透级分的组合物以及截留物和渗透级分的其它特征都在下面的表3中给出。
表3
  单位   进料   最终截留物   结合的液体   渗透级分   结合的蒸气   渗透级分   压力   温度   流率   组成：   CO2   CH4   H2   Psia   °F   Kg/hr   摩尔分率   摩尔分率   摩尔分率   摩尔分率   摩尔分率   摩尔分率   315   -32   100   0.100   0.235   0.890   0.764   0.010   0.010   315   -72.8   36   约为0   约为0   约为1   约为1   0   0   55   -82.5   61.8   0.995   0.980   0.005   0.020   0.000   0.000   55   -169.6   2.2   0.057   0.146   0.908   0.850   0.035   0.004
从上面的数据可以看出，实施例3的方法在将三组分进料物流分离为富含甲 烷和基本不含二氧化碳和氢气的截留物、富含甲烷的蒸气渗透级分以及富含二氧 化碳的液体渗透级分是有效的。
实施例4
实施例4阐述了应用本发明分离异丙醇和水的共沸混合物。该模拟与实施例 1相似，除了后面要提到的预定条件。增加了预定不同进料物流的处理，
(A)包括采用串联连接的十四个组件的方法；
(B)对于每个组件进料物流的压力与该组件截留物的压力相同；
(C)跨每个多孔分离器的压差为99.9psi；
(D)渗透过每个多孔分离器的进料物流的量为0.1lb-mol/hr；和
(E)渗透过每个多孔分离器的异丙醇/水的摩尔比为30∶1。
在这个实施例中，在表4中的特定的浓度和压力为100psia和温度为291 °F下将水和异丙醇的共沸混合物输送到组件的高压腔室中。当进料物流进入到每 个组件时，它与该组件的多孔分离器的进料侧进行接触。如上面所设定的，渗透 过分离器的异丙醇与水的摩尔比为30∶1。通过相对于共沸进料物流增加在渗透 级分中的异丙醇的浓度，渗透级分的组合物就停止共沸。结果，渗透级分就闪蒸 形成了富集了异丙醇的蒸气渗透级分。
从进料物流中回收部分异丙醇也可以产生富含水且不是共沸的截留物。如每 个预定的条件，从组件的高压腔室中流过的截留物的压力与流入到下一个组件的 相应的进料物流的压力相同。这样，理论上在原始进料物流和从最后组件排出的 截留物之间不存在压差。
在表4中给出了这个模拟的结果。给出的液体渗透级分参数在下面表示了 通过每个组件产生的单个液体渗透级分的总数。相似地，给出的蒸气渗透级分参 数表示了通过每个组件产生的单个蒸气渗透级分的累积值。
表4
  单位   进料   最终截留   物   结合的液体   渗透级分   结合的蒸气   渗透级分   压力   温度   流率   组成：   H2O   异丙醇   Psia   °F   Kg/hr   摩尔分率   摩尔分率   摩尔分率   摩尔分率   100   291   100   0.500   0.231   0.500   0.769   100   291   99.8   0.943   0.832   0.057   0.168   0.1   3.8   0.1   0.331   0.129   0.669   0.871   0.1   1.1   0.1   0.043   0.013   0.957   0.987
从上面的数据可以看出，用实施例4的方法可以有效的破坏水/异丙醇的共 沸并产生富含异丙醇的蒸气渗透级分和富含水的液体渗透级分。
前述的实施例和优选实施方式的描述应该是用来解释而不是限制如通过权 利要求所定义的本发明。容易理解的是，上面所阐述的特征的多种变形和组合可 以实施而不背离如在权利要求中所阐述的本发明。这样的变化不会背离本发明的 精神和范围。而且所有的变化都包括在了下面权利要求的范围内。

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