Каскадный способ получения газообразного азота и каскадный генератор для его осуществления

 

Каскадный способ с промывкой для получения газообразного азота высокой частоты с использованием по крайней мере двух последовательно расположенных мембранных блоков включает подачу питающей смеси в ступень N, сбор остаточного потока ступени N и использование его в качестве питающего потока ступени N + 1, сбор потока пермеата ступени N + 1 и подачу его в поток пермеата ступени N противоточной промывкой, сбор пермеата первой ступени и остаточного потока последней ступени. Каскадный генератор для получения газообразного азота содержит мембраны в виде полых волокон. По крайней мере одна ступень мембранного разделения содержит средства обогрева или охлаждения. Генератор может быть снабжен средствами для управления температурой средств нагревания или охлаждения. 2 с. и 22 з. п. ф-лы, 10 ил. 2 табл.

Изобретение относится к каскадному способу производства газообразного азота с промывкой и к каскадному генератору для его осуществления.

Мембранные процессы в настоящее время используются для большого числа процессов разделения газов. В общем случае в этих процессах подаваемая смесь приводится в контакт с поверхностью мембраны, в которой более легко проникающий компонент, такой как кислород в случае разделения воздуха, получается с низким давлением, тогда как менее легко проникающий компонент, такой как азот, собирается как остаточный поток под давлением, близким к давлению подаваемой смеси.

Мембранные системы, изготовляемые сегодня, выдают остаточный поток, который обогащен одним из компонентов подаваемой смеси и имеет относительно низкую чистоту. Однако сейчас рынок требует газов с более высокой чистотой.

Во многих случаях мембраны имеют малые дефекты, такие как микротечь или отклонение потока от идеального, вследствие затруднений в изготовлении. Следовательно, работа модулей получается хуже ожидаемой при отсутствии этих дефектов. Кроме того, отклонение от идеальных условий работы становится больше при повышении чистоты газа, что делает затруднительным производство газов высокой чистоты при малых затратах.

Обычные системы для производства газа высокой чистоты, которые удовлетворяют требованиям рынка, это устройства типа "Преше Свинг Адсорпшен" (Pressure Swing Adsorption PSA), криогенные устройства или гибридные системы, использующие как мембраны, так и PSA или мембраны, или PSA в сочетании с реактором, например, где остаточный кислород в пермеате (азоте) подвергают реакции с водородом с образованием воды, которая затем должна быть удалена из продукта. Однако такие гибридные системы сложны, дороги и не имеют простоты мембранных систем.

Стремясь улучшить мембранные системы, было предложено использовать два мембранных блока. Например, был предложен простой каскадный процесс, где непроходящая (задержанная на мембране) фракция первой ступени используется в качестве подаваемой смеси в мембранном узле второй ступени. Такая система раскрыта в патенте США N 4894068.

Также был предложен каскадный процесс рециркуляцией, где пермеат (фракция, прошедшая мембрану) второй ступени смешивается с подаваемой смесью, подаваемой на первую ступень, до сжатия в ступени компрессора. Такая система раскрыта в патентах США N 4180388, 4180552 и 4119417.

В литературе описаны другие многоступенчатые процессы для использования пермеата, такие как непрерывный башенный процесс, стрипперный процесс и параллельные процессы.

Простой каскадный процесс не использует пермеатный поток второй ступени, когда этот газ обогащен остатками менее проникающего через мембрану газа по сравнению с подаваемым воздухом или с потоком пермеата из первой ступени. В применении к производству азота высокой чистоты, как в патент США N 489068, простой каскадный процесс экономически ограничивается использованием лишь в лабораторном масштабе вследствие высокого потребления энергии.

Каскадный процесс с рециркуляцией использует поток пермеата посредством смешивания его с питающим потоком перед сжатием с большими расходами на энергию и увеличенной сложностью.

Поэтому продолжает существовать необходимость в мембранном процессе для производства остаточного потока с высокой чистотой, что снижает потребные инвестиционные расходы и расход энергии. В особенности существует необходимость в таком процессе для производства азота высокой частоты в больших масштабах.

Целью изобретения является разработка мембранного процесса для производства высокочистых газов, а также разработка мембранного процесса для производства высокочистных газов, который требует уменьшенных инвестиционных затрат и расхода энергии при работе.

Целью изобретения является мембранный процесс производства азота высокой чистоты, например 99% и выше, предпочтительно в виде остаточного газа из последней ступени каскадной мембранной системы.

Упомянутые цели решаются процессом производства газов и особенно высокочистых газов с использованием двух или более мембран в комбинации, что влечет за собой сбор остаточного потока ступени N и использование его в качестве потока подачи для ступени N+1, сбор потока пермеата ступени N+1 и подачу его в поток пермеата ступени N, сбор пермеата первой ступени и остаточного потока последней ступени.

На фиг.1 показан обычный простой каскадный процесс, где остаточный поток первой ступени является питающим потоком мембранного узла второй ступени; на фиг. 2 обычный каскадный процесс с рециркуляцией, где пермеат второй ступени смешивают с питающим потоком первой ступени перед этапом сжатия; на фиг.3 изображена мембранная система, где поток пермеата подается в пермеат мембранного узла первой ступени в промывающем противоточном потоке, так чтобы с выгодой использовать обогащенный газ без затраты энергии на повторное его сжатие; на фиг.4 и 5 представлен поток в типичном свертке полых волокон; на фиг. 6 в графической форме показана работа или отдача мембраны как функция чистоты азота для обычной системы; на фиг.7 в графической форме дано сравнение предлагаемой мембранной системы и обычной системы по работе или отдаче мембраны как функции чистоты азота; на фиг.8 показано использование свертков с низкими параметрами для первой ступени и свертков с высокими параметрами для второй ступени по изобретению; на фиг.9 использование различных температур в ступенях по изобретению; на фиг.10 использование компрессора на стороне пермеата между второй и первой ступенями по изобретению.

Изобретение дает многоступенчатую мембранную систему, в которой поток пермеата подается в пермеат мембраны первой ступени промывающим противоточным процессом так, чтобы с выгодой использовать обогащенный газ, избегая расхода энергии для сжатия. Изобретение весьма выгодно для производства остаточного потока высокой чистоты, так как при этом снижаются инвестиционные затраты и расход энергии. Особенно выгодно для производства азота высокой чистоты в больших масштабах.

Мембранные системы способны селективно пропускать более проникающие компоненты из смеси подаваемых газов, содержащей этот более проникающий газ, и менее проникающий газ. Мембраны для осуществления такого процесса могут быть любого известного типа, как например полиимиды, полиамиды, поликарбонаты, полисилоксаны, полиолефины, полисульфоны и ацетат целлюлозы, или неорганические, такие как керамика, стекло или углерод, и обычно выполнены в виде симметричных, асимметричных или композитных полых волокон или свертков, смотанных спиралью.

Кроме того, было разработано много различных типов свертков и модульных конфигураций, где потоки пермеата и остатка могут идти в одну сторону, в противоположные стороны, под углом друг к другу или комбинацией этих случаев. Однако какие бы не были характеристики мембран противоточный характер потока является теоретически оптимальным, и работа мембраны вообще зависит от отклонений от оптимального потока. Такие отклонения особенно влияют на работу мембраны, если производят газы высокой чистоты.

Однако на практике чрезвычайно трудно задать такой идеальный характер потока на мембране как на стороне пермеата, так и на стороне остатка. В случае полых волокон характер потока снаружи волокон часто весьма отличается от идеального, особенно если сторона пермеата низкого давления находится снаружи волокон. В результате на выходной стороне свертка, где выход пермеата минимален, вполне вероятно, что будет происходить продольное смешивание. Это означает, что в этой области не будет идеального противоточного потока (Narinsky A. C. Applicability Conditions of Idealized Flow Models for Gas Separation by Asymmetric Membranes", Journal of Membrane Science, 55, 1991, рр.333-347).

Независимо от используемого характера потока работа по очистке мембранного модуля очень частот может быть ограничена способностью современных технологических процессов собрать десятки или сотни тысяч полых волокон без течей или поломок. Макроскопически работа или выход для мембранного модуля может быть графически представлена на фиг.6.

В общем случае изобретение влечет использование нескольких мембранных блоков в комбинации, чтобы реализовать преимущества от всех потоков, выдаваемых каждым блоком, для улучшения работы других в противоточной системе, в то же время ограничивая последствия любых дефектов любых свертков. По изобретению размеры блоков и химический состав могут быть одинаковыми или различными.

Предложенный процесс в общем случае является многокаскадным процессов, использующим два или больше мембранных блоков, где остаточный поток ступени N собирают и используют в качестве питающего потока ступени N+1, поток пермеата ступени N+1 собирают и подают в поток пермеата ступени N предпочтительно путем противоточной промывки и собирают остаточный поток последней ступени и поток пермеата первой ступени.

Изобретение в общем случае осуществляют с двумя или более мембранными блоками посредством сбора остаточного потока ступени N и использования этого собранного потока в качестве потока подачи на ступень N+1, т.е. на следующую ступень, сбора потока пермеата ступени N+1 и подачи его в поток пермеата ступени N, т.е. предыдущей ступени, предпочтительно противоточным промывочным образом и сбора пермеата первой ступени и остаточного потока последней ступени.

По различным воплощениям изобретения остаточный поток ступени N может использоваться как поток подачи для ступени N+1 и/или N+2, и т.д. имея в виду, что на практике обычно есть малое падение давления между ступенью N, ступенью N+1 и ступенью N+2 и т.д. Это значит, что давление на стороне остатка или стороне запитки ступени N больше давления на стороне запитки любой последующей ступени, например N+1 или N+2.

Наоборот пермеат ступени N, который "промывает" сторону пермеата ступени N-1, может быть использован для "промывки" ступени N-1 и/или cтупени N-2 и т. д. Это значит, что пермеат ступени N всегда имеет давление, которое выше давления по меньшей мере одного из пермеатов ступеней 1-N-1, чтобы можно было промывать сторону пермеата мембраны. Это также обозначает, что падение давления на ступени между остатком и пермеатом больше, чем то же в ступени N+1.

Использование последовательной системы с промывающим потоком пермеата, приходящим со следующей ступени, дает увеличение производительности по сравнению с производительностью N подобных разделителей, работающих параллельно или последовательно без промывки или рециркуляции, или по сравнению с работой одного разделителя увеличенного размера, имеющего площадь поверхности мембран, сравнимую с суммой площадей меньших разделителей. Посредством сбора и гомогенизации пермеатного потока в ступени N+1 и использовавания его в качестве промывочного газа для ступени N любые дефекты, такие как неидеальный характер потока или микротечи, например, на свертке N+1 будут иметь значительно меньший эффект, чем в случае некаскадного процесса без промывки пермеатом.

По изобретению было обнаружено, что предлагаемая многоступенчатая система с каскадной промывкой дает удивительное улучшение по сравнению с одной ступенью и другими многокаскадными системами как в отношении потребляемой энергии, так и требуемой площади мембран. Например, простая каскадная система дает меньшую потребляемую энергию за счет большей площади, требуемой для удовлетворения поставленных требований, по сравнению с простой параллельной системой. Также каскадно-рециркуляционная система дает экономию как площади, так и энергии. Однако предлагаемая каскадно-промывочная система требует гораздо меньшую площадь, чем все другие системы. Далее при использовании предлагаемой каскадно-промывочной системы потребляемая энергия также снижается.

По изобретению производимый газ высокой чистоты предпочтительно азот, а подаваться на первую ступень может либо атмосферный воздух, либо смесь кислорода и азота.

Мембраны могут быть любой формы, такой как симметричные волокна, асимметричные полые волокна или спирально намотанные свертки.

Мембраны различных ступеней могут состоять из свертков различного качества. Например, мембрана первой ступени может состоять из свертков низкого качества, а мембрана последней ступени может состоять из свертков высокого качества. Каждая ступень может работать при температуре, отличной от температуры других ступеней. Например, мембрана первой ступени может работать при более высокой температуре, чем мембрана второй ступени, такой как мембрана последней ступени.

По изобретению поток пермеата от по меньшей мере одной ступени может быть сжат, прежде чем подавать его на по меньшей мере одну предыдущую ступень.

Изобретение также предлагает каскадно-промывочный способ для производства газа из газовой смеси с использованием двух мембран в комбинации, который состоит из подачи газовой смеси для запитки первой мембраны, сбора остаточного потока первой мембраны и подачи этого потока на вторую мембрану в качестве потока запитки, сбора потока пермеата с второй мембраны и подачи его в поток пермеата первой мембраны, сбора потока пермеата с первой мембраны и остаточного потока с второй мембраны.

По этому способу производимый газ предпочтительно азот, а смесь подачи предпочтительно атмосферный воздух или смесь азота с кислородом.

Предпочтительно подавать поток пермеата второй мембраны в поток пермеата с первой мембраны противоточной промывкой. Также предпочтительно, если пермеат второй мембраны имеет давление более высокое, чем давление пермеата первой мембраны. Кроме того, также предпочтительно, если первая мембрана имеет падение давления выше, чем падение давления на второй мембране.

Изобретение также предлагает каскадно-промывочный способ, в котором используются m мембран и по которому по меньшей мере один поток пермеата на ступени N, где 1 < N m, подается по меньшей мере в один поток пермеата ступени Р, где 1 Р < N.

Изобретение также предлагает генератор азота, имеющий две или более мембран в комбинации, который содержит средства сбора остаточного потока ступени N и использования его в качестве потока запитки для ступени N+1, средства для сбора потока пермеата ступени N+1 и подачи его в поток пермеата ступени, N противоточной промывкой, средства сбора пермеата первой ступени и остаточного потока последней ступени.

Генератор азота выгодно использовать посредством подачи смеси кислорода и азота на первую мембрану, получения или выпускания обогащенного кислородом газа со стороны пермеата первой мембраны и получения азота на стороне запитки последней мембраны.

Генератор азота также может содержать нагревательные средства, чтобы обогревать по меньшей мере одну мембранную ступень, и/или охлаждающие средства, чтобы охлаждать по меньшей мере одну мембранную ступень.

В общем случае по изобретению используют две или более мембранные ступени. Чаще всего используют две или три мембранные ступени. Однако при желании можно использовать и более трех мембранных ступеней.

Далее пермеат первой ступени и остаточный поток последней ступени выделяют или собирают как газообразные продукты способа.

Изобретение также относится к каскадному способу с промывкой для производства газообразного азота из воздуха с использованием нескольких ступеней мембранных блоков, каждый из которых содержит множество мембран в виде полых волокон, причем по меньшей мере один из нескольких мембранных блоков содержит вход промывки для ввода промывочного газа продольно внешней поверхности мембраны в виде полых волокон. Способ включает подачу сжатого воздуха в мембранный блок ступени N, причем указанный блок приспособлен для селективного пропускания кислорода и непропускания азота; поддерживание падения давления между внутренней поверхностью мембран в виде полых волокон и внешней поверхностью мембран в виде полых волокон; подачу образующегося остаточного газа через каналы мембран в виде полых волокон мембранного блока ступени N; подачу образующегося остаточного газа в мембранный блок ступени N+1, причем указанный мембранный блок ступени N+1 приспособлен для селективного пропускания через мембрану кислорода и непропускания азота; подачу остаточного газа продольно через каналы мембран в виде полых волокон мембранного блока ступени N+1; сбор газообразного азота с последней ступени мембранных блоков, а также сбор по меньшей мере части потока пермеата с по меньшей мере одной из ступеней N+1, N+2 и т.д. для запитки указанного потока пермеата на вход промывки одного из мембранных блоков предыдущей ступени N, причем указанный промывающий газ вводится продольно и предпочтительно в противотоке к остаточному газу на внешней поверхности мембран из полых волокон, при этом промывочный газ смешивается с газом, проникающим, как пермеат, сквозь мембраны в виде полых волокон, составляя поток пермеата; выдачу или подачу по меньшей мере части указанного потока пермеата к еще одному входу промывки предыдущей ступени.

Изобретение также относится к каскадному генератору с промывкой для производства газообразного азота из воздуха, содержащему, по меньшей мере, мембранные блоки первой и второй ступени, N и N+1 соответственно, где, по меньшей мере, второй мембранный блок N+1 содержит выход промывки для ввода промывочного газа из потока пермеата от указанной второй ступени N+1 продольно по внешней поверхности мембран в виде полых волокон к входу промывки указанного мембранного блока первой ступени N.

Предпочтительно генератор в состоянии подавать смесь кислорода и азота к первой мембранной ступени, получая или выпуская обогащенную кислородом смесь со стороны пермеата первой мембраны и получая азот на стороне запитки последней мембраны.

Каскадный генератор с промывкой по изобретению также содержит нагревательные средства и/или охлаждающие средства, чтобы нагревать по меньшей мере одну мембранную ступень и/или охлаждать по меньшей мере одну мембранную ступень.

Предпочтительно генератор содержит средства для управления температурой нагрева и/или охлаждения по меньшей мере одной из мембранных ступеней, причем указанное управление может быть непрерывным или нет.

Расход азота и/или чистота потока азота может таким образом управляться соответственно требованиям покупателя (необходимы непрерывные изменения или время от времени) посредством управления температурой по меньшей мере одной мембранной ступени (охлаждение и/или нагревание). Информация, относящаяся к температуре, затем, например, посылается к управляющему устройству, такому как автомат управления типа PID, который управляет расходом подаваемого воздуха, чтобы получить или необходимый расход азота, или чистоту азота, или то и другое.

Хотя изобретение может выгодно использоваться для отделения азота от атмосферного воздуха или от смеси кислорода и азота, оно применимо к любой газовой смеси с приспособленными для этого мембранами, т.е. с мембраной, которая более проницаема для одного компонента, чем для другого.

На фиг.1-3 используются следующие обозначения: F подача, F₁ подача 1, F₂ подача 2, N остаточный газ, Р пермеат, R рециркуляция и S промывка.

Фиг. 4 и 5 показывают идеальный противоточный поток в свертке полых волокон.

Фиг. 6 показывает работу мембраны в зависимости от чистоты азота для обычной мембранной системы. В особенности для случая азота фиг.6 показывает, что для газов высокой ступени очистки дефекты свертки волокон определяют работу мембраны. Однако для газов меньшей степени очистки дефекты свертки волокон ухудшают работу мембраны, но не являются разрушительными.

Фиг. 7 показывает сравнение мембранной системы по изобретению с обычной мембранной системой в смысле работы или выхода мембраны как функции от степени очистки азота. Фиг.7 показывает, что при использовании обычного стандартного способа дефекты свертки определяют работу мембраны уже при не очень высокой чистоте газа. Однако при использовании изобретения дефекты свертки определяют работу мембраны только при повышенной чистоте газа. Таким образом, используя изобретение, ухудшение работы мембраны первоначально замечают лишь при повышенной чистоте газа, и тогда это менее опасно.

Фиг.8 показывает использование по изобретению свертков волокон как с низкими средними характеристиками, так и с высокими характеристиками, сохраняя оптимальные результаты.

По изобретению большее количество мембранных свертков оказывается приемлемым, чем раньше. Это можно решить за счет того, что в первой ступени используют свертки с худшими характеристиками, а во второй ступени свертки с лучшими характеристиками. Это дает как максимальное использование свертков, так и отличную в целом работу установки. Здесь под худшими свертками понимают мембранные свертки, которые на 10% не укладываются в данные технических условий по производительности и/или расходу воздуха. Свертки с лучшими характеристиками обозначают пучки, которые отличаются от технических условий в худшую сторону менее чем на 10% по производительности и/или расходу воздуха.

Фиг. 9 показывает использование разных температур в ступенях по изобретению. Как правило, для большинства полимерных мембран селективность их снижается с температурой, а производительность повышается.

По изобретению, используя различие рабочих температур первой ступени и второй ступени, например нагревателя на первой ступени и охладителя на второй ступени, можно получить выигрыш с обеих ступеней и общую оптимальную работу. Температурой каждой ступени можно варьировать для получения оптимального результата, однако для каскадных процессов в общем случае желательно, чтобы последняя ступень работала с максимально возможной селективностью, тогда как в первой ступени важна максимально возможная производительность. Как правило, для большинства полимерных мембран селективность с температурой уменьшается, а производительность возрастает.

В общем случае изобретение может с выгодой работать при температуре в диапазоне от -20 до +90^оС, однако предпочтительно от 20 до 60^оС. Более предпочтительно, если мембрана первой ступени работает в диапазоне примерно от 40 до 60^оС, а мембрана последней ступени работает в диапазоне от 20 до 40^оС. В общем случае предпочтительно, чтобы ступень N работала в диапазоне между предпочтительными диапазонами для ступеней N-1 и N+1.

Чтобы получить максимально возможную селективность для последней ступени, выгодно, чтобы последняя ступень работала в диапазоне от 20 до 60^оС. Еще предпочтительнее, однако, использовать условия, приведенные в табл.1.

В общем случае для производства азота изобретение применимо без ограничений расхода в потоке. Однако предпочтительно работать при расходах от примерно 0,2 до 2000 м³/ч.

Фиг. 10 показывает, что использование компрессора на стороне пермеата между первой и второй ступенями по изобретению дает по меньшей мере два преимущества. Во-первых, так как пермеат содержит менее 21% кислорода, то можно использовать стандартный (воздушный) компрессор вместо кислородного компрессора, который гораздо дороже и должен применяться, если концентрация кислорода в смеси превышает 21% Во-вторых, при работе в пермеатом при атмосферном давлении выход второй ступени мембраны не уменьшается. Это особенно важно, если одновременно требуется остаточный поток высокой чистоты, например, азота.

Указанные выше признаки очень выгодны. Например, для обычного разделения воздуха на компоненты необходимо либо повторно сжимать поток пермеата, если он находится под атмосферным давлением, что требует специальных дорогих компрессоров, так как содержание кислорода выше 21% или весь пермеат должен находиться под давлением выше атмосферного, что очень заметно снижает работу мембраны, особенно когда основным продуктом является остаточный поток, например, азота.

Макроскопически преимущество изобретения может быть представлено графически, как это сделано на фиг.7.

Приведенные примеры не должны считаться границами изобретения.

П р и м е р 1. В нем рассматривается отделение азота от воздуха с использованием полиимидной мембраны. Мембранная система рассчитана на производство 100 нормальных кубометров в час азота с чистотой 98% Несовершенство мембранного свертка выражается уменьшением кажущейся селективности волокна с увеличением чистоты. Свертки используются или параллельно, или в одной из ранее описанных многокаскадных систем, или по процессу изобретения.

Были изучены все системы. Каскадно-промывочная многоступенчатая система дает значительное улучшение по сравнению с одноступенчатой системой и другими многоступенчатыми системами как в смысле потребляемой энергии, так и в смысле требуемой площади. Эти преимущества показаны в табл.2.

Простая каскадная система по сравнению с простой параллельной системой дает преимущества меньшего потребления энергии за счет большей площади для удовлетворения данной потребности (+3,5% площади, -2,4% экономия энергии). Каскадная система с рециркуляцией дает как экономию площади (-5,6%) так и экономию энергии (-11,2%).

Как видно из таблицы, данная каскадно-промывочная система требует гораздо меньшей площади, чем все другие системы (-8,6% для каскадно-промывочного процесса, для каскадно-рециркуляционного только -5,6%). Потребление энергии меньше, чем в простом каскадном процессе и эквивалентно каскадно-рециркуляционному.

Этот пример показывает, что предлагаемый каскадно-промывочный процесс дает экономию как площади, так и энергии значительно большие, чем в ранее описанных системах.

П р и м е р 2. Повторимость свертка мембранных волокон часто является основным затруднением. Для любого полимера, если поставлены высокие требования к конечному продукту, может получиться значительный процент свертков, не удовлетворяющих техническим условиям. Изобретение позволяет считать приемлемым большее количество свертков с очевидной экономией средств на изготовление при сохранении высокого качества работы. Действительно, используя низкокачественные свертки для первой ступени и высококачественные свертки для второй ступени предлагаемого процесса, можно получить высокое сквозное качество работы и максимальное использование изготовленных свертков. Это иллюстрируется на фиг.8.

П р и м е р 3. Для большинства полимеров селективность снижается с температурой, тогда как производительность увеличивается. В каскадном процессе фундаментальным для последней ступени является режим наибольшей селективности, в то время как для первой ступени производительность обычно является более определяющей. Поэтому, вводя разные температуры двух ступеней, например нагреватель на первой ступени и охладитель на второй ступени, можно получить выгоду от того и другого и получить сквозную оптимальную работу.

П р и м е р 4. В некоторых применениях желательно использовать как пермеат, так и остаточный продукт в качестве конечных продуктов. Обычно для разделения проблема сводится к тому, что или необходимо сжимать поток пермеата, если он выходит при атмосферном давлении, что требует специальных компрессоров, так как содержание кислорода превышает 21% или поддерживать весь поток пермеата под давлением выше атмосферного, что очень значительно снижает работу всей мембраны, особенно с очки зрения получения остаточного продукта, такого как азот.

Используя компрессор на стороне пермеата между двумя ступенями, изобретение дает по меньшей мере два преимущества. Так как содержание кислорода в потоке пермеата между ступенями меньше 21% можно использовать стандартный компрессор для его сжимания. Также при работе с пермеатом при атмосферном давлении не ухудшаются параметры второй ступени. Последнее преимущество особенно важно там, где нужно одновременно получать остаточный поток высокой чистоты, например, азота.

Возможны некоторые изменения или модификации в описанных выше воплощениях.

Формула изобретения

1. Каскадный способ получения газообразного азота из воздуха при помощи по крайней мере двух последовательно расположенных мембранных блоков, соответствующих N и N + 1 ступеням разделения, каждый из которых содержит множество мембран, селективно пропускающих кислород и задерживающих азот, вход для подачи разделяемого газа вдоль внешней поверхности мембран и выходы для пермеата и остаточного газа, включающий подачу разделяемого газа в камеру высокого давления мембранного блока ступени N, подачу остаточного потока в камеру высокого давления мембранного блока ступени N + 1, отвод пермеата из камер низкого давления мембранных блоков ступеней N и N + 1 и сбор газообразного азота из камеры высокого давления мембранного блока последней ступени, отличающийся тем, что процесс ведут с использованием мембраны в виде полых волокон и по крайней мере одного мембранного блока ступени N, снабженного входом промывки, при этом по крайней мере часть пермеата одной из ступеней N + 1 или последующих подают на вход промывки одного из мембранных блоков предыдущей ступени N вдоль внешней поверхности мембран.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что промывочный газ подают в противотоке относительно остаточного газа.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что разделение ведут в мембранных блоках, содержащих мембраны двух типов.

4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что по меньшей мере мембраны одной ступени выполняют из полимера, отличающегося от полимера, из которого выполнены мембраны других ступеней.

5. Способ по пп. 1 4, отличающийся тем, что мембраны выполняют из материала, выбранного из группы: полиимид, полиамид, поликарбонат, полисилоксан, полиолефин, полисульфон, ацетат целлюлозы, керамика, стекло или углерод.

6. Способ по пп. 1 5, отличающийся тем, что мембранные блоки выполняют из симметричных полых волокон, асимметричных полых волокон или спирально намотанных свертков.

7. Способ по пп.1-6, отличающийся тем, что мембранный блок первой ступени выполняют из свертков низкого качества, а мембранный блок последней ступени выполняют из свертков высокого качества.

8. Способ по пп. 1 7, отличающийся тем, что по меньшей мере на одной ступени разделения температура процесса отличается от остальных ступеней разделения.

9. Способ по п. 7, отличающийся тем, что температура процесса на первой ступени выше, чем на второй.

10. Способ по пп. 1 9, отличающийся тем, что процесс разделения ведут при 20 90^oС.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что процесс ведут при 20 - 60^oС.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что на первой ступени разделения процесс ведут при 40 60^oС, а на последней ступени при 20 -40^oС.

13. Способ по пп. 1 12, отличающийся тем, что он дополнительно включает стадию сжатия пермеата по меньшей мере одной ступени перед его подачей по крайней мере на одну из предыдущих ступеней.

14. Способ по пп. 1 13, отличающийся тем, что концентрация азота в задерживаемом на последней ступени потоке составляет по меньшей мере 99% 15. Способ по пп. 1 14, отличающийся тем, что процесс ведут при скорости потока 0,2 2000,0 м³/ч.

16. Способ по пп. 1 15, отличающийся тем, что пермеат, полученный при помощи второй мембраны, вводят противотоком в пермеат, полученный при помощи первой мембраны.

17. Способ по пп. 1 16, отличающийся тем, что давление пермеата, полученного при помощи второй мембраны, выше, чем давление пермеата, полученного при помощи первой мембраны.

18. Способ по пп. 1 17, отличающийся тем, что перепад давления между внешней и внутренней сторонами мембраны выше для первой мембраны, чем для второй.

19. Способ по пп. 1 18, отличающийся тем, что процесс разделения ведут с использованием комбинации из m мембран и по крайней мере пермеат одной ступени N подают по крайней мере в один вход промывки ступени P, где 1 < N m, 1 P < N, N 2.

20. Каскадный генератор для получения газообразного азота из воздуха, содержащий по крайней мере два последовательно расположенных мембранных блока, соответствующих N и N + 1 ступеням разделения, каждый из которых включает множество мембран, селективно пропускающих кислород и задерживающих азот, вход для подачи разделяемого вдоль внешней поверхности мембран и выходы для пермеата и остаточного газа, отличающийся тем, что мембраны выполнены в виде полых волокон, а по крайней мере один мембранный блок N снабжен входом промывки для подачи промывочного потока пермеата ступени N + 1 вдоль внешней поверхности мембран.

21. Генератор по п. 20, отличающийся тем, что он снабжен средствами обогрева по крайней мере одной ступени мембранного разделения.

22. Генератор по пп. 20 и 21, отличающийся тем, что он снабжен средствами охлаждения по крайней мере, одной ступени мембранного разделения.

23. Генератор по пп. 20 22, отличающийся тем, что он снабжен компрессорным средством, расположенным между выходом пермеата одной ступени N + 1 и входом промывки предыдущей ступени N.

24. Генератор по пп. 20 23, отличающийся тем, что он снабжен средствами для управления температурой средств нагревания или охлаждения по крайней мере одной ступени.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11