DE3887985T2

DE3887985T2 - Part load control method for membrane separation systems.

Info

Publication number: DE3887985T2
Application number: DE19883887985
Authority: DE
Inventors: Michael Joseph Clarence Center Campbell (14032) N.Y.
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1988-08-10
Filing date: 1988-08-10
Publication date: 1994-08-11
Anticipated expiration: 2008-08-11
Also published as: DE3887985D1

Description

Die Erfindung betrifft permeable Membransysteme. Genauer betrifft sie den Gebrauch solcher Systeme unter variablen Bedarfsbedingungen.The invention relates to permeable membrane systems. More specifically, it relates to the use of such systems under variable demand conditions.

Mit permeablen Membranen arbeitende Verfahren und Systeme sind in der Technik bekannt, und sie werden für eine große Vielfalt von Gas- und Flüssigkeitstrennungen benutzt oder in Erwägung gezogen. Bei solchen Vorgängen wird ein Einsatzstrom in Kontakt mit der Oberfläche einer Membran gebracht, und die leichter permeierbare Komponente des Einsatzstromes wird als ein Permeatstrom gewonnen. Die weniger leicht permeierbare Komponente wird als ein Nichtpermeat- oder Retentatstrom von dem Membransystem abgezogen.Processes and systems using permeable membranes are known in the art, and are used or considered for a wide variety of gas and liquid separations. In such operations, a feed stream is brought into contact with the surface of a membrane and the more readily permeable component of the feed stream is recovered as a permeate stream. The less readily permeable component is withdrawn from the membrane system as a non-permeate or retentate stream.

Die inhärente Einfachheit solcher Fluidtrennvorgänge sorgt in der Technik für einen Anreiz, den Gebrauch von Membranen bei praktischen kommerziellen Vorgängen auszudehnen. Es ist natürlich notwendig, daß die Selektivitäts- und die Permeabilitätseigenschaften eines Membransystems mit den gesamten Produktionsanforderungen einer gegebenen Anwendung kompatibel sind. Es ist ebenfalls notwendig, daß die Effizienz von Membransystemen kontinuierlich verbessert wird, um die Durchführbarkeit des Einsatzes von Membransystemen unter den in der Technik anzutreffenden Betriebsbedingungen vorteilhaft zu verbessern.The inherent simplicity of such fluid separation processes provides an incentive in the art to expand the use of membranes in practical commercial operations. It is, of course, necessary that the selectivity and permeability properties of a membrane system be compatible with the overall production requirements of a given application. It is also necessary that the efficiency of membrane systems be continually improved in order to advantageously improve the feasibility of using membrane systems under the operating conditions encountered in the art.

Wesentliche Faktoren bei dem Entwurf und dem Gesamtwirkungsgrad von Membransystemen sind die für eine gegebene Trennung erforderliche gesamte Membranoberfläche und die Partialdruckdifferenz über die Membran, die zum Erzielen einer gewünschten Produktmenge und - qualität erforderlich sind, d. h. ein gewünschter Permeabilitäts- und Selektivitäts- oder Trennfaktor. Der Entwurf von praktischen Membransystemen erfordert eine Optimierung der Abwägungen zwischen Membranoberfläche und der besagten Partialdruckdifferenz. So ist die für eine gegebene Trennung erforderliche Membranoberfläche je kleiner, desto größer die Partialdruckdifferenz oder die Antriebskraft quer über die Membran ist. Dies bedingt den Gebrauch einer kostspieligeren Pumpanordnung und höhere Pumpenbetriebskosten, ermöglicht jedoch, die Kosten für die Membrananordnung relativ niedrig zu halten. Falls andererseits eine geringere Antriebskraft eingesetzt wird, wird mehr Membranoberfläche benötigt, und die relativen Kosten der verschiedenen Aspekte des Gesamtsystems und des Betriebs würden sich entsprechend ändern.Key factors in the design and overall efficiency of membrane systems are the total membrane surface area required for a given separation and the partial pressure difference across the membrane required to achieve a desired product quantity and quality, i.e. a desired permeability and selectivity or separation factor. The design of practical membrane systems requires optimizing the trade-offs between membrane surface area and said partial pressure difference. Thus, the greater the partial pressure difference or driving force across the membrane, the smaller the membrane surface area required for a given separation. This requires the use of a more expensive pumping arrangement and higher pump running costs, but allows the cost of the membrane arrangement to be kept relatively low. On the other hand, if a lower driving force is used, more membrane surface area is required and the relative costs of the various aspects of the overall system and operation would change accordingly.

Membransysteme werden üblicherweise für Bedingungen voller Kapazität und stetigem konstantem Durchfluß, d. h. für Entwurfsbedingungen, ausgelegt, die in der Praxis nicht immer voll genutzt werden. Bei Betriebsbedingungen, die sich von den Entwurfsbedingungen unterscheiden, werden andere Kombinationen von optimalen Betriebsbedingungen bezüglich Membranoberfläche und Partialdruckdifferenzen vorherrschen. Fluidtrennanwendungen, für die sich Membransysteme eignen, laufen typischerweise nicht unter stetigen Durchflußbedingungen ab. Der Bedarf des Membransystems wird oftmals bezüglich Produktmenge und/oder -qualität variieren. Zum Beispiel kann der Produktbedarf für Stickstoffgas von einem Luftzerlegungs- Membransystem innerhalb einer Zeitdauer von 24 Stunden erheblich bezüglich der erforderlichen Stickstoffdurchflußmenge und/oder -reinheit variieren.Membrane systems are usually designed for conditions of full capacity and steady constant flow, ie for design conditions that are not always fully be used. Under operating conditions different from the design conditions, other combinations of optimum operating conditions in terms of membrane surface area and partial pressure differences will prevail. Fluid separation applications for which membrane systems are suitable are typically not under steady flow conditions. The requirements of the membrane system will often vary in terms of product quantity and/or quality. For example, the product requirement for nitrogen gas from an air separation membrane system can vary considerably in terms of the required nitrogen flow rate and/or purity over a 24 hour period.

Membransysteme arbeiten typischerweise in einer von drei Betriebsarten während Bedingungen keines Bedarfs oder des sogenannten Herunterregelns. Bei einem Ansatz findet kein Herunterregeln statt, um sich der Abnahme des Produktbedarfs anzupassen. In diesem Fall bleiben der Einsatzfluiddurchfluß und die Partialdruckdifferenzen konstant. Infolgedessen wird die Produktreinheit über den Entwurfspegel hinaus ansteigen, während der Energiebedarf bei dem vollen Entwurfspegel bleiben wird. Dieser Ansatz ist daher insofern unvorteilhaft, als keine Energieverminderung verwirklicht wird, und das Produkt wird bei höheren als den erforderlichen Qualitätspegeln erzeugt.Membrane systems typically operate in one of three modes of operation during conditions of no demand or so-called turndown. In one approach, no turndown occurs to accommodate the decrease in product demand. In this case, the feed fluid flow and partial pressure differences remain constant. As a result, the product purity will increase above the design level while the energy demand will remain at the full design level. This approach is therefore disadvantageous in that no energy reduction is realized and the product is produced at higher than required quality levels.

Bei einem anderen Ansatz wird die zur Trennung benutzte Membranoberfläche variiert. Bei herabgesetzten Bedarfsbedingungen ist ein Teil der Membranfläche nicht in Betrieb. Dies verringert die Größe des Einsatzstromes, der zum Erfüllen des herabgesetzten Bedarfs verarbeitet wird. Der Nachteil dieses Ansatzes liegt in der mit dem eingeschränkten Gebrauch verfügbarer Membranoberfläche verbundenen Ineffizienz. Durch diesen Faktor ist es sicher, daß die Abwägung zwischen Membranoberfläche und Partialdruckdifferenz bei von dem Entwurf abweichenden Herunterregelbedingungen nicht optimiert wird.Another approach varies the membrane surface area used for separation. At derated demand conditions, a portion of the membrane area is not in operation. This reduces the size of the feed stream processed to meet the derated demand. The disadvantage of this approach is the inefficiency associated with the limited use of available membrane surface area. This factor ensures that the trade-off between membrane surface area and partial pressure difference is not optimized at derated demand conditions other than those specified in the design.

Bei einem dritten Ansatz bezüglich verminderten Bedarfsbedingungen wird das Membransystem bei Betrieb bei Entwurfsbedingungen betrieben, und ein Puffertank wird benutzt, um variable Bedarfsbedingungen zu handhaben. Wenn der Puffertank voll ist, wird das Membransystem entweder entladen, d. h. die Einsatzpumpen werden im Leerlauf betrieben, oder es wird abgeschaltet, um Energie zu sparen. Dieser Ansatz hat ebenfalls den Nachteil, daß die installierte Membranfläche nicht voll genutzt wird, da diese Membranfläche während einer Außerbetriebnahme oder eines Abschaltens der Anlage überhaupt nicht genutzt wird. Solch ein Start-/Stopbetrieb hat außerdem den Nachteil eines erhöhten Verschleißes der entsprechenden Ausrüstung.A third approach to reduced demand conditions is to operate the membrane system at design conditions during operation and use a buffer tank to handle variable demand conditions. When the buffer tank is full, the membrane system is either unloaded, i.e. the feed pumps are idle, or it is shut down to save energy. This approach also has the disadvantage of not fully utilizing the installed membrane area, since this membrane area is not used at all during a shutdown or plant shutdown. Such a start/stop operation also has the disadvantage of increased wear of the associated equipment.

GB-A-1 052 553 offenbart ein Verfahren zum Herunterregeln bei einem mit einer permeablen Membran arbeitenden Prozeß, bei dem unter Entwurfsbetriebsbedingungen ein Fluideinsatzstrom durch eine Verdichteranordnung mit gewünschter Einsatzdurchflußmenge und gewünschtem Einsatzdruck in Kontakt mit der Einsatzseite eines permeablen Membransystems gebracht wird, das eine installierte Membranoberfläche hat, die in der Lage ist, eine leichter permeable Komponente des eine weniger leicht permeable Komponente enthaltenden Einsatzstromes selektiv durchzulassen, wobei eine gewünschte Menge der weniger leicht permeablen Komponente als Nichtpermeat abgezogen wird und eine gewünschte Menge der leichter permeablen Komponente als Permeat bei einem Druckpegel abgezogen wird, der niedriger als der Entwurfseinsatzstromdruckpegel ist, und wobei der Partialdruck der Einsatzstromkomponenten quer über die Membran die Antriebskraft für die permeable Membrantrennung bereitstellt, wobei dieses Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:GB-A-1 052 553 discloses a method of down-regulating a permeable membrane process in which, under design operating conditions, a fluid feed stream is passed through a compressor arrangement at a desired feed flow rate and desired feed pressure is brought into contact with the feed side of a permeable membrane system having an installed membrane surface capable of selectively passing a more readily permeable component of the feed stream containing a less readily permeable component, withdrawing a desired amount of the less readily permeable component as non-permeate and withdrawing a desired amount of the more readily permeable component as permeate at a pressure level lower than the design feed stream pressure level, and wherein the partial pressure of the feed stream components across the membrane provides the driving force for the permeable membrane separation, this method comprising the steps of:

(a) die Einsatzstrom-Durchflußmenge und die Partialdruck-Antriebskraft quer über die Membran werden derart aufrechterhalten, daß die Menge und Reinheit des erhaltenen Permeats und Nichtpermeats die Entwurfsmengen- und -reinheitswerte haben, wobei die installierte Membranoberfläche des Membransystems voll genutzt wird;(a) the feed stream flow rate and the partial pressure driving force across the membrane are maintained such that the quantity and purity of the permeate and non-permeate obtained are at the design quantity and purity values, making full use of the installed membrane surface area of the membrane system;

(b) während Perioden verminderten Bedarfs des Produktstromes wird die Antriebskraft quer über die Membran als eine Funktion eines prozeßvariablen Signals, welches mindestens einen überwachten variablen Prozeßparamater darstellt, reduziert, während weiterhin die volle Nutzung der installierten Membranoberfläche des Systems aufrechterhalten wird; und(b) during periods of reduced demand for product flow, the driving force across the membrane is reduced as a function of a process variable signal representing at least one monitored variable process parameter, while still maintaining full utilization of the installed membrane surface area of the system; and

(c) die Antriebskraft quer über die Membran wird zwischen den Entwurfsbedingungen des Verfahrensschrittes (a) für Entwurfsbedarfsbedingungen, bei denen der Produktstrom mit den Entwurfsmengen- und -reinheitswerten erhalten wird, und den niedrigeren Antriebskraftbedingungen während des Verfahrensschrittes (b) für niedrigere Bedarfsbedingungen, bei dem der Produktstrom mit niedrigeren Werten als den Entwurfswerten gewonnen wird, eingestellt.(c) the driving force across the membrane is adjusted between the design conditions of process step (a) for design demand conditions where the product stream is obtained at the design quantity and purity values and the lower driving force conditions during process step (b) for lower demand conditions where the product stream is obtained at values lower than the design values.

Bei diesem bekannten Verfahren wird das gasförmige Gemisch, das dem permeablen Membransystem zugeführt wird, durch die Verdichteranordnung und eine Vorwärmanordnung auf im wesentlichen konstantem Druck und konstanter Temperatur gehalten. Der überwachte variable Prozeßparameter ist der statische Druck in einer Permeatleitung, wie er durch ein druckempfindliches Gerät an einer Stelle stromab von dem permeablen Membransystem erfaßt wird, wobei dieser statische Druck eine Funktion der Entnahmerate der leichter permeablen Komponente (Permeat) ist. Weniger leicht permeable Komponente (Nichtpermeat) wird durch eine Nichtpermeatleitung abgezogen, die eine Öffnung und ein Steuerventil an einer Stelle stromauf der Öffnung beinhaltet. Das druckempfindliche Gerät und das Steuerventil sind operativ verbunden, so daß falls die Rate der Entnahme von Permeat variiert, das druckempfindliche Gerät betätigt wird, und es das Steuerventil betätigt, um eine angemessene Änderung des Drucks des Nichtpermeatgasstromes zu bewirken, wodurch automatisch die Durchflußmenge des Nichtpermeatgases und daher die Diffusionsrate in dem permeablen Membransystem gesteuert werden.In this known process, the gaseous mixture fed to the permeable membrane system is maintained at substantially constant pressure and temperature by the compressor arrangement and a preheating arrangement. The variable process parameter monitored is the static pressure in a permeate line as sensed by a pressure sensitive device at a location downstream of the permeable membrane system, this static pressure being a function of the rate of withdrawal of the more easily permeable component (permeate). Less easily permeable component (non-permeate) is withdrawn through a non-permeate line which includes an orifice and a control valve at a location upstream of the orifice. The pressure sensitive device and the control valve are operatively connected so that if the rate of withdrawal of permeate varies, the pressure sensitive device is actuated and it actuates the control valve to cause an appropriate change in the pressure of the non-permeate gas stream, thereby automatically adjusting the flow rate of the non-permeate gas. and therefore the diffusion rate in the permeable membrane system can be controlled.

In der Technik besteht ein echter Bedarf für ein Verfahren zum vollständigen und effizienten Ausnutzen der Trennkapazität der installierten Membranfläche bei Herunterregelbedingungen. Solch ein Verfahren würde einem installierten Membransystem ermöglichen, zu allen Zeiten bei einem optimalen Wirkungsgrad zu arbeiten, und es würde für eine verläßlicheren Betrieb sorgen, als der oben beschriebene Start-/Stopbetrieb.There is a real need in the art for a method to fully and efficiently utilize the separation capacity of the installed membrane area under turndown conditions. Such a method would enable an installed membrane system to operate at optimum efficiency at all times and would provide more reliable operation than the start/stop operation described above.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines permeablen Membransystems bei Herunterregelbedingungen zu schaffen.It is therefore an object of the invention to provide an improved method for operating a permeable membrane system under turndown conditions.

Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, das den effizienten Einsatz der vollen Trennkapazität eines installierten Membransystems unter herabgesetzten Produktbedarfsbedingungen ermöglicht.It is another object of the invention to provide a process which enables the efficient use of the full separation capacity of an installed membrane system under reduced product demand conditions.

Angesichts dieser und anderer Aufgaben wird die Erfindung im folgenden im Detail beschrieben, wobei die neuartigen Merkmale derselben insbesondere in den anhängenden Ansprüchen zum Ausdruck kommen.With these and other objects in mind, the invention is described in detail hereinafter, with the novel features thereof being particularly pointed out in the appended claims.

Summary of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Herunterregeln bei einem mit einer permeablen Membran arbeitenden Prozeß, bei dem unter Entwurfsbetriebsbedingungen ein Fluideinsatzstrom durch eine Verdichteranordnung mit gewünschter Einsatzdurchflußmenge und gewünschtem Einsatzdruck in Kontakt mit der Einsatzseite eines permeablen Membransystems gebracht wird, das eine installierte Membranoberfläche hat, die in der Lage ist, eine leichter permeable Komponente des eine weniger leicht permeable Komponente enthaltenden Einsatzstromes selektiv durchzulassen, wobei eine gewünschte Menge der weniger leicht permeablen Komponente mit im wesentlichen dem Entwurfseinsatzstromdruckpegel als Nichtpermeat abgezogen wird und eine gewünschte Menge der leichter permeablen Komponente als Permeat bei einem Druckpegel abgezogen wird, der niedriger als der Entwurfseinsatzstromdruckpegel ist, und wobei der Partialdruck der Einsatzstromkomponenten quer über die Membran die Antriebskraft für die permeable Membrantrennung bereitstellt, wobei das Herunterregelverfahren die folgenden Schritte umfaßt:The present invention provides a method of turndown in a permeable membrane process in which, under design operating conditions, a fluid feed stream is brought into contact with the feed side of a permeable membrane system having an installed membrane surface capable of selectively passing a more easily permeable component of the feed stream containing a less easily permeable component through a compressor assembly having a desired feed flow rate and feed pressure, whereby a desired amount of the less easily permeable component is withdrawn as non-permeate at substantially the design feed stream pressure level and a desired amount of the more easily permeable component is withdrawn as permeate at a pressure level lower than the design feed stream pressure level, and whereby the partial pressure of the feed stream components across the membrane provides the driving force for the permeable membrane separation, the turndown method comprising the steps of:

(a) die Einsatzstrom-Durchflußmenge und die Partialdruck-Antriebskraft quer über die Membran werden derart aufrechterhalten, daß die Menge und Reinheit des erhaltenen Permeats und Nichtpermeats die Entwurfsmengen- und -reinheitswerte haben, wobei die installierte Membranoberfläche des Membransystems voll genutzt wird.(a) the feed stream flow rate and the partial pressure driving force across the membrane are maintained such that the amount and purity of the resulting Permeates and non-permeates have design quantity and purity values, making full use of the installed membrane surface of the membrane system.

(b) während Perioden verminderten Bedarfs hinsichtlich der Menge und/oder Reinheit des Produktstromes, unabhängig davon, ob es sich bei diesem um Permeat oder Nichtpermeat handelt, werden die Einsatzdurchflußmenge und die Antriebskraft quer über die Membran als eine Funktion eines prozeßvariablen Signals, welches mindestens einen überwachten variablen Prozeßparamater darstellt, reduziert, während weiterhin die volle Nutzung der installierten Membranoberfläche des Systems aufrechterhalten wird;(b) during periods of reduced demand in the quantity and/or purity of the product stream, whether permeate or non-permeate, the feed flow rate and the driving force across the membrane are reduced as a function of a process variable signal representing at least one monitored variable process parameter, while still maintaining full utilization of the installed membrane surface area of the system;

(c) die Durchflußmenge und/oder die Reinheit des Produktstromes, unabhängig davon, ob es sich bei diesem um Permeat oder Nichtpermeat handelt, werden überwacht, um das Prozeßvariablensignal zu erhalten;(c) the flow rate and/or purity of the product stream, whether permeate or non-permeate, are monitored to obtain the process variable signal;

(d) das Prozeßvariablensignal wird zu einem/einer Prozeßrechner/Prozeßsteuerung übermittelt;(d) the process variable signal is transmitted to a process computer/process controller;

(e) als Funktion des Prozeßvariablensignals wird von dem/der Prozeßrechner/Prozeßsteuerung ein Ausgangssignal an eine Kapazitätssteuervorrichtung gesendet; und(e) as a function of the process variable signal, an output signal is sent from the process computer/process controller to a capacity control device; and

(f) die Einsatzdurchflußmenge und die Antriebskraft quer über die Membran werden zwischen den Entwurfsbedingungen des Verfahrensschrittes (a) für Entwurfsbedarfsbedingungen, bei denen der Produktstrom, unabhängig davon, ob es sich bei diesem um Permeat oder Nichtpermeat handelt, mit den Entwurfsmengen- und -reinheitswerten erhalten wird, und den niedrigeren Einsatzdurchflußmengen- und Antriebskraftbedingungen während des Verfahrensschrittes (b) für niedrigere Bedarfsbedingungen, bei dem der Produktstrom mit niedrigeren Mengen- und/oder -reinheitswerten als den Entwurfswerten gewonnen wird, eingestellt, indem mittels der Kapazitätssteuervorrichtung als eine Funktion des Ausgangssignals die Betriebsparameter der Verdichteranordnung moduliert werden, um die Einsatzdurchflußmenge zu reduzieren und/oder den Einsatzdruck zu reduzieren oder den Permeatdruck bei niedrigeren Produktmengen- und/oder -reinheitswerten als den Entwurfswerten zu erhöhen;(f) the feed flow rate and the driving force across the membrane are adjusted between the design conditions of process step (a) for design demand conditions where the product stream, whether permeate or non-permeate, is obtained at the design quantity and purity values and the lower feed flow rate and driving force conditions during process step (b) for lower demand conditions where the product stream is obtained at lower quantity and/or purity values than the design values by modulating, by means of the capacity control device as a function of the output signal, the operating parameters of the compressor arrangement to reduce the feed flow rate and/or reduce the feed pressure or increase the permeate pressure at lower product quantity and/or purity values than the design values;

wobei weniger leicht permeable Komponente abgezogen wird, während die installierte Membranoberfläche des Membransystems unter variablen Bedarfsbedingungen voll genutzt wird.whereby less easily permeable component is removed, while the installed membrane surface of the membrane system is fully utilized under variable demand conditions.

Ein verbessertes Herunterregeln wird durch die Verminderung der Einsatzstromdurchflußmenge und der Partialdruck-Antriebskraft bei verminderten Bedarfsbedingungen erreicht, während die installierte Membranoberfläche voll genutzt wird. Die gewünschte Produktmenge und die gewünschte Produktqualität können somit effizient bei einer verbesserten Verläßlichkeit der Membrananlage aufgrund der verminderten Belastung der Ausrüstung während Herunterregelbedingungen und des Vermeidens des mit dem Start-/Stopbetrieb verbundenen erhöhten Verschleißes bei Bedingungen variablen Bedarfs erreicht werden.Improved turndown is achieved by reducing the feed stream flow rate and partial pressure driving force at reduced demand conditions while fully utilizing the installed membrane surface area. The desired product quantity and the desired product quality can thus be achieved efficiently with improved reliability of the membrane plant due to the reduced load on the equipment during turndown conditions and the avoidance of the increased wear associated with start/stop operation under conditions of variable demand.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher beschrieben, die eine schematische Zeichnung eines für die Praxis einer generell bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Herunterregeln gemäß der Erfindung ausgelegten Membransystems ist.The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawing, which is a schematic drawing of a membrane system designed for the practice of a generally preferred embodiment of the down-regulation method according to the invention.

Die Aufgaben der Erfindung werden erreicht durch den Einsatz eines Verfahrens zum Herunterregeln bei welchem bei einem verminderten Bedarf die Einsatzdurchflußmenge und die Partialdruck-Antriebskraft quer über die Membran herabgesetzt werden. Die Partialdruck- Antriebskraft ist eine Funktion der Partialdrücke der Komponenten der Einsatz- und Permeatströme. Solch ein Betrieb mit geringerem Energieverbrauch wird ausgeführt, während die installierte Membranoberfläche nicht nur bei Entwurfsbedingungen voll genutzt wird, sondern auch bei allen Betriebsbedingungen eines verminderten Bedarfs. Mit dem sich daraus ergebenden konstanten, stetigen Betrieb der Ausrüstung bei einer verminderten Last bei Herunterregelbedingungen kann ein effizienterer Betrieb erreicht werden, und der erhöhte Verschleiß eines Start-/Stopbetriebes kann vermieden werden.The objects of the invention are achieved by using a method of turndown in which, under reduced demand, the feed flow rate and the partial pressure driving force across the membrane are reduced. The partial pressure driving force is a function of the partial pressures of the component feed and permeate streams. Such lower energy operation is accomplished while fully utilizing the installed membrane surface area not only at design conditions, but also under all operating conditions of reduced demand. With the resulting constant, steady operation of the equipment at a reduced load under turndown conditions, more efficient operation can be achieved and the increased wear of a start/stop operation can be avoided.

Das Verfahren zum Herunterregeln gemäß der Erfindung wird durch ein Bedarfssignal ausgelöst, das anzeigt, daß von den Entwurfsbedingungen abweichende Bedingungen erforderlich sind. Dieses Signal kann eine Messung der Produktdurchflußmenge sein, die eine unter dem Entwurfswert liegende Durchflußmenge anzeigt, oder es kann eine Reinheitseingabe sein, die gleichfalls anzeigt, daß unter den Entwurfsbedingungen liegende Bedingungen erforderlich sind. Das Membransystem wird konventionell so entworfen, daß es einen Prozeßrechner beinhaltet, der darauf programmiert ist, die Betriebsdruckverhältnisse quer über die Membran auf neue optimale Bedingungen zu senken, basierend auf einer vollen Nutzung der in dem System verfügbaren Membranoberfläche. Die gewünschte Druckverhältnissenkung wird durch Senden eines Herunterregelsignals an die Pumpanordnung, z. B. den Verdichter, eine Vakuumpumpe, eine Flüssigkeitspumpe, etc., erreicht.The turndown method of the invention is initiated by a demand signal indicating that conditions other than design conditions are required. This signal may be a product flow rate measurement indicating a flow rate below design or it may be a purity input also indicating that conditions below design conditions are required. The membrane system is conventionally designed to include a process computer programmed to reduce the operating pressure ratios across the membrane to new optimum conditions based on full utilization of the membrane surface area available in the system. The desired pressure ratio reduction is achieved by sending a turndown signal to the pumping arrangement, e.g. compressor, vacuum pump, liquid pump, etc.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung, die ein generell bevorzugtes System zum Ausführen des Verfahrens zum Herunterregeln gemäß der Erfindung veranschaulicht, wird eine Einlaßleitung 1 benutzt, um Einsatzgas einem Verdichter 2 zuzuführen, von dem unter Druck stehendes Gas in Leitung 3 zu einer permeablen Membraneinheit 4 geliefert wird. Der gewünschte Produktstrom, entweder Permeat- oder Nichtpermeatgas, wird durch eine Produktstromleitung 5 abgegeben. Der andere von der Membraneinheit 4 abgeführte, nicht gezeigte Strom wird entweder abgeführt oder für einen gewünschten Zweck benutzt. In Leitung 5 ist ein gewöhnlicher Produktdurchflußmesser 6 angeordnet, mit dem ein konventioneller Produktdurchflußmengen- Signalübertrager 7 verbunden ist, der ausgelegt ist, ein generell durch das Bezugszeichen 8 veranschaulichtes Eingangssignal an einen/eine Prozeßrechner/Prozeßsteuerung 9 zu übermitteln. Somit wird der Produktdurchflußmesser 6 benutzt, um den Produktdurchfluß zu überwachen, und der Übertrager 7 wird eingesetzt, um ein Prozeßvariablensignal, d. h. ein der Produktdurchflußmenge proportionales Signal, an den Prozeßrechner 9 zu senden. Ebenfalls als Eingangssignal für den besagten Rechner wird ein durch das Bezugszeichen 10 dargestellter Reinheitseinstellwert eingesetzt, der in Abhängigkeit von den Produktreinheitsanforderungen des Betriebes variiert werden kann.Referring to the drawing, which illustrates a generally preferred system for carrying out the down-regulation method according to the invention, an inlet line 1 is used to supply feed gas to a compressor 2 from which pressurized gas is supplied in line 3 to a permeable membrane unit 4. The desired product stream, either permeate or non-permeate gas, is discharged through a product stream line 5. The other stream, not shown, discharged from the membrane unit 4 is either discharged or used for a desired purpose. In line 5 there is arranged a conventional product flow meter 6 to which is connected a conventional product flow rate signal transmitter 7 which is adapted to transmit an input signal, generally illustrated by the reference numeral 8, to a process computer/process controller 9. Thus, the product flow meter 6 is used to monitor the product flow and the transmitter 7 is used to send a process variable signal, ie a signal proportional to the product flow rate, to the process computer 9. Also used as an input signal to said computer is a purity setting value, represented by the reference numeral 10, which can be varied depending on the product purity requirements of the plant.

Der Prozeßrechner 9 ist programmiert, ein durch das Bezugszeichen 11 dargestelltes Ausgangssignal an eine Kapazitätssteuervorrichtung 12 zu senden, die benutzt wird, um den Verdichter 2 über eine geeignete, durch das Bezugszeichen 13 dargestellte, mechanische oder elektrische Verbindung herunterzuregeln, indem das geeignete Rückführventil, Saugventil, ein Motor veränderlicher Drehzahl oder ähnliches auf die Druck- und Durchflußbedingungen eingestellt wird, die für die angezeigten Bedarfsbedingungen geeignet sind. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist insofern höchst flexibel, als bei einer Änderung der Entwurfsbedingungen infolge von Unterschieden der Prozeßanwendung, von Verbesserungen der Membranleistung und ähnlichem, der Prozeßrechner ohne weiteres umprogrammiert werden kann, um sich an die neuen Entwurfsbedingungen der unterschiedlichen oder modifizierten Prozeßanwendung anzupassen.The process computer 9 is programmed to send an output signal, represented by reference numeral 11, to a capacity control device 12 which is used to down-regulate the compressor 2 via a suitable mechanical or electrical connection, represented by reference numeral 13, by setting the appropriate recirculation valve, suction valve, variable speed motor or the like to the pressure and flow conditions appropriate to the indicated demand conditions. The method according to the invention is highly flexible in that if the design conditions change due to differences in the process application, improvements in membrane performance and the like, the process computer can be readily reprogrammed to adapt to the new design conditions of the different or modified process application.

Bei einer Verarbeitungsalternative kann der Produktreinheitswert als eine Prozeßvariable benutzt werden, um die Steuerung des Herunterregelns des Membransystems auszulösen. In diesem Fall würde statt der Produktdurchflußmenge die Produktreinheit überwacht werden, und ein der Produktreinheit proportionales Signal würde an den/das Prozeßrechner/Prozeßsteuergerät 9 gesendet werden. Der Rechner wäre in diesem Fall programmiert, Verdichterkapazität und -druck zu modulieren, um die gewünschte Reinheit aufrechtzuhalten.In a processing alternative, the product purity value can be used as a process variable to trigger the control of the turndown of the membrane system. In this case, instead of the product flow rate, the product purity would be monitored and a signal proportional to the product purity would be sent to the process computer/process controller 9. The computer would then be programmed to modulate compressor capacity and pressure to maintain the desired purity.

Fachleuten versteht sich, daß die gewünschte Produktreinheit oft ein variables Eingangssignal des stromab ablaufenden Vorgangs sein kann, für den das gasförmige oder flüssige Produkt in dem zu steuernden Membransystem erzeugt wird. Wenn die Produktdurchflußmenge zurückgenommen wird, wird die Produktreinheit zu steigen beginnen, und der Prozeßrechner wird diesen Anstieg erfassen und die Zufuhr des Verdichters zurücknehmen. Es sollte jedoch bemerkt werden, daß der Gebrauch der Produktreinheit als die primäre Messung in manchen Fällen, infolge der inhärenten Zeitverschiebung durch das Sammeln und die Analyse für die Produktreinheit, zu einem bestimmten Faktor der Instabilität führen kann. Im Gegensatz dazu ist es ohne weiteres möglich, eine sofortige Überwachung von Änderungen der Produktdurchflußmenge zu erzielen.Those skilled in the art will appreciate that the desired product purity can often be a variable input to the downstream process for which the gaseous or liquid product is produced in the membrane system being controlled. If the product flow rate is reduced, the product purity will begin to increase and the process computer will sense this increase and reduce the compressor feed. It should be noted, however, that the use of product purity as the primary measurement may in some cases introduce a certain factor of instability due to the inherent time lag in collecting and analyzing the product purity. In contrast, it is easily possible to achieve immediate monitoring of changes in product flow rate.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf ein anschauliches Beispiel näher beschrieben, bei welchem permeable Membranen für Luftzerlegung eingesetzt werden, um Stickstoffproduktgas zu erzeugen. Es versteht sich, daß bei Verwendung eines typischen Membransystems, bei welchem das Membranmaterial Sauerstoff als die leichter permeable Komponente von Luft abtrennen kann, der gewünschte mit Stickstoff angereicherte Produktstrom als Nichtpermeat-, Retentatgas gewonnen wird. In diesem Fall stellt das mit Sauerstoff angereicherte Permeatgas einen Abfallstrom dar. Einsatzluft wird auf einen bunter dem Atmosphärendruck liegenden Druck verdichtet, und der Produktstickstoff-Nichtpermeatstrom wird bei einem etwas unter dem Einsatzdruck liegenden Druck von dem Membransystem abgezogen. Das Permeatgas wird typischerweise bei Atmosphärendruck abgezogen. Das Membransystem wird basierend auf Entwurfsbedingungen, d. h. einem gewünschten Betrieb voller Kapazität, aufgebaut und benutzt, wobei die Entwurfsbedingungen im allgemeinen in Anbetracht der gewünschten Produktdurchflußmenge und Produktreinheit, den Druckpegeln und der gewünschten, erforderlichen Partialdruck-Antriebskraft, dem Wert von Gebrauchsgütern, z. B. Energiekosten, optimiert werden.The invention will be further described with reference to an illustrative example in which permeable membranes are used for air separation to produce nitrogen product gas. It will be understood that using a typical membrane system in which the membrane material is capable of separating oxygen as the more readily permeable component of air, the desired nitrogen-enriched product stream is recovered as a non-permeate, retentate gas. In this case, the oxygen-enriched permeate gas is a waste stream. Feed air is compressed to a pressure less than atmospheric and the product nitrogen non-permeate stream is withdrawn from the membrane system at a pressure slightly below the feed pressure. The permeate gas is typically withdrawn at atmospheric pressure. The membrane system is designed based on design conditions, i.e. a desired full capacity operation, with design conditions generally optimized in view of the desired product flow rate and product purity, pressure levels and desired required partial pressure driving force, value of commodities, e.g. energy costs.

Für jedes gegebene Druckverhältnis quer über die Membran ist der Vorgang zum Abtrennen eines Gases oder eines anderen Fluids durch zwei Schlüsselparameter gekennzeichnet, nämlich den Flächenfaktor und den Verdichtungsfaktor. Der Flächenfaktor ist der Betrag der Membranoberfläche, die bei dem anschaulichen Beispiel erforderlich ist, um 1 Nm³/h, d. h. 1 Normalkubikmeter pro Stunde (1 ncfh, d. h. Normalkubikfluß pro Stunde) Produktstickstoffgas zu erzeugen. Der Verdichtungsfaktor ist die zur Erzeugung von 1 Nm³/h (1 ncfh) des besagten Produkts erforderliche Menge von Einsatzgas. Wenn die Produktanforderungen einer gegebenen Anwendung festgelegt sind, können das optimale oder das gewünschte Druckverhältnis quer über die Membran und der entsprechende Flächenfaktor und Verdichtungsfaktor bestimmt werden.For any given pressure ratio across the membrane, the process of separating a gas or other fluid is characterized by two key parameters, namely the area factor and the compression factor. The area factor is the amount of membrane surface area required in the illustrative example to produce 1 Nm³/h, i.e. 1 standard cubic meter per hour (1 ncfh, i.e. standard cubic flow per hour) of product nitrogen gas. The compression factor is the amount of feed gas required to produce 1 Nm³/h (1 ncfh) of said product. Once the product requirements of a given application are established, the optimum or desired pressure ratio across the membrane and the corresponding area factor and compression factor can be determined.

Es versteht sich, daß die Optimierung dieser Prozeßvariablen die Optimierung der Abwägung zwischen höheren Verdichterkosten und damit verbundenem Energiebedarf bei höheren Druckverhältnissen und der größeren Produktdurchflußmenge einschließt, die bei solchen höheren Druckverhältnissen erzeugt werden kann. Bei der Anwendung zur Luftzerlegung ist die größere Produktdurchflußmenge mit einem höheren Einsatzdruck verbunden, da der Permeatdruck gewöhnlich und zweckmäßig auf Atmosphärendruck eingerichtet ist.It will be understood that optimizing these process variables involves optimizing the trade-off between higher compressor costs and associated energy requirements at higher pressure ratios and the greater product flow rate that can be produced at such higher pressure ratios. In the air separation application, the greater product flow rate is associated with a higher feed pressure since the permeate pressure is usually and conveniently set at atmospheric pressure.

Wie oben erwähnt, wird für einen Betrieb mit konstanter Produktreinheit, konstanter Membranfläche im allgemeinen die Produktdurchflußmenge bei höheren Einsatzdrücken gesteigert, und umgekehrt. In gleicher Weise wird für einen Betrieb konstanter Reinheit im allgemeinen der Flächenfaktor gesenkt, wenn der Einsatzdruck gesteigert wird. Außerdem wird im allgemeinen für einen Betrieb konstanter Produktreinheit, konstanter Membranfläche die Einsatzdurchflußmenge, d. h. die Verdichterdurchflußmenge bei höheren Einsatzdrücken erhöht, und umgekehrt. Solche Beziehungen werden bei der Bestimmung der Entwurfsbedingungen, d. h. der Bedingungen eines vollen Bedarfs, in Betracht gezogen, wobei zweckmäßig die angedeuteten Abwägungen optimiert werden, um so Entwurfsbedingungen zu erreichen, die für das spezielle Membransystem und die Produktionsanforderungen einer gegebenen Anwendung optimiert sind.As mentioned above, for operation with constant product purity, constant membrane area, the product flow rate is generally increased at higher operating pressures, and vice versa. Similarly, for constant purity operation, the area factor will generally be decreased as the feed pressure is increased. Furthermore, for constant product purity, constant membrane area operation, the feed flow rate, ie, compressor flow rate, will generally be increased at higher feed pressures, and vice versa. Such relationships are taken into account in determining design conditions, ie, full demand conditions, suitably optimizing the indicated trade-offs to achieve design conditions optimized for the particular membrane system and production requirements of a given application.

Bei einem anschaulichen Luftzerlegungsbetrieb wird eine Membrananlage bei Bedingungen eines vollen Bedarfs optimiert, um bei einem Einsatzgasdruck von 1480 kPa (200 psig) zu arbeiten und 283 Nm³/h (10000 ncfh) 98% Stickstoff als nicht permeables Gas zu erzeugen. Falls der Produktbedarf auf 198 Nm³/h (7000 ncfh) abfallen sollte, kann die volle Nutzung der verfügbaren Membranfläche bei der Anwendung der Erfindung aufrechterhalten werden, indem der Einsatzgasdruck auf 1101 kPa (145 psig) gesenkt wird, wobei die Produktreinheit im wesentlichen bei dem Entwurfsreinheitspegel gehalten wird. Zusätzlich zu dem verminderten Einsatzgasdruck werden die Einsatzluft-Durchflußanforderungen zum Erzeugen von 198 Nm³/h (7000 ncfh) Stickstoffprodukt ebenfalls gesenkt. Bei dem niedrigeren Einsatzgasdruck von 145 psig permeiert eine kleinere Gasmenge durch die Membran, und weniger Einsatzgas wird benötigt, um die gewünschte heruntergeregelte Produktion zu erreichen. Bei dem oben angedeuteten Beispiel des Herunterregelns, bei dem das gewünschte Produkt von 283 Nm³/h (10000 ncfh) auf 198 Nm³/h (7000 ncfh) heruntergeregelt und der Einsatzdruck von 1480 kPa (200 psig) auf 1101 kPa (145 psig) gesenkt wird, zeigt sich, daß die Verdichterdurchflußmenge, d. h. die Einsatzdurchflußmenge zu dem Membransystem, 72% der vollen Entwurfsdurchflußmenge beträgt. Somit bestehen die Bedingungen zum Beibehalten der vollen Nutzung der verfügbaren Membranfläche bei einem Herunterregeln unter Erzeugung von Produkt bei dem Entwurfsreinheitspegel aus der angegebenen Verminderung der Antriebskraft quer über die Membran, z. B. durch Senkung des Einsatzgasdrucks, gekoppelt mit dem angegebenen Herunterregeln von der Einsatzstrom-Entwurfsdurchflußmenge.In an illustrative air separation operation, a membrane plant is optimized at full demand conditions to operate at a feed gas pressure of 1480 kPa (200 psig) and produce 283 Nm³/h (10,000 ncfh) of 98% nitrogen as a non-permeable gas. If product demand should drop to 198 Nm³/h (7,000 ncfh), full utilization of the available membrane area can be maintained using the invention by reducing the feed gas pressure to 1101 kPa (145 psig) while maintaining product purity substantially at the design purity level. In addition to the reduced feed gas pressure, the feed air flow requirements to produce 198 Nm³/h (7,000 ncfh) of nitrogen product are also reduced. At the lower feed gas pressure of 145 psig, a smaller amount of gas permeates through the membrane and less feed gas is required to achieve the desired down-regulated production. In the down-regulation example indicated above, where the desired product is down-regulated from 283 Nm³/h (10,000 ncfh) to 198 Nm³/h (7,000 ncfh) and the feed pressure is reduced from 1480 kPa (200 psig) to 1101 kPa (145 psig), it is found that the compressor flow rate, i.e., the feed flow rate to the membrane system, is 72% of the full design flow rate. Thus, the conditions for maintaining full utilization of the available membrane area during a turndown to produce product at the design purity level consist of the specified reduction in the driving force across the membrane, e.g., by lowering the feed gas pressure, coupled with the specified turndown from the feed stream design flow rate.

Der Betrag der bei dem Herunterregeln erzielten Energieeinsparungen wird von der Art der bei der Anwendung der Erfindung eingesetzten Verdichteranordnung abhängen. Es versteht sich, daß in der Technik in Abhängigkeit von der Art der eingesetzten Verdichteranordnung eine Vielfalt von Kapazitätssteuergeräten verfügbar ist. Motoren mit veränderlicher Drehzahl, interne Rückführventile und Saugventil-Entlastungsvorrichtungen sind Beispiele für die verfügbaren Geräte, die zum Herunterregeln der Verdichteranordnung gemäß der Erfindung benutzt werden können.The amount of energy savings achieved in the derating will depend on the type of compressor arrangement used in the practice of the invention. It will be understood that a variety of capacity control devices are available in the art depending on the type of compressor arrangement used. Variable speed motors, internal recirculation valves and suction valve unloading devices are examples of the available Devices that can be used to regulate down the compressor arrangement according to the invention.

Wenn die Verdichteranordnung, z. B. Kolbenverdichter mit Saugventil-Entlastungsvorrichtungen, ölgeflutete Schraubenverdichter mit internen Ventilen zum Rückführen zum Ansaugpunkt, oder solch eine andere kommerziell verfügbare Anordnung, ein Signal zum Herunterregeln erhält, werden deren Einsatzstrom-Durchflußmenge und das Druckverhältnis quer über die Membran herabgesetzt, was zu einer verminderten Energieaufnahme führt. Bei automatisierten Ausführungsformen der Erfindung kann der oben erwähnte Prozeßrechner so programmiert werden, daß er automatisch die Verdichteranordnung einstellt und den Herunterregelmechanismus steuert, z. B. die Ventil-Entlastungsvorrichtung, den Motor veränderlicher Drehzahl, etc., um den Einsatz von optimalen Durchflußmengen und Druckverhältnissen quer über die Membran für ein gegebenes Bedarfssignal, d. h. ein Durchflußmengen- oder Reinheitssignal, zu ermöglichen.When the compressor assembly, e.g., reciprocating compressors with suction valve relief devices, oil-flooded screw compressors with internal valves for return to the suction point, or other such commercially available assembly, receives a signal to turn down, its feed stream flow rate and pressure ratio across the diaphragm are reduced, resulting in reduced energy consumption. In automated embodiments of the invention, the above-mentioned process computer can be programmed to automatically adjust the compressor assembly and control the turn down mechanism, e.g., valve relief device, variable speed motor, etc., to enable the use of optimum flow rates and pressure ratios across the diaphragm for a given demand signal, i.e., a flow rate or purity signal.

Bei der oben erwähnten anschaulichen Ausführungsform, bei der ein Schraubenverdichtersystem mit einem internen Rückführventil eingesetzt wird, beträgt die Leistungsaufnahme für das Herunterregeln von 283 auf 198 Nm³/h (10000 auf 7000 ncfh) Stickstoff 77% des Entwurfswertes. Bei dem verminderten Einsatzgasdruck von 1101 kPa (145 psig) beträgt die Leistungsaufnahme 85% des Entwurfswertes. Die gesamte Leistungsaufnahme wird durch beide Faktoren vermindert, d. h. die Abnahmen des Einsatzgasvolumens und des Einsatzgasdruckes zum Herbeiführen einer Verminderung der Antriebskraft quer über die Membran, so daß die gesamte Leistungsaufnahme 85% von 77% des Entwurfswertes beträgt, oder 65% der Leistungsaufnahme bei Entwurfsbedingungen.In the above-mentioned illustrative embodiment using a screw compressor system with an internal recirculation valve, the power consumption for stepping down from 283 to 198 Nm³/h (10,000 to 7,000 ncfh) of nitrogen is 77% of the design value. At the reduced feed gas pressure of 1101 kPa (145 psig), the power consumption is 85% of the design value. The total power consumption is reduced by both the decreases in feed gas volume and the decreases in feed gas pressure to cause a reduction in the driving force across the diaphragm, so that the total power consumption is 85% of 77% of the design value, or 65% of the power consumption at design conditions.

Es sollte bemerkt werden, daß das Verfahren zum Herunterregeln gemäß der Erfindung wirkungsvoll bei Ausführungsformen benutzt werden kann, bei welchen statt einem Herunterregeln der Produktdurchflußmenge ein Herunterregeln der Produktreinheit erwünscht ist. Falls verminderte Produktreinheit bei gleichbleibender Produktdurchflußmenge erwünscht ist, kann der Einsatzdruck gesenkt werden, um das Druckdifferential quer über die Membran zu vermindern, während die Produktdurchflußmenge bei dem Wert der Entwurfsbedingungen gehalten wird. Bei solchen Ausführungsformen wird die gesamte verfügbare Membranoberfläche erneut während dem Herunterregelbetrieb voll genutzt. Fachleuten versteht sich, daß der oben erwähnte Prozeßrechner ohne weiteres programmiert werden kann, um automatisch den Betrieb des Verdichtersystems einzustellen, um der Steuerung des Herunterregelns der Produktreinheit und der Produktdurchflußmenge gleichzeitig Rechnung zu tragen. Bei diesem Gebrauch würde das die Antriebskraft quer über die Membran bewirkende Druckdifferential in Antwort auf Änderungen sowohl der Produktreinheit als auch der Produktdurchflußmenge variiert werden, und es könnte angesichts der Gesamtanforderungen und der Betriebsbedingungen, die einen gegebenen Abtrennvorgang eines Gases oder eines anderen Fluids betreffen, optimiert werden.It should be noted that the turndown method of the invention can be effectively used in embodiments where turndown of product purity is desired rather than turndown of product flow rate. If reduced product purity at a constant product flow rate is desired, the feed pressure can be reduced to reduce the pressure differential across the membrane while maintaining the product flow rate at the value of the design conditions. In such embodiments, all of the available membrane surface area is again fully utilized during turndown operation. Those skilled in the art will appreciate that the above-mentioned process computer can be readily programmed to automatically adjust the operation of the compressor system to accommodate the control of turndown of product purity and product flow rate simultaneously. In this use, the pressure differential across the membrane causing the driving force would be varied in response to changes in both product purity and product flow rate. and it could be optimized in view of the overall requirements and operating conditions relating to a given separation operation of a gas or other fluid.

Es versteht sich, daß der Wirkungsgrad des Verfahrens zum Herunterregeln von dem Entwurf des Verdichtersystems abhängt, das bei einem gegebenen Membrantrennvorgang eingesetzt wird, und von dessen Vermögen, die Durchflußmenge des Einsatzstromes zu der Membran wirkungsvoll zu steuern. Es sollte auch bemerkt werden, daß der Wirkungsgrad des Verfahrens zum Herunterregeln gemäß der Erfindung von den Produktdruckanforderungen einer gegebenen Anwendung abhängt. Falls bei dem obigen Beispiel zur Luftzerlegung für eine Gewinnung von Stickstoff ein minimaler Produktdruck von 791 kPa (100 psig) erforderlich wäre, würde der Grenzwert des Herunterregelns 45% der maximalen Produktdurchflußmenge des Verdichtersystems betragen. In den meisten Fällen sollte dieser Faktor jedoch nicht den Gesamtwirkungsgrad des Herunterregelns beeinflussen, da typischerweise der optimale Entwurfsmembranbetriebsdruck erheblich größer ist, als der erforderliche Produktdruck. Für eine große Mehrheit von Anwendungen wird daher die Anwendung der Erfindung sowohl durchführbar als auch das wirkungsvollste Verfahren zur Steuerung des Herunterregelns sein. Fachleuten versteht sich, daß das Verfahren zum Herunterregeln gemäß der Erfindung zweckmäßig in dem Ausmaß optimiert werden wird, wie es durch die Bedeutung des Herunterregelbetriebes bei dem zu steuernden Gesamtverfahren gewährleistet wird. Die Wahl eines Verdichtersystems und die Entwurfsbetriebsdrücke sind wesentliche Faktoren bei der Bestimmung des Wirkungsgrades und des Anwendbarkeitsbereiches des Herunterregelns bei praktischen kommerziellen Anwendungen. Es versteht sich auch, daß die Erfindung nicht einfach ein Herunterregeln von Entwurfsbedingungen auf eine spezielle Kombination aus Bedingungen niedrigerer Einsatzdurchflußmenge und Antriebskraft betrifft, sondern daß sie die Einstellung der besagten Bedingungen zwischen den besagten Entwurfsbedingungen und verschiedenen Bedingungen eines geringeren Bedarfs oder die Einstellung zwischen verschiedenen Bedingungen niedrigeren Bedarfs betrifft, bei welchen eine Produktgewinnung bei einer niedrigeren Entwurfsmenge und/oder -reinheit erwünscht ist. Obschon Entwurfsbedingungen die volle Kapazität eines gegebenen Membransystems bezüglich einer gewünschten Produktdurchflußmenge und Produktreinheit darstellen, sollte ebenfalls bemerkt werden, daß es im allgemeinen möglich ist, ein Membransystem bei einer über dem Entwurfswert liegenden Kapazität zu betreiben, um so entweder unter Aufgabe eines Teils der Produktreinheit eine Produktmenge zu erzeugen, die über der Entwurfsmenge liegt, oder um ein Produkt mit einer über dem Entwurfswert liegenden Reinheit unter Preisgabe eines Teils der Produktausbeute zu erzeugen. Ein solcher Betrieb über den Entwurfsbedingungen sollte so verstanden werden, daß er im wesentlichen Entwurfsbedingungen bezüglich der Herunterregelmerkmale gemäß der Erfindung darstellt. Aus dieser Beschreibung versteht sich, daß Herunterregelbedingungen vorherrschen, wenn die Anforderungen entweder bezüglich der Produktdurchflußmenge oder der Produktreinheit oder bezüglich beidem geringer sind, als die Entwurfswerte für Produktdurchflußmenge und Produktreinheit für ein gegebenes Membransystem.It will be understood that the efficiency of the down-regulation method will depend on the design of the compressor system used in a given membrane separation operation and its ability to effectively control the flow rate of the feed stream to the membrane. It should also be noted that the efficiency of the down-regulation method of the invention will depend on the product pressure requirements of a given application. In the above air separation example, if a minimum product pressure of 791 kPa (100 psig) were required for nitrogen recovery, the down-regulation limit would be 45% of the maximum product flow rate of the compressor system. In most cases, however, this factor should not affect the overall efficiency of the down-regulation since typically the optimum design membrane operating pressure is considerably greater than the required product pressure. For a large majority of applications, therefore, the use of the invention will be both feasible and the most effective method of controlling the down-regulation. It will be understood by those skilled in the art that the method of derating according to the invention will be suitably optimized to the extent warranted by the importance of derating operation in the overall process to be controlled. The choice of a compressor system and the design operating pressures are essential factors in determining the efficiency and range of applicability of derating in practical commercial applications. It will also be understood that the invention does not simply relate to derating from design conditions to a particular combination of lower feed flow and driving force conditions, but rather relates to adjusting said conditions between said design conditions and various lower demand conditions, or adjusting between various lower demand conditions where product recovery at a lower design quantity and/or purity is desired. Although design conditions represent the full capacity of a given membrane system with respect to a desired product flow rate and product purity, it should also be noted that it is generally possible to operate a membrane system at a capacity above the design value so as to either produce a quantity of product in excess of the design value while sacrificing a portion of the product purity, or to produce a product with a purity in excess of the design value while sacrificing a portion of the product yield. Such operation above the design conditions should be understood to represent essentially design conditions with respect to the down-regulation features of the invention. From this description, it will be understood that down-regulation conditions prevail when the requirements either in terms of product flow or product purity, or both, are less than the design values for product flow and product purity for a given membrane system.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, das hier beschriebene und beanspruchte Verfahren zum Herunterregeln bei einer großen Vielfalt von Fluidtrennvorgängen auszuführen, für die die oben erwähnte Ausführungsform zur Luftzerlegung zum Erzeugen von Stickstoff ein anschauliches Beispiel ist, bei dem man Herunterregelbedingungen antrifft. Solche Vorgänge beinhalten jegliche Vorgänge, bei welchen ein permeables Membransystem effizient eingesetzt werden kann, um eine leichter permeable Komponente von einem Fluidgemisch derselben mit einer weniger leicht permeablen Komponente abzutrennen. Ein wasserstoffenthaltendes Abgas wie von einer Entschwefelungseinheit ist ein Beispiel für einen anderen geeigneten Einsatzstrom zum Gebrauch in permeablen Membranvorgängen und für das Verfahren zum Herunterregeln gemäß der Erfindung. Ein typisches Abgas dieser Art kann etwa 45 Mol.% Wasserstoff, 25% Methan, 25% Ethan und kleinere Mengen anderer Kohlenwasserstoffe enthalten. Das Membransystemverfahren kann benutzt werden, um den besagten Wasserstoff bis zu einem geeigneten Reinheitspegel, z. B. etwa 90%, zu reinigen. Die Gewinnung von Wasserstoff aus Ammoniakspülgas und Abtrennungen von Kohlendioxid und Methan sind anschauliche Beispiele für andere kommerzielle Fluidtrennvorgänge, auf die das Verfahren zum Herunterregeln gemäß der Erfindung unter angemessenen Umständen angewendet werden kann. Es sollte auch bemerkt werden, daß obschon die Luftzerlegungsanwendung mit Bezug auf das zweckmäßige Abführen des Permeat-Sauerstoffstromes bei Atmosphärendruck beschrieben wurde, bei verschiedenen anderen Ausführungsformen der Erfindung andere geeignete und bevorzugte Druckbedingungen vorherrschen werden. In manchen Fällen kann es erwünscht sein, einen verfügbaren Einsatzdruck bei Herunterregelbedingungen zu benutzen, wobei die Verminderung der Antriebskraft quer über die Membran durch Steigerung des Permeatdruckes erreicht wird, statt durch Absenken des Einsatzgasdruckes. Die erreichte Produktreinheit und/oder Produktausbeute wird/werden natürlich in Abhängigkeit von den Gesamtanforderungen eines gegebenen Membrantrennvorgangs etwas varieren.It is within the scope of the invention to practice the down-regulation method described and claimed herein in a wide variety of fluid separation operations, of which the above-mentioned embodiment for separating air to produce nitrogen is an illustrative example where down-regulation conditions are encountered. Such operations include any operations in which a permeable membrane system can be effectively employed to separate a more readily permeable component from a fluid mixture thereof with a less readily permeable component. A hydrogen-containing off-gas such as from a desulfurization unit is an example of another suitable feed stream for use in permeable membrane operations and for the down-regulation method of the invention. A typical off-gas of this type may contain about 45 mole percent hydrogen, 25 percent methane, 25 percent ethane, and minor amounts of other hydrocarbons. The membrane system process may be used to purify said hydrogen to a suitable purity level, e.g., 100 mol% hydrogen, 25 percent methane, 25 percent ethane, and minor amounts of other hydrocarbons. The membrane system process may be used to purify said hydrogen to a suitable purity level, e.g., 100 mol% hydrogen, 25 percent methane, 25 percent ethane, and minor amounts of other hydrocarbons. about 90%. The recovery of hydrogen from ammonia purge gas and separations of carbon dioxide and methane are illustrative examples of other commercial fluid separation operations to which the turndown process of the invention may be applied under appropriate circumstances. It should also be noted that although the air separation application has been described with reference to the convenient removal of the permeate oxygen stream at atmospheric pressure, other suitable and preferred pressure conditions will prevail in various other embodiments of the invention. In some cases it may be desirable to use an available feed pressure at turndown conditions, with the reduction in driving force across the membrane being achieved by increasing the permeate pressure rather than by decreasing the feed gas pressure. The product purity and/or product yield achieved will, of course, vary somewhat depending on the overall requirements of a given membrane separation operation.

Das Verfahren zum Herunterregeln gemäß der Erfindung kann mit Bezug auf jedes gewünschte permeable Membransystem benutzt werden. Daher kann das eingesetzte Membranmaterial jedes geeignete Material sein, das selektiv eine leichter permeable Komponente von einem Gemisch eines Gases oder eines anderen Fluids permeieren kann, wie z. B. Zellulosederivate, wies z. B. Zelluloseacetat, Zelluloseacetatbutyrat und ähnliches; Polyamide und Polyimide, einschließlich Arylpolyamide und Arylpolyimide; Polysulfone; Polystyrole und ähnliches. Es sollte auch bemerkt werden, daß es im Rahmen der Erfindung liegt, permeable Membranen jeder gewünschten Konfiguration einzusetzen. So kann die permeable Membran in Verbundform vorliegen, wobei sie eine Trennschicht aufweist, die die Selektivitäts- und Permeabilitätseigenschaften der Membran bestimmt, und die auf eine poröse Trägerschicht aufgebracht ist. Ebenfalls können asymmetrische Membranen eingesetzt werden, bei welchen ein relativ dichter Oberflächenbereich die Selektivitäts- und Permeabilitätseigenschaften der Membran bestimmt, und ein stärker poröser Bereich für Abstützung sorgt. Andere Membranformen, z. B. dichte Membranen, sind für spezielle Anwendungen ebenfalls nützlich. Die permeablen Membranen können für die Zwecke der Erfindung in jeder zweckmäßigen Form ausgebildet sein, wie z. B. als flache Schicht, als Hohlfaser, spiralförmig gewunden oder in einer anderen gewünschten Form, wobei Hohlfasermembranen im allgemeinen bevorzugt werden. Hohlfasern oder andere gewünschte Formen des Membranmaterials werden im allgemeinen zu Membranmoduln zusammengebaut, die Hohlfaserbündel, gefaltete Flachschicht-Membranbaugruppen, oder spiralförmig gewundene Kartuschen aufweisen und Einsatzfluideinlaß- und Permeataustrittsseiten haben, wobei Leitungsanordnungen vorgesehen werden, um den Nichtpermeatanteil des Einsatzstromes getrennt von dem Permeatanteil desselben abzuführen. Alle diese Systeme können gemäß der Erfindung wirkungsvoll heruntergeregelt werden, wobei die installierte Membranoberfläche bei allen Betriebsbedingungen voll genutzt wird.The downregulation method of the invention can be used with respect to any desired permeable membrane system. Thus, the membrane material employed can be any suitable material capable of selectively permeating a more readily permeable component of a mixture of a gas or other fluid, such as cellulose derivatives, such as cellulose acetate, cellulose acetate butyrate, and the like; polyamides and polyimides, including arylpolyamides and arylpolyimides; polysulfones; polystyrenes, and the like. It should also be noted that it is within the scope of the invention to use permeable membranes any desired configuration. For example, the permeable membrane may be in composite form, having a separating layer which determines the selectivity and permeability properties of the membrane, supported on a porous support layer. Also, asymmetric membranes may be used, in which a relatively dense surface area determines the selectivity and permeability properties of the membrane, and a more porous area provides support. Other membrane shapes, such as dense membranes, are also useful for specific applications. The permeable membranes may be in any convenient shape for the purposes of the invention, such as a flat sheet, a hollow fiber, spiral wound, or other desired shape, with hollow fiber membranes generally being preferred. Hollow fibers or other desired shapes of membrane material are generally assembled into membrane modules comprising hollow fiber bundles, pleated flat sheet membrane assemblies, or spiral wound cartridges having feed fluid inlet and permeate outlet sides, with piping arrangements provided to remove the non-permeate portion of the feed stream separately from the permeate portion thereof. All of these systems can be efficiently scaled down in accordance with the invention, with full utilization of the installed membrane surface area under all operating conditions.

Die Erfindung schafft somit eine höchst praktische und wirkungsvolle Anordnung zur Steuerung des Herunterregelns. Es wird nicht nur die installierte Kapazität des Membransystems voll genutzt, sondern es wird außerdem der Gebrauch eines Start-/Stopbetriebes in Abhängigkeit von einem variablen Bedarf oder von variablen Herunterregelbedingungen vermieden. Infolgedessen können Membransysteme konventionell benutzt werden, um eine gewünschte Produktmenge und -qualität bei Herunterregelbedingungen zu erreichen, wobei die Verläßlichkeit des Membransystems durch den konstanten, stetigen Betrieb der Ausrüstung unter Herunterregelbedingungen einer verminderten Last gesteigert wird.The invention thus provides a highly practical and effective arrangement for controlling turndown. Not only is the installed capacity of the membrane system fully utilized, but the use of start/stop operation in response to variable demand or turndown conditions is also avoided. As a result, membrane systems can be used conventionally to achieve a desired product quantity and quality under turndown conditions, with the reliability of the membrane system being increased by the constant, steady operation of the equipment under turndown conditions of reduced load.

Claims

1. A method of turndown in a permeable membrane process, in which, under design operating conditions, a fluid feed stream is brought into contact with the feed side of a permeable membrane system (4) through a compressor assembly (2) at a desired feed flow rate and feed pressure, having an installed membrane surface capable of selectively passing a more easily permeable component of the feed stream containing a less easily permeable component, withdrawing a desired amount of the less easily permeable component as non-permeate at substantially the design feed stream pressure level and withdrawing a desired amount of the more easily permeable component as permeate at a pressure level lower than the design feed stream pressure level, and wherein the partial pressure of the feed stream components across the membrane provides the driving force for the permeable membrane separation, the turndown method comprising the steps of:

(a) the feed stream flow rate and the partial pressure driving force across the membrane are maintained such that the quantity and purity of the permeate and non-permeate obtained are at the design quantity and purity values, making full use of the installed membrane surface area of the membrane system;

(b) during periods of reduced demand in the quantity and/or purity of the product stream, whether permeate or non-permeate, the feed flow rate and the driving force across the membrane are reduced as a function of a process variable signal representing at least one monitored variable process parameter, while still maintaining full utilization of the installed membrane surface area of the system;

(c) the flow rate and/or purity of the product stream, whether permeate or non-permeate, are monitored to obtain the process variable signal (8);

(d) the process variable signal (8) is transmitted to a process computer/process controller (9);

(e) as a function of the process variable signal (8), an output signal (11) is sent from the process computer/process controller (9) to a capacity control device (12); and

(f) the feed flow rate and the driving force across the membrane are adjusted between the design conditions of process step (a) for design demand conditions, where the product stream, whether permeate or non-permeate, is obtained at the design quantity and purity values, and the lower feed flow rate and driving force conditions during process step (b) for lower demand conditions, where the product stream is obtained at lower quantity and/or purity values than the design values, by modulating, by means of the capacity control device (12) as a function of the output signal (11), the operating parameters of the compressor arrangement (2) to reduce the feed flow rate and/or reduce the feed pressure or increase the permeate pressure at lower product quantity and/or purity values than the design values;

whereby less easily permeable component is removed, while the installed membrane surface of the membrane system is fully utilized under variable demand conditions.

2. The down-regulation process of claim 1, wherein the permeate stream is the desired product stream.

3. The down-regulation process of claim 1, wherein the non-permeate stream is the desired product stream.

4. A turndown method according to claim 1, wherein the periods of reduced demand comprise periods during which there is a demand for less than the design amount of product to be delivered at the design purity level.

5. The turndown method of claim 1, wherein the periods of reduced demand include periods where there is a demand for less than the design purity of product to be supplied at the design quantity level.

6. The down-regulation process of claim 2, wherein the feed stream comprises a hydrogen-containing stream and the product permeate stream comprises purified hydrogen.

7. The turndown process of claim 3 wherein the feed stream comprises air and the product non-permeate stream comprises a nitrogen-enriched stream.

8. The down-regulation method of claim 1, wherein the permeable membrane system comprises membrane modules containing hollow fiber membranes.