DE69211823T2

DE69211823T2 - Membrane Sauerstoffverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE69211823T2
Application number: DE69211823T
Authority: DE
Inventors: Ravi Nmn Prasad
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1991-11-05
Filing date: 1992-11-04
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2012-11-05
Also published as: KR930009641A; CN1072105A; JP2646321B2; BR9204274A; EP0547355B1; CN1032518C; MX9206344A; DE69211823D1; TW225510B; AR248122A1; EP0547355A1; JPH05221608A; CA2082114A1; US5185014A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Membrangastrennungen und genauer auf die Verwendung von Membranen bei der Erzeugung von Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft aus Luft.

Beschreibung des Stands der Technik

Sauerstoffgas ist ein hochwertiges Handelsprodukt, welches in der Industrie eine breite Anwendung findet. Das gebräuchliche Verfahren zur Erzeugung von Sauerstoff ist die Tieftemperaturdestillation von Luft. Die Tieftemperaturdestillation ist für die groß angelegte Produktion sehr effizient und erzeugt ein Sauerstoffprodukt mit hohem Reinheitsgrad. Für kleinvolumigere Anwendungen und insbesondere dort, wo die Verteilungskosten von Sauerstoffgas oder -flüssigkeit mit hohem Reinheitsgrad zu einem Verwendungsort hin hoch ausfallen, können jedoch verschiedene Sauerstofferzeugungssysteme am Standort selbst sehr wünschenswert sein und einer Tieftemperaturdestillation vorgezogen werden. In den letzten Jahren wurden zur Durchführung derartiger Anwendungen Druckwechseladsorptions (PSA) -verfahren und -systeme entwickelt. Daher können für die Herstellung relativ großer Volumen eines Sauerstoffprodukts PSA-Systeme am Standort selbst entwickelt werden, die für geringvolumigere Anwendungen erwünschterweise auf eine kleine Größe reduziert werden können. Beispielsweise werden sehr kleine PSA-Systeme zur Sauerstofferzeugung in klinischen und häuslichen Pflegeanwendungen eingesetzt wie z.B. bei der Sauerstofferzeugung und -zufuhr für Emphysemkranke und ähnlichem.
Weiterhin existiert eine Vielzahl anderer Anwendungen, insbesondere für die Verbesserung von Verbrennungsverfahren, bei denen Sauerstoff mit niedrigem Reinheitsgehalt oder selbst sauerstoffangereicherte Luft ausreichend ist oder als Verarbeitungsgrundlage sogar bevorzugt wird. Bei derart bestimmten Anwendungen wird dieser Sauerstoff mit niedrigem Reinheitsgehalt oder die sauerstoffangereicherte Luft üblicherweise bereitgestellt, indem der durch Tieftemperaturdestillationssysteme erzeugte Sauerstoff mit hohem Reinheitsgehalt mit Umgebungsluft verdünnt wird.
Aufgrund derartiger Erfahrungen wird die bedeutende Anzahl der faktisch vorhandenen und potentiellen Verwendungsmöglichkeiten von Sauerstoffgasen mit unterschiedlichen Graden an Sauerstoffgehalten, die für Vorrichtungen in unterschiedlichsten Größen verfügbar sind, beim Stand der Technik wertgeschätzt. Angesichts dieser Wertschätzung ist beim Stand der Technik in letzter Zeit ein beträchtliches Interesse hinsichtlich der Verwendung der Membranpermeationstechnologie für aus Luft erzeugten Sauerstoff und Stickstoff entstanden. Membranpermeationsverfahren sind aufgrund der ihnen inhärenten Einfachheit attraktiv, da unter anderem keine bewegte mechanische Ausrüstung außer derjenigen vorhanden ist, die für die Kompression der Einsatzluft zur Durchleitung zum Membransystem notwendig ist. Zur Erreichung von in kommerziellen Anwendungen praktikablen Sauerstoffpermeationsraten muß die permeable Membran sehr dünn ausfallen, eine große Oberfläche aufweisen und frei von Löchern und anderen Fehlern sein, die die Selektivität der durch die Membran erreichbaren Gastrennung beeinträchtigen könnten. Diesen Anforderungen konnte durch die Entwicklung von asymmetrischen und Verbund-Hohlfasermembranen zu einem beträchtlichem Ausmaß entsprochen werden. Durch eine geeignete Anordnung und Anbringung der Hohlfasern in Membranbündeln ist es möglich, für die Durchleitung von Hochdruckeinsatzluft entlang der Mantelseite oder der Bohrungsseite der Fasern geeignete Membranmodule herzustellen. Die Einsatzluft wird hinsichtlich ihrer höher permeablen Bestandteile zunehmend ärmer und hinsichtlich ihrer weniger permeablen Bestandteile zunehmend reicher, wenn sie von dem Membranmodul als Nicht- Permeat- oder "Retentat"-Strom abgezogen wird. Das Permeatgas, das heißt dasjenige Gas, das durch den dünnen Trennbereich der Membran durchgeleitet wurde, fließt entlang der gegenüberliegenden Seite der Faser, entweder der Mantelseite oder der Bohrungsseite, und wird separat von dem Membranmodul abgezogen.
Zur Beschreibung der Betriebsmerkmale von Membranpermeationsmodulen wurden verschiedene mathematische Modelle entwickelt, was beispielsweise von C. Y. Pan und H. W. Habgood, in Can. J. Chem., Eng. 56 (1978) S. 197-205 dargestellt wird. Die meisten Hohlfaser- Membranmodule, so wurde festgestellt, arbeiten nach dem "Querstrom"-Modell, wobei angenommen wird, daß sich die Zusammensetzung des örtlichen Permeats auf der tieferliegenden Seite des Haut- oder Trennschichtteils der Membran nicht mit dem gesamten Permeatgasstrom vermischt. Diesem Modell zufolge ist die Richtung des Permeatflusses ohne Belang und der Permeatstrom kann von jedem Ende des Moduls abgezogen werden. Da in der Verwendung eines Permeatspülstroms unter diesen Bedingungen keine vorteilhafte Auswirkung gesehen wird, sind die meisten Permeatoren als Durchströmvorrichtungen ohne Bereitstellungen zur Hinfügung von Spülgas ausgelegt, wobei sich die drei verwendeten Durchlässe auf den Einsatzgaseingang, den Retentatausgang und den Permeatausgang beziehen.
Wird eine Verbund-Hohlfasermembran mit einer dünnen Trennschicht aus einem Membranwerkstoff ausgebildet, das ein relativ hochporöses Substrat überzieht, ist die Herstellung eines Permeators möglich, der ein hohes Ausmaß an radialer Mischung sowohl auf den Permeat- wie den Nicht-Permeatseiten der Membran hervorbringt. Indem solche Verbund-Hohlfasern in einer geordneten spiralförmigen Weise derart gewickelt werden, daß alle Fasern die gleiche Länge aufweisen, kann das Membranmodul bezüglich der Leistungsfähigkeit günstiger ausfallen als vom Querstrommodell vorhergesagt. In diesen Fällen tendieren die Module dazu, in Abhängigkeit der Richtung des Permeatgasflusses relativ zum Retentatgasfluß den erwünschten "Gleichstrom" oder "Gegenstrom"-Permeationsmodellen zu entsprechen. In den meisten Fällen liefert das Gegenstrommuster die besten Ergebnisse für den angewendeten kommerziellen Betrieb. Die erwünschten Gegenstrommodule können mit vier Durchlässen entworfen werden, damit ein Spülgasstrom mit niedrigem Druck an der Permeatseite der Module eingeleitet werden kann.
Allgemein weisen für die Verwendung in der Ausbildung der Trennschicht von Verbund- Membranen geeignete organische Polymere eine höhere Permeabilität für Sauerstoff auf als für Stickstoff. Werden diese mit den Zielen einer Lufttrennung in einem Membranmodul verwendet, verursachen derartige Trennschichtwerkstoffe daher die Anreicherung des Permeats als der leichter permeierbaren Komponenten der Einsatzluft mit Sauerstoff, während das Retentat mit Stickstoff angereichert wird. Der Grad der erreichten Lufttrennung steht mit dem Verhältnis der Permeabilitätskoeffizienten des Sauerstoffs und Stickstoffs des Trennschichtwerkstoffes, d.h. mit dem Trennfaktor, in Zusammenhang. Typische Trennfaktoren von für die Luftzerlegung kommerziell geeigneten polymerischen Werkstoffen reichen allgemein von 3 bis 10. Wie beim Stand der Technik bekannt, tendieren die meisten Polymere mit hoher Selektivität, d.h. mit hohen Trennfaktoren dazu, zugleich relativ niedrige Produktions- oder Permeabilitätswerte aufzuweisen.
Obwohl Membranpermeationsverfahren bei Anwendungen der Lufttrennung sowohl für die Herstellung von Sauerstoff wie Stickstoff betrachtet wurden, ist es wesentlicher einfacher, ein ökonomisch günstiges Verfahren für die Herstellung von Stickstoff als für die Herstellung von Sauerstoff zu bewerkstelligen. Wenn Luft bei hohem Druck an einer Membranoberfläche vorbeigeleitet wird, tendiert mehr Sauerstoff als Stickstoff durch den Membranwerkstoff zu permeieren. Daher wird der Einsatzluftstrom während der Durchleitung entlang der Membran von dem Einsatzeingangsdurchlaß zu dem Retentatausgangsdurchlaß ärmer an Sauerstoff und reicher an Stickstoff. Durch die Erhöhung der Länge der Flußleitung bzw. durch die Verminderung der Einsatzflußrate kann der erzielte Reinheitsgrad des Stickstoffprodukts erhöht werden. Auf diese Weise kann zur Herstellung eines relativ reinen Stickstoffprodukts der größte Teil des Sauerstoffs in einem einstufigen Verfahren entfernt werden. Das Permeat wird dabei mit Sauerstoff angereichert, aber da ein Teil des Stickstoffs in der Einsatzluft ebenso durch die Membran permeiert, ist die Reinheit des Permeatgases notwendigerweise begrenzt. Darüber hinaus permeiert bei einer gegebenen Flußrate um so mehr Stickstoff zusammen mit dem Sauerstoff, umso länger die Membranfaser ausfällt, und umso geringer ist der Reinheitsgrad des Sauerstoffs des erhaltenen Permeatgases. Der höchste Sauerstoffreinheitsgrad wird erreicht, wenn der sogenannte Stage-Cut sehr klein ist, so daß nahezu reine Luft entlang der Retentatseite der Membran vorhanden ist. Der Betrieb ist jedoch bei sehr geringen Stage-Cuts sehr ineffizient. Als Folge davon sind praktikable einstufige Membranverfahren zur Sauerstoffherstellung hinsichtlich der möglichen Sauerstoffreinheitsgrade, die erzeugt werden können, besonders begrenzt.
Ein Membransystem mit:
(a) einer zweistufigen Membrananordnung, die selektiv Sauerstoff aus Luft permeieren kann;
(b) einer Leitungsanordnung zum Einleiten von unter einem gewünschten Einsatzdruck stehendem Einsatzgas in die erste Stufe des Membransystems;
(c) einer Leitungsanordnung zum Abziehen eines Permeatstromes von der Permeatseite der ersten Stufe;
(d) einer Leitungsanordnung zum Überleiten von Retentatgas von der ersten Stufe zu der zweiten Stufe des Membransystems;
(e) einer Leitungsanordnung zum Ablassen von Retentatgas von dem Auslaßende der zweiten Stufe des Membransystems;
(f) einer Leitungsanordnung zum Überleiten eines Teils der Einsatzluft für das Membransystem zu dem Auslaßende der zweiten Stufe zwecks Hindurchleiten als Spülgas an der Permeatseite der zweiten Stufe im Gegenstrom zum dem Hindurchleiten von Retentatgas durch diese; und
(g) einer Leitungsanordnung zum Überleiten des nicht zu der zweiten Stufe übergeleiteten Teils der Einsatzluft zu dem Einsatzende der ersten Stufe als Einsatzgas für diese;
und ein Membranverfahren zum Erzeugen von Produktgas von Luft, bei welchem
(a) ein Teil der Einsatzluft dem Auslaßende der zweiten Stufe eines zweistufigen Membransystems als Spülgas an der Permeatseite derselben zugeführt wird;
(b) der nicht der zweiten Stufe des Membransystems zugeführte Teil der Einsatzluft dem Einsatzende der ersten Stufe als Einsatzgas zugeführt wird;
(c) Einsatzgas durch die erste Stufe des Membransystems an der Retentatseite derselben geleitet wird;
(d) ein Permeatstrom von der Permeatseite der ersten Stufe abgezogen wird;
(e) Retentatgas von der ersten Stufe der zweiten Stufe des Membransystems zugeführt wird, um durch diese im Gegenstrom zu dem Strom von Spülgas an der Permeatseite der zweiten Stufe geleitet zu werden; und
(f) Retentatgas von der Retentatseite der zweiten Stufe an deren Auslaßende abgegeben wird;
sind aus EP-A-0 397 204 (Ausführungsform aus FIG. 3) bekannt. Das System und das Verfahren sind für die Herstellung von trockenem Stickstoff mit hohem Reinheitsgrad bestimmt. In diesem früheren System und Verfahren werden der Anteil des Einsatzgases, der als Spülung für die zweite Stufe verwendet wird, und das Permeatgas der zweiten Stufe vom System bzw. dem Verfahren abgezogen. Der Permeatstrom von der Permeatseite der ersten Stufe wird als Ausschußstrom abgezogen.
Permeable Membranen verwendende Luftzerlegungsverfahren sind zur Sauerstoffherstellung mit höheren Reinheitsgraden durch die Verwendung von multiplen Membranstufen bewerkstelligt worden. Ein derartiges Membranverfahren zur Erhöhung des Sauerstoffreinheitsgrades besteht in der Verwendung eines Kaskadenverfahrens. Bei diesem Ansatz wird das mit Sauerstoff angereicherte Permeat von einer Ausgangsmembranstufe wieder verdichtet und durch eine zweite Membranstufe geleitet, wobei das Permeat weiter mit Sauerstoff angereichert wird. Das Permeat aus der zweiten Stufe kann im Bedarfsfall durch weitere Stufen geleitet werden, bis schließlich ein Sauerstoffprodukt mit hohem Reinheitsgrad erreicht wird. Derartige Kaskadenverfahren erfordern jedoch die Wiederverdichtung der Permeatströme vor ihrem Einsatz in nachfolgenden Stufen und damit die Verwendung mehrerer Kompressoren, die synchron geregelt werden müssen.
Ein anderer Ansatz zur Erhöhung des Sauerstoffreinheitsgrades besteht in der Verwendung von zwei in Reihe geschalteten Membranpermeatoren und in der Rückführung des Permeatgases der zweiten Stufe zum Einsatzende der ersten Membranstufe. Die Sauerstoffkonzentration des als Permeat von der ersten Stufe wiedergewonnen Produktgases kann durch Einstellen des gesamten Stage-Cuts des Systems gesteuert werden. Dieser Ansatz ist zur Erzeugung von Sauerstoff mit einem relativen hohen Reinheitsgrad fähig, vorausgesetzt, daß die bereitgestellte Rückführungsrate des Permeats von der zweiten Stufe ausreichend hoch ausfällt. Bei einer hohen Rückführungsrate ist der Rückführungsstrom verglichen mit der Luft reich an Sauerstoff. Dieser Rückführungsstrom wird mit der Eingangseinsatzluft vermischt, die Sauerstoffkonzentration nimmt zu und daher steigt die Sauerstoffkonzentration des aus dem Membranpermeator der ersten Stufe gewonnenen Permeats.
Bei diesem zwei in Reihe geschaltete Membranen verwendenden Rückführungsverfahren dient das Hochdruckretentat der ersten Stufe als Einsatzgas für die zweite Stufe. Das Permeat von der zweiten Stufe kann in Abhängigkeit vom Stage-Cut reich an Sauerstoff sein, und dieser Strom wird zur Ausbildung des Einsatzeingangs für die erste Stufe mit der Einsatzluft gemischt. Die Sauerstoffkonzentration des zurückgeführten Stroms beträgt mehr als 21% und damit mehr als bei. Luft. Das Permeat der ersten Stufe wird als Produktgas gewonnen.
Die Betriebseigenschaften dieses Rückführungsverfahrens hängen vom Trennfaktor der Membran, dem verwendeten Druckverhältnis von Einsatzgas und Permeat, der relativen Membranoberflächen der beiden Stufen und vom gesamten Stage-Cut ab. Es wurde gefunden, daß der maximal erreichbare Sauerstoffreinheitsgrad wesentlich zunimmt, je mehr Teile der Membranfläche bei festgelegtem Trennfaktor und Druckverhältnisbedingungen der zweiten Stufe zugewiesen werden. Die Sauerstoffkonzentration variiert mit dem Stage-Cut und erreicht ihr Maximum bei Stage-Cuts im Bereich von 0 bis 21% entsprechend der Luftsauerstoffkonzentration. In der Nähe des Spitzenwerts kann der Stage-Cut merklich variiert werden, ohne daß sich die Konzentration des Produktsauerstoffs in größerem Umfang ändern würde. Somit existiert für dieses Verfahren ein großer Bereich an möglichen Betriebsbedingungen. Wird mehr als 70% der Oberfläche der zweiten Stufe zugewiesen, kann das Verfahren Produktsauerstoffkonzentrationen erreichen, die das theoretische Limit des einstufigen Verfahrens übertreffen, beispielsweise etwa 50% Sauerstoffvolumen bei einem Trennfaktor von 6.
Trotz der Vorzüge des zweistufigen Rückführungsverfahrens ist dessen Effizienz hauptsächlich wegen der Vermischung von Gasströmen mit verschiedenen Zusammensetzungen an der Einsatzstelle beeinträchtigt. Die Vermischung erzeugt Entropie, die die Gesamtwirksamkeit des Verfahrens verringert. Daher besteht beim Stand der Technik Bedarf für ein verbessertes und wirksameres Membransauerstoffverfahren und -system.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Membrangastrennverfahrens und -systems.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Membranverfahrens und -systems zur Erzeugung von Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft aus der Umgebungsluft.
Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines wirksameren Herstellungsverfahrens und -systems für Membransauerstoff.
Unter Berücksichtigung dieser und weiterer Aufgaben wird die Erfindung anschließend ausführlich beschrieben, wobei ihre neuen Merkmale vor allem in den beigefügten Ansprüchen herausgearbeitet werden.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einem Membransystem nach Anspruch 1.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einem Membranverfahren nach Anspruch 5.

Zusammenfassung der Erfindung

Durch die Anwendung von zwei getrennten hintereinander geschalteten Membranpermeatoren wird aus Einsatzluft Sauerstoff erzeugt, wobei das Permeatgas von der zweiten Stufe mit zusätzlichen Mengen von Einsatzluft kombiniert wird und nach Verdichtung als Einsatzgas für die erste Stufe des Membranpermeators verwendet wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird anschließend ausführlich und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei
FIG. 1 ein schematisches Flußdiagramm des zweistufigen Membranverfahrens und -systems der Erfindung darstellt;
FIG. 2 eine graphische Darstellung des Sauerstoffreinheitsgrades gegenüber dem Stage-Cut für verschiedene Oberflächenzuordnungen ist; und
FIG. 3 eine graphische Darstellung des Kompressionsfaktors gegenüber dem Reinheitsgrad des Produktsauerstoffs für ein einstufiges und verschiedene zweistufige Systeme darstellt.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die Aufgaben der Erfindung werden durch die Verwendung eines Teils der Einsatzluft zur Gegenstromspülung der Permeatseite der zweiten Stufe eines zweistufigen Membransauerstoffproduktsystems bewerkstelligt. Der Spülstrom erhöht die Antriebskraft des Sauerstoffteildrucks über der zweiten Membranstufe hinweg und erhöht somit die Menge an in der zweiten Stufe permeierendem Sauerstoff. Als Folge wird eine höhere Sauerstoffanreicherung des Einsatzes der ersten Stufe und somit eine höhere Sauerstoffkonzentration im Sauerstoffproduktgas erreicht. Durch Erzielung im wesentlichen der gleichen Zusammensetzung des örtlichen Permeatgases am Auslaßende des Retentats der zweiten Stufe wie Einsatzluft können die in gebräuchlichen zweistufigen Rückführungsverfahren inhärente Mischungsverluste ausgeschaltet werden. Folglich weisen das Verfahren und System der Erfindung eine höhere Wirksamkeit auf und können höhere Sauerstoffreinheitsgrade sowie einen geringeren Energiebedarf für die Kompression verglichen mit dem gewöhnlichen Ansatz erreichen.
Unter Bezugnahme auf FIG. 1 der Zeichnung wird ein zweistufiges Membransystem verwendet, bei dem ein Erststufenmembranmodul 1 durch eine Leitung 3 mit einem Zweitstufenmembranmodul 2 derart verbunden ist, daß Retentatgas mit hohem Druck von dem Membranmodul 1 als Einsatzgas für das Membranmodul 2 dient. Beide Membranstufen weisen Bündel von Hohlfasermembranen auf, d.h. Membrane 4 beziehungsweise 5, die die Rauminhalte jedes Membranmoduls wirksam in zwei Bereiche, d.h. Hochdruckbereiche 6 und 7 sowie Niederdruckbereiche 8 und 9 aufteilen. Das Zweitstufenmembranmodul 2 wird derart ausgelegt und hergestellt, daß seine Betriebsweise dazu tendiert, dem Gegenstrom-Permeationsmodell zu entsprechen. Die Konzentrationen der Luftbestandteile an den die Permeation steuernden Oberflächen der Membran 5 liegen daher nahe an der Konzentration in den gesamten Gasräumen an der Stelle des Membranmoduls 2. Unter solchen Umständen bewirkt die erfindungsgemäße Verwendung der Einsatzluftspülung die maximale Wirkung. Wünschenswert, jedoch nicht notwendig ist eine ähnliche Funktionsweise des Erststufenmembranmoduls 1.
Ein Teil der Einsatzluft wird in das System über eine Leitung 10 zur Zweitstufenmembran 2 auf der Niederdruck-Spülseite 9 eingeleitet, wo es als Spülstrom für das Permeatgas in dieser zweiten Stufe fungiert. Derjenige nicht derart in das Membranmodul 2 eingeleitete Teil der Einsatzluft wird über eine Leitung 11 zur stromaufliegenden Seite eines Einsatzluftkompressors 12 geleitet, um eine Kompression und Einleitung in eine Leitung 13 zum Hochdruckbereich 6 des Membranmoduls 1 zu bewerkstelligen, was wünschenswert ist, um den Druckabfall auf der Permeatseite der Membran 5 zu minimieren. Entsprechend des Gegenstrommodells werden sowohl im Hochdruckbereich 7 wie im Niederdruckbereich 9 entlang der Länge der Membran 5 Zusammensetzungsgradienten ausgebildet. Unter normalen Betriebsbedingungen wird das Hochdruckretentat, das durch eine Leitung 14 aus dem Membranmodul 2 abgelassen wird, reich an Stickstoff sein, während das Niederdruckpermeat aus dem Membranmodul 2 verglichen mit Luft mit Sauerstoff angereichert wird. Dieses Permeat der zweiten Stufe wird durch eine Leitung 15 als Rückführungsstrom geleitet, mit dem Teil der in Leitung 11 befindlichen Einsatzluft vermischt, und für die Kompression auf den erwünschten Hochdruckpegel zur Saugseite des Einsatzluftkompressors 12 weitergeleitet wird.
Bei der Durchleitung des Einsatzgases von der Leitung 13 zum Membranmodul der ersten Stufe wird gleichfalls ein Zusammensetzungsgradient im Hochdruckbereich 6 ausgebildet, so daß das in die Leitung 3 eintretende Retentatgas, verglichen mit der Zusammensetzung der Einsatzluft, an Sauerstoff abgereichert wird. Ähnlich dazu wird der Zusammensetzungsgradient im Niederdruckbereich 8 derart ausgebildet, daß die Sauerstoffkonzentration am Permeatende des Membranmoduls 1, wo der Produktsauerstoff durch eine Leitung 16 abgezogen wird, am höchsten ausfällt. Obgleich sich das Membranmodul 1 vorzugsweise nach dem Gegenstrommodell verhält, ist dies nicht wesentlich, so daß ein Querstromverhalten toleriert werden kann. Ebenso ist erwähnenswert, daß das Membranmodul 1 als Permeator mit drei Durchlässen ausgeführt sein kann, da dort typischerweise kein Spülgas zum Einsatz kommt, während das Membranmodul 2 selbstverständlich als Permeator mit vier Durchlässen konzipiert ist, da ein Teil der Einsatzluft für das System als Spülgas verwendet wird. Zur Bereitstellung der Einsatzluft für den Niederdruckbereich 9 bei einem gewünschten Permeatseitendruck kann eine optionale Gebläse/Kompressor-Anordnung 17 verwendet werden.
Die Fähigkeiten des verbesserten zweistufigen Systems der Erfindung mit Einsatzrückstrom und diejenigen des gebräuchlichen zweistufigen Rückführungssystems zur Erzeugung von Sauerstoff wurden auf der Grundlage der Permeationsmodule auf der zweiten Stufe, die sich in beiden Fällen nach dem Gegenstrommodell verhalten, verglichen. Die sich ergebenden Unterschiede sind daher auf die Verfahrensunterschiede zurückzuführen, nicht aber auf Unterschiede in der Gestaltung der Membranmodule.
Die Sauerstoffkonzentration im Produktstrom wurde bei festen Werten des Membrantrennfaktors und bei festen Werten der Hoch- und Niederdrucke als Funktion des gesamten Stage- Cuts berechnet. In den Bestimmungen wurde als Parameter der Anteil der gesamten in der ersten Stufe angeordneten Membranfläche verwendet, während der verbleibende Restanteil der zweiten Stufe zugeordnet war.
Zusätzlich zur Bestimmung der Konzentration des Produktsauerstoffs bei einem gegebenen Stage-Cut wurden für jeden Betriebspunkt der "Flächenfaktor" und der "Kompressionsfaktor" bestimmt. Der "Stage-Cut" ist das Verhältnis des Permeatflusses zum Einsatzfluß. Würde sämtliches Einsatzgas durch die Membran permeieren, d.h. läge ein Stage-Cut von 100% vor, könnte keine Gastrennnung bewerkstelligt werden. Es ist offensichtlich, daß die höchsten Sauerstoffkonzentrationen im Permeatgas erhalten werden, wenn der Stage-Cut sehr klein ausfällt. Der "Flächenfaktor" ist die gesamte Membranfläche, die für die Erzeugung einer festen Flußrate von "gleichwertig reinem" Sauerstoff im Produktstrom erforderlich ist, wobei unter "gleichwertig reinem" Sauerstoff die Menge an reinem Sauerstoff verstanden wird, die für die Produkterzeugung notwendig wäre, wenn sie mit natürlicher Luft vermischt werden würde. Der "Kompressionsfaktor" ist das Verhältnis der Flußrate des Gases, das auf die Flußrate von gleichwertig reinem Sauerstoff verdichtet werden muß. Der sogenannte "Kostenfaktor" ist eine lineare Kombination der Flächen- und der Kompressionsfaktoren, die die relativen Betriebskosten des Membranverfahrens annähernd darstellen. Offensichtlich ist es wünschenswert, alle diese Faktoren so klein wie möglich zu halten, aber da die Oberfläche und die Kompressionsfaktoren in entgegengesetzte Richtungen variieren können, werden die zufriedenstellendsten Betriebsweisen durch die Minimierung des Kostenfaktors erreicht.
FIG. 2 der Zeichnungen stellt eine graphische Darstellung des Reinheitsgrades des Produktsauerstoffs gegenüber dem Stage-Cut für mehrere verschiedene Oberflächenzuteilungen zwischen den Membranen der ersten und zweiten Stufe, d.h. 100, 70, 50 und 30% der Gesamtfläche in der ersten Stufe dar. Es wurde ein Trennfaktor von 6 zusammen mit einem Einsatz/Permeat-Druckverhältnis von 11 verwendet. Die Ergebnisse sind für das gewöhnliche zweistufige System, auf das Bezug genommen wurde, und für das Einsatzrückstromsystem (FR-System) der Erfindung dargestellt. Die in FIG. 2 gezeigten Kurven treten an den verschiedenen Oberflächenverteilungen in gruppierten Paaren zusammen mit der Grundkurve auf, die ein einstufiges System ohne Rückführung darstellt. Wie ersichtlich werden wird, stellt die obere Kurve jeden Paares das FR-System dar, während die untere Kurve jeden Paares das gewöhnliche zweistufige System charakterisiert. Wie in FIG. 2 gezeigt, erzeugt das FR-System der Erfindung Sauerstoffprodukte mit wesentlich höheren Reinheitsgraden, als in einem einstufigen System hergestellt wird. Zusätzlich liegt der in dem FR-System erhaltene Sauerstoffreinheitsgrad in einem großen Wertebereich der Stage-Cuts von etwa 2% bis etwa 30% über demjenigen eines gewöhnlichen zweistufigen Systems, und insbesondere in einem Stage-Cut- Bereich von etwa 5% bis etwa 25%.
Wurde der Flächenfaktor bestimmt und gegenüber den Reinheitsgraden des Produktsauerstoffs beim gleichen Trennfaktor und den oben erwähnten Druckverhältnisbedingungen für jede der Flächenverteilungen, auf die weiter oben Bezug genommen wurde, für die ein- und zweistufigen Systeme aufgetragen, wurde festgestellt, daß die Flächenfaktoren für die zweistufigen Systeme bei jedem gegebenen Reinheitsgrad des Sauerstoffprodukts höher ausfielen als für ein einstufiges System. Es wurde beobachtet, daß der Flächenfaktor substantiell zunahm, je mehr der gesamten Membranoberfläche der zweiten Stufe zugeordnet wurde. Dies war zu erwarten, da in zweistufigen Systemen die zweite Stufe keine sauerstofferzeugende, sondern eine rückführende Stufe ist. Weiterhin wurde festgestellt, daß bei jeder gegebenen Flächenverteilung die Flächenverteilung für das gewöhnliche zweistufige System und das zweistufige FR-System der Erfindung praktisch gleich war. Daher gehört bei jedem vorgegebenen Sauerstoffreinheitsgrad der im wesentlichen gleiche Flächenfaktor zu den jeweiligen zweistufigen Systemen. Aus diesem Grund wurde keine Kurve des Flächenfaktors in Abhängigkeit vom Reinheitsgrad des Sauerstoffprodukts dargestellt. Die Tatsache des gleichen Flächenfaktors für die beiden Systeme ist signifikant und zeigt, daß mit der Verwendung der zweistufigen FR-Systeme der Erfindung gegenüber einem gewöhnlichen zweistufigen Rückführungssystem keinerlei Nachteile durch Flächenfaktoren verbunden sind. Wie anhand der Darstellung der FIG. 2 erwähnt wurde, kann das FR-System allerdings eine höhere maximale Sauerstoffkonzentration im erwünschten Produkt erzeugen.
Wie in FIG. 2 gezeigt, kann die gleiche Sauerstoffkonzentration durch einen geringeren oder einen höheren Stage-Cut erhalten werden, wenn ein ausreichender Teil der gesamten Oberfläche der zweiten Stufe der Membran zugeordnet wird. Da sich der Flächenfaktor entsprechend der Konzentration verhält, d.h. bei jedem der beiden zweistufigen Systeme auf die gleiche Weise mit einer Zunahme der Sauerstoffkonzentration abnimmt, entstehen für das gewöhnliche zweistufige Rückführungssystem oder für das zweistufige FR-System der Erfindung keine Vorteile auf der alleinigen Grundlage des Flächenfaktors.
FIG. 3 stellt den Kompressionsfaktor dar, der, wie oben erwähnt, bei gleichem Trennfaktor und den gleichen Druckverhältnisbedingungen wie für ein einstufiges System gegen den Reinheitsgrad des Produktsauerstoffs aufgetragen wurde, und zwar in gruppierten Paaren bei 70% erster Stufe/ 30% zweiter Stufe, 50% erster Stufe/ 50% zweiter Stufe und 30% erster Stufe/ 70% zweiter Stufe für das gewöhnliche zweistufige Rückführungssystem und für das oben beschriebene zweistufige FR-System der Erfindung. Dieser Darstellung ist zu entnehmen, daß, anders als bei Sauerstoffreinheitsgraden unter etwa 46%, das einstufige System einen höheren Kompressionsfaktor als die zweistufigen Systeme aufweist. Darüber hinaus weist das zweistufige FR-System der Erfindung bei Sauerstoffreinheitsgraden über etwa 50% einen geringeren Kompressionsfaktor als das gewöhnliche zweistufige Rückführungssystem auf oder erreicht bei einem vorgegebenen Kompressionsfaktor einen höheren Sauerstoffreinheitsgrad. Somit bewirken das System und das Verfahren der Erfindung gegenüber einem gewöhnlichen zweistufigen System die Erreichung eines gewünschten Sauerstoffreinheitsgrades mit geringerem Energiebedarf.
In der Membrantechnik wird die Zunahme des Reinheitsgrades und der Ausbeute des Produkts gewöhnlich durch die Verwendung einer größeren Membranoberflächenmenge erreicht. Während die Oberflächenanforderungen von zweistufigen Systemen höher als für ein einstufiges System ausfallen, wurde weiter oben gezeigt, daß das zweistufige FR-System der Erfindung mit keinen Flächennachteilen gegenüber dem gewöhnlichen zweistufigen Rückführungssystem verbunden ist. Nichtsdestoweniger kann das erfindungsgemäße System einen vorgegebenen Reinheitsgrad mit einem erwünschten geringerem Energiebedarf bewerkstelligen als ein gewöhnliches zweistufiges System.
Daher ist erkennbar, daß die zweistufigen Systeme für sämtliche außer den niedrigsten Sauerstoffkonzentrationen, d.h. Sauerstoffreinheitsgraden von unter etwa 46%, dem einstufigen System überlegen sind. Dazu kann das zweistufige FR-System der Erfindung höhere Produktsauerstoffkonzentrationen als das gewöhnliche zweistufige Rückführungssystem erzeugen, und zwar bei gleichem Stage-Cut, wenn die beiden Systeme die gleichen Zuordnungen der Oberfläche zu den beiden Stufen innehaben. Darüber hinaus weist das zweistufige FR-System der Erfindung für die Erzeugung einer ähnlichen Produktsauerstoffkonzentration einen geringeren Energiebedarf als das gewöhnliche zweistufige Rückführungssystem auf. Der geringere Kompressionsfaktor, verbunden mit gleichwertigen Oberflächenanforderungen, entspricht erwünschten geringeren Gesamtunkosten und weist nach, daß das erfindungsgemäße System energetisch effizienter als das gewöhnliche zweistufige Rückführungssystem ist.
Es ist verständlich, daß verschiedene Einzelheiten der beschriebenen Erfindung verändert werden können, ohne den Rahmen der beigefügten Ansprüche zu verlassen. So können das System und das Verfahren der Erfindung zur Erzeugung von Sauerstoff- oder sauerstoffangereicherten Produkten aus der Einsatzluft bei Konzentrationen von etwa 40%igem Sauerstoffreinheitsgrad pro Volumen bis zu etwa 90% und vorzugsweise von etwa 60% bis etwa 85% verwendet werden. Obgleich die Oberflächenverteilung zwischen den Stufen vorzugsweise allgemein innerhalb des oben erwähnten Bereichs, d.h. von etwa 70% bis etwa 30% in der ersten Stufe, liegt, versteht sich, daß Oberflächenverteilungen außerhalb dieses Bereichs gleichfalls verwendet werden können, wobei die Oberflächenverteilung zwischen der ersten/zweiten Stufe von etwa 10%/90% bis etwa 90%/10% reichen kann. Im allgemeinen werden Werte der Membranoberfläche der ersten Stufe von etwa 25% bis etwa 50% von der gesamten Membranoberfläche des Systems bevorzugt.
Wie oben erwähnt sind die höchsten Sauerstoffkonzentrationen im Permeat bei kleinem Stage- Cut zu erreichen. Entsprechend liegt die Verwendung eines gesamten Stage-Cuts für das zweistufige FR-System der Erfindung zwischen etwa 0,5% und etwa 30% und vorzugsweise von etwa 5% bis etwa 25% im Rahmen der Erfindung und hängt von den gesamten Ausführungserfordernissen einer gegebenen Anwendung ab.
Die Erfindung kann unter Verwendung jeder Membranzusammensetzung und jeder für die Bewerkstelligung der gewünschten selektiven Sauerstoffpermeation aus der Einsatzluft geeigneten Anordnung betrieben werden. Daher kann die Membran die wohlbekannte asymmetrische, Verbund- oder isotope Membranform aufweisen, wobei Ethylzellulose, Zelluloseazetat und Polysulfon illustrierende Beispiele für einen geeigneten Membranwerkstoff darstellen. Obgleich Hohlfasermembrane bevorzugt verwendet werden, können die Membranen, falls erwünscht, auch andere Formen wie die von dünnen Platten aufweisen. Bei der Verwendung von Hohlfasermembranen kommen vorzugsweise Hohlfasern zum Einsatz, die in einer spiralförmigen Anordnung angelegt sind.
Die in der Erfindungsanwendung verwendeten Einsatz- und Permeatdruckpegel können in Abhängigkeit der Erfordernisse einer gegebenen Anwendung innerhalb eines weiten Bereichs variieren. Das Einsatz/Permeat-Druckverhältnis liegt typischerweise innerhalb eines Bereichs von etwa 2/1 bis etwa 20/1 und vorzugsweise zwischen etwa 3/1 und etwa 12/1.
Die Menge der zur Permeatseite der Zweitstufenmembran geleiteten Einsatzluft kann von etwa 10% bis der nahezu gesamten Einsatzluft für das System reichen, vorzugsweise aber von etwa 50% bis nahezu der gesamten Menge und in Abhängigkeit des verwendeten Gesamtsystems und seiner erwünschten Leistungserfordernissen.

Claims

1. Membransystem mit:

(a) einer zweistufigen Membrananordnung, die selektiv Sauerstoff aus Luft permeieren kann;

(b) einer Leitungsanordnung (13) zum Einleiten von unter einem gewünschten Einsatzdruck stehendem Einsatzgas in die erste Stufe (1) des Membransystems;

(c) einer Leitungsanordnung (16) zum Abziehen eines Permeatstromes von der Permeatseite (8) der ersten Stufe (1);

(d) einer Leitungsanordnung (3) zum Überleiten von Retentatgas von der ersten Stufe (1) zu der zweiten Stufe (2) des Membransystems;

(e) einer Leitungsanordnung (14) zum Ablassen von Retentatgas von dem Auslaßende der zweiten Stufe (2) des Membransystems;

(f) einer Leitungsanordnung (10) zum Überleiten eines Teils der Einsatzluft für das Membransystem zu dem Auslaßende der zweiten Stufe (2) zwecks Hindurchleiten als Spülgas an der Permeatseite (9) der zweiten Stufe im Gegenstrom zum dem Hindurchleiten von Retentatgas durch diese; und

(g) einer Leitungsanordnung (11) zum Überleiten des nicht zu der zweiten Stufe (2) übergeleiteten Teils der Einsatzluft zu dem Einsatzende der ersten Stufe (1) als Einsatzgas für diese;

dadurch gekennzeichnet, daß für das Erzeugen von Sauerstoff aus Luft

(h) die Leitungsanordnung (10) für Einsatzluft ausgelegt ist, um von 10 % der Einsatzluft bis nahezu die gesamte Einsatzluft der zweiten Stufe (2) des Membransystems zuzuführen;

(i) das System ferner eine Leitungsanordnung (15) zum Überleiten von Spülgas und von Permeatgas von der Permeatseite (9) der zweiten Stufe (2) zu dem Einsatzende der ersten Stufe (1) als Einsatzgas für diese aufweist; und

(j) die Leitungsanordnung (16) zum Abziehen von Permeat von der ersten Stufe (1) eine Produktsauerstoff-Gewinnungsanordnung bestimmt;

wodurch die Verwendung von Einsatzluft als Spülgas für die zweite Stufe des Membransystems die Menge von durch die zweite Stufe permeierendem Sauerstoff vergrößert, wodurch die Sauerstoffanreicherung des Einsatzes für die erste Stufe und die Energieausbeute des gesamten Systems verbessert werden.

2. Membransystem nach Anspruch 1, bei welchem die Membranoberfläche der ersten Stufe (1) des Membransystems 10 % bis 90 % der gesamten Membranoberfläche des Systems ausmacht.

3. Membransystem nach Anspruch 2, bei welchem die Membranoberfläche der ersten Stufe 30 % bis 70 % der gesamten Membranoberfläche des Systems ausmacht.

4. Membransystem nach Anspruch 2, bei welchem die Membranoberfläche der ersten Stufe 25 % bis 50 % der gesamten Membranoberfläche des Systems ausmacht.

5. Membranverfahren zum Erzeugen von Produktgas von Luft, bei welchem

(a) ein Teil der Einsatzluft dem Auslaßende der zweiten Stufe (2) eines zweistufigen Membransystems als Spülgas an der Permeatseite (9) derselben zugeführt wird;

(b) der nicht der zweiten Stufe (2) des Membransystems zugeführte Teil der Einsatzluft dem Einsatzende der ersten Stufe (1) als Einsatzgas zugeführt wird;

(c) Einsatzgas durch die erste Stufe des Membransystems an der Retentatseite derselben geleitet wird;

(d) ein Permeatstrom von der Permeatseite der ersten Stufe (1) abgezogen wird;

(e) Retentatgas von der ersten Stufe (1) der zweiten Stufe (2) des Membransystems zugeführt wird, um durch diese im Gegenstrom zu dem Strom von Spülgas an der Permeatseite der zweiten Stufe geleitet zu werden; und

(f) Retentatgas von der Retentatseite (7) der zweiten Stufe (2) an deren Auslaßende abgegeben wird;

dadurch gekennzeichnet, daß für das Erzeugen von Sauerstoff aus Luft

(g) Spülgas und von dem der Permeatseite (9) der zweiten Stufe (2) gegenüberliegenden Ende abgezogenes Permeatgas zu dem Einsatzende der ersten Stufe (1) des zweistufigen Membransystems als Einsatzgas geleitet werden;

(h) von 10 % der Einsatzlutz bis zu nahezu die gesamte Einsatzluft der zweiten Stufe (2) des Membransystems im Verfahrensschritt (a) zugeleitet werden;

(i) das Verhältnis des Permeatstromes der ersten Stufe zu dem Strom von Einsatzluft zu dem Membransystem zwischen 0,5 und 30 % liegt; und

(j) der Permeatstrom des Verfahrenssschrittes (d) als Sauerstoffproduktgas gewonnen wird;

wodurch die Verwendung von Einsatzluft als Spülgas für die zweite Stufe des Membransystems die Menge an die zweite Stufe permeierendem Sauerstoff erhöht, wodurch die Sauerstoffanreicherung des Einsatzes für die erste Stufe und die Energieausnutzung des gesamten Systems verbessert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem zwischen 50 % der Einsatzluft und nahezu die gesamte Einsatzluft der zweiten Stufe (2) des Membransystems zugeleitet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem das Verhältnis des Permeatstromes der ersten Stufe zu dem Strom von Einsatzluft zu dem Membransystem zwischen 5 % und 25 % liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem zwischen 10 % und 90 % der gesamten Membranoberfläche des Systems in der ersten Stufe (1) angeordnet sind.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem zwischen 30 % und 70 % der gesamten Membranoberfläche des Systems in der ersten Stufe (1) angeordnet sind.

10. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem mindestens die Hälfte der gesamten Membranoberfläche des Systems in der zweiten Stufe (2) angeordnet sind.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem das Verhältnis des Permeatstromes zu dem Einsatzluftstrom zwischen 5 % und 25 % liegt.