МЕМБРАННЫЕ СЕПАРАЦИОННЫЕ УЗЛЫ
MEMBRANE SEPARATION UNITS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение, в целом, относится к мембранным сепарационным узлам для сепарации текучей среды и, в частности, к мембранным сепарационным узлам с несколькими мембранными трубками, напрямую соединенными между собой.
Уровень техники, предшествующий изобретению
Использование технологии сепарации текучей среды для выделения одного или нескольких требуемых компонентов текучей среды из смеси лежит в основе различных коммерческих процессов. В частности, подобные процессы могут быть связаны с сепарацией жидких смесей, сепарацией паров или газов из жидкостей или с сепарацией примесей газов. Например, при производстве природного газа, для соблюдения государственных и отраслевых нормативных требований производителю обычно приходится удалять из природного газа двуокись углерода, сероводород, гелий, воду и азот. Также во многих химических процессах водород обычно удаляется и восстанавливается из газообразных технологических потоков.
Использование мембран в процессах сепарации текучей среды приобрело широкую популярность по сравнению с другими известными технологиями сепарации. Подобная мембранная сепарация обычно основана на относительной проницаемости различных компонентов текучей смеси под действием градиента движущей силы, такой как давление, частичное давление, концентрация и/или температура. Подобная выборочная проницаемость приводит к сепарации текучей смеси на доли, обычно именуемые «шламовыми» или «ретентатом», например, в целом, состоящими из компонентов, которые обладают более медленной проникающей способностью; и «пермеатом», например, в целом, состоящими из компонентов, которые обладают более быстрой проникающей способностью.
Форма выпускаемых сепарационных мембран может быть разной и может включать в себя, помимо прочего, плоско-листовые конструкции и конструкции в виде полых волокон. В плоско-листовых конструкциях листы обычно соединены в спирально намотанный элемент. На фиг. 1 изображен типовой плоско-листовой, спирально намотанный мембранный элемент 100, который включает в себя два или более плоских листов из мембран 101 с пермеатным разделителем 102 между ними, которые соединены, например, склеены с трех сторон, образуя конверт 103, т.е. «листок», который открыт с одного торца. Конверты могут быть разделены подающими разделителями 105 и намотаны вокруг оправки или намотаны иным образом вокруг пермеатной трубки 110 так, чтобы открытые торцы конвертов были обращены в сторону пермеатной трубки. Исходный газ 120 заходит вдоль одной стороны мембранного элемента и проходит через подающие разделители 105, разделяющие конверты 103. По мере прохождения газа между конвертами 103, соединения с высокой пермеатной способностью проникают или мигрируют в конверт 103 в направлении, обозначенном стрелкой 125. Для подобных проникающих соединений существует единственный возможный выход: они должны пройти внутри конверта к пермеатной трубке 110 в направлении стрелки 130. Движущей силой для подобного перемещения является частичная разница давлений между низким пермеатным давлением и высоким подающим давлением. Проникающие соединения входят в пермеатную трубку 110, например, через отверстия 111, проходящие через пермеатную трубку 110, в направлении стрелки 140. Затем проникающие соединения проходят по пермеатной трубке 110 в направлении стрелки 150, соединяясь с соединениями, проникшими через другие мембранные элементы, которые могут быть соединены между собой в многоэлементный узел. Компоненты исходного газа 120, которые не проникают или не мигрируют в конверты, т.е. шламовые компоненты, выходят из элемента со стороны, оппозитной подающей стороне, в направлении стрелки 160.
Как показано на фиг. 2, отдельные мембранные элементы 100 обычно собираются в компоновки из элементов и обычно вставляются в модули или кожухи 200, например, в трубку 201, содержащую множество мембранных элементов 100. У каждого модуля 200 имеется входной (например, исходный) поток 210, который входит через подающий порт 211, выходной или шламовый поток 220, который содержит вещества, не сумевшие проникнуть через мембранный разделительный элемент, и который выходит через шламовый порт 221, и пермеатный поток 230, который содержит вещества, сумевшие проникнуть через мембранный разделительный элемент, и который выходит через пермеатный порт 231, расположенный с одного или с обоих торцов пермеатной трубки 110. Диаметр трубки 201 может находиться в диапазоне от 15 см (6 дюймов) до 61 см (24 дюйма) и обычно составляет 20 см (8 дюймов) или 30 см (12 дюймов). Диаметры портов 211, 221 и 231 могут находиться в диапазоне от 3 см (1 дюйм) до 10 см (4 дюйма) и обычно составляют 5 см (2 дюйма) или 8 см (3 дюйма). Мембранные модули или кожухи могут быть выполнены с единственным подающим, единственным шламовым и единственным пермеатным соединением. В альтернативных компоновках, в разных комбинациях, могут использоваться два подающих соединения, два шламовых соединения или два пермеатных соединения. В других комбинациях подающие и шламовые соединения могут также находиться в центре трубки. Трубка 201 и портовые элементы 211, 221 и 231 обычно изготавливают из стали, относительно тяжелого металла, способного выдерживать давление, возникающее во время эксплуатации, которое обычно составляет от 2068 кПа (300 psig) до 10342 кПа (1500 psig) или выше.
В связи с увеличением спроса на газообразные продукты, такие как десульфированный газ и очищенные газы, такие как водород, двуокись углерода и смеси из водорода и монооксида углерода, современный рынок газосепараторных мембранных систем сместился в сторону более крупных установок. Один из подходов, позволяющий удовлетворить возросший спрос, заключается в использовании мембранных модулей увеличенного диаметра, обеспечивающих более высокий расход текучей среды. Как вариант, для соответствия технологическим спецификациям, подобные более крупные установки могут включать в себя большее количество мембранных модулей. Например, как показано на фиг. 3, модули 200 могут использоваться в сообщающейся группе из параллельных модулей, именуемой «массив» 300. В установке могут использоваться массивы 300, содержащие, по меньшей мере, от двух до нескольких сотен модулей 200.
В массивах, известных из уровня техники, подобных тому, что изображен на фиг 3, модули 200 расположены горизонтально, в виде нескольких вертикально штабелированных рядов. Можно заметить, что каждый из четырех вертикально штабелированных рядов включает в себя двенадцать горизонтально расположенных модулей 200. Для направления потоков различной текучей среды массивы включают в себя систему направления исходного потока, для направления исходного потока снаружи мембранных сепарационных модулей, систему направления шламового потока, для направления шламового потока снаружи мембранных сепарационных модулей, и систему направления пермеатного потока, для направления пермеатного потока снаружи множества сепарационных модулей. Внутри системы направления исходного потока каждый ряд включает в себя подающий коллектор 310, расположенный сверху (или снизу) ряда и выполненный таким образом, чтобы он был также ориентирован горизонтально, но перпендикулярно модулям 200. За счет этого подающий коллектор 310 каждого ряда может быть функционально соединен с подающим портом 211 каждого модуля 200 для направления в него исходного потока. Внутри системы направления шламового потока каждый из рядов дополнительно включает в себя шламовый коллектор 320, расположенный снизу (или сверху) ряда и выполненный таким образом, чтобы он был также ориентирован горизонтально, но перпендикулярно модулям 200. За счет этого шламовый коллектор 320 каждого ряда может быть функционально соединен со шламовым портом 221 каждого модуля 200 для удаления из него шламового потока. Кроме этого, внутри системы направления пермеатного потока каждый из рядов включает в себя пермеатный коллектор 330, расположенный у торца ряда и выполненный таким образом, чтобы он был ориентирован также горизонтально, но перпендикулярно модулям 200. За счет этого пермеатный коллектор 330 каждого ряда может быть функционально соединен с пермеатным портом 231 каждого модуля 200 для удаления из него пермеатного потока. Подающие 310, шламовые 320 и пермеатные 330 коллекторы каждого ряда обычно также изготавливают из стали, а их диаметр составляет от 10 см (4 дюйма) до 41 см (16 дюймов).
Массив 300 по фиг. 3 дополнительно включает в себя главный подающий коллектор 315, являющийся частью системы направления исходного потока, главный шламовый коллектор 325, являющийся частью системы направления шламового потока, и главный пермеатный коллектор 335, являющийся частью системы направления пермеатного потока. Главный подающий коллектор 315, главный шламовый коллектор 325 и главный пермеатный коллектор 335, каждый, расположены вертикально таким образом, чтобы они были функционально соединены со следующими устройствами в каждом ряду: подающими коллекторами 310, шламовыми коллекторами 320 и пермеатными коллекторами 330, соответственно. Главный подающий коллектор 315, главный шламовый коллектор 325 и главный пермеатный коллектор 335, каждый, обычно также изготовлены из стали, а их диаметр больше диаметра соответствующих рядных коллекторов 310, 320 и 330 и составляет, например, от 15 см (6 дюймов) до 76 см (30 дюймов), таким образом, чтобы они могли принимать поток из каждого рядного коллектора 310, 320 и 330.
Зазоры между подающими коллекторами 310 и каждым рядом модулей 200 обычно составляют от 5 до 10 см (2-4 дюйма). Аналогичным образом, зазоры между шламовыми коллекторами 320 и каждым рядом модулей 200 обычно составляют от 5 до 10 см (2-4 дюйма). Таким образом, с учетом диаметра каждого из подающих 310 и шламовых 320 рядных коллекторов, диаметра модулей 200, зазоров между модулями 200 и коллекторами 310, 320 и различными соединительными компонентами, вертикальная длина одного из типовых массивов 300 установки, содержащего четыре ряда модулей 200 по фиг. 3, обычно составляет от 350 до 381 см (150 дюймов) или более. Во многих случаях подобное требование по соблюдению вертикальных зазоров делает изготовление, транспортировку и монтаж сложными и дорогостоящими. Например, на шельфовых нефтехимических перерабатывающих объектах (неподвижных шельфовых платформах, плавучих системах добычи, хранения и выгрузки (платформах типа FPSO), плавучих заводах СПГ (FLNG) и т.п.) пространство и вес имеют критичное значение, а требования по вертикальному расположению традиционных массивов пагубно ограничивают количество устанавливаемых массивов, тем самым, ограничивая перерабатывающие возможности шельфового объекта.
Поэтому существует потребность в мембранных сепарационных узлах, которые вмещали бы увеличенное количество мембранных модулей на заданной площади. Кроме этого, существует потребность в мембранных сепарационных узлах, технологические возможности которых были бы в достаточной мере увеличены, но при этом они не были бы столь громоздки и/или были бы дешевле в изготовлении, монтаже и обслуживании. Кроме этого, существует потребность в мембранных сепарационных узлах с упрощенными технологическими соединениями для потока текучей среды, позволяющими сократить количество тяжелых стальных компонентов, используемых в узле. Эти и другие желательные признаки и параметры станут очевидны из последующего подробного описания и формулы изобретения, совместно с прилагаемыми чертежами и вышеизложенным описанием области техники и уровня техники.
Краткое описание изобретения
Предлагаются мембранные сепарационные узлы. По одному из типовых вариантов осуществления мембранный сепарационный узел включает в себя множество мембранных сепарационных модулей, каждый модуль из множества мембранных сепарационных модулей включает в себя множество мембранных элементов, выполненных с возможностью разделения исходного потока на шламный поток и пермеатный поток, при этом множество мембранных сепарационных модулей расположены рядами, количество рядов составляет от двух до двадцати, каждый ряд содержит множество мембранных сепарационных модулей, при этом все мембранные сепарационные модули в ряду расположены параллельно друг другу. Узел может дополнительно включать в себя систему направления исходного потока для направления исходного потока снаружи мембранных сепарационных модулей, система направления исходного потока включает в себя один или два подающих коллектора, выполненных с возможностью подачи исходного потока на множество мембранных сепарационных модулей. Узел может дополнительно включать в себя систему направления шламного потока для направления шламного потока снаружи множества мембранных сепарационных модулей, система направления шламного потока включает в себя один или два шламных коллектора, выполненных с возможностью направления шламного потока в сторону от множества мембранных сепарационных модулей. Кроме этого, узел может включать в себя систему направления пермеатного потока для направления пермеатного потока снаружи множества мембранных сепарационных модулей, расположенных на одном или обоих торцах мембранных сепарационных модулей. По меньшей мере два из рядов соединены друг с другом напрямую и по текучей среде.
По другому типовому варианту осуществления мембранный сепарационный узел включает в себя множество мембранных сепарационных модулей, объединенных в массив, каждый модуль из множества мембранных сепарационных модулей содержит множество мембранных элементов, выполненных с возможностью разделения исходного потока на шламный поток и пермеатный поток. Мембранные сепарационные узлы также включают в себя подающий коллектор, выполненный с возможностью подачи исходного потока на множество мембранных сепарационных модулей, и шламный коллектор, выполненный с возможностью направления шламного потока из и в сторону от множества мембранных сепарационных модулей. Кроме этого, мембранные сепарационные узлы включают в себя систему направления пермеатного потока для направления пермеатного потока снаружи множества мембранных сепарационных модулей. Множество мембранных сепарационных модулей, объединенных в массив, соединены друг с другом напрямую и по текучей среде таким образом, что подающий коллектор подает исходный поток на каждый из множества мембранных сепарационных модулей, а шламный коллектор направляет шламный поток в сторону от каждого из множества мембранных сепарационных модулей.
По еще одному типовому варианту осуществления мембранный сепарационный узел включает в себя множество мембранных сепарационных модулей, каждый модуль из множества мембранных сепарационных модулей включает в себя множество плосколистовых мембранных элементов, выполненных с возможностью разделения исходного потока на шламный поток и пермеатный поток. Множество мембранных сепарационных модулей расположены в четыре параллельных, вертикально штабелированных ряда, каждый ряд из четырех параллельных, вертикально штабелированных рядов включает в себя множество мембранных сепарационных модулей. Кроме этого, все мембранные сепарационные модули из множества мембранных сепарационных модулей в четырех параллельных, вертикально штабелированных рядах расположены горизонтально и параллельно друг другу. Мембранный сепарационный узел также включает в себя систему подачи исходного потока для направления исходного потока снаружи мембранных сепарационных модулей, система подачи исходного потока расположена над четырьмя параллельными, вертикально штабелированными рядами и включает в себя подающий коллектор, выполненный с возможностью подачи исходного потока на множество мембранных сепарационных модулей. Мембранный сепарационный узел также включает в себя систему направления шламного потока для направления шламного потока снаружи множества мембранных сепарационных модулей, система направления шламного потока включает в себя шламный коллектор, который расположен снизу четырех параллельных, вертикально штабелированных рядов и выполнен с возможностью направления шламного потока из и в сторону от множества мембранных сепарационных модулей. Кроме этого, мембранный сепарационный узел включает в себя систему направления пермеатного потока для направления пермеатного потока снаружи множества мембранных сепарационных модулей, система направления пермеатного потока включает в себя пермеатный коллектор, который сопряжен с каждым из четырех параллельных, вертикально штабелированных рядов и выполнен с возможностью направления пермеатного потока в сторону от множества мембранных сепарационных модулей. Все ряды из четырех параллельных, вертикально штабелированных рядов соединены друг с другом напрямую и по текучей среде.
Мембранный узел может быть выполнен так, что по меньшей мере три из четырех параллельных, вертикально штабелированных рядов соединены друг с другом напрямую и по текучей среде, без использования подающего коллектора или шламового коллектора между по меньшей мере тремя из четырех параллельных, вертикально штабелированных рядов. Мембранный узел может быть выполнен так, что все из четырех параллельных, вертикально штабелированных рядов соединены друг с другом напрямую и по текучей среде, без использования подающего коллектора или шламового коллектора между четырьмя параллельными, вертикально штабелированными рядами.
Краткое описание чертежей
Далее мембранные сепарационные узлы будут рассмотрены со ссылкой на прилагаемые чертежи, где схожие элементы обозначены схожими ссылочными позициями и где:
на фиг. 1 схематически изображена компоновка мембранного элемента;
на фиг. 2 схематически изображен мембранный сепарационный модуль, включающий в себя несколько мембранных элементов;
на фиг. 3 схематически изображен традиционный массив мембранных сепарационных модулей;
на фиг. 4 показан вид сбоку напрямую соединенного мембранного сепарационного узла по одному из вариантов осуществления;
на фиг. 5 показан сегмент напрямую соединенного мембранного сепарационного узла по фиг. 4 при виде вдоль плоскости 5-5;
на фиг. 6 схематически изображен мембранный сепарационный модуль, включающий в себя несколько мембранных элементов, выполненных с возможностью их использования в напрямую соединенном мембранном сепарационном узле по фиг. 4 и 5;
на фиг. 7 показан вид сбоку напрямую соединенного мембранного сепарационного узла по другому варианту осуществления;
на фиг. 8 показан вид напрямую соединенного мембранного сепарационного узла по фиг. 7 вдоль плоскости 8-8;
на фиг. 9 схематически изображен напрямую соединенный мембранный сепарационный узел по дополнительному варианту осуществления;
на фиг. 10 схематически изображен мембранный сепарационный модуль, включающий в себя множество мембранных элементов, по одному из дополнительных вариантов осуществления; и
на фиг. 11 схематически изображен мембранный сепарационный модуль, включающий в себя множество мембранных элементов по еще одному дополнительному варианту осуществления.
Подробное описание изобретения
Последующее подробное описание является типовым и не преследует цель ограничения мембранных сепарационных узлов или областей и способов использования мембранных сепарационных узлов. Кроме этого, изобретение не ограничено какой-то определенной теорией, представленной в предшествующем описании известного уровня техники или в последующем подробном описании изобретения.
Рассматриваемые здесь различные варианты осуществления относятся лишь к усовершенствованным сепарационным мембранным узлам, которые требуют меньше пространства для установки, которые легче, дешевле и в которые загружать мембранные элементы проще, чем в узлы, известные из уровня техники. По одному из вариантов осуществления, показанному на фиг. 4 и 5 (на фиг. 5 в качестве иллюстрации показан единственный «сегмент» узла по фиг. 4), в мембранном сепарационном узле используется компоновка с «соединением напрямую». Используемый здесь термин «соединение напрямую» или «соединение напрямую и по текучей среде» относится к компоновке, в которой по меньшей мере между двумя параллельными, вертикально штабелированными рядами отсутствует подающий коллектор или шламовый коллектор. То есть, в отличие от известных узлов, в которых каждый из рядов модулей 200 соединен с отдельными перпендикулярно расположенными подающим коллектором 310 и шламовым коллектором 320 (см. фиг. 3), в рассматриваемой здесь компоновке с соединением напрямую каждый из рядов модулей 200 напрямую сопряжен или соединен с другим рядом посредством соответствующих подающих портов 211 и шламовых портов 221, а единственный подающий коллектор 410 используется в качестве системы направления исходного потока и/или единственный шламовый коллектор 420 используется в качестве системы направления шламового потока.
Варианты осуществления, рассматриваемые ниже со ссылкой на фиг. 4-9, включают в себя конфигурации, в которых используется единственный подающий коллектор 410 и единственный шламовый коллектор 420. Между тем, следует понимать, что любой из вариантов осуществления, раскрываемый со ссылкой на фиг. 4-9, может быть видоизменен таким образом, чтобы он включал в себя модули 200, выполненные с возможностью использования единственного подающего коллектора 410 и двух шламовых коллекторов 420, либо двух подающих коллекторов 410 и единственного шламового коллектора 420, либо использования двух пермеатных коллекторов 330 в комбинации с любыми компоновками из подающих и шламовых коллекторов, как это будет рассмотрено более подробно ниже со ссылкой на фиг. 10-11. Кроме этого, хотя раскрываемые здесь варианты осуществления направлены на конфигурации, в которых поток через модули 200, подающи(е)й коллектор(ы) 410 и шламовы(е)й коллектор(ы) 420 проходит в горизонтальной плоскости, следует понимать, что узел может быть выполнен таким образом, чтобы поток проходил через один или несколько модулей 200, подающи(е)й коллектор(ы) 410 или шламовы(е)й коллектор(ы) 420 в вертикальной плоскости.
Как, в частности, показано на фиг. 4 и 5, единственный подающий коллектор 410 расположен над верхним рядом модулей 200 и ориентирован таким образом, что его положение является также горизонтальным, но проходит перпендикулярно направлению модулей 200 (также как и у верхнего подающего коллектора 310 по фиг. 3). По альтернативным вариантам осуществления можно использовать два подающих коллектора 410, при этом модули 200 выполнены в соответствии с фиг. 10, как это будет рассмотрено более подробно ниже. По другим альтернативным вариантам осуществления подающи(е)й коллектор(ы) 410 и/или модули 200 могут быть расположены вертикально. Единственный шламовый коллектор 420 расположен под нижним рядом модулей 200 и ориентирован таким образом, что его положение также является горизонтальным, но проходит перпендикулярно направлению модулей 200. Точно также, по альтернативным вариантам осуществления можно использовать два шламовых коллектора 420, при этом модули 200 выполнены в соответствии с фиг. 11, как это будет рассмотрено более подробно ниже. По другим альтернативным вариантам осуществления подающи(е)й коллектор(ы) 410 могут быть расположены снизу массива, а шламовы(е)й коллектор(ы) 420 - сверху массива. По другим альтернативным вариантам осуществления подающи(е)й коллектор(ы) 410 могут быть расположены вертикально. В подобном варианте осуществления узел для пермеатного потока остается таким же, как в известных массивах и содержит в каждом ряду один или два пермеатных коллектора 330, расположенных в плоскости (относительно вертикальной оси) ряда, и ориентирован таким образом, что его положение также является горизонтальным, но проходит перпендикулярно направлению модулей 200. По типовому варианту осуществления подающий коллектор 410 и шламовый коллектор 420 изготовлены из стали таким образом, чтобы они могли выдерживать высокое давление, возникающее при сепарации текучей среды, а их размеры зависят от давления и расхода в узле и составляют, например, от 10 до 46 см (4-18 дюймов).
Подающий порт 211 каждого модуля соединен с модулем, расположенным сверху него (а у модулей верхнего ряда - с подающим коллектором 410). Шламный порт 221 каждого модуля соединен с модулем, расположенным снизу него (а у модулей нижнего ряда - со шламным коллектором 420). Возвращаясь к фиг. 6, можно заметить, что во всех рядах модулей, кроме нижнего, имеются отверстия 412, расположенные диаметрально оппозитно подающему порту 211, предназначенные для соединения с подающим портом модуля, расположенного снизу. Во всех рядах модулей, кроме верхнего, имеются отверстия 422, расположенные диаметрально оппозитно шламному порту 221, предназначенные для соединения со шламным портом модуля, расположенного сверху.
Со ссылкой на фиг. 4, 5 и 6, во время эксплуатации, исходный поток 210 проходит через подающий коллектор 410 и попадает в верхний ряд модулей 200. Оттуда исходный поток проходит через отверстия 412 в подающий порт 211 модулей 200 в ряду, расположенном ниже. Данная траектория потока последовательно спускается вниз по рядам до тех пор, пока исходный поток не достигнет нижнего ряда модулей 200, в котором отверстия 412 отсутствуют. Шламовый поток 220 выходит из каждого модуля через шламовый порт 221 и последовательно проходит по расположенным ниже рядам модулей 200 через отверстия 422. Данная траектория потока последовательно спускается вниз по рядам до тех пор, пока исходный поток не выйдет из нижнего ряда модулей 200 и шламового коллектора 420. Следует понимать, что траектория потока соответствующим образом изменится, если один или более модулей 200, подающих питателей 410 или шламовых питателей 420 будут расположены вертикально.
Рассматриваемый здесь мембранный сепарационный узел позволяет значительно снизить требования по вертикальному пространству. То есть, по сравнению с примером по фиг. 3 можно уменьшить вертикальную длину на 127 см (50 дюймов) за счет отсутствия подающих 310 и шламовых 320 коллекторов между горизонтальными рядами модулей 100 и соответствующих соединительных компонентов. Как показано на фиг. 5, для установки массива из четырех рядов модулей (также как и на фиг. 3) требуется вертикальная длина 450 в 242 см (100 дюймов). На многих производственных объектах, в частности, на шельфовых нефтехимических перерабатывающих объектах, подобное сокращение вертикального пространства позволит использовать дополнительные массивы на том же самом пространстве, увеличив перерабатывающую способность. Кроме этого, сокращение вертикального пространства упрощает загрузку мембранных элементов в модули. Как будет понятно специалистам, обладающим рядовыми знаниями в данной области техники, загрузка мембранных элементов в массивы высотой 381 см (150 дюймов) или более затруднена из-за того, что приходится использовать строительные леса для рабочих, осуществляющих установку мембранных элементов на верхних рядах, поскольку человек среднего роста обычно не достает до высоты в 381 см (150 дюймов) или более. При уменьшении высоты рассматриваемых здесь массивов до 254 см (100 дюймов) отпадает необходимость в строительных лесах, поскольку человек среднего роста сможет достать и установить элементы на верхних рядах массива. Это особенно важно для шельфовых объектов, где подобные строительные леса трудно устанавливать, а рабочим иногда приходится работать на самом краю шельфовой платформы. Кроме этого, поскольку трубки модулей, коллекторы, порты и другие компоненты рассматриваемых здесь массивов предпочтительно изготавливаются из стали, которая является тяжелым и дорогим металлом, значительное сокращение количества требуемых стальных компонентов (т.е. промежуточных подающих и шламовых коллекторов) позволит значительно снизить вес и себестоимость по сравнению с массивами, известными из уровня техники. Более того, рассматриваемые здесь узлы требуют меньшее количество фланцев, что позволяет сэкономить время и деньги при замене мембран, а также сократить количество возможных мест протечки.
До возникновения у изобретателей замысла настоящего изобретения, на уровне техники бытовало мнение, что для успешного функционирования мембранного сепарационного узла между рядами модулей необходимо использовать подающие и шламовые коллекторы, поскольку традиционные инженерные суждения наводили специалиста, обладающего рядовыми знаниями в данной области техники, на мысль о том, что создаваемый в результате поток будет неровным, что может приводить к значительному ухудшению сепарационной производительности. Однако изобретатели, используя инновационные способы моделирования потоков, неожиданно установили, что на самом деле снижение производительности можно ограничить или минимизировать, если количество мембранных элементов в трубке будет подобрано таким образом, чтобы падение давления, например, по меньшей мере в 40 раз, в частности в 50 раз, превышало падение давления в самом ограничительном порту с соединением напрямую. Поэтому, за счет выполнения узлов в соответствии с рассматриваемыми здесь конкретными, а также иными вариантами, как будет понятно специалистам, обладающим рядовыми знаниями в данной области техники, после ознакомления с настоящим раскрытием изобретения, появилась возможность уменьшить вертикальную высоту за счет отказа от использования промежуточных коллекторов, без заметного снижения параметров переработки и параметров потока внутри модулей массива. Предполагается, что падение давления, как отмечалось выше, можно реализовать в конструкциях, содержащих от 2 до 20 рядов или любое количество рядов в этом диапазоне. Между тем, для достижения рассмотренных выше преимуществ, в массиве предпочтительно использовать от 2 до 10 рядов или любое количество рядов в этом диапазоне, более предпочтительно от 2 до 5 рядов или любое количество рядов в этом диапазоне.
По другому варианту осуществления, показанному на фиг. 7 и 8, и подающий коллектор 410, и шламный коллектор 420 расположены снизу массива, что позволяет дополнительно сэкономить вертикальное пространство за счет отсутствия подающего коллектора в верхней части массива и соответствующего подающего порта 211 и соединений (фиг. 4 и 5). Разумеется, допустимы разновидности данного варианта осуществления с двумя подающими коллекторами 410 или двумя шламовыми коллекторами 420 или со сбором пермеата на обоих торцах в пермеатных коллекторах 330 или 430. По данному варианту осуществления требуемая вертикальная длина 650 для установки составляет 216 см (85 дюймов). По данному варианту осуществления подающие порты 211 модулей 200 проходят снизу каждого модуля 200, а отверстие 412 для соединения с портом 211 вышестоящего модуля расположено диаметрально оппозитно порту 211. Кроме этого, по данному варианту осуществления отверстия 412 в модулях 200 верхнего ряда отсутствуют. В одной из альтернативных конструкций по данному варианту осуществления и подающий коллектор 410, и шламовый коллектор 420 расположены сверху массива (экономя такое же количество вертикального пространства). По данному альтернативному варианту шламовые порты 221 модулей 200 проходят сверху каждого модуля 200, а отверстие 422 для соединения с портом 221 нижестоящего модуля расположено диаметрально оппозитно порту 211. Кроме этого, по данному альтернативному варианту отверстия 422 в модулях 200 нижних рядов отсутствуют. На данный момент считается, что на отдельных объектах подобный альтернативный вариант может требовать установки ручных сливных клапанов в одной или нескольких нижних точках массива для предотвращения застоя исходного или шламового потока в нижней части массива.
По еще одному варианту осуществления, дополнительно показанному на фиг. 7 и 8, конфигурация системы направления пермеатного потока может быть изменена таким образом, чтобы заменить четыре горизонтально расположенных пермеатных коллектора 330 на один или два пермеатных коллектора 430, расположенных снизу массива. За счет изменения направления пермеатного потока 230 на торцах модулей 200, необходимо использовать адаптеры 601 потока для перенаправления потока из горизонтально расположенной пермеатной трубки 110 вертикально вниз, в перемещенный пермеатный порт 431 снизу модуля 200. Типовой адаптер 601 потока, который может быть приспособлен для использования в настоящем изобретении, раскрыт в патентной заявке США №2009/0084725, опубликованной 2 апреля 2009 года. Адаптеры 601 потока включают в себя отверстие 632 для соединения с пермеатным портом 431 модуля, расположенного снизу. В верхнем ряду модулей 200 подобное отверстие 632 отсутствует. По данному варианту осуществления используется единственный пермеатный коллектор 430, диаметр которого больше, чем у индивидуальных пермеатных коллекторов 330, для того, чтобы обеспечить увеличение пермеатного потока 230 по сравнению с ранее рассмотренным вариантом осуществления. Например, диаметр единственного пермеатного коллектора 430 может составлять от 15 см (6 дюймов) до 61 см (24 дюйма). Как вариант, пермеатны(е)й коллектор(ы) 430 могут быть расположены сверху массива, подобно тому, как это было рассмотрено выше для альтернативной конфигурации со шламовым коллектором 420, в которой подающий коллектор 410 и шламовый коллектор расположены сверху массива. Как вариант, пермеатны(е)й коллектор(ы) также могут быть расположены вертикально.
По другому варианту осуществления, показанному на фиг. 9, подающи(е)й коллектор(ы) 410 и шламовы(е) коллектор(ы) 420 (и необязательно пермеатны(е)й коллектор(ы) 430 по фиг. 9) могут быть расположены горизонтально между двумя рядами модуля таким образом, чтобы от двух до десяти, предпочтительно от двух до пяти рядов модуля находились сверху коллекторов 410 и 420 и от двух до десяти, предпочтительно от двух до пяти рядов модуля находились снизу коллекторов 410 и 420. Разумеется, допустимы разновидности данного варианта осуществления с двумя подающими коллекторами 410 или с двумя шламовыми коллекторами 420 или с вертикальным расположением коллекторов 410, 420 и 430. При любом количестве рядов сверху коллекторов 410 и 420 будет создаваться траектория потока, а поток будет следовать, как это показано для варианта осуществления по фиг. 7 и 8, когда подающий поток следует вверх, последовательно проходя через отверстия 412 и порты 211 в каждом модуле, а шламовый поток следует вниз, последовательно проходя вниз через отверстия 422 и порты 221 в каждом модуле. При любом количестве рядов снизу коллекторов 410 и 420 (и необязательно 430), поток будет следовать, как это показано для варианта осуществления по фиг. 4 и 5 и по фиг. 7 и 8, когда исходный поток следует вниз, последовательно проходя через отверстия 412 и порты 211 в каждом модуле, а шламовый поток следует вверх, последовательно проходя вниз через отверстия 422 и порты 221 в каждом модуле.
Со ссылкой на любой из ранее рассмотренных вариантов осуществления, в целом предполагается, что специалист, обладающий рядовыми знаниями в данной области техники, после ознакомления с вышеуказанным раскрытием изобретения, сможет сконструировать соединенный массив с единственным подающим коллектором, расположенным сверху массива, снизу массива или между рядами массива, и с единственным шламовым коллектором, расположенным сверху массива, снизу массива или между рядами массива. Кроме этого, специалист, обладающий рядовыми знаниями в данной области техники, после ознакомления с вышеуказанным раскрытием изобретения, сможет сконструировать соединенный массив либо в традиционной конфигурации с пермеатным коллектором (как на фиг. 3), либо, необязательно, с единственным пермеатным коллектором, расположенным сверху массива, снизу массива или между рядами массива. Кроме этого, предполагается, что специалист, обладающий рядовыми знаниями в данной области техники, после ознакомления с вышеуказанным раскрытием изобретения, сможет сконструировать соединенный массив с пермеатным потоком, следующим либо по направлению потока, либо против направления потока. Помимо этого, предполагается, что специалист, обладающий рядовыми знаниями в данной области техники, после ознакомления с вышеуказанным раскрытием изобретения, сможет сконструировать соединенный массив с одним, двумя, тремя, четырьмя (как показано в примерах) или с большим количеством рядов трубок.
По дополнительным вариантам осуществления мембранные узлы могут альтернативно компоноваться двумя подающими коллекторами 410 или двумя шламовыми коллекторами 420. Как показано на фиг. 10, предлагается мембранный модуль 1000а, включающий в себя два подающих порта 211, расположенных с обоих торцов модуля 1000а, с единственным шламным портом 221, расположенным вдоль модуля, между двумя подающими портами 211 (единственный шламовый порт 221 показан расположенным между равным количеством элементов 100, однако это не является обязательным для всех вариантов исполнения). Кроме этого, как показано на фиг. 11, предлагается мембранный модуль 1100, включающий в себя единственный подающий порт 211 и два шламовых порта 221. Единственный подающий порт расположен вдоль модуля, между двумя шламовыми портами 221 (единственный подающий порт 211 показан расположенным между равным количеством элементов 100, однако это не является обязательным для всех вариантов исполнения). В модуле 1000а используются два пермеатных порта 231, тогда как в модуле 1100 используется единственный пермеатный порт. В целом, в любом из раскрываемых здесь модулей могут использоваться один или два пермеатных порта 231 или 431. Поэтому получаемые в результате узлы должны соответственно компоноваться одним или более коллекторами 330 или 430, расположенными на одном из торцов модуля (как в рассмотренных выше типовых вариантах осуществления), либо одним или более пермеатными коллекторами 330 или 430, расположенными с обоих торцов модуля (в зависимости от реализуемой компоновки, например, в соответствии с компоновкой по фиг. 10). Кроме этого, хотя раскрываемые здесь варианты осуществления направлены на конфигурации, в которых поток через модули 200, подающи(е)й коллектор(ы) 410 и шламовы(е)й коллектор(ы) 420 и пермеатны(е)й коллектор(ы) 430 проходит в горизонтальной плоскости, следует понимать, что узел может быть выполнен таким образом, чтобы поток проходил через один или несколько модулей 200, подающи(е)й коллектор(ы) 410 и шламовы(е)й коллектор(ы) 420 или пермеатны(е)й коллектор(ы) 430 в вертикальной плоскости.
Таким образом, были рассмотрены усовершенствованные мембранные сепарационные узлы. Усовершенствованные мембранные сепарационные узлы содержат увеличенное количество мембранных модулей на заданной площади, что позволяет увеличить производственные возможности на объектах с ограниченным пространством. Кроме этого, усовершенствованные мембранные сепарационные узлы предпочтительно являются менее громоздкими и/или менее дорогостоящими в изготовлении и установке. Помимо этого, в усовершенствованных мембранных сепарационных узлах используются упрощенные технологические соединения для потока текучей среды, позволяющие сократить количество тяжелых стальных компонентов, используемых в узле.
Хотя в предыдущем подробном описании был представлен по меньшей мере один типовой вариант осуществления, следует понимать, что существует огромное количество вариаций. Следует понимать, что рассмотренный здесь типовой вариант осуществления или типовые варианты осуществления не ставят целью ограничение объема, применения или конфигурации заявленного изобретения. Наоборот, представленное выше подробное описание служит в качестве ориентира для специалистов в данной области техники при реализации рассмотренного варианта или вариантов осуществления. Следует понимать, что процессы допускают внесение в них различных изменений, не выходящих за объем, определяемый формулой изобретения, которая включает в себя известные эквиваленты и предполагаемые эквиваленты на момент данного раскрытия изобретения.