Модуль для отделения азота из воздуха посредством половолоконных мембран
UNIT FOR THE NITROGEN FROM AIR SEPARATION USING THE HOLLOW FIBER MEMBRANES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к половолоконной мембране для селективного отделения азота из потока сжатого воздуха.
В частности, настоящее изобретение может быть применено в устройствах для производства из сжатого воздуха азота, применяемого для окрашивания посредством пневматических систем, систем с центробежным распылителем или других систем, работающих при высоком, среднем или низком давлении.
Уровень техники
Из уровня техники известны модули с половолоконными мембранами для отделения азота, присутствующие уже некоторое время в продаже и использующие ассиметричную технологию половолоконных мембран для отделения и извлечения азота из сжатого воздуха, содержащего примерно 78% азота, 21% кислорода и 1% других газов.
В частности, эти мембраны обеспечивают возможность производства азота высокой степени очистки за счет применения принципа селективной проницаемости, в соответствии с которым каждый газ имеет собственную скорость проникновения через мембрану, зависящую от его способностей растворяться и диффундировать через мембрану.
Кислород, содержащийся в воздухе, является «быстрым» газом и селективно диффундирует через стенку мембраны, тогда как азот движется вдоль по внутренней части волокна, образуя тем самым поток продукта с высоким содержанием азота, тогда как обогащенный кислородом газ или фильтрат выпускают из мембраны при атмосферном давлении.
Как правило, нагнетаемый газ для мембранной системы представляет собой сжатый воздух под избыточным давлением, составляющим от 4 до 30 бар, который поступает из системы подачи воздуха или из специально предназначенного для этого компрессора.
Изначально, воздух может содержать различные примеси, среди которых наиболее распространенными являются вода и смазочные материалы для компрессоров. В нем также могут присутствовать содержащиеся в атмосфере загрязняющие примеси, в особенности в местах с высоким уровнем промышленного развития.
2
Конкретнее, среди примесей, содержащихся в воздухе на входе, могут быть выделены составляющие, такие как водород, окись углерода, двуокись углерода, метан, ацетилен, этан, этилен, пропилен, пропан, бутан и более тяжелые углеводороды, а также частицы веществ, которые не повреждают значительно материал мембраны, но проникают в различной степени через мембрану. Однако в случаях их особенно высоких концентраций в выходящем потоке газообразного азота могут присутствовать остаточные примеси, например, двуокись серы, сероводородная кислота, меркаптаны, аммиак, хлориды или хлор, оксиды азота (NO или NO), пары кислот, угольная пыль, дым/сажа, озон и прочие.
В сепараторе сжатый воздух течет вдоль по полым волокнам. «Быстрые» газы, такие как кислород, двуокись углерода и водяной пар, а также небольшое количество «медленных» газов проходят через стенку мембраны в направлении наружной части волокон, и отбираются при атмосферном давлении в виде выпускаемого потока или фильтрата.
Большинство «медленных» газов и очень незначительное количество «быстрых» газов продолжают двигаться по волокнам до тех пор, пока не достигают конца мембраны, где обеспечен выход полученного газообразного азота для применения по назначению.
Таким образом, поступающий в компрессор воздух увлекает за собой пыль и примеси, присутствующие в атмосфере, водяной пар, а также масляные аэрозоли, пары и другие твердые частицы, которые в результате износа компрессора могут добавляться в поток воздуха, подаваемого компрессором.
С конструктивной точки зрения, типовой мембранный сепаратор содержит тысячи волокон, собранных в пучки, расположенные внутри соответствующего контейнера, или модуля, который защищает волокна и соответствующим образом направляет газы от источника воздуха на входе к выходу для отделенного газа. Мембранный модуль, показанный на прилагаемом чертеже, как правило, образован металлической трубкой, предпочтительно изготовленной из алюминия или его сплавов, или нержавеющей стали, или трубкой из АБС-пластика, в зависимости от параметров применения. В представленном в качестве примера варианте осуществления пучки волокон закрыты с обоих концов посредством, например, заглушек из эпоксидной смолы. В сепараторах такого типа концы пучков обрезаны, при этом отверстия волокон оставляют свободными на обоих концах, что обеспечивает возможность прохождения газа от одного конца к другому.
Входной участок для сжатого воздуха, как правило, образован внутри модуля в виде камеры с отверстием с различными размерами. При открытии регулирующего впуск сжатого воздуха клапана с волокнами сталкивается поток входящего воздуха, создающий так называемый эффект «удара текучей среды», который приводит к деформации и закупориванию волокон, с которыми он сталкивается, в результате чего отсутствует надлежащее распределение воздуха.
Таким образом, такие волокна могут испытать за короткое время износ, составляющий примерно 10%-20% от производительности волокон, вследствие удара текучей среды и присутствия загрязняющих примесей или микрочастиц, которые могут закупоривать микроотверстия самих волокон. Это происходит преимущественно тогда, когда избыточное давление сжатого воздуха на входе составляет от 4 до 30 бар.
В таких условиях, для ограничения повреждений мембран сжатый воздух должен быть очищен (для устранения любых возможных конденсированных жидкостей, паров во взвесях и твердых частиц) до его подачи в мембранный сепаратор, степень фильтрации которого зависит от содержания в воздухе конкретных вредных примесей и от конечных требований к чистоте азота.
Мероприятия по предварительной очистке, как правило, включают в себя фильтрацию и управление конечной температурой и/или давлением.
Однако известные системы не являются удовлетворительными и в любом случае влекут за собой быстрый износ волокон, со значительным снижением срока службы мембранных модулей относительно их потенциальных возможностей, при этом данные системы отличаются сложностью и увеличенной стоимостью вследствие применения фильтров и применения внешних корректировок к мембранному модулю.
Технические проблемы, на решение которых направлено изобретение
Таким образом, первая техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в том, чтобы предложить мембранный отделяющий модуль, в котором отсутствуют вышеупомянутые недостатки и который, при минимальных конструкционных изменениях обеспечит увеличение срока службы мембран.
Раскрытие сущности изобретения
Вышеупомянутые, а также дополнительные технические проблемы, на решение которых направлено настоящее изобретение, решены посредством устройства согласно одному или нескольким пунктам прилагаемой формулы изобретения, описывающих отделяющий модуль, обеспечивающий рассеивание потока воздуха на входе в мембрану, причем упомянутый модуль образован с отражателем или диффузором, предотвращающим прямой вход воздуха в мембрану и обеспечивающим отличное распределение потока воздуха для более качественного управления и равномерности отделения, а также более высокую эффективность самого модуля. Кроме того, отражатель обеспечивает возможность выполнения отверстий для контроля внутреннего пространства модуля, которые могут применяться совместно с предусмотренными эндоскопными инструментами для контроля наличия загрязняющих факторов.
Первое преимущество настоящего изобретения заключается в том, что мембраны согласно настоящему изобретению имеют увеличенный срок службы и повышенную эффективность модуля во времени.
Следующее преимущество заключается в том, что отражатель предотвращает закупоривание микроотверстий волокон в случае, когда воздух на входе увлекает с собой органические загрязняющие примеси, например, частицы масла.
Следующее преимущество настоящего изобретения заключается в том, что отражатель обеспечивает сохранение рабочих параметров модуля в течение всего эксплуатационного периода без какого-либо снижения качества или производительности, благодаря однородности распределения сжатого воздуха на входе.
Следующее преимущество настоящего изобретения заключается в том, что отражатель обеспечивает длительный срок эксплуатации волокон, удваивая установленный производителем гарантийный срок, при соблюдении указанных производителем показателей качества воздуха.
Следующее преимущество настоящего изобретения заключается в том, что смотровые отверстия могут быть соединены с датчиком для предупреждения пользователя о наличии загрязняющих примесей и, таким образом, указания ему, когда необходимо произвести очистку камеры для впуска воздуха в волокна.
Следующее преимущество настоящего изобретения заключается в том, что отражатель, обеспечивая равномерное течение входящего в полые волокна сжатого воздуха, обеспечивает постоянство уровней потребления воздуха (энергетические затраты на кубический метр в час), исключая тем самым ухудшение его качества вследствие присутствия загрязняющих примесей, которые могут сталкиваться с частью волокон, которая расположена непосредственно на входе воздушного потока.
Следующее преимущество настоящего изобретения заключается в том, что упомянутый модуль может быть выполнен теплоизолированным с применением специальной краски для исключения рассеивания тепла от мембраны при ее нагреве, поскольку равномерность температуры по всей внешней части модуля обеспечивает значительное повышение проницаемости волокон, тем самым обеспечивая лучшее качество продукта и постоянство пропускной способности.
Краткое описание чертежей
Вышеупомянутые, а также дополнительные преимущества настоящего изобретения очевидны для специалиста в данной области техники из нижеследующего описания и прилагаемых чертежей, приведенных в качестве не ограничивающего примера, на которых:
- на фиг. 1 показан отделяющий модуль для сжатого воздуха известного типа;
- на фиг. 2 частично в поперечном сечении и в аксонометрии показан первый вариант осуществления модуля согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 3 в поперечном сечении показан модуль с фиг. 2;
- на фиг. 4 на виде сверху показан отражатель модуля с фиг. 2;
- на фиг. 5 в аксонометрии показан отражатель с фиг. 4;
- на фиг. 6 на виде сверху показан отражатель с фиг. 4, на который установлена крышка;
- на фиг. 7 частично в поперечном сечении показан второй вариант осуществления модуля согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 8 в аксонометрии показан отражатель модуля с фиг. 7.
Осуществление изобретения
Далее со ссылками на прилагаемые чертежи приведено описание модуля для отделения азота из воздуха посредством половолоконных мембран, содержащего пучок 1 волокон, расположенный внутри внешнего кожуха так, что между входным отверстием 3 для потока сжатого воздуха и первым концом 6 упомянутого пучка 1 образовано свободное пространство 5.
2
2
Как показано, в частности, на фиг. 1, кожух 2 выполнен с по меньшей мере одним входным отверстием 3 на одном из своих концов, промежуточными выходными отверстиями для фильтратов на боковых стенках (например, отдельные отверстия для быстрых фильтратов, таких как НО и CO, для потока с высоким содержанием кислорода и для медленных фильтратов, таких как аргон и азот), и третьим отверстием 5 для выхода отделенного азота на конце, противоположном входному отверстию для воздуха.
Как показано на фиг. 2-8, модуль согласно настоящему изобретению содержит отражатель 8, сообщающийся с входным отверстием 3 и предназначенный для отклонения потока сжатого воздуха внутри пространства 5 вдоль траекторий потока 9, не направленных непосредственно на упомянутый первый конец пучка 1 волокон.
Благодаря данному техническому решению обеспечивается преимущество, которое заключается в том, что входящий в модуль поток сжатого воздуха не сталкивается резко с входными концами волокон и, соответственно, не повреждает их, что обеспечивает улучшение рабочих параметров во времени.
В варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг. 2-6, отражатель 8 содержит основную часть 10, выполненную с входным отверстием 3 и перпендикулярными радиальными каналами 11, сообщающимися с упомянутым отверстием 3 и направляющими поток внутри пространства 5 в направлениях, по существу параллельных поверхности 6 пучка волокон.
Конкретнее, упомянутая основная часть может быть выполнена в форме диска 12, ограниченного сбоку выступом 13, пересекаемым отверстиями 24 для прохождения болтов для закрепления основной части 10 в соответствующие резьбовые гнезда 26, выполненные в кожухе 2.
В упомянутом показанном примере каналы 11 выполнены в форме круговых секторов, углубленных относительно поверхности 14 диска, выступающей больше всего в направлении кожуха 2, и проходящих между упомянутым входным отверстием 3 и периферийным круговым каналом 15, прилегающим к выступу 13, улавливающему поток сжатого воздуха и рассеивающему его в периферийное пространство 5.
Каналы 11, выполненные в виде круговых секторов, предпочтительно закрыты сверху крышкой 16, которая может быть снята с основной части 10 и прикреплена к нему посредством винтов 25.
Во втором предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг. 7-8, отражатель 8 содержит основную часть
17, выполненную с возможностью вставки в нее перфорированного цилиндрического вкладыша 18, в котором выполнено входное отверстие 3 в виде глухого отверстия, от которого расходятся радиальные каналы 19, сообщающиеся с самим отверстием 3 и с пространством 5.
Кроме того, в данном случае поток сжатого воздуха входит в пространство 5 вдоль траекторий, не направленных непосредственно на поверхность 6 пучка волокон.
Конкретнее, основная часть 17 выполнена в форме диска 21, ограниченного сбоку выступом 22, пересекаемым отверстиями 24 для введения болтов в резьбовые гнезда 26 кожуха 2 для закрепления основной части 10.
Вкладыш 18 предпочтительно закреплен с возможностью легкого снятия на основной части 17, например, посредством резьбового соединения, которое может быть затянуто с применением шестигранного профиля 28 вкладыша 18, доступного снаружи для оператора.
Так или иначе, отражатель содержит смотровые отверстия 23, сообщающиеся со свободным пространством 5 и проходящие в осевом и/или радиальном направлении относительно пучка 1 для обеспечения возможности вставки датчиков или инструментов для отбора проб осадка, образованного в пространстве 5.
Настоящее изобретение раскрыто в отношении предпочтительных вариантов его осуществления, однако возможны и аналогичные варианты его осуществления, не выходящие за пределы объема правовой охраны настоящего изобретения.