ГАЗОРАЗДЕЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Область техники.
Заявляемое техническое решение относится к области мембранного газоразделения и предназначено для разделения газовой смеси на ретентат и пермеат.
Предшествующий уровень техники.
Среди устройств для газоразделения известен мембранный газоразделительный модуль (патент РФ №115239 на полезную модель, МПК B01D 63/02, 2012, [1]). Как и в заявляемом техническом решении указанный аналог [2] содержит мембранный картридж, канал для ввода разделяемой газовой смеси и канал для продувки пермеата.
Аналог [1] также содержит канал для вывода продукта, канал для вывода пермеата, полость для продукта и полость для пермеата. При этом концы пучков волокон мембранного картриджа закреплены в верхней и нижней торцевых герметизирующих заливках. На нижнюю торцевую заливку картриджа установлена крышка с образованием с нижней торцевой заливкой полости, сообщающейся с входами внутренних каналов полых волокон. Канал для продувки пермеата выполнен в крышке картриджа, и соединяет полость между крышкой и нижней торцевой заливкой картриджа с полостью для продукта. В канале для продувки установлен дроссельный элемент.
Недостатком указанного аналога [1] является то, что полость между крышкой и нижней торцевой заливкой сообщена с полостью для азота каналом для продувки. Во-первых такая конструкция газоразделительного модуля является сложной. Во-вторых, как было указано выше, продувку пермеата осуществляют частью продукта. В этом случае возрастают затраты энергии на газоразделение, так как часть продукта расходуется на продувку.
Также известен генератор для получения газообразного азота из воздуха (патент РФ №2042408 на изобретение, МПК B01D 61/00, B01D 63/00, B01D 53/22, 1995 [2]). Как и в заявляемом техническом решении указанный аналог [1] содержит мембранный блок, который включает множество мембран, селективно пропускающих кислород и задерживающих азот, вход для подачи газа, разделяемого вдоль внешней поверхности мембран, и вход промывки для подачи промывочного потока.
Также аналог [2] имеет выходы для пермеата и остаточного газа. Вход промывки мембранного блока соединен с выходом пермеата мембранного блока N+1 ступени газоразделения.
Недостатком указанного аналога [2] является то, что вход промывки мембранного блока соединен с выходом пермеата мембранного блока со N+1 ступени газоразделения. В этом случае повышаются затраты энергии на газоразделение и усложняется конструкция генератора для получения газообразного азота, так как для продувки необходимо по крайней мере два мембранных блока.
Указанный аналог [2] является по совокупности существенных признаков наиболее близким аналогом того же назначения к заявляемому устройству для газоразделения. Поэтому он принят в качестве прототипа.
Раскрытие заявляемого технического решения.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым техническим решением, является снижение затрат энергии на газоразделение.
Другими техническими результатами являются упрощение конструкции газоразделительного устройства и экономия мембранных картриджей.
Сущность заявленного технического решения состоит в том, что газоразделительное устройство содержит мембранные элементы, вход газовой смеси и вход продувочного газа. Отличается тем, что вход продувочного газа соединен со входом газовой смеси.
Вышеуказанная сущность является совокупностью существенных признаков заявленного технического решения, обеспечивающих достижение всех заявленных технических результатов.
В частных случаях допустимо выполнять техническое решение следующим образом.
Вход газовой смеси желательно соединен с источником сжатой газовой смеси через нагреватель.
Вход продувочного газа предпочтительно соединен со входом газовой смеси через запорный игольчатый вентиль.
Авторами заявленного технического решения изготовлен опытный образец этого решения, испытания которого подтвердили достижение технического результата.
Краткое описание чертежей.
На фигуре показана схема газоразделительного устройства.
Осуществление технического решения.
Газоразделительное устройство предназначено для разделения потока газовой смеси на два: поток, не пропущенный мембраной - ретентат, и поток, проникший через мембрану - пермеат. Газоразделительное устройство содержит корпус (1), мембранные элементы (2), вход газовой смеси (3), вход продувочного газа (4), выход ретентата (5) и выход пермеата (6). Вход продувочного газа (4) выполнен в корпусе (1).
Мембранные элементы (2) закреплены в корпусе (1) и могут представлять собой пучок, состоящий из множества половолоконных мембран.
Вход газовой смеси (3) предназначен для соединения с источником сжатой разделяемой газовой смеси.
С целью увеличения движущей силы газоразделения пермеат в газоразделительном устройстве продувают. Для этого вход продувочного газа (4) соединен со входом газовой смеси (3). По сравнению с аналогами [1, 2] при таком соединении снижаются затраты энергии на газоразделение и упрощается конструкция газоразделительного устройства.
Выход пермеата (6) предназначен для удаления из газоразделительного устройства пермеата и отбираемой со входа (4) газовой смеси.
Выход ретентата (5) предназначен для вывода ретентата из газоразделительного устройства.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1. Газовой смесью является воздух или смесь азота с кислородом. При этом пермеатом является поток газа, обогащенный кислородом, а ретентатом является поток газа, обогащенный азотом.
Пример 2. В случае, когда для повышения нефтеотдачи пластов в них подают азот, разделяемой газовой смесью является смесь азота с углеводородами, например метаном.
Пример 3. С целью повышения производительности газоразделительного устройства, вход разделяемой газовой смеси (3) соединен с источником сжатой газовой смеси через нагреватель.
Пример 4. С целью регулирования давления отбираемой газовой смеси, вход продувочного газа (4) соединен со входом разделяемой газовой смеси (3) через запорный игольчатый вентиль (7).
Реализация заявляемого технического решения не ограничивается приведенными выше примерами.
Описание работы.
Предварительно сжатую газовую смесь подают в газоразделительное устройство. В газоразделительном устройстве происходит разделение потока газовой смеси на два: поток, не пропущенный мембраной - ретентат, и поток, проникший через мембрану - пермеат. Движущей силой газоразделения является разность парциальных давлений газов по обе стороны мембраны. При этом пространство с одной стороны мембранных элементов (2) заполняется пермеатом, а пространство с другой стороны мембранных элементов (2) заполняется ретентатом. Увеличение концентрации пермеата приводит к возрастанию парциальных давлений газов, из которых он состоит. Это уменьшает перепад парциальных давлений газов с разных сторон мембранных элементов (2), тем самым уменьшая движущую силу процесса газоразделения.
С целью увеличения движущей силы газоразделения пермеат в газоразделительном устройстве продувают. Продувка снижает концентрацию пермеата с одной стороны мембраны, и тем самым увеличивает движущую силу газоразделения. Кроме того продувка пермеата позволяет сократить количество мембранных картриджей, так как увеличение движущей силы газоразделения приводит к повышению их производительности. Таким образом, для достижения требуемой производительности требуется меньшее количество мембранных картриджей, чем у газоразделительных устройств без продувки пермеата.
С целью снижения затрат энергии на газоразделение, продувку пермеата осуществляют газовой смесью, отбираемой со входа газовой смеси (3) газоразделительного устройства. Смесь пермеата и отбираемой газовой смеси выводится из газоразделительного устройства через выход пермеата (6). Ретентат поступает с выхода ретентата (5) к потребителю.
Промышленная применимость.
Заявляемое группа техническое решение реализовано с использованием промышленно выпускаемых устройств и материалов, и может быть применено на любом промышленном предприятии, требуется получение и/или использование азота.