УСТРОЙСТВО РАЗДЕЛЕНИЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ И СПОСОБ СЕЛЕКТИВНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕШАННОЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
FLUID SEPARATOR AND SELECTIVE SEPARATION OF MIXED FLUID FLOW

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству разделения текучей среды, осуществляющему селективное отделение определенного компонента текучей среды от текучей среды, такой как газ или вода. В частности, данное изобретение относится к устройству разделения текучей среды, которое повышает производительность разделения благодаря последовательному расположению разделяющих элементов и к способу селективного разделения смешанной текучей среды путем использования устройства разделения текучей среды.
Уровень техники
В последние годы технологию мембранного разделения использовали в области обработки большого количества текучей среды, например, для разделения газов и обработки водопроводной воды, из-за ее преимущества, связанного с малой начальной стоимостью. В частности, использовали устройства, включающие разделяющий элемент, расположенный в кожухе, этот разделяющий элемент обычно изготовлен из керамического материала, так как керамическому разделяющему элементу свойственны такие преимущества, как легкость очистки, долговечность и т.д.
Разделяющий элемент включает мембрану, держатель мембраны, канальный элемент и т.д., которые соединены друг с другом, при этом форма разделяющего элемента может изменяться в зависимости от цели разделения.
Раскрыто устройство для разделения газов (Патентный документ 1, описываемый далее), включающее газоотделитель (соответствует использованному выше термину «разделяющий элемент»), в котором имеется газоразделительная мембрана, через которую может проходить только один определенный компонент газовой смеси, расположенную на поверхности пористого опорного элемента. При разделении газа с высокой температурой, плотности контакта между газоотделителем и фиксирующим элементом может стать недостаточно для термического расширения газоотделителя и фиксирующего элемента, из-за чего может произойти утечка. Если такая утечка случается, определенный газообразный компонент, прошедший через газоразделительную мембрану, может смешиваться с остальными компонентами газовой смеси, поэтому этот конкретный газообразный компонент не может быть отделен эффективным образом.
Для предотвращения этого устройство для разделения газа, описанное в Патентном документе 1, включает газоотделитель, контейнер, в котором имеется углубление, в котором находится газоотделитель, уплотнительный элемент, расположенный в зазоре между наружной периферийной поверхностью газоотделителя и боковой стенкой, зажимной элемент, который зажимает и придавливает уплотнительный элемент в осевом направлении в зазоре. Отношение коэффициента термического расширения контейнера к коэффициенту термического расширения газоотделителя лежит в диапазоне от 0,55 до 0,95, поэтому возникновение утечки в месте соединения газоотделителя и элемента, неподвижно удерживающего газоотделитель, подавляется.
Расход текучей среды, проходящей через мембрану для разделения текучей среды, ограничен определенным диапазоном, что направлено на достижение необходимой производительности разделения. Чем выше расход при обработке разделением, тем большей площади требуется мембрана. Следовательно, хотя единичный разделяющий элемент может быть использован как один блок, в случае обработки большого количества воды на водоочистной станции или обработки большого количества текучей среды с целью отделения газа большое количество разделяющих элементов устанавливают последовательно с тем, чтобы увеличить площадь мембраны и повысить производительность разделения.
С этой целью было предложено устройство для разделения текучей среды, включающее множество разделяющих элементов, каждый из которых заключен в соответствующем, одном из кожухов, соединенных друг с другом последовательно при помощи фланцев, чтобы увеличить площадь фильтрации и повысить производительность разделения воды (Патентный документ 2, описываемый ниже).
Список противопоставленных материалов
Патентные документы
Патентный документ 1: Выложенный патент Японии №2011-189335
Патентный документ 2: Выложенный патент Японии №2004-261649
Сущность изобретения
Проблемы, решаемые благодаря изобретению
Устройство разделения текучей среды, включающее установленные последовательно разделяющие элементы, обладает производительностью разделения, превышающей производительность разделения устройств разделения текучей среды, включающих единственный разделяющий элемент. Однако когда количество разделяющих элементов увеличивают, чтобы увеличить площадь мембраны и производительность разделения, пропорционально количеству разделяющих элементов возрастает число фланцевых частей, а также увеличивается общий вес устройства разделения текучей среды.
Кроме того, когда нужно выполнить техническое обслуживание или ремонт устройства разделения текучей среды или замену разделяющих элементов, для каждого из разделяющих элементов в его кожухе нужно разобрать и собрать фланцевые части, так что замена разделяющих элементов оказывается непростой. Кроме того, во время сборки и разборки разделяющие элементы, изготовленные из керамики, могут сломаться и выйти из строя, следовательно, замена и ремонт элементов могут стать затруднительными.
Для устранения указанной проблемы целью одного из аспектов настоящего изобретения является уменьшение веса устройства разделения текучей среды и упрощение технического обслуживания устройства разделения текучей среды путем изготовления разделяющего модуля, включающего множество установленных последовательно разделяющих элементов, вставляемых и извлекаемых через один из концов кожуха.
Средства решения поставленных задач
Варианты осуществления изобретения, позволяющие решить поставленные задачи, описаны ниже.
Пункт 1 представляет собой устройство разделения текучей среды, осуществляющее селективное отделение определенного текучего компонента от смешанной текучей среды и включающее: кожух, в котором имеется впуск для смешанной текучей среды, выпуск для отделенной текучей среды, через которое отводят селективно отделенную текучую среду, и выпуск для оставшейся текучей среды, через которое отводят оставшуюся после осуществления селективного отделения текучую среду; и разделительный модуль, в котором расположен набор из множества установленных последовательно разделяющих элементов, каждый из разделяющих элементов снабжен каналом, через который смешанная текучая среда поступает в осевом направлении, и осуществляет селективное отделение определенного текучего компонента в виде поперечного потока, перпендикулярного направлению течения смешанной текучей среды, при этом разделительный модуль может быть вставлен в кожух через один из концов кожуха. В разделительном модуле имеется первое соединительное приспособление, вторые соединительные приспособления и соединительное средство. Первое соединительное приспособление расположено между соседними разделяющими элементами так, чтобы изолировать пространство вокруг наружных периферийных поверхностей разделяющих элементов от пространства между разделяющими элементами, снабжено отверстием, через которое каналы соединяются друг с другом, и имеет дискообразную форму, наружный диаметр которой больше наружного диаметра разделяющих элементов. Вторые соединительные приспособления расположены на обоих концах набора из множества установленных последовательно разделяющих элементов так, что каждое второе соединительное приспособление изолирует пространство рядом с концевой поверхностью набора установленных последовательно разделяющих элементов от пространства вокруг наружных периферийных поверхностей разделяющих элементов. Каждое второе соединительное приспособление снабжено отверстием, через которое пространство рядом с концевой поверхностью соединяется с соответствующим одним из каналов, и имеет дискообразную форму, наружный диаметр которой больше наружного диаметра разделяющих элементов. Соединительное устройство соединяет первое и вторые соединительные приспособления друг с другом.
Пункт 2 представляет собой устройство разделения текучей среды по пункту 1, дополнительно включающее: уплотнительный элемент, который изолирует пространство рядом с концевой поверхностью набора из множества установленных последовательно разделяющих элементов от пространства вокруг наружных периферийных поверхностей разделяющих элементов посредством контакта со вторыми соединительными приспособлениями и внутренней периферийной поверхностью кожуха.
Пункт 3 представляет собой устройство разделения текучей среды по пункту 1 или 2, в котором кожух включает закрывающий элемент входной стороны, в котором имеется впуск для смешанной текучей среды, закрывающий элемент выходной стороны, в котором имеется выпуск для оставшейся текучей среды, и цилиндрический корпус, в которой имеется выпуск для отделенной текучей среды и в которую вставляется разделительный модуль, при этом, по меньшей мере, один из закрывающих элементов входной и выходной стороны может быть герметично присоединен к цилиндрической основной части при помощи фланца. Устройство разделения текучей среды дополнительно включает фиксирующий элемент, расположенный между закрывающим элементом входной стороны или закрывающим элементом выходной стороны и цилиндрической основной частью. Фиксирующий элемент имеет дискообразную форму с отверстием и снабжен выступом, выдающимся к центру отверстия из положения, соответствующего внутренней периферийной поверхности кожуха и контактирующим со вторым соединительным приспособлением.
Пункт 4 представляет собой устройство разделения текучей среды по любому из пунктов 1-3, в котором кожух включает закрывающий элемент входной стороны, в котором имеется впуск для смешанной текучей среды, закрывающий элемент выходной стороны, в котором имеется выпуск для оставшейся текучей среды, и цилиндрический корпус, в которой имеется выпуск для отделенной текучей среды и в которую вставляется разделительный модуль, при этом, по меньшей мере, один из закрывающих элементов входной и выходной стороны может быть герметично присоединен к цилиндрической основной части при помощи фланца, и в котором каждое второе соединительное приспособление расположено в цилиндрической основной части так, что второе соединительное приспособление может быть снято после снятия закрывающего элемента входной стороны или закрывающего элемента выходной стороны.
Пункт 5 представляет собой устройство разделения текучей среды по любому из пунктов 1-4, в котором кожух имеет стенку такой толщины, при которой кожух способен удерживать текучую среду с давлением в диапазоне от 1 до 15 МПа абс.
Пункт 6 представляет собой устройство разделения текучей среды по любому из пунктов 1-5, в котором одно из вторых соединительных приспособлений имеет наружный диаметр, превышающий внутренний диаметр кожуха, и может быть соединено в единое целое с кожухом при помощи фланца, а другое второе соединительное приспособление имеет наружный диаметр, который меньше внутреннего диаметра кожуха.
Пункт 7 представляет собой устройство разделения текучей среды по любому из пунктов 1-6, в котором соединительное средство представляет собой стержень, длина которого в осевом направлении может быть отрегулирована, и который имеет участок соединения, включающий болт и гайку.
Пункт 8 представляет собой устройство разделения текучей среды по любому из пунктов 1-7, в котором соединительное устройство является цилиндрическим.
Пункт 9 представляет собой устройство разделения текучей среды по любому из пунктов 1-8, в котором множество наборов из множества установленных последовательно разделяющих элементов установлено в разделительном модуле параллельно.
Пункт 10 представляет собой способ селективного разделения смешанной текучей среды с использованием устройства разделения текучей среды, осуществляющего селективное отделение определенного текучего компонента от смешанной текучей среды. Устройство разделения текучей среды включает кожух, в котором имеется впуск для смешанной текучей среды, выпуск для отделенной текучей среды, через которое отводят селективно отделенную текучую среду, и выпуск для оставшейся текучей среды, через которое отводят оставшуюся после осуществления селективного отделения текучую среду; и разделительный модуль, в котором расположен набор из множества установленных последовательно разделяющих элементов, каждый из разделяющих элементов снабжен каналом, через который смешанная текучая среда протекает в осевом направлении, и осуществляет селективное отделение определенного текучего компонента в виде поперечного потока, перпендикулярного направлению течения смешанной текучей среды. Разделительный модуль может быть вставлен в кожух через один из концов кожуха и включает первое соединительное приспособление, вторые соединительные приспособления и соединительное средство. Первое соединительное приспособление расположено между соседними разделяющими элементами так, чтобы изолировать пространство вокруг наружных периферийных поверхностей разделяющих элементов от пространства между разделяющими элементами, снабжено отверстием, через которое каналы соединяются друг с другом, и имеет дискообразную форму, наружный диаметр которой больше наружного диаметра разделяющих элементов. Вторые соединительные приспособления расположены на обоих концах набора из множества установленных последовательно разделяющих элементов так, что каждое второе соединительное приспособление изолирует пространство рядом с концевой поверхностью набора установленных последовательно разделяющих элементов от пространства вокруг наружных периферийных поверхностей разделяющих элементов. Каждое второе соединительное приспособление снабжено отверстием, через которое пространство рядом с концевой поверхностью соединяется с соответствующим одним из каналов, и имеет дискообразную форму, наружный диаметр которой больше наружного диаметра разделяющих элементов. Соединительное средство соединяет первый и вторые соединительные приспособления друг с другом. Данный способ включает: селективное отделение конкретного компонента текучей среды в виде поперечного потока, перпендикулярного направлению течения смешанной текучей среды, при помощи разделяющих элементов; изолирование текучей среды, которая была селективно отделена от смешанной текучей среды, при помощи первого соединительного приспособления; изолирование селективно отделенной текучей среды от смешанной текучей среды при помощи вторых соединительных приспособлений.
Пункт 11 представляет собой способ селективного разделения смешанной текучей среды по пункту 10, в котором смешанная текучая среда имеет давление в диапазоне от 1 до 15 МПа абс.
Значение изобретения
Устройство разделения текучей среды одного из вариантов осуществления данного изобретения сконструировано так, что разделительный модуль, в котором расположено множество установленных последовательно разделяющих элементов, может быть вставлен и вынут из одного из концов кожуха, поэтому устройство разделения текучей среды является легким и характеризуется преимуществом, заключающимся в простом техническом обслуживании. Так, может быть значительно повышена простота замены разделяющих элементов и сборки устройства разделения текучей среды.
Фиг. 1 представляет собой вид в перспективе, поясняющий один из примеров устройства разделения текучей среды.
На фиг. 2A показан пример монолитного разделяющего элемента.
На фиг. 2B показан пример полого цилиндрического разделяющего элемента.
На фиг. 2C показан пример разделяющего элемента с прямоугольными сквозными отверстиями.
На фиг. 2D показан пример трубчатого разделяющего элемента.
На фиг. 3 представлена схема, поясняющая установку в кожух и удаление из кожуха разделительного модуля.
Фиг. 4 представляет собой вид в разрезе, поясняющий один из примеров устройства разделения текучей среды.
Фиг. 5A представляет собой вид в разрезе по линии Е-Е на фиг. 4.
Фиг. 5B представляет собой вид в разрезе по линии F-F на фиг. 4.
Фиг. 6 представляет собой вид в разрезе, поясняющий один из примеров устройства разделения текучей среды, включающего три разделяющих элемента.
Фиг. 7 представляет собой вид в разрезе, поясняющий второй пример второго соединительного приспособления.
Фиг. 8A представляет собой вид в разрезе, поясняющий третий пример второго соединительного приспособления.
Фиг. 8B представляет собой вид в разрезе, поясняющий пример фиксирующего элемента.
Фиг. 8C представляет собой вид в разрезе, поясняющий второй пример кожуха.
Фиг. 9A представляет собой вид в перспективе, поясняющий второй пример соединительного устройства.
Фиг. 9B представляет собой вид в разрезе, поясняющий второй пример соединительного устройства.
Фиг. 10 представляет собой вид в разрезе, поясняющий пример устройства разделения текучей среды, включающего разделительный модуль, в котором параллельно установлено множество наборов разделяющих элементов, каждый из которых включает установленные последовательно разделяющие элементы.
Фиг. 11 поясняет пример применения устройства разделения текучей среды на месторождении природного газа.
Варианты осуществления изобретения
Далее один из вариантов осуществления данного изобретения описан со ссылкой на чертежи.
1. Устройство разделения текучей среды
Устройство разделения текучей среды данного варианта осуществления изобретения, осуществляющее селективное отделение определенного текучего компонента от смешанной текучей среды, включает:
(A) кожух 20, в котором имеется впуск 21 для смешанной текучей среды, выпуск 28 для отделенной текучей среды, через который отводят селективно отделенную текучую среду, и выпуск 22 для оставшейся текучей среды, через который отводят оставшуюся после осуществления селективного отделения текучую среду; и
(B) разделительный модуль 10, в котором расположен набор из множества установленных последовательно разделяющих элементов 2, каждый из разделяющих элементов 2 снабжен каналом, через который смешанная текучая среда протекает в осевом направлении, осуществляет селективное отделение определенного текучего компонента в виде поперечного потока, перпендикулярного направлению течения смешанной текучей среды, при этом разделительный модуль может быть вставлен в кожух через один из концов кожуха.
Разделительный модуль включает:
(B1) первое соединительное приспособление 7, расположенное между соседними разделяющими элементами 2 так, чтобы изолировать пространство вокруг наружных периферийных поверхностей разделяющих элементов 2 от пространства между разделяющими элементами 2, снабжено отверстием, через которое каналы соединяются друг с другом, и имеет дискообразную форму, наружный диаметр которой больше наружного диаметра разделяющих элементов 2,
(B2) вторые соединительные приспособления 8, расположенные на обоих концах набора из множества установленных последовательно разделяющих элементов 2 так, что каждое второе соединительное приспособление изолирует пространство рядом с концевой поверхностью набора установленных последовательно разделяющих элементов 2 от пространства вокруг наружных периферийных поверхностей разделяющих элементов 2, каждое второе соединительное приспособление снабжено отверстием, через которое пространство рядом с концевой поверхностью соединяется с соответствующим одним из каналов, и имеет дискообразную форму, наружный диаметр которой больше наружного диаметра разделяющих элементов 2,
(B3) соединительное устройство 15, которое соединяет первый и вторые соединительные приспособления друг с другом.
Устройство разделения текучей среды дополнительно включает:
(B4) уплотнительный элемент S, который изолирует пространство рядом с концевой поверхностью набора из множества установленных последовательно разделяющих элементов 2 от пространства вокруг наружных периферийных поверхностей разделяющих элементов 2 посредством контакта со вторыми соединительными приспособлениями 8 и внутренней периферийной поверхностью кожуха 20.
Фиг. 1 представляет собой вид в перспективе, поясняющий один из примеров устройства разделения текучей среды. Как показано на фиг. 1, устройство разделения текучей среды 1 включает кожух 20 и разделительный модуль 10, которые соответственно показаны пунктирными линиями и сплошными линиями.
(B) Разделительный модуль
Разделительный модуль 10 может быть вставлен и удален через один из концов кожуха 20. В разделительном модуле 10 имеется первое соединительное приспособление 7 и два вторых соединительных приспособления 8. Первое соединительное приспособление 7 расположено между соседними разделяющими элементами 2. Каждое из вторых соединительных приспособлений 8 расположено на соответствующем одном из концов набора разделяющих элементов 2, которые соединены друг с другом. Каждый из разделяющих элементов 2 помещен между первым соединительным приспособлением 7 и соответствующим одним из вторых соединительных приспособлений 8. Первое соединительное приспособление 7 и второе соединительное приспособление 8 соединены друг с другом при помощи соединительного устройства 15. В результате этого разделяющие элементы 2 объединяются в разделительный модуль 10, тем самым, разделяющие элементы 2 могут переноситься или перевозиться не как индивидуальные разделяющие элементы 2, а в виде разделительного модуля 10.
В каждом разделительном модуле 10 осуществляется селективное отделение текучей среды, которая может пройти сквозь разделительную мембрану из смешанной текучей среды, поступающей в кожух 20 через впуск кожуха 20. Отделенная текучая среда протекает к наружной периферии разделительного модуля 10 и выводится через выпуск 28 для отделенной текучей среды. Оставшуюся текучую среду, которая остается после отделения части смешанной текучей среды, выводят в осевом направлении разделяющих элементов 2.
В каждом из разделяющих элементов 2 имеется канал, через который смешанная текучая среда перемещается в осевом направлении, и происходит селективное отделение определенного компонента текучей среды в виде поперечного потока, перпендикулярного направлению течения смешанной текучей среды. Разделяющие элементы 2 размещены в разделительном модуле 10 последовательно.
Разделяющий элемент данного варианта осуществления изобретения не осуществляет разделение всего количества подаваемой текучей среды. Напротив, разделяющий элемент представляет собой разделяющий элемент для разделения в поперечном потоке, в который исходную текучую среду подают прямоточно в направлении, параллельном поверхности мембраны, и определенный компонент текучей среды отделяется, проходя через мембрану в направлении, перпендикулярном прямоточному потоку. Следовательно, при последовательном соединении разделяющих элементов друг в друга площадь мембраны увеличивается, а производительность разделения повышается. Например, имеются следующие модификации разделяющего элемента.
На фиг. 2A представлен пример монолитного разделяющего элемента. В данном случае, термин «монолитный» означает структуру, в которой имеются опорный элемент и пористые мембраны. Опорный элемент проставляет собой цилиндрический пористый массив с множеством сквозных отверстий, выполняющих роль каналов для текучей среды и проходящих в осевом направлении. Пористые мембраны образованы на внутренних стенках сквозных отверстий и характеризуются меньшим средним диаметром пор, чем у опорного элемента. Разделяющий элемент 2, показанный на фиг. 2A, включает опорный элемент и разделительные мембраны. Опорный элемент представляет собой цилиндрический пористый массив, в котором имеется множество сквозных отверстий 3, выполняющих роль каналов для смешанной текучей среды. Разделительные мембраны представляют собой тонкие мембраны, изготовленные из пористого материала и образованные на внутренних стенках сквозных отверстий 3 и/или на наружной периферийной поверхности пористого массива. Разделительные мембраны характеризуются меньшим средним диаметром пор, чем у опорного элемента, через них может проходить часть смешанной текучей среды. Когда смешанная текучая среда проходит через сквозные отверстия, определенный компонент смешанной текучей среды, который может пройти сквозь разделительную мембрану, проходит сквозь разделительную мембрану, и его отводят в виде отделенной текучей среды в радиальном направлении.
На фиг. 2B показан пример полого цилиндрического разделяющего элемента. Как показано на фиг. 2B, может иметься только одно сквозное отверстие 3, выполняющее роль канала для текучей среды.
На фиг. 2C показан пример разделяющего элемента с прямоугольными сквозными отверстиями. Разделяющий элемент 2, показанный на фиг. 2C, имеет прямоугольные сквозные отверстия. Длину канала для текучей среды можно увеличить путем герметизации концов части сквозных отверстий 3, показанных на фиг. 2C, так, чтобы текучая среда перемещалась в концевых частях из одного сквозного отверстия 3 в соседнее сквозное отверстие 3.
На фиг. 2D показан пример трубчатого разделяющего элемента. Трубчатый разделяющий элемент включает пучок, состоящий из большого числа трубок 3а, один или оба конца которых закреплены. Каждая из трубок 3а служит опорным элементом, выполняющим функцию разделения.
Средний диаметр пор пористого материала разделительной мембраны и средний диаметр пор пористого массива опорного элемента надлежащим образом определяют в соответствии с производительностью разделения (диаметр частиц вещества, которое должно проходить через мембрану, и диаметр частиц вещества, которое должно быть задержано), которую нужно обеспечить, и количеством текучей среды, которую нужно пропустить (обрабатываемое количество). Вообще, средний диаметр пор пористого материала разделительной мембраны лежит в диапазоне от примерно 0,1 нм до 1,0 мкм, а средний диаметр пор пористого массива опорного элемента лежит в диапазоне от примерно одного до нескольких сот микрометров.
Материалы опорного элемента и разделительной мембраны разделяющего элемента 2, представляющие собой неорганические материалы, не имеют определенных ограничений при условии, что из этого неорганического материала может быть сформирована пористая структура. К примерам таких неорганических материалов относятся цеолиты, оксид циркония, α-оксид алюминия, γ-оксид алюминия, оксид кремния, кордиерит, муллит, оксид титана, плавленый кварц, карбид кремния, нитрид кремния, титанат алюминия и алюмосиликат лития. Разделяющий элемент 2 может быть изготовлен из углерода.
2
2
2
2
Цеолитовая мембрана является одним из примеров разделительной мембраны, предназначенной для отделения диоксида углерода (далее в настоящем документе обозначаемого CO). Цеолитовая мембрана представляет собой мембрану, осуществляющую отделение газа посредством пор в кристаллической структуре, представителем которой является цеолит типа Deca-Dodecasil 3R (DDR). Цеолит типа DDR, предпочтительно используемый в качестве мембраны для отделения CO, образован, главным образом, из оксида кремния (SiO) и имеет полиэдрическую структуру, поры которой образованы восьмичленным кольцом атомов кислорода. Диаметр пор цеолита типа DDR мал - 4,4×3,6 ангстрем, поэтому цеолит типа DDR селективно отделяет CO.
2
2
2
При использовании разделительной мембраны для отделения CO CO может быть селективно отделен, например, от смешанной текучей среды, содержащей метан и CO.
Металлическая мембрана с избирательной проницаемостью для водорода является примером разделительной мембраны для отделения водорода. Металлическая мембрана с избирательной проницаемостью для водорода представляет собой мембрану, в которой используется растворяемость водорода в металле с избирательной проницаемостью для водорода (таком как палладий (Pd) или сплав палладия).
2. Способ установки/удаления разделительного модуля в кожух/из кожуха
На фиг. 3 представлена схема, поясняющая установку в кожух и удаление из кожуха разделительного модуля. Размер разделительного модуля 10 таков, что он может быть вставлен в цилиндрический корпус 26 кожуха 20. Следовательно, как показано стрелкой 100, разделительный модуль 10 может быть вставлен в кожух 20 путем проталкивания разделительного модуля 10 вниз через один из концов кожуха 20, удаление разделительного модуля 10 из кожуха 20 может быть осуществлено путем вытягивания разделительного модуля 10 вверх через один из концов кожуха 20. На фиг. 3 разделительный модуль 10 вставляется или извлекается вертикально. Однако когда устройство разделения текучей среды 1 размещено горизонтально, разделительный модуль 10 устанавливают или удаляют горизонтально.
Когда разделительный модуль 10 удален из кожуха 20, разделяющие элементы 2 могут быть сразу же заменены путем удаления соединительных устройств 15. Разделительный модуль 10 может быть перенесен в другое производственное помещение, где он может быть тщательно проверен и отремонтирован, а также может быть произведена замена.
Таким образом, разделительный модуль 10 может быть установлен в кожух 20 и удален из кожуха 20 через один из концов кожуха 20. Следовательно, эффективность замены разделяющего элемента и эффективность сборки устройства разделения текучей среды может быть значительно повышена по сравнению с устройством разделения текучей среды, описанным в Патентном документе 2, где фланцы нужно демонтировать для каждого разделяющего элемента.
Фиг. 4 представляет собой вид в разрезе, поясняющий один из примеров устройства разделения текучей среды. Далее со ссылкой на фиг. 4 компоненты устройства разделения текучей среды описаны более подробно. Разделению может быть подвергнута любая текучая среда, такая как газ, жидкость или сверхкритическая текучая среда.
(A) Кожух
Кожух 20 включает: впуск 21 для смешанной текучей среды; выпуск 28 для отделенной текучей среды, через которое отводят селективно отделенную текучую среду; и выпуск 22 для оставшейся текучей среды, через которое отводят оставшуюся после осуществления селективного отделения текучую среду.
Кожух 20 может включать закрывающий элемент 24 входной стороны, закрывающий элемент 25 выходной стороны и цилиндрический корпус 26, расположенную между элементами 24 и 25. В данном случае фланцевые части F1 сделаны на торце закрывающего элемента 24 входной стороны и на одном из концов цилиндрической основной части 26; фланцевые части F1 герметично соединяются друг с другом при помощи уплотнительного элемента, такого как прокладка или уплотнительное кольцо. Фланцевые части F2 сделаны на торце закрывающего элемента 25 выходной стороны и на другом конце цилиндрической основной части 26; фланцевые  части F2 герметично соединяются друг с другом так же, как и фланцевые части F1. Кожух 20 устройства 1 разделения текучей среды не имеет других фланцевых частей.
Материал кожуха 20 надлежащим образом выбирают из таких материалов, как нержавеющая сталь, принимая во внимание условия обработки и коррозионную активность текучей среды. На фиг. 1 цилиндрическая основная часть 26 кожуха 20 показана штриховыми линиями. На чертежах выпуск 28 для отделенной текучей среды показан расположенным со стороны одного из разделяющих элементов, который находится рядом с выпуском для оставшейся текучей среды. Однако в кожухе 20 может быть сделано множество выпусков 28 для отделенной текучей среды, соответствующих положению разделяющих элементов.
Кожух может иметь стенку такой толщины, при которой кожух способен удерживать текучую среду с давлением в диапазоне от 1 до 15 МПа абс.
2
Например, в случае отделения CO от соответствующего нефтяного газа, получаемого из нефтяной скважины в процессе добычи нефти способами повышения нефтеотдачи (enhanced oil recovery - EOR), давление газа низкое, так как газ был отделен от нефти при пониженном давлении. Чтобы уменьшить объемный расход газа и площадь мембраны, газообразную текучую среды сжимают до давления более 1 МПа абс., после чего подвергают обработке с использованием устройства 1 разделения текучей среды.
2
В случае отделения CO от природного газа, получаемого на месторождении природного газа, с целью получения в качестве оставшейся текучей среды обогащенного метаном газа, давление природного газа достаточно высокое, и расчетное давление может составлять 15 МПа абс. Следовательно, устройство 1 разделения текучей среды должно выдерживать высокое давление. Например, в соответствии с «Pipe Flanges and Flanged Fittings (ASME B16.2-2009)» (трубные фланцы и фланцевые фитинги), в случае процесса EOR расчетное давление может быть 1 МПа абс., и минимальная толщина фланца равна 31,8 мм (если расчетный диапазон температур составляет от -29 до 100°C, и внутренний диаметр кожуха 20 равен 12 дюймов (305 мм) (класс 150)). В случае обработки природного газа расчетное давление может быть высоким - 15 МПа абс.(при том же размере), и минимальная толщина фланца равна 123,9 мм.
То есть, чем выше давление текучей среды, тем толще фланцы F1 и F2. Если посередине кожуха имеется тяжелый и толстый фланец, вес устройства разделения текучей среды увеличивается, тем самым, усложняется техническое обслуживание устройства. Напротив, кожух данного варианта осуществления изобретения не имеет фланца посередине, поэтому техническое обслуживание может быть проведено без труда.
(B1) Первое соединительное приспособление
В первом соединительном приспособлении 7 имеется отверстие, через которое каналы разделяющих элементов 2 соединяются друг с другом. Первое соединительное приспособление 7 имеет дискообразную форму, его наружный диаметр больше диаметра разделяющих элементов. Первое соединительное приспособление 7 расположено между соседними разделяющими элементами так, чтобы изолировать пространство вокруг наружных периферийных поверхностей разделяющего элемента 2 от пространства между разделяющими элементами 2.
Первое соединительное приспособление 7 предназначено для последовательного и герметичного соединения разделяющих элементов 2 в кожухе 20. Уплотнительный элемент S, описываемый далее, расположен в местах соединения между первым соединительным приспособлением 7 и разделяющими элементами 2. Наружный диаметр первого соединительного приспособления 7 меньше внутреннего диаметра кожуха 20, но больше наружного диаметра разделяющего элемента 2. Внутренний диаметр первого соединительного приспособления 7 меньше наружного диаметра разделяющего элемента 2.
Форма первого соединительного приспособления 7 не имеет определенных ограничений при условии, что возможна реализация заданной функции. Как показано на фиг. 5А, первое соединительное приспособление 7 представляет собой кольцевой элемент с отверстиями. В примере, показанном на фиг. 4, вертикальное сечение первого соединительного приспособления 7 имеет, по существу, Т-образную форму. Первое соединительное приспособление 7 может иметь множество отверстий, через которые разделяющие элементы соединяются друг с другом.
Фиг. 5А представляет собой вид в разрезе по Е-Е на фиг. 4. Первое соединительное приспособление 7, вертикальное сечение которого имеет, по существу, Т-образную форму, как показано на фиг. 4, имеет горизонтальное сечение дискообразной формы с отверстиями, как показано на фиг. 5А. Между кожухом 20 и первым соединительным приспособлением 7 имеется зазор 13, и отделенная текучая среда может проходить по зазору 13, так как наружный диаметр первого соединительного приспособления 7 меньше внутреннего диаметра кожуха 20. В первом соединительном приспособлении 7 имеется отверстие 14, через которое разделяющие элементы соединяются друг с другом.
Фиг. 5B представляет собой вид в разрезе по F-F на фиг. 4. Уплотнительный элемент S расположен между первым соединительным приспособлением 7 и разделяющими элементами 2 так, чтобы блокировать прохождение текучей среды. Следовательно, текучая среда, проходящая через сквозные отверстия в разделяющих элементах 2, не может проникнуть в пространство вокруг наружных периферийных поверхностей разделяющих элементов.
(В2) Второе соединительное приспособление
Каждое второе соединительное приспособление 8 имеет дискообразную форму с отверстием, через которое пространство, расположенное рядом с концевой поверхностью набора из установленных последовательно разделяющих элементов 2, и канал соответствующего разделяющего элемента 2 соединяются друг с другом. Наружный диаметр второго соединительного приспособления 8 больше диаметра разделяющих элементов 2. Вторые соединительные приспособления 8 расположены на концах набора из установленных последовательно разделяющих элементов 2 так, чтобы изолировать пространства рядом с концевыми поверхностями разделяющих элементов 2 от пространства вокруг наружных периферийных поверхностей разделяющих элементов 2.
Каждое второе соединительное приспособление 8 может иметь множество отверстий, через которые пространство, расположенное рядом с концевой поверхностью, и канал разделяющего элемента соединяются друг с другом. Как показано на фиг. 4, уплотнительные элементы S, описываемые далее, расположены в местах соединения между каждым вторым соединительным приспособлением 8 и соответствующим разделяющим элементом и в месте соединения между каждым вторым соединительным приспособлением 8 и кожухом. Вертикальное поперечное сечение каждого из вторых соединительных приспособлений 8, которые расположены на концах соединенных разделяющих элементов 2, имеет, по существу, L-образную форму, как показано на фиг. 4. Каждое из вторых соединительных приспособлений 8 имеет горизонтальное поперечное сечение (не показано) в форме диска с отверстием, как и первое соединительное приспособление 7.
Вторые соединительные приспособления 8, которые расположены на концах набора из установленных последовательно разделяющих элементов 2, могут иметь одинаковую форму или могут иметь разную форму. В данном варианте осуществления изобретения вторые соединительные приспособления 8 имеют одинаковую форму, как показано на фиг. 1 и 4. Вторые соединительные приспособления 8, показанные на фиг. 4, не присоединены непосредственно к фланцевым частям F1 и F2, а косвенным образом соединены с цилиндрической основной частью 26 через уплотнительный элемент S.
(B4) Уплотнительный элемент
Уплотнительный элемент S изолирует пространство, расположенное рядом с концевыми поверхностями набора из установленных последовательно разделяющих элементов от пространств вокруг наружных периферийных поверхностей разделяющих элементов посредством контакта со вторыми соединительными приспособлениями и внутренними периферийными поверхностями кожуха.
Чтобы разделительный модуль 10 имел возможность установки и удаления из кожуха 20, вторые соединительные приспособления 8 не присоединяются к кожуху 20 при помощи фланцев. Вместо этого вторые соединительные приспособления 8 плотно соединены с кожухом посредством уплотнительных элементов S.
Уплотнительные элементы S расположены между наружными периферийными поверхностями разделяющих элементов и внутренней периферийной поверхностью первого соединительного приспособления и между наружной периферийной поверхностью вторых соединительных приспособлений и внутренней боковой стенкой цилиндрической основной части. Таким образом, текучая среда, проходящая через сквозные отверстия в разделяющих элементах, не может проникать в пространство В вокруг наружных периферийных поверхностей разделяющего элемента, пространство В изолировано от пространства С, находящегося рядом с концевой поверхностью набора разделяющих элементов, тем самым, предотвращается утечка текучей среды. В результате определенный компонент текучей среды может быть отделен эффективным образом. Форма и материалы уплотнительных элементов S не имеют определенных ограничений. Уплотнительные элементы S могут быть изготовлены путем обработки эластичного материала, такого как каучук или кремнийорганическая смола, с целью получения надлежащей формы, например, уплотнительного кольца, листовой прокладки или другой прокладки.
Предпочтительно так расположить уплотнительные элементы S, чтобы они были зажаты между первым соединительным приспособлением 7 или каждым из вторых соединительных приспособлений 8 и внутренней периферийной поверхностью цилиндрической основной части 26 таким образом, чтобы уплотнительные элементы S находились в прижимном контакте с элементами 7 или 8 и внутренней периферийной поверхностью цилиндрической основной части 26. При расположении уплотнительных элементов S так, чтобы они были зажаты между первым и вторым соединительными приспособлениями 7 и 8 и цилиндрической основной частью 26, повышается плотность контакта между уплотнительными элементами S и внутренней периферийной поверхностью цилиндрической основной части 26 и плотность контакта между уплотнительными элементами S и первым и вторым соединительными приспособлениями 7 и 8, тем самым, утечка текучей среды сокращается до очень малого количества.
(B3) Соединительное устройство
Соединительное средство соединяет первое и второе соединительные приспособления друг с другом. Соединительные устройства представляют собой, например, стержни, каждый из которых имеет участок соединения болтом и гайкой и длину которых в осевом направлении можно регулировать.
Соединительные устройства 15 пригодны для разъемного соединения первого соединительного приспособления 7 и вторых соединительных приспособлений 8, расположенных друг рядом с другом. Каждое из соединительных устройств 15 может иметь пластинчатую форму или стержнеобразную форму и может быть изготовлено из металла, такого как нержавеющая сталь, или из полимерного материала, характеризующегося большой прочностью. Как показано на фиг. 3, каждое из соединительных устройств 15 включает резьбовой стержень и гайку, которая может быть навинчена на стержень. Трудно скрепить друг с другом два вторых соединительных приспособлений 8 при помощи одного стержня, проходящего через первое соединительное приспособление 7, так как стержень должен быть ввинчен в два устройства 8. Следовательно, данный вариант осуществления изобретения спроектирован так, что соединительные устройства 15 сначала ввинчиваются во вторые соединительные приспособления 8, после чего первое соединительное приспособление 7 может быть присоединено к соединительным устройствам 15 путем навинчивания гаек.
Длина каждого соединительного устройства 15 должна соответствовать расстоянию между двумя соседними соединительными приспособлениями. Вместо этого соединительное средство 15 может иметь длину, соответствующую длине двух или более разделяющих элементов 2, соединенных друг с другом.
При использовании в качестве соединительного устройства 15 стержня, даже если длина разделяющего элемента в осевом направлении изменяется, разделяющий элемент может быть без труда закреплен в разделительном модуле путем регулирования длины стержня.
Является предпочтительным, чтобы соединительные устройства 15 были расположены с одинаковым шагом. Как показано на фиг. 5А, на первом стыковочном соединении 7 может располагаться восемь соединительных устройств 15 (стержней). Например, при размещении четырех соединительных устройств 15 на стороне впуска для смешанной текучей среды первого соединительного приспособления 7 с шагом 90° от начальной точки, соответствующей 0°, и размещении четырех соединительных устройств 15 на стороне впуска для оставшейся текучей среды первого соединительного приспособления 7 с шагом 90° от начальной точки, соответствующей 45°, соединительные устройства 15 будут размещены в осевом направлении с перерывами. Соединительные устройства 15 прикрепляют к первому соединительному приспособлению 7 при помощи гаек.
В описанной выше конструкции, когда множество разделяющих элементов располагают в кожухе 20, вес устройства разделения текучей среды на один разделяющий элемент может быть снижен без уменьшения производительности разделения на единицу занимаемой площади по сравнению с существующими устройствами разделения текучей среды (см. Патентный документ 2), в которых один фланец соответствует каждому из разделяющих элементов. В результате повышается простота монтажа устройства разделения текучей среды. При разборке устройства 1 разделения текучей среды в случае нарушения работы разделяющего элемента 2 множество разделяющих элементов можно удалить как один блок путем удаления закрывающего элемента кожуха 20, после чего может быть проверено состояние каждого разделяющего элемента. Следовательно, простота замены разделяющих элементов и другого технического обслуживания повышена.
3. Модификации устройства разделения текучей среды
Фиг. 6 представляет собой вид в разрезе, поясняющий один из примеров устройства разделения текучей среды, включающего три разделяющих элемента. Как показано на фиг. 6, количество разделяющих элементов 2 может составлять два или более. В данном случае количество разделяющих элементов 2 равно трем, количество первых соединительных приспособлений 7, расположенных между соседними парами разделяющих элементов 2, равно двум.
Фиг. 7 представляет собой вид в разрезе, поясняющий второй пример второго соединительного приспособления. Одно из вторых соединительных приспособлений может представлять собой соединительное приспособление, наружный диаметр которого больше внутреннего диаметра кожуха и которое может быть соединено в единое целое с кожухом при помощи фланца, а другое второе соединительное приспособление может иметь наружный диаметр, который меньше внутреннего диаметра кожуха.
Второе соединительное приспособление 8А, показанное на фиг. 7, может располагаться с той стороны, через которую вынимают разделительный модуль 10. Второе соединительное приспособление 8А прикреплено к фланцевой части F1. Следовательно, зазор, показанный на фиг. 4, который образуется между каждым вторым соединительным приспособлением 8 и внутренней периферийной поверхностью кожуха, должен быть герметизирован, таким образом, риск утечки текучей среды может быть уменьшен.
Даже когда используют второе соединительное приспособление 8А, второе соединительное приспособление 8, показанное на фиг. 4, используют на стороне отведения оставшейся текучей среды. Разделительный модуль 10 может быть вставлен и извлечен из кожуха через один из концов кожуха, так как наружный диаметр второго соединительного приспособления 8 меньше, чем внутренний диаметр кожуха.
Фиг. 8А представляет собой вид в разрезе, поясняющий третий пример второго соединительного приспособления. Второе соединительное приспособление 8B, показанное на фиг. 8А, косвенно, через уплотнительный элемент S, соединено с фиксирующим элементом 9, который соединен в единое целое с фланцевой частью F2. Внутренний диаметр фиксирующего элемента 9 меньше диаметра цилиндрической основной части 26 кожуха. Следовательно, когда разделительный модуль 10 вставлен в кожух со стороны впуска для смешанной текучей среды, уплотнительный элемент S, расположенный на наружной периферийной поверхности второго соединительного приспособления 8B, может быть приведен в плотный контакт с фиксирующим элементом 9 без контакта с внутренней поверхностью цилиндрической основной части 26.
Фиг. 8B представляет собой вид в разрезе, поясняющий второй пример фиксирующего элемента. Фиксирующий элемент 9, показанный на фиг. 8B, размещен между закрывающим элементом 24 входной стороны или закрывающим элементом 25 выходной стороны и цилиндрической основной частью 26. Фиксирующий элемент 9 имеет дискообразную форму с отверстием и снабжен выступом 15А, выдающимся к центру отверстия из положения, соответствующего внутренней периферийной поверхности кожуха 20, и контактирующим со вторым соединительным приспособлением 8. При установке разделительного модуля 10 с одной из сторон кожуха 20, конец разделительного модуля в направлении установки упирается в выступ 15А, так что движение разделительного модуля 10 в направлении установки ограничено, поэтому разделительный модуль 10 может быть размещен в кожухе 20 в надлежащем положении. Как показано на фиг. 8А, внутренний диаметр фиксирующего элемента 9 может быть меньше, чем диаметр цилиндрической основной части 26 кожуха, поэтому уплотнительный элемент S может быть приведен в плотный контакт с фиксирующим элементом 9 без контакта с внутренней поверхностью цилиндрической основной части 26.
Фиг. 8С представляет собой вид в разрезе, поясняющий второй пример кожуха. Выступ 15А, выдающийся к центру кожуха 20, находится на конце кожуха 20, как и в случае фиксирующего элемента 9, показанного на фиг. 8B. То есть, когда разделительный модуль 10 установлен, разделительный модуль 10 может быть неподвижно расположен в надлежащем положении в кожухе 20.
Фиг. 9А представляет собой вид в перспективе, поясняющий второй пример соединительного устройства; фиг. 9B представляет собой вид в разрезе, поясняющий второй пример соединительного устройства. Соединительное средство 9А, показанное на фиг. 9А, имеет форму полого цилиндра и снабжено отверстиями 12, через которые проходит отделенная текучая среда. Соединительное средство 9А прикреплено к первому соединительному приспособлению 7 и вторым соединительным приспособлениям 8 при помощи крепежных деталей 11, таких как болты и гайки, тем самым, первое соединительное приспособление 7 и вторые соединительные приспособления 8 соединены друг с другом в единое целое. При использовании цилиндрических соединительных устройств прочность крепления может быть увеличена.
Фиг. 10 представляет собой вид в разрезе, поясняющий пример устройства разделения текучей среды, включающего разделительный модуль, в котором параллельно установлено множество наборов разделяющих элементов, каждый из которых включает установленные последовательно разделяющие элементы. В устройстве 1А разделения текучей среды, показанном на фиг. 10, множество наборов разделяющих элементов, каждый из которых включает установленные последовательно разделяющие элементы, установлено параллельно, благодаря чему не только может быть достигнута заданная производительность разделения, но также может быть повышен расход обрабатываемой текучей среды. Таким образом, высокая скорость обработки достигается при использовании меньшего количества устанавливаемых параллельно устройств разделения текучей среды. Первое соединительное приспособление 7С и второе соединительное приспособление 8С, показанные на фиг. 10, соответственно, снабжены большим количеством отверстий, чем первое соединительное приспособление 7 и второе соединительное приспособление 8, показанные на фиг. 4, в соответствии с количеством наборов разделяющих элементов. Множество наборов разделяющих элементов объединено в разделительный модель 10 путем размещения разделяющих элементов между первым соединительным приспособлением 7 и вторым соединительным приспособлением 8 и путем соединения первого соединительного приспособления 7 и второго соединительного приспособления 8 друг с другом соединительными устройствами 15. Возможно использование модификаций первого соединительного приспособления 7С и второго соединительного приспособления 8С, показанных на фиг. 7-8С.
2
2
2
2
2
4. Пример применения устройства разделения текучей среды Фиг. 11 поясняет пример применения устройства разделения текучей среды на месторождении природного газа. Устройство 1 разделения текучей среды, предназначенное для отделения CO, расположено по потоку после технологического оборудования для отделения конденсата, воды и примесей. После отделения CO этот газ используют в качестве сырья завода по сжижению природного газа, газа бытового назначения и т.п. Обнаружено большое количество месторождений природного газа, на которых добывают обогащенные CO газы, и использование таких месторождений обогащенного CO газа уже привлекает внимание. В случае отделения CO способ мембранного разделения имеет преимущества по сравнению с существующим способом абсорбционного разделения с использованием аминового растворителя или подобного ему с точки зрения низкой начальной стоимости, снижения эксплуатационных затрат на восполнение амина и т.п. и снижения занимаемого места.
Описанные выше варианты осуществления изобретения приведены только в качестве примеров, специалистам в данной области известны сочетания, изменения и варианты составляющих элементов соответствующих вариантов осуществления изобретения. Следует понимать, что в них могут быть внесены различные изменения, не выходящие за рамки существа данного изобретения и объема данного изобретения, определенного в формуле изобретения.