Устройство для мембранного разделения газовых смесей

1. Область техники
Полезная модель относится к области разделения газовых смесей с помощью полупроницаемых мембран и может быть использована в газовой, нефтяной, химической и других отраслях промышленности. Газоразделительные мембраны используются для разделения многокомпонентных газовых смесей, таких как атмосферный воздух и углеводородные газы, в том числе содержащие водород, гелий и другие газы.
2. Уровень техники
Разделение газовой смеси на поток проникших сквозь мембрану газов (пермеат) и поток не проникших сквозь мембрану газов (ретентат) производится путем пропускания исходной газовой смеси через газоразделительный картридж.
Известны устройства для разделения газовой смеси, в которых используются мембранные картриджи на основе половолоконной газоразделительной мембраны. Половолоконный мембранный картридж представляет собой конструкцию, включающую внутреннюю коллекторную трубу, вокруг которой уложены полые мембранные волокна, с одного конца закрепленные в герметичной торцевой заливке, а с другой стороны - закрепленные в проходной торцевой заливке. Проходя над поверхностью мембранных волокон, исходная газовая смесь делится на поток проникшего через мембрану внутрь полых волокон газа и поток не проникшего газа, при этом разные газы имеют различную скорость проникания сквозь мембрану, что позволяет выделять из исходной газовой смеси целевые элементы, например азот из атмосферного воздуха. Для обеспечения необходимой производительности газоразделительной установки картриджи подключаются параллельно, с объединением их входящих и выходящих потоков коллекторами.
Пример конструкции единичного газоразделительного модуля с одним половолоконным мембранным картриджем представлена в патенте на полезную модель RU 115239 U1. Известно также устройство для очистки газовой смеси, патент на полезную модель RU 149982 U1, содержащее два параллельно подключенных мембранных газоразделительных картриджа, смонтированных в одном корпусе. Указанное в патенте RU 149982 U1 устройство является наиболее близким аналогом настоящей полезной модели.
По сравнению с мембранным модулем с одним картриджем, описанное в патенте RU 149982 U1 техническое устройство позволяет разместить большее количество мембран в ограниченном пространстве, однако обладает недостатками, в частности:
- штуцеры отвода пермеата расположены в торцевых крышках корпуса, что приводит к необходимости демонтажа участков внешних отводящих трубопроводов при каждой операции монтажа мембранного картриджа в корпус или его демонтажа и требует соответствующего рабочего пространства;
- в газоразделительной установке требуется обеспечить зону обслуживания с каждой стороны корпуса, с достаточным для монтажа и демонтажа единичного мембранного картриджа габаритом, что увеличивает потребный объем помещения и занимаемые установкой площади, то есть ведет к существенному снижению удельной производительности газоразделительной установки по отношению к занимаемому ей объему и площадям.
3. Раскрытие полезной модели
В настоящей полезной модели заявлено техническое решение по усовершенствованию конструкции мембранного газоразделительного модуля, обеспечивающее возможность соединения двух или четырех половолоконных мембранных картриджей в монтажную сборку, с надлежащей организацией потоков газовых смесей. Заявлен мембранный модуль, содержащий сборку из двух мембранных картриджей в одном корпусе, с их монтажом и демонтажем с одной стороны корпуса. Заявлен мембранный модуль, содержащий сборку из четырех мембранных картриджей в одном корпусе, с их монтажом и демонтажем с одной стороны корпуса.
Техническим результатом заявленного технического решения по усовершенствованию конструкции мембранного газоразделительного модуля является повышение удельной производительности газоразделительной установки по отношению к занимаемому ей объему и площадям за счет уменьшения общих габаритов газоразделительной установки, которое достигается за счет сохранения зоны обслуживания с только с одной стороны единичного мембранного модуля или группы параллельно подключенных мембранных модулей в составе промышленной установки.
Каждый единичный половолоконный газоразделительный картридж содержит цилиндрический пучок полых волокон и две торцевые заливки, в которых плотно закреплены концы полых полупроницаемых мембранных волокон, одна из заливок является герметичной, а другая является проходной и позволяет проникшему внутрь полых волокон газовому потоку свободно выходить из них, в то время как не проникший сквозь мембранные волокна газовый поток выходит во внутреннюю коллекторную трубу картриджа через предусмотренные в ней отверстия. Заявленная конструкция мембранного модуля выполняется таким образом, чтобы было возможно объединять мембранные картриджи в монтажные сборки, соединяя полости внутренних коллекторных труб картриджей. Для этого внутреннюю коллекторную трубу картриджа с каждого конца выполняют с резьбовыми участками и уплотнительными поверхностями, что позволяет организовать отвод через нее не проникшего газового потока как в одну, так и в другую сторону путем соответствующей установки ниппелей соединительных и заглушки.
4. Раскрытие полезной модели
Для раскрытия технической сути полезной модели представлены продольные разрезы мембранных модулей на Фиг. 1, Фиг. 2.
На Фиг. 1 изображен мембранный модуль, содержащий смонтированные в одном корпусе два мембранных газоразделительных картриджа. Перечень позиций: 1 - цилиндрический корпус мембранного модуля, 2 - половолоконный мембранный газоразделительный картридж, 3 - глухая торцевая крышка, 4 - штуцер подвода газовой смеси, 5 - штуцер отвода не проникшей газовой смеси, 6 - штуцер отвода проникшей газовой смеси, 7 - внутренняя коллекторная труба картриджа, 8 - полые мембранные волокна, 9 - проходная торцевая заливка, 10 - герметичная торцевая заливка, 11 - проходной ниппель (с резьбовым концом с одной стороны и упорным буртом с другой стороны), 12 - резьбовая заглушка, 13 - пружина поджимающая, 14 - проходной ниппель, 15 - быстроразъемное хомутовое соединение, 16 - промежуточный диск.
На Фиг. 2 изображен мембранный модуль, содержащий четыре мембранных газоразделительных картриджа, смонтированные в одном корпусе. Нумерация позиций - аналогично Фиг. 1.
Устройство и его составные части работают следующим образом.
Модуль мембранный (Фиг. 1) включает корпус 1, состоящий из цилиндрической обечайки и фланцевого разъема с заглушкой с одной стороны и эллиптической заглушки с другой стороны, в котором установлена монтажная сборка из двух картриджей половолоконных мембранных газоразделительных 2, направленных проходными заливками один к другому и скрепленных быстроразъемным хомутовым соединением 15, сцепляющим картриджи за канавки на их проходных заливках 9. При работе картриджи будут прижаты один к другому за счет разницы давлений между давлением входящего потока газовой смеси и давлением проникшего через мембрану газа. Между картриджами предусмотрен промежуточный диск 16, воспринимающий взаимную нагрузку от опорных частей проходных заливок 9. Газ подается в корпус через два входных патрубка 4, после чего по кольцевым зазорам между корпусом 1 и картриджами 2 движется к местам входа в картриджи. После входа в картридж, в процессе прохождения газовой смеси над поверхностью волокон 8 половолоконной мембраны, часть газовой смеси проникает внутрь полых мембранных волокон 8, ограниченных с одной стороны глухой торцевой заливкой 10, а с другой стороны - проходной заливкой 9, через которую газ выходит в кольцевой зазор, образованный корпусом и двумя проходными заливками 9 двух картриджей 2, откуда удаляется через штуцер 6. Не проникшая часть газовой смеси выходит во внутренние коллекторные трубы 7 через ряд отверстий в их стенках. Со стороны крышки корпуса 3, внутренняя коллекторная труба картриджа заглушена резьбовой заглушкой 12, герметично отделяющей полость внутренней коллекторной трубы от полости внутри корпуса, заполненной входящим потоком газовой смеси. Внутренние коллекторные трубы двух картриджей 2 соединены проходным ниппелем 14, обеспечивающим герметизацию внутреннего пространства труб от полости проникшего потока посредством установки уплотнительных колец между его внешней образующей и уплотнительными поверхностями внутренних коллекторных труб 7 двух картриджей. Вывод не проникшего потока из корпуса осуществляется через проходной ниппель 11 (с ввинченным во внутреннюю коллекторную трубу картриджа резьбовым концом с одной стороны и упорным буртом с другой стороны) и штуцер отвода не проникшей газовой смеси 5. В процессе работы создается усилие, обусловленное разницей давлений между давлением входящего потока и давлением в штуцере 5, прижимающее сборку из двух картриджей к штуцеру 5, на который опирание передается через упорный бурт ниппеля 11. Для обеспечения прижима сборки из двух картриджей 2 к штуцеру 5 при монтаже, предусмотрена поджимающая пружина 13. Скрепление и раскрепление картриджей при их монтаже и демонтаже производят в положении, когда один из картриджей вставлен в корпус на глубину, позволяющую смонтировать быстроразъемное хомутовое соединение 15.
Модуль мембранный (Фиг. 2) включает корпус 1, с одной стороны оснащенный торцевой заглушкой 3, закрепленной к корпусу быстроразъемным соединением. В корпусе 1 установлена монтажная сборка из четырех картриджей, скрепленных быстроразъемными хомутовыми соединениями 15 и опирающихся один на другой через промежуточные диски 16. Внутренние коллекторные трубы всех четырех картриджей соединены проходными ниппелями 14, обеспечивающими герметизацию внутреннего пространства труб от полостей входного и проникшего потока. Исходная газовая смесь подается в корпус через три входных штуцера 4, после чего заходит в картриджи, где разделяется на проникший и не проникший сквозь мембрану потоки. Проникшая часть газовой смеси выводится через два штуцера 6, не проникшая часть потока - через штуцер 5, соединенный с внутренней коллекторной трубой ближайшего модуля аналогично решению, показанному в узле А на Фиг. 1. Со стороны крышки 3 полость внутренних коллекторных труб сборки из четырех картриджей герметизируется резьбовой заглушкой и поджимается пружиной аналогично решению, показанному в узле В на Фиг. 1.
Конструкции модулей, приведенные на Фиг. 1, Фиг. 2, могут использоваться для разделения атмосферного воздуха или другой газовой смеси, с целью получения целевого продукта, например, выделения азота из атмосферного воздуха, выделения гелия из природного газа, либо для очистки природного газа от углекислого газа, воды, сероводорода и т.д.