МЕМБРАННЫЙ ГАЗОРАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к мембранным методам разделения газовых смесей и может быть использована в пищевой, медицинской, химической и других отраслях промышленности, а также в различных областях бытового применения.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является мембранное устройство для разделения газовых смесей, описанное в патенте РФ №2026725. Известное мембранное устройство содержит напорный корпус, имеющий штуцеры ввода разделяемой газовой смеси и вывода пермеата. В корпусе размещен мембранный рулонный элемент в виде центрального перфорированного коллектора, разделенного поперек заглушкой, на которой спирально намотаны мембранные пакеты, образованные двумя соединенными между собой мембранами с дренажным каналом между ними, и листы турбулизатора-разделителя между смежными пакетами. Мембранный рулонный элемент выполнен из четного числа чередующихся мембранных пакетов, образованных двумя типами мембран с обратной селективностью, герметизированных по трем внешним сторонам, а также по стороне, прилегающей к коллектору до заглушки. Известное мембранное устройство разработано для работы при повышенных давлениях, для этого в конструкции предусмотрен массивный кожух, способный выдерживать эти давления.
Также к недостаткам можно отнести: сложность герметизирования мембранных элементов коллектора, невозможность использования хрупких материалов для мембранных элементов, например, стеклообразных полимеров (например, ПВТМС), большое гидравлическое сопротивление из-за наличия листов турбулизатора-разделителя между смежными пакетами. Процесс, протекающий под давлением, не обеспечивает полное разделение, а, следовательно, характеризует низкую эффективность работы аппарата.
В случае, когда продуктовым газом является легкопроникающий компонент основные затраты энергии связаны с сжатием только потока пермеата, а не питающего потока, как в схеме с повышенным давлением. Поэтому в таких случаях вакуумная схема является более преимущественной. Наличие листов турбулизатора-разделителя между смежными пакетами в утройстве-прототипе создает трудности реализации вакуумной схемы работы устройства.
Техническим результатом, достигаемым при реализации заявленной модели, является создание технологичной энергосберегающей конструкции, обеспечивающей высокую степень разделения. При этом устройство выполнено с обеспечением возможности использования, в том числе, и хрупких мембран, а также вакуумной схемы работы устройства. Устройство характеризуется простотой монтажа и возможностью масштабирования.
Согласно полезной модели, мембранный газоразделительный модуль содержит, по меньшей мере, два мембранных элемента, каждый из которых состоит из двух внешних активных слоев и внутреннего проницаемого армирующего слоя, в которых выполнено, по меньшей мере, одно отверстие, через которое проходит коллектор для отвода проникшего через мембрану потока обогащенного газа, при этом расстояние, необходимое для обеспечения оптимального гидродинамического сопротивления между мембранными элементами, обеспечивается прокладками.
Выполнение внутреннего проницаемого армирующего слоя, предназначено для придания жесткости мембранному элементу и обеспечения транспорта проникшего через мембрану газа к выводному коллектору.
Для получения оптимальных условий разделения компонентов необходимо обеспечить расстояние (зазор) между мембранными элементами, создающее равномерное гидродинамическое сопротивление между всеми элементами, что определяет параллельное расположение мембранных элементов в модуле. Прокладки, разделяющие мембранные элементы, могут быть выполнены, например, силиконовыми.
Кроме того, зазор между мембранами является транспортным каналом для разделяемого газа. Поэтому прокладки имеют дополнительную функцию обеспечения герметизации зазора.
Выполнение разделительного модуля с указанными мембранными элементами и их расположение относительно друг друга, позволяет увеличить удельную площадь рабочей поверхности мембраны и использовать различные и более продуктивные мембранные материалы. Данная возможность позволяет подбирать материал мембран с учетом свойств разделяемой газовой среды для получения высокой степени и качества разделения веществ, при использовании менее энергоемкой вакуумной схемы работы аппарата.
В торце модуля расположен осевой вентилятор, обеспечивающий направленный поток разделяемой газовой смеси в зазорах между мембранными элементами.
Отвод обогащенного газа (пермеата) из внутренней части мембранных элементов осуществляется с помощью, по меньшей мере, одного коллектора. Каждый из коллекторов расположен соосно нормали мембранного элемента и установлен с возможностью прохождения через отверстия в мембранных элементах. При этом коллектор представляет собой цилиндрическую полую трубку с прорезанными вдоль отверстиями, через которые обогащенный легкопроникающими компонентами газ попадает из внутренней части мембранного элемента во внутреннюю полость коллектора, откуда затем отводится вакуумным насосом.
Вывод пермеата из коллектора может быть осуществлен через выводной штуцер.
При использовании, по меньшей мере, двух коллекторов оба коллектора могут быть коммутированы в один выводной канал.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 показана принципиальная схема мембранного газоразделительного модуля, а на фиг.2 - принципиальная схема мембранного элемента.
Мембранный газоразделительный модуль содержит верхний 1 и нижний 2 фланцы, между которыми размещено, по меньшей мере, два плоских мембранных элемента 3. Герметизация их внутренней части от окружающей среды и создание необходимого зазора между мембранным элементами 3 обеспечивается герметизирующими прокладками 4. Отвод пермеата из внутренней части мембранных элементов 3 осуществляется с помощью коллекторов 5.
Мембранный элемент 3 может иметь прямоугольную форму (фиг.2) и состоит из двух внешних активных слоев 8 на основе полимерной мембраны и внутреннего проницаемого армирующего слоя 9, способствующего равномерному распределению газа внутри элемента. В частности, можно использовать анизотропную мембрану из поливинилтриметилсилана марки ПА-160-C-3,I и мипласт ТУ 6-05-081-154-77. С торцов мембранные элементы герметизированы от окружающей среды посредством клеевого шва. В мембранном элементе предусмотрены технические отверстия 10 для отвода проникшего через мембрану обогащенного газа, количество технических отверстий 10 и соответственно количество осевых коллекторов 5 зависит от гидродинамического сопротивления армирующего слоя 9 и соотношения сторон мембранного элемента 3.
Вывод обогащенного газа из осевых коллекторов 5 осуществляется через выводной штуцер 6, в случае использования двух коллекторов оба газовых канала могут быть коммутированы в один выводной канал. Мембранный модуль снабжен побудителем расхода: в торце модуля размещен осевой вентилятор 7, обеспечивающий направленный поток разделяемой газовой смеси в зазорах между мембранными элементами 3. Зазоры дополнительно могут быть отделены от окружающей среды боковыми скреплениями фланцев.
Газоразделительный модуль работает следующим образом.
С помощью побудителя расхода, в качестве которого использован вентилятор 7, разделяемая газовая смесь поступает в мембранный модуль, где равномерно распределяется между мембранными элементами 3. В мембранном газоразделительном модуле, за счет разницы парциальных давлений на внешней и внутренней поверхностях мембранного элемента 3, происходит обогащение газа легкопроникающими через мембрану компонентами. Проникший через мембрану поток пермеата поступает в осевой коллектор 5, откуда откачивается вакуумным насосом. Фракция газа, обедненная легкопроникающими компонентами, после прохождения между мембранными элементами выбрасывается в атмосферу (фиг.1).
Предложенная оптимизация устройства позволяет использовать модуль в условиях низкого давления во внутреннем объеме мембранных элементов и атмосферном давлении снаружи, т.е. без нагрузок на защитный кожух модуля. Поэтому кожух модуля может быть выполнен из легких материалов и может иметь геометрию прямоугольного параллелепипеда, что обеспечивает простоту монтажа и возможность масштабирования.