Газоразделительный мембранный модуль

Полезная модель относится к устройствам для мембранного разделения газовых смесей при помощи половолоконных мембран, а именно к газоразделительным модулям, и может быть использована в газовой, нефтяной, химической и других отраслях промышленности.
Основными элементами типовой конструкция мембранного газоразделительного модуля являются цилиндрический корпус, торцевые крышки, один или два мембранных картриджа, установленных внутри корпуса и выполненных в виде пучка полых полимерных волокон, расположенных вокруг осевой перфорированной трубы, которые своими концами загерметизированы в торцевых заливках. Как правило, на торцевой поверхности заливки, расположенной возле торцевой крышки модуля, концы загерметизированных полых волокон открыты (пермеатная заливка), а в торцевой заливке на противоположном конце картриджа у центра модуля концы полых волокон загерметизированы полностью (глухая заливка). Поверхность пучка полых волокон каждого картриджа между торцевыми заливками имеет зону, закрытую газонепроницаемым покрытием, и входную зону, открытую для прохода газа в межволоконное пространство пучка полых волокон. Ввод сырьевого газа, вывод пермеата и ретентата осуществляются через каналы соответствующих штуцеров.
Одним из основных технических требований, предъявляемых к мембранным модулям как к основным узлам газоразделительного оборудования, являются простота конструкции, с одной стороны, и обеспечение надежности работы модуля в процессе газоразделения в условиях воздействия больших перепадов давления, с другой стороны. Поэтому при разработке или усовершенствования конструкции единичного мембранного модуля стоит задача повышения его надежности и долговечности при сохранении простоты конструкции, удобства монтажа и изготовления.
Известен мембранный газоразделительный модуль, включающий цилиндрический горизонтально расположенный корпус, содержащий два симметрично расположенных торцевых участка большего диаметра, сопряженных коническими переходами с центральным участком меньшего диаметра и торцевыми крышками, внутри которого зеркально относительно его центральной поперечной оси расположены два мембранных картриджа. Мембранный картридж представляет собой пучок полых полимерных волокон, расположенных вокруг осевой перфорированной трубы, которые своими концами загерметизированы в торцевых заливках, причем пермеатная торцевая заливка пучка полых волокон каждого картриджа находится возле торцевой крышки модуля, а глухая заливка расположена на противоположном конце картриджа у центра модуля.
Поверхность пучка полых волокон каждого картриджа между торцевыми заливками делится на газонепроницаемую зону, занимающую большую часть всей поверхности пучка, и значительно меньшую по длине открытую входную зону, предназначенную для прохода газа в межволоконное пространство пучка полых волокон. Газонепроницаемая зона характеризуется наличием внешнего экрана, выполненного из газонепроницаемого материала, и закрыта фильтрующим полотном для улавливания механической пыли. Входная зона не имеет такого покрытия и открыта для прохода газа в межволоконное пространство пучка полых волокон. При этом каждый картридж располагается внутри корпуса таким образом, что входная зона находится на торцевом участке корпуса модуля вблизи пермеатной заливки, а экранированная газонепроницаемая зона - на центральном участке.
Длина торцевых участков с большим диаметром соответствует длине, ограниченной торцом корпуса и входной зоной. Внутренний диаметр центрального участка корпуса соответствует внешнему диаметру экранированной зоны и выполнен с возможностью одновременного обеспечения свободного монтажа/демонтажа мембранных картриджей и их плотной посадки в месте уплотнения кольцевыми прокладками, для установки которых на торцевых заливках картриджей выполнены проточки. После места уплотнения внутренний диаметр центральной части корпуса уменьшен до оптимального размера, обеспечивающего плотную посадку мембранных картриджей в корпусе.
Между торцевой пермеатной заливкой каждого картриджа и соответствующей торцевой крышкой в корпусе установлены упорные элементы, выполненные, например, в виде цилиндрической втулки с отверстием для прохода пермеата в соответствующие штуцера.
На корпусе модуля перпендикулярно его продольной оси расположены штуцеры входа сырья и выхода пермеата и ретентата. При этом два штуцера входа сырья расположены на его торцевых участках напротив входных зон пучка полых волокон картриджей. Штуцер выхода ретентата расположен в центре корпуса модуля, а два штуцера выхода пермеата расположены на торцевых участках корпуса вблизи торцевых крышек (патент РФ на изобретение №2595699, B01D 63/04, 05.06.2015).
Конструктивная особенность известного устройства состоит в расположении штуцеров пермеата на цилиндрическом корпусе модуля, что позволило снизить трудоемкость работ при монтаже/демонтаже мембранных картриджей в корпус модуля.
Однако известная конструкция модуля имеет ряд недостатков, касающихся обеспечения ее надежности и выполнения требуемых функций в условиях его применения:
- изменение конструкции торцевого участка из-за расположения штуцеров выхода пермеата на цилиндрическом корпусе модуля и добавление в нее упорного элемента отрицательно сказалось на надежности работы модуля в целом. Фиксация пермеатной заливки со стороны торцевой крышки при помощи упорного элемента и непосредственный контакт торцевой поверхности заливки с ним приводит к тому, что в процессе эксплуатации модуля при резком падении давления сырьевого потока давление в пермеатной зоне становится выше, чем в межволоконном пространстве и возникает противодавление. Поскольку пермеатная заливка не имеет ограничений по осевому перемещению в сторону центра модуля, она будет смещаться в этом направлении, из-за чего упорный элемент потеряет сцепление с заливкой и, в зависимости от конструкции, центровку. При восстановлении рабочего перепада давления и возвращении пермеатной заливки в исходное состояние, особенно если такое возвращение будет происходить быстро, ее торцевая поверхность с открытыми концами полых волокон может быть повреждена или даже разрушена упорным элементом, что приведет к выходу модуля из строя. Аналогичные повреждения могут быть вызваны и перепадом давлений при нормальной работе модуля, когда давление в межволоконном пространстве пучка полых волокон значительно превышает давление в пермеатной зоне. Под действием рабочего перепада давлений торцевая поверхность будет испытывать на себе встречное давление упорного элемента, что также приведет к ее разрушению;
- дополнительным фактором, увеличивающим риск повреждения торцевой пермеатной заливки, прочность которой ослаблена наличием на ее торцевой поверхности открытых концов полых волокон, является и малая площадь ее контакта с упорным элементом, на которую при высоком перепаде рабочих давлений будет приходиться существенная нагрузка;
- недостаточная надежность уплотнения по глухой торцевой заливке из-за неудобства ее монтажа, вызванного сложной конструкцией цилиндрического корпуса модуля; имеющего несколько участков разного диаметра и конические переходы между ними; такая конфигурация существенно затрудняет вставку и последующее уплотнение длинного картриджа в корпус модуля, особенно в условиях ограниченного пространства корпуса, когда установленная в соответствующую проточку на глухой заливке картриджа кольцевая прокладка должна преодолеть по внутренней поверхности корпуса до места уплотнения расстояние, равное длине картриджа, испытывая при этом его вес. Поскольку вероятность перекоса и/или повреждения прокладки в этой ситуации довольно высока, необходимая надежность уплотнения может быть не достигнута;:
- точное и надежное сопряжения всех элементов данного уплотнения требует высокой чистоты обработки внутренней поверхности корпуса, соответствия ее размеров размерам глухой заливки, а также точности выполнения кольцевой проточки на ее поверхности. Несоответствие точности выполнения хотя бы одного из этих элементов может привести к недостаточной герметичности и надежности уплотнения и, следовательно, к выходу модуля из строя в процессе эксплуатации;
- расположение штуцеров входа сырьевого газа в корпусе модуля непосредственно напротив открытых зон на поверхности пучка полых волокон картриджа, предназначенных для входа сырья в межволоконное пространство, также снижает надежность модуля, так как в процессе работы модуля такая подача сырья приведет к быстрому разрушению волокна и выходу модуля из строя. Причиной этого является механическое воздействие струи входного сырьевого потока непосредственно на волокно в открытой зоне, а также его термическое воздействие в период пуска, когда на холодный непрогретый пучок полых волокон картриджа с высокой скоростью подается горячий поток сырьевого газа;
- наличие фильтрующего полотна на поверхности экранированной газонепроницаемой зоны картриджа, в то время как волокно входной зоны лишено такого покрытия и не защищено от механической пыли, что, безусловно, приведет к его быстрому износу;
- сплошная перфорация опорной трубы, которая приводит к неравномерности прохождения сырьевого потока в межволоконном пространстве пучка и возникновению застойных зон и локальных напряжений.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является мембранный модуль в составе устройства для многостадийной очистки газовой смеси, включающий горизонтально расположенный цилиндрический корпус, содержащий центральный участок, симметрично расположенные торцевые участки и торцевые крышки. Центральный участок корпуса выполнен с постоянным внутренним и наружным диаметром. Внутри корпуса, зеркально по отношению к центральной поперечной оси, установлены два картриджа. Каждый картридж представляет собой пучок полых волокон, намотанных на перфорированную опорную трубу. Концы волокон пучка загерметизированы в двух торцевых заливках. На поверхности пермеатной заливки, расположенной в торцевом участке корпуса около крышки модуля, концы загерметизированных полых волокон открыты, что позволяет потоку пермеата свободно выходить из внутреннего волоконного пространства пучка волокон; а на поверхности глухой заливки на конце картриджа на центральном участке модуля концы полых волокон полностью загерметизированы. Пермеатные заливки являются границами между торцевыми и центральным участками корпуса.
В центральной части корпуса и соосно ему установлен коллектор сбора ретентата, соединенный со штуцером выхода ретентата, расположенным на корпусе перпендикулярно его продольной оси. Напротив штуцера выхода ретентата, также перпендикулярно продольной оси корпуса, расположен штуцер сырьевого потока. Коллектор герметично соединен с хвостовиками концов опорных труб картриджей. Штуцеры пермеата размещены на торцевых крышках корпуса на его продольной оси (Полезная модель РФ 149982, B01D 63/02, 18.07.2014).
Преимуществом прототипа, по сравнению с аналогом, является упрощенная форма обечайки корпуса и размещение коллектора сбора ретентата в центре корпуса. Совокупность указанных элементов конструкции устройства позволяет произвести монтаж и уплотнение картриджа в корпус без риска повреждения кольцевой прокладки, а также осуществить уплотнение полости ретентата по хвостовику опорной трубы картриджа, а не по глухой заливке, как в конструкции аналога, что обеспечивает более надежную герметизацию уплотнения и повышает надежность работы модуля в целом.
Другим достоинством прототипа является наличие только одного штуцера сырьевого потока и его размещение в центральной части корпуса. Это позволяет обеспечить более равномерное распределение газового потока по периферии пучка полых волокон картриджа за счет снижения скорости и температуры потока газа при входе в корпус модуля и предохраняет незащищенное волокно во входной зоне пучка картриджа от повреждений из-за локального перегрева и механического воздействия входного потока, повышая тем самым надежность работы модуля.
Однако конструкция прототипа не лишена недостатков, негативно влияющих на надежность работы модуля и частично повторяющих вышеуказанные недостатки аналога: отсутствие фиксации пермеатной заливки картриджей в корпусе модуля, которая может вызвать их смещение в сторону торцевых крышек или в сторону центра при перепадах давления; отсутствие фильтрующего покрытия входной зоны пучка полых волокон; сплошная перфорация опорной трубы.
Специфическим недостатком конструкции модуля прототипа, влияющим на надежность эксплуатации модуля в условиях высоких перепадов давлений газа, является размещение штуцеров пермеата на торцевых крышках корпуса. Такое расположение штуцеров не позволяет открывать крышки без демонтажа присоединенных к ним коммуникаций, что затрудняет монтаж/демонтаж картриджей в корпус модуля и усложняет запуск оборудования в эксплуатацию, особенно в составе газоразделительного блока, состоящего из нескольких модулей. Поскольку указанные операции ослабляют надежность уплотнений коммуникаций газоразделительного блока, после масштабного демонтажа оборудования требуется тщательная проверка герметичности уплотнений всех вновь собранных коммуникаций для обеспечения безотказности работы блока, что сказывается на надежности эксплуатации модуля в составе газоразделительного блока.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является усовершенствование конструкции мембранного модуля с целью обеспечения надежности его работы в процессе длительной эксплуатации в составе блочного газоразделительного устройства
Технический результат состоит в повышении надежности работы модуля по параметрам долговечности, безотказности и сохраняемости элементов его конструкции при эксплуатации в условиях высокого перепада давления.
Указанная задача решается за счет того, что в газоразделительном мембранном модуле, состоящем из горизонтально расположенного цилиндрического корпуса, включающего симметрично расположенные торцевые участки и центральный участок, имеющий постоянный по его длине внутренний и наружный диаметр, на внешней поверхности которого, в центре корпуса и перпендикулярно его продольной оси, размещены штуцеры входа сырьевого потока и выхода ретентата, а внутри которого, зеркально по отношению к центральной поперечной оси, установлены два картриджа, каждый из которых содержит цилиндрический пучок полых волокон, намотанных на опорную трубу, и торцевые заливки, в которых загерметизированы концы полых волокон, при этом на поверхности торцевой пермеатной заливки, расположенной на торцевом участке корпуса, концы загерметизированных полых волокон открыты, в то время как в торцевой глухой заливке, расположенной на центральном участке корпуса, концы полых волокон загерметизированы полностью, а в центре корпуса и соосно ему установлен коллектор сбора ретентата, герметично соединенный с хвостовиками опорных труб и сообщенный со штуцером выхода ретентата; а также торцевых крышек и штуцеров выхода пермеата, согласно полезной модели, штуцеры выхода пермеата расположены на внешней поверхности торцевых участков корпуса перпендикулярно его продольной оси; внутри корпуса, на границе центрального и каждого торцевого участка, выполнен ограничительный элемент, предназначенный для фиксации торцевой пермеатной заливки; между торцевой пермеатной заливкой и торцевой крышкой установлен упорный элемент, выполненный с возможностью прохождения пермеата в штуцер выхода пермеата; между упорным элементом и торцевой пермеатной заливкой дополнительно установлен предохранительный элемент с отверстиями, а боковая поверхность пучка полых волокон состоит из газонепроницаемой зоны и входной зоны, покрытой фильтрующим полотном.
Дополнительное повышение надежности конструкции достигается за счет следующих признаков:
- газонепроницаемая зона боковой поверхности пучка полых волокон также покрыта фильтрующим полотном;
- для увеличения площади входной зоны боковая поверхность пучка полых волокон не имеет газонепроницаемого участка и может состоять только из входной зоны, полностью открытой для входа газа;
- опорная труба может иметь перфорацию только на участке, непосредственно примыкающем к торцевой глухой заливке, или по всей ее длине в межволоконном пространстве;
- для центрирования хвостовика опорной трубы на него надевается дополнительная съемная направляющая; которая может быть выполнена в виде салазок или ролика. Центрирующая направляющая хвостовика также может иметь несъемную конструкцию;
- для обеспечения центровки картриджа при его установке в корпус могут быть выполнены центрирующие направляющие на боковой цилиндрической поверхности глухой заливки или центрирующие направляющие на внутренней поверхности обечайки корпуса;
- центральный и торцевой участки корпуса модуля изготовлены в виде цилиндра, имеющего одинаковый постоянный наружный диаметр, при этом торцевой участок имеет увеличенный внутренний диаметр, благодаря чему на границе с центральным участком образуется ограничительный элемент в форме уступа, предназначенный для фиксации торцевой пермеатной заливки. В качестве ограничительного элемента могут быть использованы стопорное кольцо, установленное в проточенную на внутренней стороне корпуса канавку, или пружина, установленная на хвостовике опорной трубы картриджа;
- упорный элемент может быть снабжен направляющими, которые центрируют его при монтаже модуля, при этом центрирующие направляющие упорного элемента могут быть съемной и несъемной конструкции;
- предпочтительно, чтобы предохранительный элемент с отверстиями, установленный между упорным элементом и торцевой поверхностью пермеатной заливки, имел форму диска;
- предохранительный элемент и упорный элемент могут быть выполнены как единая конструкция, при этом предохранительный элемент дополнительно выполняет функцию направляющих;
- предохранительный элемент с отверстиями, установленный между упорным элементом и торцевой поверхностью пермеатной заливки, может быть выполнен из металла, керамики, полимера или другого подходящего по прочности материала;
- внешний размер упорного элемента максимально приближен к внутреннему диаметру торцевого участка корпуса, обеспечивая его центровку при монтаже в отсутствие направляющих;
- цилиндрический корпус модуля может иметь вертикальное расположение. В этом случае в корпус устанавливается только один картридж, а вместо второго картриджа, со стороны глухой заливки после коллектора сбора ретентата, корпус заканчивается днищем.
Устройство поясняется чертежом, на котором представлен газоразделительный мембранный модуль, включающий горизонтально расположенный цилиндрический корпус 1, содержащий центральный участок 2, симметрично расположенные торцевые участки 3 и торцевые крышки 4. Внутри корпуса, зеркально по отношению к его центральной поперечной оси, установлены два картриджа 5, каждый из которых представляет собой пучок полых волокон, намотанных на опорную трубу 6. Концы волокон пучка загерметизированы в двух торцевых заливках, причем на поверхности торцевой пермеатной заливки 7, расположенной на торцевом участке корпуса возле крышки модуля, концы загерметизированных полых волокон открыты, а на поверхности глухой торцевой заливки 8 на другом конце картриджа, на центральном участке модуля, концы полых волокон загерметизированы полностью. Поверхность пучка полых волокон между глухой и пермеатной заливками включает газонепроницаемую зону 9, изолированную от внешней среды с помощью специального газонепроницаемого покрытия, и свободную от указанного покрытия входную зону 10. Входная зона закрыта фильтрующим полотном.
В центральной части корпуса и соосно ему установлен коллектор 11 сбора ретентата, в котором при помощи кольцевой прокладки 13, установленной в канавке, выполненной на его внешней поверхности, произведено кольцевое уплотнение хвостовика 12 открытого конца опорной трубы, проходящего через глухую заливку. Другой конец опорной трубы герметично заглушен в пермеатной заливке. В центральной части корпуса перпендикулярно его продольной оси расположены штуцер 14 входа сырьевого потока и штуцер 15 выхода ретентата, соединенный с коллектором сбора ретентата. Штуцеры 16 выхода пермеата расположены на торцевых участках корпуса вблизи торцевых крышек перпендикулярно его продольной оси. По внутренней поверхности торцевого участка корпуса при помощи кольцевой прокладки 17, установленной в канавку на боковой цилиндрической поверхности пермеатной заливки, выполнено уплотнение пермеатной заливки. Пермеатная заливка упирается в ограничительный элемент 18, имеющийся на внутренней поверхности торцевой части корпуса на границе центрального и торцевого участков каждого картриджа. Между торцевой крышкой и торцевой поверхностью глухой заливки расположен упорный элемент 19, выполненный с возможностью прохождения потока пермеата в штуцер выхода пермеата. Между торцевой поверхностью глухой заливки и упорным элементом установлен предохранительный элемент 20, имеющий отверстия для свободного выхода пермеатного потока из внутренних каналов полых волокон. Упорный элемент может быть снабжен направляющими, расположенными на его внешней поверхности для облегчения центровки. На участке опорной трубы картриджа, примыкающем к глухой заливке, выполнена перфорация 21. На боковой цилиндрической поверхности глухой заливки могут быть установлены направляющие 22, не препятствующие свободному прохождению сырьевого потока в кольцевом канале между глухой заливкой и внутренней стенкой корпуса.
Мембранный газоразделительный модуль работает следующим образом.
Поток сырьевого газа с относительно высоким давлением и высокой температурой поступает в центральную часть корпуса через штуцер 5 входа сырьевого потока. Затем поток равномерно распределяется в кольцевом канале между глухой заливкой 8 каждого картриджа и внутренней поверхностью корпуса 1 модуля и, стабилизируясь по температуре, движется вдоль изолированной газонепроницаемым материалом зоны 9 пучка волокон, и равномерно, со всех сторон, поступает в межволоконное пространство пучка через входную зону 10 картриджа, закрытую слоем фильтрующего полотна, на котором происходит механическая очистка сырьевого потока от примесей. Наличие указанных элементов конструкции модуля повышает надежность его работы за счет предохранения открытой поверхности волокна от повреждений термического характера, которые возникают при подаче горячего потока в холодный модуль, а также от механических повреждений частицами пыли. Затем, в межволоконном пространстве сырьевой газ начинает двигаться вдоль полых волокон в обратном направлении, в сторону центра модуля. При этом легкопроникающие компоненты (пермеат) начинают преимущественно проникать через стенку мембраны, концентрируясь в каналах полых волокон. В конце своего движения в межволоконном пространстве вдоль полых волокон сырьевой поток, обедненный по легкопроникающим компонентам, через частичную перфорацию 21 в опорной трубе 6, расположенную вблизи глухой заливки, и через ее внутренний канал, через хвостовик 12 покидает картридж в виде ретентата и поступает в коллектор 11 сбора ретентата. Сконцентрированные в каналах полых волокон легкопроникающие компоненты в виде потока пермеата с относительно низким давлением выходят через открытые концы полых волокон на торцевой поверхности пермеатной заливки 7, проходят через отверстия предохранительного элемента 20 и покидают модуль через отверстие в упорном элементе 19 и штуцер 16 выхода пермеата.
Второй картридж работает аналогичным образом, при этом ретентат второго картриджа через соответствующий патрубок поступает в коллектор 11 сбора ретентата, а затем выходит из модуля через штуцер 15 выхода ретентата в виде объединенного потока из двух картриджей. Пермеат второго картриджа выходит из модуля через второй штуцер 16 выхода пермеата.
Таким образом, в результате усовершенствования конструкции торцевой зоны модуля, обусловленной установкой штуцеров выхода пермеата на внешней поверхности торцевых участков корпуса, также повышается надежность его работы: наличие ограничительного элемента, например, в виде уступа 18, исключает перемещение картриджа в сторону центра корпуса из-за противодавления, которое может возникнуть при работе модуля; предохранительный элемент 20 с отверстиями, установленный между упорным элементом 19 и торцевой поверхностью пермеатной заливки 7, предохраняет последнюю от разрушения высоким рабочим давлением и механическим воздействием упорного элемента.
Использование указанных вариантов центрирующих устройств на картридже, упорном элементе и хвостовике опорной трубы способствует точности монтажа и надежности уплотнений.
Выполнение перфорации 21 опорной трубы только на коротком участке вблизи глухой заливки 8 позволяет оптимизировать движение потоков в межволоконном пространстве пучка полых волокон, что также способствует надежности работы модуля в процессе газоразделения.
Усовершенствованная конструкция заявляемого мембранного газоразделительного модуля обеспечивает надежность его работы в процессе длительной эксплуатации в составе блочного газоразделительного устройства, обеспечивает долговечность, безотказность и сохраняемость элементов его конструкции при использовании в условиях высоких перепадов давления.