ПОЛОВОЛОКОННЫЙ ГАЗОРАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к области разделения газов и может быть использована для сепарации газовых смесей.
Половолоконные модули эффективны при разделении газовых и жидких смесей благодаря тому, что характеризуются большой площадью мембраны на единицу объема. Однако существует необходимость в дальнейшем повышении эффективности половолоконных модулей. Оно может быть достигнуто различными способами.
Лучшим способом является увеличение диаметра модуля. Модуль остается компактным и удобным в изготовлении, и нет необходимости в изменении таких характеристик, как повышение давления, изменение рабочей температуры и т.д. Однако при увеличении диаметра модуля повышаются требования, предъявляемые к составам герметиков, используемых для герметизации волокон. В промышленности для герметизации волокон обычно используют полимерные смеси.
Например, известен половолоконный мембранный модуль, который включает трубчатый корпус; комплект многочисленных половолоконных мембран, смонтированный в корпусе модуля; клеевые фиксирующие элементы, закрепляющие торцевые концы комплекта мембран в корпусе модуля так, что исходная текучая среда может проходить через внутреннее пространство половолоконных мембран; переходный элемент для проникающего потока текучей среды, предназначенный для проницаемого соединения наружных торцевых поверхностей клеевых фиксирующих элементов посредством трубы с эквивалентным диаметром, значительно большим, чем у половолоконных мембран; и распределительный входной элемент для сырой текучей среды, предназначенный для подачи сырой текучей среды в корпус модуля возле одного из клеевых фиксирующих элементов, где в распределительном входном элементе для сырой текучей среды имеется множество впускных отверстий для сырой текучей среды, просверленных в промежутке между половолоконными мембранами так, чтобы обеспечивать возможность подачи сырой текучей среды вдоль половолоконных мембран. В качестве клея может быть использован термореактивный полимерный материал, например эпоксидная смола, уретановая смола или силикон (см. патент РФ №2426586 C1, кл. МПК B01D 63/02, опубл. 20.08.2011).
Применение полимерных герметиков вызывает проблемы как при изготовлении модуля, так и при его применении. Технология герметизации является сложной, смеси отличаются долгим временем застывания, их сложно закрепить в модуле, так что требуется их обжимка металлом, из-за высокой вязкости полимера и высокой плотности укладки волокон они закрепляются неравномерно, особенно в случае изготовления модуля большого диаметра. Кроме того, в процессе герметизации при застывании полимерного материала возникают зоны локального перегрева. Температура в них настолько высока, что приводит к деградации (плавлению, разрушению), герметизирующих волокон и, как следствие, неработоспособности (неэффективной работе) половолоконного модуля. При эксплуатации половолоконного модуля проявятся другие недостатки применяемого герметика - старение полимера со временем и достаточно сильная усадка. При усадке герметика возникают острые пики, прилегающие к волокнам, которые при работе модуля могут нарушать их целостность (см. Фиг. 1. На Фиг. 1: A - Герметизации полимером, B - Усадка полимерного герметика и образование острых краев, C - Работа модуля. Расширение волокон под давлением, D - Обрыв волокон). Известный модуль применяют при очистке воды; в случае его применения в газоразделении еще одним недостатком станет неэффективный теплоотвод.
Для улучшения усадки и адгезии герметика к волокнам, а также улучшения затвердевания в патенте РФ №2426586 в смесь могут добавлять тонкодисперсный порошок, такой как сажа. Однако сажа легко воспламеняется. При попытке использовать известный модуль для газоразделения это может привести к повреждению и плавлению волокон, а также воспламенению или взрыву газовых смесей. Кроме того, при высоких температурах сажа может химически взаимодействовать с компонентами разделяемых смесей, например с водородом, с образованием взрывоопасного метана.
Наиболее близким к предложенному (прототипом) является половолоконный газоразделительный модуль, включающий полые волокна, помещенные в «сыром» состоянии в полую цилиндрическую форму (например, керамическую, металлическую, стеклянную), и загерметизированные путем заливки их герметиком, нагрева до спекания материала волокон и твердения герметика. Концы волокон с герметиком срезаны, и одна или нескольких форм с полыми волокнами закреплены в корпусе модуля, имеющем отверстия, соответствующие срезам волокон (см., патент US US 6887304 В2, кл. МПК B01D 63/00, опубл. 03.05.2005).
Обычно в этом модуле используют керамические волокна и полимерный герметик, что приводит ко всем вышеперечисленным недостаткам: долгое время застывания; сложность закрепления; неравномерность закрепления волокон, что может нарушить работоспособность модуля, так как срезы волокон не будут соответствовать отверстиям в корпусе модуля; старение полимера со временем; достаточно сильная усадка, при которой возникают острые пики; неэффективный теплоотвод и образование зон локального перегрева.
В перечне, приведенном в описании к патенту US 6887304, указано, что могут применять и полые волокна из стали или сплавов переходных металлов и герметик из того же материала, что и сами волокна, то есть сплава металла того же состава. Однако в этом случае изготовление модуля практически неосуществимо из-за того, что температуры плавления материалов герметика и волокон совпадают. Герметизация при этой температуре приведет к плавлению и разрушению самих волокон, а при меньшей температуре будет неэффективной. Полученный известным способом модуль окажется неработоспособным.
Кроме того, независимо от состава волокон и герметика герметизация путем литья герметика в форму с волокнами может привести к заливке герметика в их открытые концы. Волокна с залитыми герметиком полостями не будут участвовать в работе модуля.
Задача полезной модели - повышение эффективности герметизации волокон в половолоконном газоразделительном модуле и исключение разрушения полых волокон как в процессе герметизации, так и в процессе эксплуатации из-за усадки герметика.
Поставленная задача решается тем, что в половолоконном газоразделительном модуле, включающем корпус и закрепленную в нем полую цилиндрическую форму с герметизированными сплавом металлов полыми волокнами со срезанными концами, зону ввода газовой смеси и зоны выхода прошедшего и не прошедшего через мембрану газов, в качестве сплава металлов используют легкоплавкий сплав, температура плавления которого ниже температуры плавления волокон и выше заранее заданной температуры работы модуля, в качестве полых волокон - волокна, предварительно проклеенные и покрытые слоем нефтепродукта с температурой кипения выше температуры плавления герметика, а полая цилиндрическая форма выполнена с горизонтальными сквозными отверстиями по периметру цилиндра.
Использование в качестве герметика легкоплавких сплавов с заданной температурой плавления - ниже температуры плавления герметизируемых волокон и выше температуры, при которой будет работать модуль - обеспечивает много преимуществ по сравнению с обычно применяемыми герметиками из полимерных смесей: скорость изготовления, простота изготовления, экологическая безопасность (в том числе возможность повторного применения сплавов в качестве герметика, что не реализуется в случае применения полимерных смесей), легкая фиксация герметика в модуле, равномерная герметизация без образования полостей между волокнами, обеспечение хорошего теплоотвода благодаря теплоемкости, отличная адгезия герметика к проклеенным волокнам. Кроме того, усадка полимерных сплавов является очень низкой, и острые пики не образуется. Для еще большего снижения усадки до герметизации на волокна наносят толстый слой вязкого нефтепродукта, например вазелинового масла. Нефтепродукт выбирают из различных смазочных масел, а также других нефтепродуктов, температура кипения которых выше температуры плавления герметика, так что в процессе герметизации нанесенный на волокна нефтепродукт не испаряется. В этом случае в процессе эксплуатации возникают вогнутые пики, которые не повреждают волокон (см. Фиг. 2) при работе половолоконного модуля. На Фиг. 2: E - герметизация легкоплавким сплавом металла волокон с нанесенным на них нефтепродуктом, F - усадка легкоплавкого сплава. Толстый слой нефтепродукта на поверхности волокон получают, погружая в него проклеенные и собранные в пучок или упакованные волокна.
Могут применять любые волокна с температурой плавления выше температуры плавления сплава - керамические, металлические, полимерные. Основными компонентами легкоплавкого сплава могут являться свинец, висмут, олово, кадмий, таллий, ртуть, индий, галлий или цинк, Например, при применении полиамидных волокон в качестве герметика могут использовать сплав Розе. Температура плавления полиамида-6 составляет около 215-220°C, тогда как температура плавления сплава Розе только 94°C.
Клей не должен химически взаимодействовать с материалом волокон - в частности, при применении полиамидных волокон подходит эпоксидный клей.
Предварительное проклеивание волокон эпоксидным клеем или иным клеем с достаточной адгезией к материалу волокон так, чтобы их концы были запечатаны (изолированы), позволяет избежать заливки полостей волокон герметиком. Высота нанесенного слоя клея не должна превышать высоты столба расплавленного сплава металла, например составлять примерно половину его высоты.
Предложенный половолоконный модуль получают следующим образом. Перед началом собственно герметизации в разъемный стакан для плавления и герметизации вставляют полую цилиндрическую форму и помещают в нее гранулы сплава, нагревают стакан до температуры плавления сплава и удаляют шлак, выступивший на поверхность расплава. По периметру полой цилиндрической формы сделаны горизонтальные отверстия, и герметизирующий сплав проникает в эти отверстия. В процессе застывания герметизирующего сплава образуются распорки, дополнительно закрепляющие загерметизированные волокна в каркасе.
Только после этого в расплав погружают подготовленные волокна. Нагревание стакана прекращают. Максимально погруженные волокна выдерживанию в расплаве герметика до полного его застывания.
Затем разъемный стакан разделяют, извлекая форму с герметизированными волокнами. Стакан легко можно собрать и вновь использовать для изготовления половолоконного модуля. Выступающую часть сплава вместе с волокнами срезают, таким образом, открывая срез загерметизированных волокон.
Полая цилиндрическая форма создана из того же материала, что и корпус модуля (из металла, чаще всего из нержавеющей стали), поэтому она становится частью модуля. Ее закрепляют в корпусе модуля, например, с помощью сварки. Возможны и другие способы соединения.
Полученный половолоконный газоразделительный модуль изображен на Фиг. 3 и Фиг. 4, где отражены разные модели модулей, отличающиеся друг от друга лишь местами ввода и выхода газов. Модуль состоит из корпуса модуля (5) с зоной ввода газовой смеси (1); зоной выхода газа, не прошедшего через мембрану волокон (2); зоны выхода газа, проходящего через волокна (4). С двух концов волокна загерметизированы сплавом металлов в полой цилиндрической форме (3) с горизонтальными отверстиями по периметру (7), выполненной из того же материала, что и корпус модуля (например, нержавеющая сталь). На Фиг. 5 изображено сечение внутренней детали корпуса - полой цилиндрической формы, заполненной загерметизированными полыми волокнами (6). На Фиг. 6 показан разъемный стакан с формой и погруженными в расплав герметика волокнами. Материал проклейки (9) обладает адгезией и к волокнам (6), и к герметику (10), обеспечивая закрепление волокон в герметике, а также защищая полость (8) каждого волокна от заполнения герметиком.
Половолоконный газоразделительный модуль могут использовать для разделения газовых смесей, например выделения гелия, азота из природного газа, очистки водорода и синтез-газа и т.д.
Установка работает следующим образом.
Разделяемую газовую смесь подают в зону (1) корпуса модуля (5). Смесь проникает через полые загерметизированные волокна (6), и выделяемый компонент выводят посредством создания отрицательного давления (вакуума) через зону (4). Не прошедший через полые волокна газ выводят через зону (2). Поверхность волокон, которая проклеена и покрыта нефтепродуктами, не участвует в процессе газоразделения (через них просто проходит газ).
Благодаря данному способу герметизации диаметр модуля может варьироваться. Волокна надежно зафиксированы в модуле. Обеспечена их плотная укладка с получением равномерной ячеистой структуры (см. Фиг. 5). Полые волокна в процессе изготовления не подвергались разрушению, повреждению или заливке полости герметиком. Благодаря нанесенному на волокна слою нефтепродукта и низкой усадке сплава в процессе эксплуатации также не происходит разрушения волокон. Сплавы металлов как герметики обеспечивают хороший теплоотвод, предотвращая возможность воспламенения или взрыва разделяемых газовых смесей. Таким образом, поставленная задача успешно выполнена.