СПОСОБ И СИСТЕМА МЕМБРАННОГО ГАЗОРАЗДЕЛЕНИЯ С РЕГУЛИРУЕМЫМ КОЛИЧЕСТВОМ ПЕРМЕАТА, РЕЦИРКУЛИРУЕМЫМ В ПОДАЧУ
METHOD AND SYSTEM FOR MEMBRANE GAS SEPARATION WITH CONTROLLED AMOUNT OF PERMEATE RECYCLED IN FEED

Перекрестная ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка испрашивает приоритет по отношению к предварительной заявке на патент США №61/185965, поданной 10 июня 2009 г.
Уровень техники
Существует множество процессов с использованием газов, в ходе которых, из-за относительно высокой стоимости газа, было бы желательно его извлекать. Однако во многих из этих процессов образуется различное количество газа, подлежащего извлечению. Таким образом, идеальная газоулавливающая система должна обеспечивать эффективное и рентабельное извлечение газа даже несмотря на то, что количество газа, подлежащего извлечению, переменно во времени. Два примера таких процессов - это охлаждение оптических волокон в охлаждающих башнях в ходе производства оптических волокон и тепловая обработка деталей в вакуумных печах. Специалистам в области газоразделения известно, что имеется множество других процессов, в которых образуются такие переменные потоки, и для которых может оказаться желательным извлечение относительно дорогостоящего газа.
При производстве оптических волокон, расплавленное стекло экструдируют через головку. Расплавленное стекло быстро охлаждают в длинной охлаждающей башне (вытяжной башне). Чтобы повысить теплопередачу в охлаждающей башне, в качестве теплопередающей среды используют гелий. Поскольку запасы гелия ограничены, а цены на него растут, гелий желательно улавливать и рециркулировать.
Повторное использование гелия в охлаждающей вытяжной башне для вытягивания оптических волокон - сложная задача. Из-за добавления в гелий воздуха во время процесса извлечения из башни, полученный гелий может содержать всего лишь 60% об. гелия, остальное - воздух. Было бы желательно иметь возможность извлечения гелия высокой степени чистоты. Высокая степень чистоты продукта извлечения - гелия (например, >99% об./об.), предназначенного для рециркуляции в охлаждающую башню, необходима с точки зрения повышения эффективности охлаждения, тогда как приемлемо высокая степень извлечения гелия требуется с точки зрения экономической обоснованности процесса извлечения.
Типичные установки для вытягивания оптических волокон включают множество башен. Поток гелия в каждой из них изменяется в зависимости от потребностей охлаждения в данной башне. Понятно, что в каждой башне подаваемый поток гелия индивидуален. По экономическим причинам было бы предпочтительно, чтобы все башни обслуживались одной установкой по извлечению гелия. В идеале, такая потенциальная система должна обладать способностью компенсации изменений потока. Таким образом, такая потенциальная система должна быть пригодна для функционирования в широком диапазоне изменения подаваемого потока в условиях подключения или отключения отдельных вытяжных башен.
Одним из типов технологий газоразделения является отделение газа при помощи мембран, в частности, полимерных мембран. Мембранное газоразделение осуществляют путем подачи исходного газа на вход газоразделительной мембраны. В зависимости от состава конкретной полимерной мембраны, некоторые газы (именуемые быстрые газы) в большей степени проникают сквозь мембрану, чем другие газы (именуемые медленные газы). Быстрые газ(ы) собирают как поток пермеата, тогда как медленные газ(ы) собирают как поток ретентата или остаточный поток. Было предложено использовать мембраны для извлечения гелия из охлаждающих башен при производстве оптических волокон. В случае стеклообразных полимерных мембран, гелий является быстрым газом, тогда как компоненты воздуха кислород и азот являются медленными газами. Мембранные устройства, обычно, проектируют на основании расхода при постоянной подаче. Другими словами, количество мембранных модулей с мембраной данного типа определяют на основании ожидаемого расхода исходного газа при его постоянной подаче в устройство. Число мембранных модулей, необходимых для данного варианта применения, прямо пропорционально расходу исходного газа. Для мембранных устройств с высоким расходом нужно большое число мембранных модулей. Диапазон изменения представляет собой параметр, который характеризует способность процесса или устройства справляться с изменениями исходного потока относительно максимального потока. Он может быть выражен следующим уравнением:
Изменение этого параметра для относительно крупных устройств можно без труда компенсировать путем подключения или отключения одного или более из множества мембранных модулей. Проще говоря, чтобы компенсировать изменения расхода подаваемого газа, регулируют общую площадь поверхности мембран, с которой вступает в контакт исходный газ.
Для устройств с относительно небольшим исходным потоком, таких как вытяжные башни для оптических волокон, такой многомодульный подход реализовать сложно. Причина в том, что при максимальном потоке для достижения заданной степени чистоты и извлечения продукта может быть достаточно только одного мембранного модуля. Например, одной мембраны диаметром 1'' или 2'' (25,4 или 50,8 мм) (часто, минимальное из выпускаемых серийно мембранных устройств) может быть достаточно для максимального потока. Хотя использование единственного мембранного модуля может быть рентабельным с точки зрения капитальных затрат, неприемлемые эксплуатационные характеристики могут иметь место, когда исходный поток намного меньше, чем максимальный. Одним из потенциальных вариантов решения этой проблемы, связанной с наличием таких потоков, является использование указанного выше многомодульного подхода. Чтобы адаптировать многомодульный подход для таких малых потоков, необходимо использовать многочисленные, изготовленные на заказ мембранные разделители. Таким образом, это в значительной степени специализированное и неэффективное (в отношении затрат) решение.
При тепловой обработке деталей в вакуумных печах, относительно высокую температуру деталей быстро снижают при помощи инертного охлаждающего газа, такого как гелий. В зависимости от количества деталей, подлежащих тепловой обработке, может быть приведена в действие или отключена одна или более вакуумная печь. Уже предложены различные стратегии рециркуляции охлаждающего газа, включающие стадию очистки, на которой может быть предусмотрено использование газоразделительных мембран. Также как и при рециркуляции гелия из охлаждающих башен для оптических волокон, с экономической точки зрения было бы предпочтительно рециркулировать инертные газы, такие как гелий, из множества вакуумных печей, используя единственное устройство извлечения газа, такое как устройство, включающее газоразделительные мембраны. В идеальном случае, такое потенциальное устройство должно обладать возможностью компенсации изменения исходного потока в широком диапазоне, когда отдельные вакуумные печи приводятся в действие или отключаются.
Что касается конкретно гелия, в патентной литературе предложено несколько стратегий извлечения.
В патенте US 6517791 описано устройство извлечения гелия для процесса формообразования холодным распылением. Мембрана функционирует в однопроходном режиме. Целью очистки в данном устройстве является увеличение содержания гелия от, приблизительно, 90% He до 97% He - относительно небольшое увеличение. Для случая вытягивания оптических волокон, напротив, часто нужно относительно более значительное обогащение газа.
В патенте US 4448582 для извлечения гелия, рециркулируемого в вытяжную башню для вытягивания оптических волокон, используют криогенный способ.
Патенты US 5377491 и 5452583 также имеют отношение к рециркуляции гелия из вытяжной башни для вытягивания оптических волокон. Использование мембраны описано в качестве одного из нескольких способов очистки гелия, рециркулируемого в вытяжную башню. Точно так же, в патентах US 6092391 и 6253575 B1 описаны устройства более полного извлечения гелия для всего процесса вытягивания оптических волокон, включая консолидацию, вытяжную печь и охлаждение вытянутых волокон. Мембранное устройство описано как одно из средств извлечения гелия.
В патенте US 5158625 описан способ тепловой обработки изделий путем их закалки в рециркулируемой газовой среде, которая вступает в контакт с обрабатываемыми изделиями, каковой закалочный газ охлаждают при помощи теплообменника, при этом в качестве закалочного газа используют гелий. В конце операции закалки, используемое количество гелия выводят из отделения для обработки, на конечном этапе, посредством насоса, до достижения первичного вакуума. В отведенном гелии создают давление очистки при помощи компрессора, соединенного с механическим фильтром, гелий с давлением очистки направляют очистительное устройство, в котором из него удаляют загрязняющие примеси.
В патенте US 6517791 описан трехстадийный способ извлечения и очистки газообразного гелия и устройство, в котором реализуется этот трехстадийный способ. Газ из камеры формообразования холодным распылением подают в устройство удаления макрочастиц с целью получения не содержащего макрочастицы газообразного гелия. Первую часть не содержащего макрочастицы газообразного гелия рециркулируют обратно в камеру. Вторую часть не содержащего макрочастицы газообразного гелия направляют в первый компрессор, затем подают на мембрану очистки газообразного гелия с получением очищенного газообразного гелия и отходящего газа. Очищенный газообразный гелий затем направляют на смешивание с первой частью не содержащего макрочастицы газообразного гелия, подаваемой в камеру. Третью часть не содержащего макрочастицы газообразного гелия направляют в отделитель жидкости с целью удаления воды и в накопитель для ослабления пульсации, получая не содержащий жидкости газообразный гелий. Не содержащий жидкости газообразный гелий рециркулируют в камеру формообразования холодным распылением.
Хотя в цитируемой выше патентной литературе описаны различные варианты решений, ни один из описанных способов удовлетворительным образом не решает проблему, связанную с изменением в широком диапазоне расхода исходного потока.
Таким образом, имеется задача обеспечения усовершенствованных способа и системы для мембранного извлечения газа, пригодных для достижения достаточно высокой степени чистоты в широком диапазоне изменения расхода исходного потока.
Другой задачей является обеспечение усовершенствованных способа и систем для мембранного извлечения газа, пригодных для достижения достаточно высокой степени извлечения в широком диапазоне изменения расхода исходного потока.
Еще одной задачей является обеспечение усовершенствованных способа и система для мембранного извлечения газа, пригодных для получения удовлетворительных эксплуатационных характеристик в широком диапазоне изменения расхода исходного потока при приемлемо низких капитальных затратах.
Сущность изобретения
В настоящем документе раскрывается способ извлечения быстрого газа из процесса, производящего изменяющийся расход отходящего газа, содержащего быстрый газ и, по меньшей мере, один медленный газ. Данный способ включает следующие стадии. Обеспечивают множество источников газовой смеси, каковая газовая смесь содержит быстрый и медленный газы. Поток исходного газа принимают из одного или более таких источников, при этом поток исходного газа содержит быстрый и медленный газы, каковой поток исходного газа характеризуется переменным расходом, зависящим от того, сколько из множества источников активно производят газовую смесь. Поток исходного газа подвергают сжатию. Сжатый исходный газ подают на первичную газоразделительную мембрану. После первичной газоразделительной мембраны отводят первичный поток пермеата, обогащенный быстрым газом, и первичный остаточный поток, обедненный быстрым газом. Первую часть первичного потока пермеата направляют в компрессор, где первую часть первичного потока пермеата смешивают с потоком исходного газа и сжимают. Оставшуюся часть первичного потока пермеата отводят в качестве газа-продукта. Степень, в соответствии с которой первичный поток пермеата распределяют между первой частью и оставшейся частью, регулируют на основании одного из рабочих параметров данного способа.
Кроме того, в настоящем документе раскрывается система для извлечения представляющего интерес газа из процесса, производящего изменяющийся расход отходящего газа. Данная система включает: множество источников отходящего газа; канал подачи исходного газа, избирательно сообщается по текучей среде с этим множеством источников; компрессор, в котором имеется вход, сообщающийся по текучей среде с каналом исходного газа, и выход; первичную газоразделительную мембрану, имеющую вход, выход для пермеата и выход для остаточного потока; канал первичного пермеата, сообщающийся по текучей среде с выходом для пермеата первичной газоразделительной мембраны; канал газа-продукта, сообщающийся по текучей среде с каналом первичного пермеата; рециркуляционный канал, сообщающийся по текучей среде между каналом первичного пермеата и входом компрессора; рециркуляционный регулирующий клапан, сообщающийся по текучей среде с каналом первичного пермеата, рециркуляционным каналом и каналом газа-продукта; и устройство управления, предназначенное для управления пропорциональным регулированием, осуществляемым рециркуляционным регулирующим клапаном. Отходящий газ содержит быстрый газ и, по меньшей мере, один медленный газ. Рециркуляционный регулирующий клапан предназначен для регулирования пропорциональной доли газа-пермеата, которая может поступать из канала первичного пермеата в рециркуляционный канал, по отношению к доле, поступающей в канал газа-продукта. Вход первичной газоразделительной мембраны сообщается по текучей среде с выходом компрессора. Первичная газоразделительная мембрана является селективно проницаемой для быстрого газа в противоположность, по меньшей мере, одному медленному газу.
Способ и/или система могут характеризоваться одним или более из следующих аспектов:
- рабочий параметр подобран из группы, состоящей из количества источников из имеющегося множества, из которых поступает поток исходного газа; степени чистоты газа-продукта; степени извлечения представляющего интерес газа, достигаемой посредством осуществления указанного способа; расхода потока исходного газа; давления объединенного потока исходного газа и первой части первичного потока пермеата.
- множество источников включает множество охлаждающих башен для оптических волокон, быстрый газ представляет собой гелий, медленный представляет собой воздух.
множество источников включает множество гелиевых печей, быстрый газ представляет собой гелий.
Способ дополнительно включает следующие стадии:
подача первичного остаточного потока на вторичную газоразделительную мембрану;
отведение с вторичной газоразделительной мембраны вторичного потока пермеата и вторичного остаточного потока; и
направление вторичного потока пермеата в компрессор, где вторичный поток пермеата подвергается сжатию вместе в первой частью и потоком исходного газа.
Указанная стадия приема потока исходного газа включает следующие стадии:
объединение потоков отходящего газа из одного или более из множества источников;
сжатие объединенных потоков отходящего газа;
подача сжатых объединенных потоков отходящего газа на вторичную газоразделительную мембрану; и
отведение с вторичной газоразделительной мембраны вторичного потока пермеата, обогащенного быстрым газом, и вторичного остаточного потока, обедненного быстрым газом, где вторичный поток пермеата является потоком исходного газа.
Способ дополнительно включает следующие стадии:
обеспечение регулирующего клапана, сообщается по текучей среде с первичным потоком пермеата; и
подача на устройство управления сигнала, отражающего число источников из имеющегося множества, из которых принимается поток исходного газа, где:
- рабочий параметр представляет собой число источников из имеющегося множества, из которых принимается поток исходного газа; и
- устройство управления осуществляет распределение первичного потока пермеата на первую часть и оставшуюся часть посредством регулирующего клапана на основании полученного сигнала.
Способ дополнительно включает следующие стадии:
обеспечение регулирующего клапана, сообщающийся по текучей среде с первичным остаточным потоком, каковой регулирующий клапан пригоден для избирательного регулирования давления первичного остаточного потока;
измерение степени чистоты быстрого газа в газе-продукте; и
подача на устройство управления сигнала, отражающего измененную степень чистоты, при этом, устройство управления осуществляет регулирование давления первичного остаточного потока на основании сигнала степени чистоты газа-продукта посредством регулирующего клапана, сообщающийся по текучей среде с первичным остаточным потоком.
Указанная стадия приема потока исходного газа включает следующие стадии:
объединение потоков отходящего газа из одного или более из имеющегося множества источников;
сжатие объединенных потоков отходящего газа;
подача сжатых объединенных потоков отходящего газа на вторичную газоразделительную мембрану; и
отведение с вторичной газоразделительной мембраны вторичного потока пермеата, обогащенного быстрым газом, и вторичного остаточного потока, обедненного быстрым газом, где вторичный поток пермеата является потоком исходного газа.
Способ дополнительно включает следующие стадии:
обеспечение регулирующего клапана, сообщающийся по текучей среде с вторичным остаточным потоком, каковой регулирующий клапан пригоден для избирательного регулирования давления вторичного остаточного потока;
измерение степени чистоты быстрого газа в газе-продукте; и
подача на устройство управления сигнала, отражающего измененную степень чистоты, при этом, устройство управления осуществляет регулирование давления вторичного остаточного потока на основании измеренной степени чистоты посредством регулирующего клапана, сообщающегося по текучей среде со вторичным остаточным потоком.
Способ дополнительно включает следующие стадии:
обеспечение регулирующего клапана, сообщающегося по текучей среде с первичным потоком пермеата;
определение степени извлечения быстрого газа, достигаемой при помощи данного способа;
подача на устройство управления сигнала, отражающего определенную степень извлечения, при этом:
- рабочий параметр представляет собой степень извлечения представляющего интерес газа, достигаемую посредством реализации данного способа;
- устройство управления осуществляет распределение первичного потока пермеата на первую часть и оставшуюся часть на основании полученного сигнала посредством регулирующего клапана.
Способ дополнительно включает следующие стадии:
обеспечение регулирующего клапана, сообщающегося по текучей среде с первичным остаточным потоком, каковой регулирующий клапан пригоден для избирательного регулирования давления первичного остаточного потока;
измерение степени чистоты быстрого газа в газе-продукте; и
подача на устройство управления сигнала, отражающего измененную степень чистоты, при этом, устройство управления осуществляет регулирование давления первичного остаточного потока на основании сигнала степени чистоты газа-продукта посредством регулирующего клапана, сообщающегося по текучей среде с первичным остаточным потоком.
Указанная стадия приема потока исходного газа включает следующие стадии:
объединение потоков отходящего газа из одного или более из имеющегося множества источников;
сжатие объединенных потоков отходящего газа;
подача сжатых объединенных потоков отходящего газа на вторичную газоразделительную мембрану; и
отведение с вторичной газоразделительной мембраны вторичного потока пермеата, обогащенного быстрым газом, и вторичного остаточного потока, обедненного быстрым газом, где вторичный поток пермеата является потоком исходного газа.
Способ дополнительно включает следующие стадии:
обеспечение регулирующего клапана, сообщающегося по текучей среде с вторичным остаточным потоком, каковой регулирующий клапан пригоден для избирательного регулирования давления вторичного остаточного потока;
измерение степени чистоты быстрого газа в газе-продукте; и
подача на устройство управления сигнала, отражающего измененную степень чистоты, при этом, устройство управления осуществляет регулирование давления вторичного остаточного потока на основании измеренной степени чистоты газа-продукта посредством регулирующего клапана, сообщающегося по текучей среде с вторичным остаточным потоком.
Способ дополнительно включает следующие стадии:
обеспечение устройства управления;
осуществление стадий указанного способа при первом расходе потока исходного газа;
изменение числа охлаждающих башен, из которых поступает поток исходного газа и, тем самым, изменение расхода потока исходного газа;
подача на устройство управления сигнала, отражающего новое число охлаждающих башен, из которых поступает поток исходного газа;
регулирование при помощи устройства управления степени, в соответствии с которой первичный поток пермеата распределяется между первой частью и оставшейся частью, на основании поданного сигнала.
Способ дополнительно включает следующие стадии:
измерение давления объединенного потока исходного газа и первой части потока пермеата;
обеспечение регулирующего клапана, сообщающегося по текучей среде с первичным потоком пермеата; и
подача на устройство управления сигнала, отражающего измеренное давление, при этом:
- рабочий параметр представляет собой давление объединенного потока исходного газа и первой части потока пермеата; и
- устройство управления осуществляет распределение первичного потока пермеата на первую часть и оставшуюся часть на основании полученного сигнала посредством регулирующего клапана.
2
2
2
2
4
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
4
2
2
2
2
2
2
2
2
Быстрый газ и медленный газ подобраны из группы, состоящей из: H и Ne, H и CO, H и CH, H и N, H и O, H и O/N, CO и N, CO и O, CO и N/O, CO и CH, Ne и N, Ne и O, Ne и N/O, He и N, He и O, He и N/O.
Быстрый газ представляет собой гелий, медленный газ представляет собой воздух.
Вторичная газоразделительная мембрана имеет вход, сообщающийся по текучей среде с выходом для остаточного потока первичной газоразделительной мембраны, выход для вторичного остаточного потока и выход для вторичного пермеата; и
канал вторичного пермеата сообщающийся по текучей среде между выходом для пермеата вторичной газоразделительной мембраны и рециркуляционным каналом.
Вторичная газоразделительная мембрана имеет вход, избирательно сообщающийся по текучей среде со множеством источников, выход для вторичного остаточного потока и выход для вторичного пермеата, сообщающийся по текучей среде с каналом исходного газа.
Имеется устройство, определяющее, происходит ли или не происходит активное образование отходящего газа в одном или более источнике, при этом устройство управления дополнительно пригодно для приема от датчика сигнала, отражающего число источников, в которых активно образуется отходящий газ, и управления на основании этого сигнала пропорциональным регулированием, осуществляемым рециркуляционным регулирующим клапаном.
Устройство управления дополнительно пригодно для:
приема от датчика сигнала, отражающего степень извлечения быстрого газа, достигаемую в ходе функционирования данной системы;
управления на основании этого сигнала пропорциональным регулированием, осуществляемым рециркуляционным регулирующим клапаном.
Имеется датчик, пригодный для измерения концентрации быстрого газа в газе-продукте, находящемся в канале газа-продукта, и подачи на устройство управления сигнала, отражающего измеренную концентрацию, каковое устройство управления дополнительно пригодно для:
приема от датчика сигнала, отражающего измеренную концентрацию; и
управления на основании сигнала, отражающего измеренную концентрацию, пропорциональным регулированием, осуществляемым рециркуляционным регулирующим клапаном.
Имеется вторичная газоразделительная мембрана, которая имеет вход, сообщающийся по текучей среде с выходом для остаточного потока первичной газоразделительной мембраны, выход для вторичного остаточного потока и выход для вторичного пермеата.
Канал вторичного пермеата сообщающийся по текучей среде с выходом для пермеата вторичной газоразделительной мембраны и рециркуляционным каналом, при этом источниками отходящего газа являются охлаждающие башни для оптических волокон, а быстрый газ представляет собой гелий.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания сути и задач настоящего изобретения, необходимо сослаться на следующее далее подробное описание, приводимое в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых одинаковые элементы имеют одинаковые или аналогичные ссылочные позиции, и на которых:
Фиг.1 представляет собой схему одного из вариантов осуществления способа и системы для извлечения представляющего интерес газа из процесса, производящего расходы в широком диапазоне.
Фиг.2 представляет собой схему другого варианта осуществления способа и системы для извлечения представляющего интерес газа из процесса, производящего расходы в широком диапазоне.
Фиг.3 представляет собой схему другого варианта осуществления способа и системы для извлечения представляющего интерес газа-гелия из процесса, производящего расходы в широком диапазоне.
Фиг.4 представляет собой схему одного из вариантов осуществления способа и системы для извлечения гелия в процессе производства оптических волокон.
Фиг.5 представляет собой схему другого варианта осуществления способа и системы для извлечения гелия в процессе производства оптических волокон.
Фиг.6 представляет собой схему другого варианта осуществления способа и системы для извлечения гелия в процессе производства оптических волокон.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Настоящий способ и система предусматривают наличие одной или двух последовательных стадий мембранного разделения газа с использованием частичной рециркуляции потока пермеата, что обеспечивает достижения достаточно высокой степени чистоты быстрого газа, представляющего интерес, при достаточно высокой степени его извлечения в процессе получения широко изменяющихся потоков газовой смеси, содержащей быстрый газ и один или более медленный газ.
2
2
2
2
4
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
4
2
2
2
2
2
2
2
2
Специалистам в области мембранного разделения газов ясно, что существует множество сочетаний газовых смесей и газоразделительных мембран, способных разделять газовую смесь на поток пермеата, содержащий быстрый газ, и остаточный поток, содержащий один или более медленный газ. Специалистам понятно, что раскрываемые способ и система могут быть применены к любому из таких сочетаний. Конкретные примеры сочетаний быстрого газа и медленного газа, помимо прочего, включают: H и Ne, H и CO, H и CH, H и N, H и O, H и O/N, H и воздух, CO и N, CO и O, CO и N/O, CO и воздух, CO и CH, Ne и N, Ne и O, Ne и N/O, Ne и воздух, He и N, He и O, He и N/O, He и воздух.
Газовая смесь, содержащая быстрый и медленный газы поступает из процесса, который производит эту газовую смесь с переменным расходом. Хотя специалистам в области мембранного разделения газов ясно, что существует множество типов таких процессов, конкретные примеры таких процессов, помимо прочего, включат процессы производства оптических волокон с использованием охлаждения гелием во множестве охлаждающих башен и процессы с использованием охлаждения гелием во множестве вакуумных печей.
Вне зависимости от конкретного процесса, в котором образуется данная газовая смесь, эта газовая смесь, содержащая быстрый и медленный газы, принимаемая из одного или более источника газовой смеси (такого как охлаждающие башни или вакуумные печи), представляет собой поток исходного газа, подлежащий обработке одной или более газоразделительной мембраной. В настоящем способе и системе используется постоянная площадь мембраны. Это означает, что, когда расход исходного газа уменьшается или увеличивается, общую площадь поверхности мембраны не увеличивают и не уменьшают. Настоящие способ и система позволяют достичь и поддерживать или превысить степень чистоты полезного продукта (например, >99+%) и поддерживать или превысить степень извлечения полезного продукта (например, >90%), при широком диапазоне изменения от 0 до 87,5%. Неожиданно хорошая гибкость достигается при помощи частичной рециркуляции потока пермеата.
Настоящие способ и система особенно хорошо подходят для случая множества охлаждающих башен или плазменных печей, каждая из которых не обязательно работает все время. Например, в период максимума производства оптических волокон или работы печей, могут быть задействованы все охлаждающие башни (например, 6) или все печи. С другой стороны, в период минимума производства, могут работать не все охлаждающие башни (например, 1) или печи.
Далее, со ссылкой на фиг.1-3, приведено описание первой группы из трех вариантов осуществления изобретения.
Как показано на фиг.1, система 100 включает исходный поток FS, содержащий быстрый и медленный газы и имеет переменный расход, который собирается из множества источников (не показаны) смеси быстрого и медленного газов. За некоторое время его расход может изменяться вплоть до соотношения 8:1, где 8 означает максимальный расход, а 1 означает минимальный расход. Это соответствует диапазону изменения 87,5%. Исходный поток FS может иметь атмосферное, повышенное или пониженное давление в зависимости от предшествующей технологической операции.
Исходный поток FS направляют на вход компрессора С, где происходит его сжатие, примерно, до рабочего давления газоразделительной мембраны GSM1. На мембране GSM1 происходит отделение представляющего интерес быстрого газа (такого как гелий), который преимущественно проходит сквозь мембрану. Образующийся поток пермеата PERM1 обогащен быстрым газом и обеднен медленными газами (такими как присутствующие в воздухе газы кислород и азот). Не являющаяся пермеатом часть газовой смеси покидает мембрану GSM1 как остаточный поток RES1.
Специалистам в данной области техники ясно, что относительный размер мембраны GSM1 (или относительные размеры мембран GSM1, GSM2 в вариантах осуществления изобретения, поясняемых со ссылкой на фиг.2-3 и 5-6) могут быть рассчитаны на основании величины общей площади поверхности мембраны GSM1 (или общей площади поверхности мембран GSM1, GSM2 в вариантах осуществления изобретения, поясняемых со ссылкой на фиг.2-3 и 5-6), которая пропорциональна ожидаемому максимальному расходу исходного потока FS. Другими словами, расход исходного потока FS, поступающего, когда все источники смеси быстрого и медленного газов (такие как охлаждающие башни или гелиевые печи) работают на полной мощности, определяет используемый размер мембраны GSM1 (или размер мембран GSM1, GSM2). Специалистам в области газоразделения ясно, что на основании состава исходного потока FS (следовательно, быстрого и медленного газов) может быть подобран надлежащий тип материала, из которого изготовлена мембрана GSM1 (и, в случае систем 200, 300, мембрана GSM2).
Поток пермеата PERM1 разделяют на два потока. Один поток соединяют с исходным потоком FS и возвращают в компрессор С.Другой поток направляют через регулирующий клапан CVb, получая поток продукта PS. Небольшую часть потока продукта PS отводят либо непрерывно, либо через определенные промежутки времени в анализатор А и измеряют концентрацию представляющего интерес быстрого газа (или эквивалентный параметр, соответствующий концентрации представляющего интерес газа, такой как теплопроводность). При нормальном функционировании, поток продукта PS характеризуется степенью чистоты, надлежащей для продукта (например, более 99%). Сигнал, отражающий измеренную степень чистоты, анализатором А подается на программируемое логическое устройство управления PLC.
Как показано на фиг.2, система 200 отличается от системы 100 тем, что в ней имеется вторая газоразделительная мембрана GSM2, размещенная последовательно дальше по ходу потока после газоразделительной мембраны GSM1. Остаточный поток RES1 направляют на вход второй мембраны GSM2. Остаточный поток RES2 второй мембраны GSM2 направляют на выход через регулирующий клапан CVa. Как и ранее, часть потока пермеата PERM1 направляют через регулирующий клапан CVb и отводят как поток продукта PS, тогда как другую часть соединяют с исходным потоком FS и направляют на сжатие в компрессор С. Весь поток пермеата PERM2 второй газоразделительной мембраны GSM2 также соединяют с исходным потоком FS и указанной частью потока пермеата PERM1 первой стадии. Следует отметить, что расстояние между точками прохождения двух потоков пермеата PERM1, PERM2 относительно регулирующего клапана CVb и компрессора С должно быть достаточно большим. Это позволяет направлять весь поток пермеата PERM2 в компрессор С, а не в сторону регулирующего клапана CVb.
Последовательное расположение в системе 200 имеет преимущество, заключающееся в большей степени извлечения быстрого газа по сравнению с единственной стадией мембранного газоразделения. Следует отметить, что может быть предусмотрено более двух стадий мембранного газоразделения. Если используют три последовательные газоразделительные мембраны, остаточный поток GSM2 направляют на третью газоразделительную мембрану, а не на выпуск, поток пермеата третьей газоразделительной мембраны объединяют с аналогичными потоками первой и второй газоразделительных мембран GSM1, GSM2. Данная концепция может быть распространена на дополнительные стадии, тогда все от второго до последнего остаточные потоки направляют на вход последней стадии, и все кроме первого PERM1 потоки пермеата рециркулируют в компрессор С. Предельное число стадий определяется, главным образом, производительностью компрессора С, осуществляющего сжатие объединенных потоков пермеата и их подачу на вход первой газоразделительной мембраны GSM1 при достаточно высоком давлении.
Как лучше всего показано на фиг.3, система 300 аналогична системе 100 за исключением того, что в ней имеется две газоразделительных мембраны GSM1, GSM2. Исходный поток FS подают на вход второй мембраны GSM2, через которую предпочтительно проникает представляющий интерес быстрый газ (такой как гелий) по сравнению с медленным газом (газами) (такими как компоненты воздуха кислород и азот). Остаточный поток RES2 второй мембраны GSM2 выпускают регулируемым образом при помощи регулирующего клапана CVc, тогда как поток пермеата PERM2 объединяют с частью потока пермеата PERM1 первой мембраны GSM1 и направляют в компрессор С.Управление регулирующим клапаном CVc может осуществлять устройство управления PLC с целью достижения заданной степени чистоты и степени извлечения быстрого газа.
Использование двухстадийного мембранного газоразделения в системе 300 позволяет достичь более высокой степени чистоты потока продукта PS и уменьшить размер компрессора С. В этом случае также повышается степень извлечения быстрого газа, так как эффективность извлечения на газоразделительной мембране GSM1 увеличивается вследствие более высокой концентрации быстрого газа, получаемой благодаря использованию потока пермеата PERM2 второй газоразделительной мембраны GSM2 в качестве исходного потока FS.
Для каждого из вариантов осуществления изобретения, поясняемых фиг.1-3, справедливо, что данные способ и система предусматривают несколько возможностей управления. Регулирование многих рабочих параметров разных типов может быть осуществлено посредством манипулирования регулирующими клапанами CVa, CVb. Специалистам в области мембранного газоразделения ясно, что регулирование одного параметра отразится на других параметрах. Например, регулирование степени чистоты потока продукта PS в сторону увеличения может отрицательно сказаться на степени извлечения. Таким образом, может оказаться предпочтительным одновременно регулировать более, чем один рабочий параметр.
Можно регулировать степень чистоты потока продукта PS. Степень чистоты потока продукта PS - то же, что степень чистоты PERM1; предпочтительно, ее регулируют посредством воздействия устройства управления PLC на регулирующий клапан CVa с целью увеличения или уменьшения противодавления остаточного потока RES1 (или, в случае системы 200, остаточного потока RES2). Когда устройством управления PLC регистрируется, что степень чистоты меньше заданной величины, открывается CVa, и противодавление остаточного потока RES1 (или, в случае системы 200, остаточного потока RES2) уменьшается. В результате увеличивается движущая сила, под действием которой быстрый газ перемещается сквозь мембрану GSM1, и, тем самым, степень чистоты потока пермеата PERM1 и потока продукта PS. До тех пор, пока степень чистоты быстрого газа, подлежащего извлечения и повторному использованию, не достигнет заданной величины, поток продукта PS может направляться на выпуск или добавляться к чистому быстрому газу. Когда степень чистоты достигает заданной величины, регулирующий клапан CVa может сохранять свое текущее положение. Опытным специалистам понятно, что регулирование степени чистоты в сторону увеличения может повлиять на регулирование степени извлечения в сторону уменьшения. Если степень чистоты увеличивается на столько, что слишком превосходит установленную величину, положение регулирующего клапана CVa может быть скорректировано в сторону закрытия с целью повышения противодавления остаточного потока RES1 (или, в случае системы 200, остаточного потока RES2) и, тем самым, уменьшения степени чистоты потоков PERM1 и PS.
В качестве альтернативы, степень чистоты можно регулировать менее предпочтительным способом путем регулирования степени, в которой регулирующий клапан CVb отделяет часть потока пермеата PERM1 на рециркуляцию вместе с потоком исходного газа FS (или, в случае системы 200, также потока пермеата PERM2 второй мембраны GSM2). Если степень чистоты слишком мала, устройство управления PLC регулирует положение регулирующего клапана CVb так, чтобы уменьшить долю потока пермеата PERM1, отводимого как поток продукта PS, и, тем самым, большее количество рециркулировать вместе с потоком исходного газа FS. Когда степень чистоты потока продукта PS достигнет заданной величины, текущее положение регулирующего клапана CVb может быть сохранено, и рециркулируемое количество потока пермеата PERM1 зафиксировано.
Извлечением быстрого газа можно управлять. Хотя специалистам в данной области ясно, что извлечение быстрого газа может быть просчитано множеством способов, и что из таких расчетов могут быть сделаны различные математические выводы, два типичных способа расчета степени извлечения отображаются следующими формулами:
; или
где MFR означает массовый расход, а С - концентрация. В качестве альтернативы, если способ и система используются должным образом, концентрации исходного потока FS и потока продукта PS можно принять за постоянные. Таким образом, степень извлечения рассчитывают как массовый расход потока продукта PS, деленный на массовый расход исходного потока FS. В качестве еще одной альтернативы, когда поток продукта PS пополняют чистым быстрым газом и рециркулируют в источник с переменным расходом, предпочтительно, степень извлечения рассчитывают как массовый расход потока продукта PS, деленный на массовый расход объединенного потока, состоящего из потока продукта PS и свежего чистого быстрого газа. Независимо от того, каким способом определяют степень извлечения, сигналы, отражающие параметры, на основании которых рассчитывается степень извлечения, поступают в устройство управления PLC для определения степени извлечения и сравнения полученной величины с заданной.
Кроме того, в соответствии с фиг.1-3, степенью извлечения можно управлять, регулируя пропорцию, в которой регулирующий клапан CVb отделяет часть потока пермеата PERM1 на рециркуляцию вместе с потоком исходного газа FS (или, в случае системы 200, также потока пермеата PERM2 второй мембраны GSM2). Если степень извлечения слишком мала, устройство управления PLC регулирует положение регулирующего клапана CVb так, чтобы уменьшить долю потока пермеата PERM1, объединяемого с потоком продукта PS, тем самым, на рециркуляцию вместе с исходным потоком FS поступает больше пермеата. Когда степень извлечения в потоке продукта PS достигает заданной величины, текущее положение регулирующего клапана CVb может быть сохранено, и пропорция, в которой рециркулируется поток пермеата PERM1, зафиксирована.
В качестве альтернативы, степенью извлечения можно управлять менее предпочтительным способом путем управления посредством устройства управления PLC регулирующим клапаном CVa с целью увеличения или уменьшения противодавления остаточного потока RES1. Когда устройством управления PLC установлено, что степень извлечения меньше заданной величины, происходит регулирование положения клапана CVa так, чтобы увеличить противодавление остаточного потока RES1 (или остаточного потока RES2 в случае системы 200). В результате увеличивается общее количество быстрого газа, прошедшего через мембрану GSM1, и, тем самым, степень извлечения в потоке пермеата PERM1 и потоке продукта PS. Когда степень извлечения достигла заданной величины, текущее положение регулирующего клапана CVa может быть зафиксировано. Опытным специалистам ясно, что прирост величины степени извлечения может происходить за счет степени чистоты, так как после увеличения противодавления остаточного потока RES1 (или остаточного потока RES2 в случае системы 200), относительно большее количество медленного газа(ов) проходит через мембрану GSM1 (или мембрану GSM2 в случае системы 200). Если величина степени извлечения слишком превышает установленную величину, степень открытия регулирующего клапана CVa может быть уменьшена, чтобы снизить противодавление остаточного потока RES1 и, тем самым, уменьшить степень извлечения быстрого газа в потоке пермеата PERM1 (и, следовательно, в потоке продукта PS). В результате, степень чистоты потока пермеата PERM1 и потока продукта PS увеличивается.
Как указано выше, вследствие увеличения степени извлечения до величины, превосходящей заданную, степень чистоты может снизиться до величины менее заданной, и наоборот. Таким образом, и степень чистоты, и степень извлечения можно регулировать совместно, для чего может понадобиться несколько циклов регулирования степени чистоты и степени извлечения.
Степенью чистоты и/или степенью извлечения также можно управлять по схеме, оптимизированной для определенных, регулярно имеющих место величин расхода исходного потока FS. В системах 100, 200, 300 имеет место ряд регулярно повторяющихся величин расхода, соответствующих числу источников, участвующих в образовании газовой смеси быстрого и медленного газов. Например, в процессе производства оптических волокон, совсем немного, например, одна, или много, несколько (например, шесть) охлаждающих башен может функционировать в какой-то определенный момент времени. В результате, исходный газ, представляющий собой разбавленный воздухом гелий, может характеризоваться набором регулярно повторяющихся величин расхода (например, шестью), который соответствуют количеству охлаждающих башен. Для оптимизации систем 100, 200, 300, каждая комбинация установочных параметров для регулирующих клапанов CVa, CVb (и, необязательно, CVc), соответствующая необходимой степени чистоты и степени извлечения для конкретной величины расхода, хранится в памяти устройства управления PLC.
Таким образом, например, применительно к процессу производства оптических волокон с использованием шести охлаждающих башен или процессу тепловой обработки с использованием шести вакуумных печей, имеется шесть величин расхода исходного потока FS и шесть комбинаций установочных параметров для регулирующих клапанов CVa, CVb (и, необязательно, CVc). Когда охлаждающую башню или вакуумную печь либо приводят в действие, либо отключают, на устройство управления PLC подается сигнал с целью автоматического управления регулирующими клапанами CVa, CVb (и, необязательно, CVc) согласно хранящимся в памяти установочным параметрам, соответствующим расходу, который создается новым числом охлаждающих башен или печей.
Специалистам в данной области ясно, что такой сигнал может генерироваться рядом способов, известных в области управления технологическими процессами. Этот сигнал может быть основан на сигналах от расходомеров, связанных с источниками газовой смеси (содержащей быстрый и медленный газы), из которых поступает поток исходного газа. По мере того, как определенный расходомер регистрирует отличный от нуля расход, генерируемый им сигнал отражает, участвует ли источник газовой смеси, соответствующий данному расходомеру, в активном образовании газовой смеси, из которой формируется поток исходного газа. В качестве альтернативы, этот сигнал может быть основан на сигналах от расходомера, соединенного с подающим коллектором, посредством которого осуществляется рециркуляция объединенного потока газа-продукта и дополнительного чистого быстрого газа в те источники, из которых поступает исходный газ. По мере того, как регистрируемый поток увеличивается или уменьшается, подаваемый сигнал отражает число источников, в которые поступает газ-продукт, и, таким образом, число источников, из которых поступает исходный газ.
Далее, со ссылкой на фиг.4-6, приведено описание второй группы из трех (особенно предпочтительных) вариантов осуществления изобретения.
Как лучше всего видно на фиг.4, система 400 включает охлаждающие башни СТ1, СТ2, СТ3, СТ4, СТ5, СТ6. В зависимости от того, сколько из них реально функционируют, посредством газового коллектора MAN, охлаждающий газ, содержащий быстрый газ гелий в относительно высокой концентрации (обычно, 99+%), подают в каждую из башен СТ1, СТ2, СТ3, СТ4, СТ5, СТ6, которые в данный момент задействованы. Гелий используют для охлаждения горячих оптических волокон, протягиваемых через башни. В силу относительно высокой скорости прохождения оптических волокон, некоторое количество воздуха (преимущественно, медленных газов кислорода и азота) затягивается в верхний конец охлаждающих башен СТ1, СТ2, СТ3, СТ4, СТ5, СТ6.
Газовую смесь, содержащую воздух и отработанный гелий, выводят из башен СТ1, СТ2, СТ3, СТ4, СТ5, СТ6 при помощи соответствующих газоотводных колпачков. Газоотводные колпачки - известные специалистам в данной области приспособления, пригодные для улучшения извлечения охлаждающего газа. Особенно хорошо подходящие газоотводные колпачки включают раскрываемые в опубликованной заявке на патент США №US 20070113589. Благодаря разности давления между внутренним пространством охлаждающих башен СТ1, СТ2, СТ3, СТ4, СТ5, СТ6 и разрежением, создаваемым в газоотводных колпачках, газовая смесь проходит через запорные клапаны SV1, SV2, SV3, SV4, SV5, SV6 и игольчатые клапаны NV1, NV2, NV3, NV4, NV5, NV6 и поступает в буферный резервуар V1. Когда одна из охлаждающих башен СТ1, СТ2, СТ3, СТ4, СТ5, СТ6 не работает, соответствующий запорный клапан SV1, SV2, SV3, SV4, SV5, SV6, конечно, закрыт, чтобы исключить нежелательное проникновение воздуха в резервуар V1.
Затем, из резервуара V1 газовую смесь воздух/гелий пропускают через фильтр F1 с целью удаления твердых частиц и подают на вход первого компрессора С1. Давление (в относительных величинах, вакуум) в резервуаре V1 регулируют посредством рециркуляционного контура, соединенного с первым компрессором С1. Устройство давления РТ1 измеряет давление в резервуаре V1 и подает соответствующий сигнал на программируемое логическое устройство управления PLC1, снабженное заданной величиной давления (обычно, около 850 мбар абс. или миллибар абсолютного давления). Когда давление в резервуаре VI слишком высоко (в относительных величинах, уровень вакуума слишком низок), устройство управления PLC1 посредством первого регулирующего клапана CV1 осуществляет регулирование с целью уменьшения степени рециркуляции газовой смеси воздух/гелий из выходного отверстия компрессора С1 во входное. Когда давление слишком низкое, устройство управления PLC1 посредством клапана CV1 осуществляет регулирование с целью увеличения степени рециркуляции газовой смеси из выходного отверстия компрессора С1 во входное. Путем регулирования давления в резервуаре V1, уровень вакуума, создаваемый в каждом из газоотводных колпачков (и, таким образом, количество газовой смеси, отводимой из охлаждающих башен СТ1, СТ2, СТ3, СТ4, СТ5, СТ6) может быть точно отрегулирован при помощи игольчатых клапанов NV1, NV2, NV3, NV4, NV5, NV6. Давление газовой смеси воздух/гелий по потоку после рециркуляционного контура, соединенного с первым компрессором С1, может контролироваться при помощи индикатора давления PI1.
Исходный поток FS, образованный газовой смесью воздух/гелий, затем объединяют с частью потока пермеата PERM1 газоразделительной мембраны GSM1 и направляют на вход второго компрессора С2. После компрессора С2 объединенные исходный поток FS/поток пермеата PERM1 охлаждают в теплообменнике НЕ1, сушат в первой сушилке D1 и направляют в фильтр F2. В фильтре F2 от объединенного потока газовая смесь/пермеат отделяют твердые частицы и конденсат, направляемые затем в сепаратор 31 на отведение. Сжатая, охлажденная и отфильтрованная газовая смесь после фильтра F2 поступает на дополнительную очистку от твердых частиц в фильтр F3.
Давление сжатого, охлажденного и отфильтрованного потока газа после фильтра F3, по меньшей мере частично, регулируют посредством рециркуляционного контура, соединенного с компрессором С2. Третье устройство давления РТ3 измеряет давление потока газа и подает соответствующий измеренному давлению сигнал на устройство управления PLC2. Если измеренное давление меньше заданной величины, на которую запрограммировано устройство управления PLC2, устройство управления PLC2 производит регулирование положения второго регулирующего клапана CV2 так, чтобы уменьшить рециркуляцию объединенной газовой смеси через контур рециркуляции, соединенный с компрессором С2. Аналогично, если давление потока газа слишком большое, PLC2 производит регулирование положения второго регулирующего клапана CV2 так, чтобы увеличить рециркуляцию через контур рециркуляции. Если давление достигает неконтролируемо высокой величины, оно может быть сброшено через разрывной диск RD1. Давление охлажденного, высушенного и очищенного потока газа может контролироваться при помощи третьего индикатора давления PI3.
Затем поток очищенного газа направляют на вход первой газоразделительной мембраны GSM1, где быстрый газ - гелий предпочтительно проникает сквозь мембрану, образуя поток пермеата PERM1. Не являющаяся пермеатом часть очищенного потока газа (обогащенная медленными газами - компонентами воздуха кислородом и азотом - и обедненная гелием) покидает мембрану GSM1 через выход для остаточного потока, ее сбрасывают через третий регулирующий клапан CV3 как остаточный поток RES1.
Мембрана GSM1 может быть изготовлена из любого материала, известного специалистам в области газоразделения как пригодного для отделения гелия от воздуха.
Поток пермеата PERM1 разделяют на два потока. Первую часть соединяют с исходным потоком FS после индикатора давления PI1 и направляют на вход компрессора С2. Вторую часть направляют через регулирующий клапан CV4 на вход третьего компрессора С3. Если давление после компрессора С3 достигает неконтролируемо высокой величины, оно может быть сброшено через второй разрывной диск RD2. Давление может контролироваться при помощи четвертого индикатора давления PI4.
Небольшую пробу газа-продукта отводят и направляют в анализатор А/С, осуществляющий измерение концентрации (степени чистоты) гелия. В качестве альтернативы, может быть измерен какой-то дугой параметр, отражающий концентрацию гелия (такой как теплопроводность). Величина степени чистоты нужна для функционирования устройств управления PLC3, PLC5. Остальной газ-продукт поступает на трехходовой клапан TV1. Устройство управления PLC5 может на короткое время открывать клапан TV1, чтобы сбрасывать регулируемым образом поток продукта через игольчатый клапан NV7 и регулятор давления PR2 до достижения заданной степени чистоты. Массовый расход газа-продукта, измеряемый массовым расходомером MF1, и давление регулируют при помощи регулятора давления PR3. Газ-продукт собирают в буферном резервуаре V2. По мере необходимости в газ-продукт добавляют гелий высокой степени чистоты из источника свежего гелия через регулятор давления PR5. Извлеченный гелий затем рециркулируют в качестве части объединенного потока CS, который направляют из резервуара V2 в коллектор MAN.
Как лучше всего показано на фиг.5, система 500 аналогично системе 400 за исключением того, что вторая газоразделительная мембрана GSM2 размещена по потоку после газоразделительной мембраны GSM1. В системе 500 остаточный поток RES1 газоразделительной мембраны GSM1 направляют на вход второй газоразделительной мембраны GSM2. Быстрый газ гелий из остаточного потока RES1 преимущественно проникает сквозь вторую газоразделительную мембрану GSM2 по сравнению с медленными компонентами воздуха кислородом и азотом. Весь поток пермеата PERM2 второй газоразделительной мембраны GSM2 соединяют с частью потока пермеата PERM1 и исходным потоком FS и сжимают в компрессоре С2. Другую часть потока пермеата PERM1 мембраны GSM1 направляют через четвертый регулирующий клапан CV4 на дальнейшую обработку с получением потока продукта PS. Мембрана GSM2 может быть изготовлена из любого материала, известного специалистам в области газоразделения как пригодного для отделения гелия от воздуха. Следует отметить, что расстояние между точками прохождения двух потоков пермеата PERM1, PERM2 относительно регулирующего клапана CV4 и компрессора С2 должно быть достаточно большим. Это позволяет направлять весь поток пермеата PERM2 в компрессор С2, а не в сторону регулирующего клапана CV4.
Последовательная компоновка в системе 500 имеет преимущество, заключающееся в большей степени извлечения быстрого газа по сравнению с единственной стадией мембранного газоразделения. При двухстадийном мембранном газоразделении на первой стадии получают поток пермеата PERM1 с более высокой степенью чистоты гелия, чем поток пермеата PERM2 второй стадии. Следует отметить, что может быть предусмотрено более двух стадий мембранного газоразделения. Если используют три последовательные газоразделительные мембраны, остаточный поток GSM2 направляют на третью газоразделительную мембрану, а не на выпуск, поток пермеата третьей газоразделительной мембраны объединяют с аналогичными потоками первой и второй газоразделительных мембран GSM1, GSM2. Данная концепция может быть распространена на дополнительные стадии, тогда все от второго до последнего остаточные потоки направляют на вход последней стадии, и все кроме первого PERM1 потоки пермеата рециркулируют в компрессор С2. Предельное число стадий определяется: 1) производительностью компрессора С2, осуществляющего сжатие объединенных потоков пермеата и их подачу на вход первой газоразделительной мембраны GSM1 при достаточно высоком давлении, и 2) степенью чистоты последнего потока пермеата (последний поток пермеата должен обладать более высокой степенью чистоты, чем исходный поток FS).
Как лучше всего показано на фиг.6, система 600 аналогична системе 400 за исключением того, что в ней имеется две газоразделительных мембраны GSM1, GSM2. Газовая смесь воздух/гелий после рециркуляционного контура, соединенного с первым компрессором С1, поступает на вход второй мембраны GSM2, где гелий предпочтительно, по сравнению с кислородом и азотом, проникает сквозь мембрану. Остаточный поток RES2 второй мембраны GSM2 сбрасывают, тогда как поток пермеата PERM2 (образующий исходный поток FS) соединяют с частью потока пермеата PERM1 первой мембраны GSM1 и направляют в компрессор С2. Мембрана GSM2 может быть изготовлена из любого материала, известного специалистам в области газоразделения как пригодного для отделения гелия от воздуха.
Использование двух стадий мембранного газоразделения в системе 600 позволяет достичь более высокой степени чистоты потока продукта PS и уменьшить размер компрессора С2. В этом случае также повышается степень извлечения быстрого газа, так как эффективность извлечения на газоразделительной мембране GSM1 увеличивается вследствие более высокой концентрации быстрого газа, получаемой благодаря использованию потока пермеата PERM2 второй газоразделительной мембраны GSM2 в качестве исходного потока FS. Напротив, когда в системе 100 из охлаждающих башен СТ1, СТ2, СТ3, СТ4, СТ5, СТ6 поступает гелий с относительно низкой степенью чистоты, иногда может оказаться затруднительным получить заданную степень чистоты потока продукта в периоды низкого расхода исходного потока FS без ущерба для степени извлечения. В системе 300 эта проблема решается путем увеличения начальной степени чистоты исходного потока FS посредством использования газоразделительной мембраны GSM2.
Хотя для систем 400, 500, 600 показано только шесть охлаждающих башен, следует отметить, что их может быть больше. Максимальное допустимое число башен зависит от расхода потоков, поступающих из этих башен. Если потоки относительно небольшие, системы 400, 500, 600 могут справиться с более, чем шестью потоками. Вообще говоря, чем больше общий поток, поступающий из башен, тем ниже степень извлечения. Таким образом, максимальное число башен устанавливают на основании минимальной степени извлечения, которая считается приемлемой. На случай, когда общий поток из башен все же увеличивается, регулирующий клапан CV3 должен иметь надлежащий размер. Если из общего потока образуется слишком большой для регулирующего клапана CV3 остаточный поток RES1 (или RES2), вместо него может быть установлено два регулирующих клапана.
Управление функционированием способа и система для извлечения гелия в вариантах осуществления изобретения, представленных на фиг.4-6, может быть осуществлено различным образом. Много различных типов рабочих параметров можно регулировать, манипулируя регулирующими клапанами CV3, CV4. Специалистам в области мембранного газоразделения ясно, что регулирование одного параметра отразится на других параметрах. Например, регулирование степени чистоты потока продукта PS в сторону увеличения может отрицательно сказаться на степени извлечения. Таким образом, может оказаться предпочтительным одновременно регулировать более, чем один рабочий параметр.
Можно регулировать степень чистоты потока продукта PS. Степень чистоты потока продукта PS - то же, что степень чистоты PERM1; предпочтительно, ее регулируют посредством анализатора/устройства управления А/С, воздействующего на регулирующий клапан CV3 с целью увеличения или уменьшения противодавления остаточного потока RES1 (или, в случае системы 500, остаточного потока RES2). Когда анализатором/устройством управления А/С регистрируется, что степень чистоты меньше заданной величины, открывается CV3, и противодавление остаточного потока RES1 (или, в случае системы 500, остаточного потока RES2) уменьшается. В результате увеличивается движущая сила, под действием которой быстрый газ перемещается сквозь мембрану GSM1, и, тем самым, степень чистоты потока пермеата PERM1 и потока продукта PS. До тех пор, пока степень чистоты быстрого газа, подлежащего извлечению и повторному использованию, не достигнет заданной величины, поток продукта PS может направляться на выпуск или добавляться к чистому быстрому газу. Когда степень чистоты достигает заданной величины, регулирующий клапан CV3 может сохранять свое текущее положение. Опытным специалистам понятно, что регулирование степени чистоты в сторону увеличения может повлиять на регулирование степени извлечения в сторону уменьшения. Если степень чистоты увеличивается на столько, что слишком превосходит установленную величину, положение регулирующего клапана CV3 может быть скорректировано в сторону закрытия с целью повышения противодавления остаточного потока RES1 (или, в случае системы 500, остаточного потока RES2) и, тем самым, уменьшения степени чистоты потоков PERM1 и PS.
В качестве альтернативы, степень чистоты можно регулировать менее предпочтительным способом путем регулирования степени, в которой регулирующий клапан CV4 отделяет часть потока пермеата PERM1 на рециркуляцию вместе с потоком исходного газа FS (или, в случае системы 500, также потока пермеата PERM2 второй мембраны GSM2). Если степень чистоты слишком мала, анализатор/устройство управления А/С регулирует положение регулирующего клапана CV4 так, чтобы уменьшить долю потока пермеата PERM1, отводимого как поток продукта PS, и, тем самым, большее количество рециркулировать вместе с потоком исходного газа FS. Когда степень чистоты потока продукта PS достигнет заданной величины, текущее положение регулирующего клапана CV4 может быть сохранено, и рециркулируемое количество потока пермеата PERM1 зафиксировано.
Можно управлять извлечением быстрого газа. Может быть использован любой из описанных выше способов расчета степени извлечения. Предпочтительно, степень извлечения вычисляют как массовый расход потока продукта PS, деленный на массовый расход объединенного потока CS. Независимо от способа определения степени извлечения, сигналы, отражающие параметры, на основании которых рассчитывается степень извлечения, поступают в анализатор/устройство управления А/С для определения степени извлечения и сравнения полученной величины с заданной.
Кроме того, в соответствии с фиг.1-3, степенью извлечения можно управлять, регулируя пропорцию, в которой регулирующий клапан CV4 отделяет часть потока пермеата PERM1 на рециркуляцию вместе с потоком исходного газа FS (или, в случае системы 500, также потока пермеата PERM2 второй мембраны GSM2). Если степень извлечения слишком мала, анализатор/устройство управления А/С регулирует положение регулирующего клапана CV4 так, чтобы уменьшить долю потока пермеата PERM1, объединяемого с потоком продукта PS, тем самым, на рециркуляцию вместе с исходным потоком FS поступает больше пермеата. Когда степень извлечения в потоке продукта PS достигает заданной величины, текущее положение регулирующего клапана CV4 может быть сохранено, и пропорция, в которой рециркулируется поток пермеата PERM1, зафиксирована.
В качестве альтернативы, степенью извлечения можно управлять менее предпочтительным способом путем управления посредством устройства управления PLC регулирующим клапаном CV3 с целью увеличения или уменьшения противодавления остаточного потока RES1. Когда анализатором/устройством управления А/С установлено, что степень извлечения меньше заданной величины, происходит регулирование положения клапана CV3 так, чтобы увеличить противодавление остаточного потока RES1 (или остаточного потока RES2 в случае системы 500). В результате увеличивается общее количество быстрого газа, прошедшего через мембрану GSM1, и, тем самым, степень извлечения в потоке пермеата PERM1 и потоке продукта PS. Когда степень извлечения достигает заданной величины, текущее положение регулирующего клапана CV3 может быть зафиксировано. Опытным специалистам ясно, что прирост степени извлечения может происходить за счет степени чистоты, так как после увеличения противодавления остаточного потока RES1 (или остаточного потока RES2 в случае системы 500), относительно большее количество медленного газа(ов) проходит через мембрану GSM1 (или мембрану GSM2 в случае системы 500). Если величина степени извлечения слишком превышает установленную величину, степень открытия регулирующего клапана CV3 может быть уменьшена, чтобы снизить противодавление остаточного потока RES1 и, тем самым, уменьшить степень извлечения быстрого газа в потоке пермеата PERM1 (и, следовательно, в потоке продукта PS). В результате, степень чистоты потока пермеата PERM1 и потока продукта PS увеличивается.
Как указано выше, вследствие увеличения степени извлечения до величины, превосходящей заданную, степень чистоты может снизиться до величины менее заданной, и наоборот. Таким образом, и степень чистоты, и степень извлечения можно регулировать совместно, для чего может понадобиться несколько циклов регулирования степени чистоты и степени извлечения.
Со ссылкой на варианты осуществления изобретения, представленные на фиг.4-6, другой способ управления функционированием способа и устройства направлен на регулирование давления, создаваемого компрессором С2, путем регулирования пропорции, в которой регулирующий клапан CVb отделяет часть потока пермеата PERM1, объединяемого с потоком исходного газа FS по потоку после индикатора давления PI1 и сжимаемого в компрессоре С2, относительно той части потока пермеата PERM1, которая превращается в поток продукта PS. В противоположность описанным выше двум схемам управления, в третьей схеме может быть использована переменная величина давления исходного потока FS после индикатора давления PI1, измеренная устройством давления РТ2. Устройство давления РТ направляет сигнал, отражающий измеренную величину давления, в анализатор/устройство управления А/С. Когда давление слишком мало (меньше заданной величины) анализатор/устройство управления А/С регулирует положение регулирующего клапана CV4 так, чтобы увеличить долю потока пермеата PERM1, направляемую на рециркуляцию. Когда давление слишком велико (больше заданной величины) анализатор/устройство управления А/С регулирует положение регулирующего клапана CV4 так, чтобы уменьшить долю потока пермеата PERM1, направляемую на рециркуляцию. Когда степенью чистоты управляют по этой третьей схеме, степень извлечения можно регулировать описанным выше первым способом.
Функционирование систем 400, 500, 600 можно оптимизировать для определенных, регулярно имеющих место величин расхода потоков, поступающих из охлаждающих башен СТ1, СТ2, СТ3, СТ4, СТ5, СТ6. Например, в системах 400, 500, 600 имеет место ряд регулярно повторяющихся величин расхода, соответствующих числу задействованных охлаждающих башен СТ1, СТ2, СТ3, СТ4, СТ5, СТ6. Например, первая величина расхода соответствует случаю, когда работает только одна из шести башен, вторая величина расхода соответствует случаю, когда работает две из шести башен, и т.д. Чтобы оптимизировать системы 400, 500, 600, каждая комбинация установочных параметров для регулирующих клапанов CV3, CV4 (и, необязательно, CV5), соответствующая оптимизированным степени чистоты и степени извлечения для конкретной величины расхода, хранится в памяти анализатора/устройства управления А/С. Специалистам в области мембранного газоразделения ясно, что эти комбинации установочных параметров можно определить эмпирически путем стандартных экспериментов. Возвратимся к описанию примера; в этом случае будет шесть величин расхода и шесть комбинаций установочных параметров для регулирующих клапанов CV3, CV4 (и, необязательно, CV5). Когда охлаждающие башни СТ1, СТ2, СТ3, СТ4, СТ5, СТ6 приводят в действие либо отключают, на анализатор/устройство управления А/С подается сигнал с целью автоматического управления регулирующими клапанами CV3, CV4 (и, необязательно, CV5) согласно хранящимся в памяти установочным параметрам, соответствующим расходу, который создается новым числом охлаждающих башен СТ1, СТ2, СТ3, СТ4, СТ5, СТ6.
Специалистам в данной области ясно, что такой сигнал может генерироваться рядом способов, известных в области управления технологическими процессами. Этот сигнал может быть основан на сигналах от расходомеров, связанных с охлаждающими башнями СТ1, СТ2, СТ3, СТ4, СТ5, СТ6. По мере того, как определенный расходомер регистрирует отличный от нуля расход, генерируемый им сигнал отражает, участвует ли охлаждающая башня СТ1, СТ2, СТ3, СТ4, СТ5, СТ6, соответствующая данному расходомеру, в активном образовании отходящей газовой смеси гелий/воздух, из которой формируется поток исходного газа. В качестве альтернативы, этот сигнал может быть основан на сигналах от расходомера, соединенного с подающим коллектором, посредством которого осуществляется рециркуляция объединенного потока газа-продукта в охлаждающие башни СТ1, СТ2, СТ3, СТ4, СТ5, СТ6. По мере того, как регистрируемый поток увеличивается или уменьшается, подаваемый сигнал отражает число охлаждающих башен СТ1, СТ2, СТ3, СТ4, СТ5, СТ6, в которые поступает газ-продукт, и, таким образом, число охлаждающих башен СТ1, СТ2, СТ3, СТ4, СТ5, СТ6, из которых поступает исходный газ.
Описанным способам и системам свойственно несколько преимуществ. Они позволяют достигать степени чистоты газа-продукта (в частности, гелия) 99+% при более, чем 90% степени извлечения в широком диапазоне изменения расхода потока исходного газа. Экономические показатели процесса извлечения газа улучшены благодаря использованию систем мембранного разделения с фиксированной площадью поверхности мембраны (в том числе, одностадийного или двухстадийного разделения с последовательными мембранами) для обработки потоков, поступающих из множества охлаждающих башен, без неприемлемого снижения как степени чистоты, так и степени извлечения. Устройство пригодно для работы в диапазоне изменения, по меньшей мере, 87,5% при поддерживании или превышении степени чистоты продукта (>99+%) и степени извлечения продукта (>90%). Такая исключительная гибкость достигается при помощи частичной рециркуляции потока пермеата.
Были описаны предпочтительные способы и системы для воплощения настоящего изобретения. Опытным специалистам понятно и очевидно, что в описанных выше вариантах осуществления изобретения могут быть произведены многочисленные изменения и модификации, не выходящие за рамки существа и объема настоящего изобретения. Например, в вариантах осуществления изобретения, поясняемых фиг.4-6, регулирующими клапанами CV1, CV2, CV3, CV4 могут управлять разные устройства управления PLC1, PLC2, PLC3, PLC4, либо управление двумя или тремя из них может быть объединено и выполняться одним устройством управления. Кроме того, набор игольчатых клапанов NV1, NV2, NV3, NV4, NV5, NV6 может быть заменен набором регуляторов расхода. Изложенное является лишь пояснением, возможны другие варианты осуществления интегрированного способа и устройства, не выходящие за рамки объема настоящего изобретения определенного в прилагаемой формуле изобретения.