УНИВЕРСАЛЬНАЯ МОДУЛЬНАЯ СБОРКА ДЛЯ УСТАНОВОК МЕМБРАННОГО ГАЗОРАЗДЕЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области технологий разделения газовых смесей и может быть использована при монтаже, транспортировке и эксплуатации крупных промышленных газоразделительных установок на основе мембранных модулей.
В современной технологии мембранного газоразделения используются газоразделительные мембранные модули, содержащие корпус, разделенный с помощью мембраны на полости высокого и низкого давления. Исходная газовая смесь поступает в полость высокого давления и, продвигаясь вдоль мембраны, частично проникает через нее, образуя два выходных потока: непроникший через мембрану поток, обогащенный по труднопроникающим компонентам газовой смеси - ретентат или ретентатный поток, и проникший поток, обогащенный по легкопроникающим компонентам газовой смеси - пермеат, или пермеатный поток.
Мембрана, на которой происходит разделение газовой смеси, представляет собой законченную, как правило, неразборную конструкцию в виде мембранного элемента (картриджа), который устанавливается внутри корпуса и с помощью системы уплотнений разделяет внутреннюю полость на две, упомянутых выше.
С целью увеличения производительности модуля в корпусе могут быть установлены два или более мембранных картриджа, что требует более сложной системы уплотнений и часто приводит к увеличению количества входных или выходных патрубков модуля. Тем не менее, и в этом случае модуль должен иметь по одному или более входных, пермеатных и ретентатных патрубков.
Простейшая конструкция модуля содержащего более одного патрубка представляет собой двухкартриджный модуль (Патент РФ на полезную модель №171611, B01D 63/02, 15.02.2017). Такая конструкция модуля позволяет обслуживать каждый картридж модуля без демонтажа другого, открывая торцевую крышку модуля с одной, или с другой стороны.
Двухкартриджный модуль по указанному патенту имеет по одному входному и ретентатному патрубку, расположенным на противоположных сторонах корпуса модуля в центральной его части, а также два пермеатных патрубка расположенных на корпусе возле торцевых крышек.
В настоящее время, в связи с возросшим спросом на продукты газоразделения, ощущается необходимость в крупных высокопроизводительных промышленных установках, содержащих до нескольких сотен модулей, и представляющих собой крупногабаритные сооружения, занимающие большие производственные площади, с множеством коммуникаций, со сложной системой управления и регулировки процессом разделения газовой смеси, а также требующих регулярного технического обслуживания при эксплуатации.
Основу указанных установок составляет сборка из мембранных модулей, содержащая несколько параллельно соединенных однотипных модулей. Количество модулей в сборке определяет ее производительность и может изменяться путем присоединения или отсоединения модулей.
Модули, в зависимости от их веса и габаритов, могут быть сгруппированы и соединены трубопроводами в блоки по нескольку штук. Такие блоки проще изготавливать на предприятии-производителе модулей, а на площадку эксплуатации доставлять в виде собранного единичного блока, где он будет смонтирован в модульную сборку. При этом габариты и вес единичного блока определяются исключительно удобством транспортировки.
В свою очередь трудоемкость и сложность монтажа на месте эксплуатации и технического обслуживания, а также возможность адаптации к разным режимам технологического процесса мембранного газоразделения и сложность регулировки его параметров, для всей промышленной установки, в конечном итоге, определяется конструкцией единичного блока.
Известна газовая компрессорная станция, предназначенная для получения азота из воздуха, в которой газоразделительный блок, соединенный с компрессором, охладителем, системой воздухоподготовки и подогревателем (Полезная модель РФ №115837, 02.12.2011, F04B 41/00).
Для получения заданной концентрации продукта, соответствующей выбранному режиму работы, газоразделительный блок содержит N параллельно соединенных модулей, причем N≥2. Параллельное соединение модулей обеспечивает возможность отключения любого из них без изменения условий работы других модулей. При этом количество подключенных модулей пропорционально концентрации продукта в газовой смеси на выходе из станции. На входах всех модулей газоразделительного блока, либо на входах всех таких модулей, кроме одного, размещены запирающие устройства, предназначенные для отключения или подключения модулей в соответствии с заданным режимом работы и требуемой концентрацией азота в газовой смеси на выходе из станции.
Газоразделительный блок также может содержать N = 3 параллельно соединенных модуля, при этом станция содержит N = 3 параллельно соединенных узла нагрузки. Технический результат известной полезной модели заключается в упрощении переключения газовой компрессорной станции на рабочие режимы с различной концентрацией продукта на выходе и сокращению времени перевода с одного рабочего режима на другой.
Известное устройство, за счет параллельного соединения модулей и возможности отключения любого из них без изменения условий работы других модулей, позволяет адаптировать установку в зависимости от концентрации продукта в газовой смеси на выходе из станции. Однако оно имеет ряд недостатков, к которым можно отнести отсутствие универсальности, взаимозаменяемости модулей, а также узкую специализацию его применения, так как положение каждого модуля фиксировано и каждый модуль предназначен для работы только с заданными потоками и давлениями, на которые был рассчитан изначально. Кроме того, модули с различным количеством картриджей довольно сложны в эксплуатации и требуют индивидуального технического обслуживания.
Известны мембранные сепарационные узлы, представляющие собой массивы, включающие множество параллельно соединенных сообщающихся модулей, на основе которых в дальнейшем собираются крупные установки, содержащие до сотни модулей. Типовая конструкция такого массива (или сборки) описана в уровне техники в патенте РФ 2587447, B01D 63/00, 23.01.2012, фиг. 3.
В указанном массиве модули расположены горизонтально, в виде 4-х вертикально штабелированных рядов, каждый из которых включает в себя двенадцать горизонтально расположенных модулей. Для направления потоков различной текучей среды каждый ряд модулей снабжен коллектором исходного потока, коллектором ретентатного потока, и коллектором пермеатного потока. Коллекторы ориентированы горизонтально, но перпендикулярно модулям, за счет чего коллектор каждого ряда функционально соединяется с соответствующим ему патрубком каждого модуля.
Также массив дополнительно включает в себя главный подающий коллектор исходного потока, главный коллектор отвода ретентатного потока и главный коллектор отвода пермеатного потока. Главные коллекторы расположены вертикально и функционально соединены с подающими, ретентатными и пермеатными коллекторами каждого рада модулей соответственно (Патент РФ 2587447, B01D 63/00, 23.01.2012, фиг. 3).
Недостатком известного устройства является использование горизонтально расположенного индивидуального коллектора для направления разделенных потоков для каждого ряда модулей, что приводит к необходимости введения вертикально ориентированных дополнительных главных коллекторов, предназначенных для формирования общего потока. Это перегружает и усложняет конструкцию и создает сложности при транспортировке, монтаже, обслуживании и эксплуатации массива в целом. Также, к недостаткам описанного устройства можно отнести отсутствие индивидуальных опор модулей, которые, согласно фиг. 3, опираются только на патрубки, соединяющие их с горизонтальными коллекторами, что уменьшает прочность конструкции массива и может привести к ее деформации и разгерметизации.
Также известен мембранный сепарационный узел, предназначенный для текучих сред, принятый за прототип настоящей полезной модели, включающий в себя множество отдельных горизонтально ориентированных мембранных модулей, образующих массив, состоящий из параллельных друг другу горизонтальных и вертикальных рядов. Каждый из модулей содержит один или несколько мембранных элементов, предназначенных для разделения исходного потока на ретентатньш и пермеатный потоки, и снабжен соответствующими патрубками.
Массив, образующий мембранный сепарационный узел, включает в себя также коллектор подачи исходного потока на мембранные разделительные модули, коллектор отвода ретентатного потока из мембранных модулей, а также систему отвода пермеатного потока из множества мембранных разделительных модулей, расположенных на одном или обоих торцах мембранных сепарационных модулей.
Особенностью компоновки такого мембранного узла является то, что каждый из рядов модулей или, по крайней мере, два ряда модулей, напрямую соединены друг с другом по текучей среде посредством подающих и ретентатных патрубков модулей, что позволяет использовать их как единый (сквозной) вертикальный коллектор для подачи исходного потока и/или как единый (сквозной) коллектор отвода ретентатного потока. Использование общих для множества модулей сквозных коллекторов, образованных патрубками отдельных модулей, позволяет, согласно описанию прототипа, сократить количество технологических соединений, за счет чего мембранный узел становится менее громоздким, массивным и дорогостоящими, более простым в изготовлении и монтаже (Патент РФ 2587447, B01D 63/00, 23.01.2012, фиг. 4-7).
Технический результат указанного изобретения заключается в увеличении количества мембранных модулей на заданной площади, что позволяет расширить производственные возможности на объектах с ограниченным пространством.
Однако известная конструкция имеет ряд существенных недостатков.
Общим недостатком, присущим конструкциям аналога и прототипа, является отсутствие индивидуальных опор модулей. Установка большого количества массивных мембранных модулей только на сквозных коллекторах каждого ряда, без использования индивидуальных опор, существенно увеличивает нагрузку на патрубки модулей нижних рядов за счет веса верхних, что может привести к снижению прочности конструкции, ее деформации и разгерметизации. Указанное в описании прототипа расстояние между рядами модулей, составляющее 5-10 см, практически не позволяет разместить дополнительные опоры для укрепления конструкции, а решение указанной задачи за счет увеличения этого расстояние, привело бы к увеличению общих габариты массива, усложнению монтажа и обслуживания всей конструкции.
Кроме того, с точки зрения влияния на характеристики процесса газоразделения, конструкция прототипа не обеспечивает равномерного протекания газового потока по общему сквозному коллектору. Так как сквозной коллектор состоит из множества патрубков и участков корпусов модулей, он представляет собой последовательность зон «сужения-расширения», что для газовых смесей, подобных природному или попутному газам, может спровоцировать образование жидкой фазы легкоконденсирующихся компонентов разделяемой газовой смеси, в первую очередь, тяжелых углеводородов. Образование в подаваемом на разделение потоке конденсата негативно влияет на полимерную мембрану, снижая ее эксплуатационные характеристики, вплоть до выхода из строя.
К недостаткам конструкций аналога и прототипа также относится отсутствие гибкости и универсальности конструкции, то есть возможности изменения количества мембранных модулей в узле и использования его в качестве сборочной единицы для оперативного «наращивания» действующей установки до установки с большим количеством модулей или, напротив, уменьшения количества модулей, так как в них не предусмотрены соединения для монтажа/демонтажа с другими блоками. Описанные в известном техническом решении узлы представляют собой законченную отдельную газоразделительную установку с изначально заданным количеством мембранных модулей и производительностью. Отсутствие возможности изменения числа модулей объясняется тем, что мембранные модули верхних или нижних рядов отличаются от модулей промежуточных рядов, так как соединены только с одним соседним рядом. Такие модули не соединены с коллекторами, а являются конечными в цепочке подачи исходного потока, или начальными в цепочки отбора пермеата или ретентата. Таким образом, в массиве используются модули, как минимум, двух типов конструкции, что снижает универсальность модульной сборки.
Кроме того, использование в указанных мембранных узлах неразъемных соединений усложняет их изготовление с точки зрения надежности, особенно для режимов высокого давления, а также эксплуатацию и техническое обслуживание.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание универсальной модульной сборки, позволяющей монтировать на ее основе газоразделительные мембранные установки с любым количеством мембранных модулей, а также оперативно изменять число работающих модулей либо подсоединением дополнительных единичных блоков, либо подключением/отключением уже подсоединенных единичных блоков с помощью запорно-регулирующей арматуры, адаптируя, тем самым, установку к разным режимам технологических процессов газоразделения.
Технический результат заключается в достижении универсальности модульной сборки, образованной единичными блоками, с точки зрения обеспечения оптимального варианта установки для выбранного технологического процесса, а также транспортировки, монтажа, эксплуатации и технического обслуживания с целью снижения трудозатрат.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в универсальной модульной сборке для установок мембранного газоразделения, включающей множество горизонтально ориентированных мембранных модулей, расположенных в виде массива, состоящего из параллельных друг другу горизонтальных и вертикальных рядов, выполненных с возможностью разделения исходного потока на ретентатный и пермеатный, и снабженных соответствующими патрубками, а также вертикально ориентированные коллекторы для исходного, ретентатного и пермеатного потоков, соединенные с соответствующими патрубками мембранных модулей, согласно полезной модели коллекторы исходного, ретентатного и пермеатного потоков состоят из отдельных секций, а мембранные модули массива последовательно сгруппированы в единичные блоки, каждый из которых содержит по одной секции каждого из соответствующих коллекторов, а также, по меньшей мере, два вертикальных и два горизонтальных ряда мембранных модулей, причем мембранные модули единичного блока установлены, по меньшей мере на одной опорной раме, а патрубки исходного, ретентатного и пермеатного потоков модулей единичного блока соединены с входящими в состав единичного блока секциями соответствующих коллекторов, на концах которых установлены фланцы для соединения с секциями коллекторов соседних единичных блоков с целью образования общего коллектора универсальной модульной сборки.
Таким образом, универсальная модульная сборка в общем случае образуется установкой друг на друга N единичных блоков, соединенных по фланцам на концах секций коллекторов. Одна или более таких сборок, установленных рядом, образуют модульную часть мембранной газоразделительной установки. Высота сборки и площадь, занимаемая сборкой (сборками), определяются интересами конкретного производства, а габариты элементов сборки требованиями предъявляемыми транспортировкой.
При необходимости сохранения постоянной скорости газа в коллекторах универсальной мембранной сборки, целесообразно, чтобы секции коллекторов соседних единичных блоков имели различный диаметр.
Кроме того, между соответствующими патрубками модулей и секциями коллекторов в единичном блоке могут быть установлены устройства для настройки и регулирования потоков каждого модуля.
Предпочтительно, чтобы для обеспечения возможности оперативного отключения отдельных единичных модульных блоков в период нестабильной подачи сырья, между фланцевыми соединениями секций коллекторов соседних единичных блоков была установлена запорно-регулирующая арматура, что повышает гибкость использования установки при различных режимах работы.
Единичный блок, а также модульная сборка в целом или несколько сборок установки могут быть оснащены общим арматурным блоком, включающим всю необходимую запорно-регулирующую и предохранительную арматуру. Такой блок необходим для включения, настройки, регулирования рабочего режима и отключения сборки в целом. Сборка вместе с общим арматурным блоком выполняет в таком случае функции мембранной установки. Общий арматурный блок монтируется перед первым, со стороны входа исходного потока, единичным блоком на входе коллектора исходного потока и на выходе коллекторов пермеатного и ретентатного потоков.
В единичном блоке, между коллекторами исходного и ретентатного потоков и/или между коллекторами исходного и пермеатного потоков газа, могут быть предусмотрены байпасные линии. Такие байпасные линии позволят в случаях необходимости произвести оперативное отключение части модулей сборки в период нестабильной подачи сырья и/или провести быстрый прогрев коммуникаций до рабочей температуры в период пуска, а также обеспечить возможность реализации минимальной доли отбора в пермеат относительно общего исходного потока (суммы подаваемого на блок и отправляемого на байпас).
Байпасные линии могут быть также установлены между ретентатным потоком одного единичного блока и входным потоком следующего от входа сборки блока. Запорно-регулирующая арматура, установленная на таких байпасных линиях, позволяет в случаях необходимости произвести оперативную адаптацию установки к режимам работы по различным технологическим схемам, например, для организации двухстадийной схемы разделения. Переключение межблочной арматуры в этом случае позволяет организовать схему разделения как с общим пермеатным потоком, так и с раздельным пермеатным потоком стадий.
Двухстадийная схема работы сборки может быть организована и при первоначальном монтаже единичных блоков, и при перемонтаже верхних блоков в процессе эксплуатации. Конструкция единичного блока предусматривает соединение ретентатного коллектора нижних (входных) блоков с входным коллектором верхних блоков.
Для завершения универсальной сборки, содержащей требуемое количество единичных блоков, секции коллекторов последнего единичного блока в вертикальном ряду должны быть заглушены по свободным фланцам.
Универсальная модульная сборка может содержать интегрированные площадки обслуживания. Такие площадки могут быть сделаны на базе опорных рам модулей и предназначены для обеспечения доступа и обслуживания элементов сборки. Наличие интегрированных площадок особенно полезно при большом количестве единичных блоков, смонтированных в одну вертикальную сборку. Площадки обслуживания обеспечивают доступ к верхним блокам, что существенно упрощает их эксплуатационное и техническое обслуживание.
Полезная модель поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображена конструкция единичного блока, образованного четырьмя мембранными модулями, расположенными в двух вертикальных и двух горизонтальных параллельных рядах (2×2);
на фиг. 2 изображена универсальная модульная сборка на основе трех единичных блоков (2×2);
на фиг. 3 показана универсальная модульная сборка, в которой запорно-регулирующая арматура установлена между секциями коллекторов соседних единичных блоков;
на фиг. 4 приведено схематическое изображение единичного блока 2×2, с указанием направления входящих и выходящих потоков мембранных модулей блока;
на фиг. 5 приведена схема универсальной модульной сборки на основе трех единичных блоков (2×2);
на фиг 6 показана схема универсальной сборки из трех единичных блоков с заглушенными фланцами на конце коллекторов, в которой запорно-регулирующая арматура установлена между соседними блоками и на входе сборки;
на фиг. 7 показана схема универсальной модульной сборки из трех единичных блоков 2×2, адаптированной для двух стадий разделения с общим пермеатным потоком стадий;
На фиг. 8 показана схема универсальной модульной сборки из трех единичных блоков 2×2, адаптированной для двух стадий разделения с раздельными пермеатными потоками стадий;
На фиг. 9 показана схема единичного блока (2×2), с байпасной линией между коллектором исходного потока и коллектором ретентата (показана пунктиром);
На фиг. 10 показана схема единичного блока (2×2), с байпасной линией между коллектором исходного потока и коллектором пермеата (показана пунктиром).
Единичный блок 1 содержит мембранные модули 2, расположенные в виде параллельных друг другу горизонтальных и вертикальных рядов, установленные на общей опорной раме 3 и снабженные патрубками 4, 5, 6 исходного, ретентатного и пермеатного потоков соответственно, а также секции коллекторов 7, 8, 9 исходного, ретентатного и пермеатного потоков, соединенные с соответствующими патрубками модулей. На концах секций коллекторов установлены соединительные фланцы 10.
Единичный блок является монтажной единицей для универсальной модульной сборки 11, представленной на фиг. 2.
Пример реализации полезной модели
Универсальная модульная сборка 11 предназначена для монтажа газоразделительной установки, и состоит из 3-х единичных блоков 1, каждый из которых образован двумя вертикальными и двумя горизонтальными параллельными рядами, в которых находится по два мембранных модуля 2, установленных на общей раме 3, и вертикально ориентированных секций коллекторов 7, 8, 9 исходного, ретентатного и пермеатного потоков соответственно. Секции коллекторов соединены с соответствующими патрубками 4, 5, 6 модулей.
Секции коллекторов каждого единичного блока оканчиваются соединительными фланцами 10, с помощью которых при монтаже сборки 11, состоящей из нескольких единичных блоков 1, последние устанавливают друг на друга и соединяют по этим фланцам. Такой монтаж за счет наращивания вверх отдельных сборочных единиц, которые при сборке на площадке использования требуют только соединения по фланцам, позволяет максимально уменьшить требуемую рабочую площадь, и, при этом, упростить транспортировку и монтаж. Простота монтажа и дальнейшего введения в эксплуатацию обеспечивается тем, что единичный блок испытывается на месте изготовления, а на площадку монтажа сборки транспортируется уже готовым к работе.
Для сборки 11, состоящей из единичных блоков 1, каждый их которых содержит по четыре мембранных модуля (2×2), согласно фиг. 1, занимаемая площадь будет немногим более двух проекций габаритов одного мембранного модуля 2, с учетом промежутка между модулями для секций коллекторов и размеров опорной рамы. Оптимальные же размеры единичного блока вписываются в габариты перевозки одним из видов транспорта, с учетом веса блока и грузоподъемности транспорта.
При необходимости в местах фланцевых соединений единичных блоков может быть установлена запорно-регулирующая арматура 12, которая обеспечивает возможность частичного отключения отдельных единичных блоков, что повышает гибкость использования универсальной модульной сборки, за счет появления возможности регулировки ее производительности.
Для адаптации установки к разным режимам технологического процесса газоразделения в рамках одной универсальной сборки, производится оперативное переключение с одностадийной схемы разделения исходной газовой смеси на двухстадийную, при которой ретентатный поток входных единичных блоков сборки перенаправляется на вход в остальные единичные блоки сборки. Перенаправление может быть осуществлено с помощью простого переключения арматуры и дополнительных байпасных линий, либо путем перемонтажа и соединения секции входного коллектора 7 верхнего блока с выходами секции ретентатного коллектора 8 соседнего нижнего единичного блока.
Например, на фиг. 7 представлена схема универсальной модульной сборки из трех единичных блоков 2×2, адаптированной для двухстадийной схемы разделения газовой смеси, в которой на первой стадии параллельно установлены два единичных блока 13, а на второй - один единичный блок 14. Таким образом, одностадийная схема разделения газовой смеси из трех параллельных блоков переключается в двухстадийную схему - два-один. При этом, с помощью запорно-регулирующей арматуры 12 между единичным блоками 13, 14 первой и второй стадий соответственно, конструкцию сборки легко можно переключить для работы как с общим пермеатным потоком стадий (фиг. 7), так и с раздельными пермеатными потоками стадий (фиг. 8), когда необходимо направление одного из потоков, например, на переработку, а другого - на рецикл.
Например, на фиг. 7 представлена схема универсальной модульной сборки из трех единичных блоков 2×2, адаптированной для двухстадийной схемы разделения газовой смеси, в которой на первой стадии параллельно установлены два единичных блока 13, а на второй - один единичный блок 14. Таким образом, одностадийная схема разделения газовой смеси из трех параллельных блоков переключается в двухстадийную схему - два-один. При этом, с помощью запорно-регулирующей арматуры 12 между единичными блоками 13 и 14 первой и второй стадий соответственно, конструкцию сборки легко можно переключить для работы как с общим пермеатным потоком стадий (фиг. 7), так и с раздельными пермеатными потоками стадий (фиг. 8), когда необходимо направление одного из потоков, например, на переработку, а другого - на рецикл.
Наличие в конструкции универсальной сборки дополнительных байпасных линий между секциями коллекторов, позволяет ускорить выход на рабочий температурный режим за счет быстрого прогрева сырьевым газом коллекторов в обход модулей. На фиг. 9 и 10 схематически показаны примеры универсальной сборки с такими байпасными линиями: байпасной линией 15 между коллектором исходного потока и коллектором ретентата и байпасной линией 16 между коллектором исходного потока и коллектором пермеата.
Таким образом, универсальная модульная сборка, основой которой является единичный блок, дает возможность создавать газоразделительные мембранные установки под конкретные задачи производства, а также адаптировать установки к различным технологическим процессам за счет оперативного изменения числа работающих модулей и гибкой настройки рабочих режимов работы с минимальными трудозатратами на транспортировку, монтаж, и техническое обслуживание, обеспечивая при этом минимальную площадь, занимаемую сборкой.