Мембранный газоразделительный модуль

Область техники
Полезная модель относится к области разделения газовых смесей с помощью полупроницаемых мембран и может быть использована в газовой, нефтяной, химической и других отраслях промышленности. В частности полезная модель относится к устройству для разделения газовых смесей с помощью половолоконных мембран.
Уровень техники
Мембранные газоразделительные установки представляют собой оборудование, действующее по принципу, основанному на различной проницаемости ингредиентов смеси газов сквозь полимерные мембраны. Они разделяют газовые смеси на отдельные компоненты. Наибольшее распространение в последние годы получил именно половолоконный тип мембранных аппаратов, что обусловлено возможностью развивать значительно более высокие площади поверхности разделения и тем самым обеспечивать гораздо большую удельную производительность как модуля, так и мембранной установки. Кроме того, появляется возможность использовать для создания половолоконных мембран менее производительные, однако, более селективные по компонентам разделяемого газа материалы.
2
3
Аппараты данной конструкции представляют собой пучки полых волокон диаметрами в несколько десятых и даже сотых долей миллиметра, герметично закрепленные концами в корпусе цилиндрической формы. Разделяемый газ может подаваться во внутриволоконное, либо межволоконное пространство аппарата. Плотность упаковки мембран в корпусе аппарата может достигать 20000-30000 м/м.
Из патента RU 2595699 С1, дата публикации 27.08.2016, известно устройство для разделения газовых смесей с помощью половолоконных мембран.
Мембранный газоразделительный модуль содержит горизонтально расположенный корпус с торцовыми крышками и мембранными картриджами, выполненными из пучка полых волокон и расположенными зеркально относительно центра. Корпус содержит симметрично расположенные торцовые участки большего диаметра, сопряженные коническими переходными участками с центральным участком меньшего диаметра. При этом длина торцовых участков соответствует длине, ограниченной торцом корпуса и входной зоной мембранных картриджей, а внутренний диаметр центрального участка выполнен с возможностью одновременного обеспечения свободного монтажа/демонтажа мембранных картриджей и их плотной посадки в месте уплотнения кольцевыми прокладками. Штуцеры входа сырьевого газа расположены на торцовых участках корпуса перпендикулярно его продольной оси напротив входных зон мембранных картриджей, штуцеры выхода пермеата расположены на торцовых участках корпуса вблизи торцовых крышек перпендикулярно продольной оси корпуса.
В патенте RU 139442 U1, дата публикации 20.04.2014, описан мембранный газоразделительный модуль, содержащий вертикально расположенный цилиндрический корпус с каналом вывода продукта, нижнюю крышку с каналом ввода разделяемой среды, и установленный с образованием полости для продукта в цилиндрическом корпусе мембранный картридж, выполненный в виде пучка полых волокон, расположенных внутри цилиндрической гильзы вокруг осевой перфорированной трубы, подключенной к каналу ввода разделяемой газовой смеси, и двух торцевых герметизирующих заливок, верхней и нижней, в которых закреплены концы волокон, верхнюю крышку с каналом для пермеата, остановленную на цилиндрический корпус, отличающийся тем, что в верхней торцевой заливке картриджа выполнены пропилы, обеспечивающие выход пермеата также и в вертикальной плоскости, а между картриджем и крышкой установлена упорная вставка.
В патенте RU 2021846 С1, дата публикации 30.10.1994, описано устройство для очистки и разделения газовых смесей. В корпусе устройства размещены цилиндрические разделительные элементы в виде пучка полых волокон, торцевые блоки для закрепления концов волокон. Торцевые крышки с патрубками для ввода потока очищаемого газа внутрь волокон и вывода потока очищенного газа выполнены в виде конических диффузора и конфузора. Аппарат снабжен установленными на противоположных торцах корпуса фланцами с центральными каналами для размещения патрубков, клапанами и средствами для перекрытия газовых потоков, а также оплеткой, охватывающей по спирали пучок волокон. Средства для подачи потока продувочного газа между наружной поверхностью волокон выполнены в виде прорезей на фланцах.
В документе US 4676808 А1, дата публикации 30.06.1987, описан мембранный модуль из полых волокон, в котором заделанные концы волокон отрезаются по-разному на каждом конце, так что волокна, открывающиеся на одном конце, являются закрытыми на другом конце и наоборот. Таким образом, образуют две концентрические секции пучка волокон в одном модуле, чтобы имитировать два модуля, установленные последовательно. Устройство предназначено для разделения и очистки газов.
В документе US 2014047982 А1, дата публикации 20.02.2014, описан мембранный модуль разделения газов, содержащий: элемент из полых волокон, имеющий пучок полых волокон, состоящий из нескольких полых волоконных мембран, и трубную решетку, расположенную на конце пучка полых волокон для скрепления полых волоконных мембран; корпус, имеющий отверстие, предназначенное для вставления или извлечения через него элемента из полых волокон; защитный элемент, имеющий образованный в нем выпуск газа и прикрепленный для укрывания отверстия корпуса; и перфорированную плиту, имеющую несколько сквозных отверстий для образования в ней газовых каналов, при этом перфорированная плита установлена между трубной решеткой и защитным элементом; при этом мембранный модуль разделения газов предназначен для разделения газов посредством подачи смешанного газа в полые волоконные мембраны.
Из патента RU 149982 U1, дата публикации 27.01.2015, принятым за наиболее близкий аналог, известно устройство для разделения газовых смесей с помощью полупроницаемых мембран. В устройстве для очистки газовой смеси с помощью параллельно соединенных мембранных газоразделителей, содержащем по крайней мере два мембранных газоразделительных картриджа, смонтированные в корпусах со штуцерами, соединенными с соответствующими патрубками, в каждом корпусе, зеркально по отношению к центру, установлены по два мембранных картриджа, причем каждый картридж содержит цилиндрический пучок полых волокон и две торцевые заливки, в которых загерметизированы концы полых волокон, при этом на торцевой поверхности заливки, расположенной возле торцевой крышки модуля, концы загерметизированных полых волокон открыты таким образом, что позволяют потоку пермеата свободно выходить из внутреннего волоконного пространства пучка волокон картриджа, а в торцевой заливке на противоположном конце картриджа у центра модуля, концы полых волокон загерметизированы полностью, при этом штуцеры исходного потока и потока ретентата расположены в центральной части корпуса, перпендикулярно его оси, а штуцеры пермеата расположены в торцевых крышках корпуса.
Основным недостатком наиболее близкого аналога, как и других известных устройств, состоит в том, что их корпуса не могут разместить более 2-х мембран в корпусе, а также повышенная металлоемкость, повышенные капитальные затраты на обвязку, арматуру, КИПиА (контрольно-измерительные приборы и автоматика).
Перечень чертежей
На фиг. 1 изображен газоразделительный модуль согласно полезной модели, включающий для примера 4 мембранных картриджа (пояснения: красные стрелки - течение газа снаружи мембраны, синие стрелки - течение газа, проникшего внутрь полого мембранного волокна).
Раскрытие полезной модели
Задачей, на которую направлено заявленная полезная модель, является преодоление недостатков известного уровня техники и в частности создание мембранного газоразделительного модуля, в корпусе которого может быть размещено более двух мембранных картриджей, без нанесения вреда при этом эффективной работе модуля, а также существенное снижение материалоемкости мембранной установки, занимаемых ею площадей, дорогостоящих приборов КИПиА, запорно-регулирующей арматуры.
Техническим результатом заявленного решения является обеспечение возможности размещения двух и более мембранных картриджей в корпусе при существенном снижении материалоемкости мембранной установки, занимаемых ею площадей, дорогостоящих приборов КИПиА, запорно-регулирующей арматуры. При этом такая конструкция модуля не приводит к ухудшению его работы и эффективности газоразделения, не требует видоизменения конструкции или ее усиления.
Для достижения технического результата предложен мембранный газоразделительный модуль, состоящий из напорного горизонтального корпуса с двумя торцевыми фланцами (1), на котором в необходимых местах имеются боковые патрубки (С) для отвода газа, прошедшего вдоль мембраны (ретентата), а также патрубки (А) для подачи исходного газа и (Б) для отвода газа, прошедшего через мембрану (пермеата), внутри корпуса установлено по меньшей мере 2 мембранных газоразделительных картриджа, состоящих из глухой (3) и открытой (4) компаундных заделок, внутрь которых помещены мембранные полые волокна (5), в качестве скелета для компаундных заделок применяется перфорированная труба (6), которая герметично по наружной поверхности компаундируется в глухую (3) и открытую (4) компаундные заделки и вдоль которой укладываются мембранные полые волокна (5), для организации требуемого режима течения газа вдоль волокон мембранный картридж имеет кожух (7), для герметизации отдельных зон модуля установлены кольцевые уплотнения (8), для сочленения нескольких мембранных картриджей в мембранном модуле установлены соединительные опорные втулки (2), выдерживающие опорную нагрузку для картриджей, создаваемую разницей давлений между камерами А и Б.
Основным действующим элементом предлагаемой конструкции является мембранный газоразделительный картридж, внутрь которого помещены мембранные полые волокна, с помощью которых и происходит разделение газов.
Механизм разделения газов носит название «растворение-диффузия», движущей силой процесса является разности парциальных давлений компонентов. При этом в промышленности используют асимметричные или композиционные мембраны, имеющие тонкий сплошной селективный слой, обуславливающий разделение, и пористую подложку, обеспечивающую механическую поддержку. Исходную смесь подают внутрь полого волокна или снаружи. Компоненты газовой смеси, достигая селективного слоя, с разной скоростью преодолевают полупроницаемую мембрану. Поэтому газ, протекающий вдоль поверхности мембраны, оказывается обеднен по тем компонентам, которые легче проникают через мембрану.
Количество мембранных газоразделительных картриджей составляет по меньшей мере 2. Это означает, что количество картриджей может быть любым целым числом от 2-х и более, т.е. например, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и даже более, например, 20, 30 и более. Указанные интервалы также включают значения, расположенные между и могут даже превышать их. В целом количество картриджей может быть любым, и ограничено только максимальными размерами модуля и масштабами производства. Предпочтительно, чтобы количество картриджей было четным, т.е. 2, 4, 6 и т.д., однако нечетное количество картриджей (3, 5, 7 и т.д.) также допустимо. В этом случае непарный картридж будет опираться в боковой фланец, в котором в таком случае необходимо встроить еще патрубок отвода пермеата.
Картриджи располагаются в корпусе последовательно один за другим. По организации потоков все картриджи работают параллельно.
Данная конструкция модуля применима как для картриджей с противоточной моделью движения газа внутри картриджа (показана на фиг. 1), так и для перекрестно-точных моделей картриджей.
Для изготовления устройства могут быть использованы обычные материалы, подходящие для выполнения своей функции. Компаундные заделки могут представлять собой эпоксидные или полиуретановые компаунды, перфорированная труба может быть выполнена из металла, пластика, композита, кольцевые уплотнения могут быть выполнены из полиуретана, EPDM и прочих стойких к компонентам газа материалов, кожух может быть изготовлен из полиэтилена, тефлона и прочих материалов, стойких к компонентам газа.
Осуществление полезной модели
Для разделения исходный газ под высоким давлением поступает в патрубки А подачи газа и, равномерно распределяясь вдоль волокон (5), поступает через перфорацию труб (6) в патрубки С для отвода подготовленного (обработанного) газа. Давление в патрубках С отличается от входного давления только наличием гидравлического сопротивления, возникающего при движении газа вдоль мембранных полых волокон (5). Газ, проникающий через мембранные полые волокна (5) и обогащенный легко проницаемым компонентом (например, гелием, водородом, кислородом, углекислым газом, сероводородом и т.п.) движется по каналам внутри волокон и поступает в камеру, образованную соединительной опорной втулкой (2) и затем в патрубок Б для отвода пермеата. Давление в этой камере многократно меньше рабочего давления в камерах патрубков А. Таким образом, благодаря данной конструкции в одном корпусе возможно размещение более 2-х мембранных картриджей. Оппозитно направленные усилия, возникающие в соседних камерах высокого давления А, взаимно нейтрализуются, опираясь на соединительную опорную втулку, не передавая усилия на другие парные мембранные картриджи. Это в свою очередь не требует видоизменения (усиления) механической конструкции мембранного картриджа. Очевидно, что и количество металлоемких торцевых фланцев (С) требуется только 2 шт.
Проведенные испытания показали высокую эффективность предложенного модуля в разделении газов. Конструкция газоразделительного модуля обеспечивает возможность размещения двух и более мембранных картриджей в корпусе, а также существенное снижение материалоемкости мембранной установки, занимаемых ею площадей, дорогостоящих приборов КИПиА, запорно-регулирующей арматуры. При этом такая конструкция модуля не приводит к ухудшению его работы и эффективности газоразделения, не требует видоизменения конструкции или ее усиления.