МЕМБРАННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ Российский патент 1995 года по МПК B01D63/12 

Изобретение относится к аппаратурному оформлению процесса диффузионного разделения газовых смесей, а именно к конструкции мембранного аппарата для разделения газов.

Наиболее распространенная конструкция мембранных аппаратов с элементами рулонного типа состоит из напорного корпуса, имеющего штуцера ввода разделяемой газовой смеси и вывода апермеата.

В корпусе размещен рулонный элемент, содержащий один или несколько мембранных пакетов, образованных двумя мембранами с дренажным каналом между ними, а также листов турбулизатора-разделителя между смежными пакетами. Изготавливается такой рулонный элемент следующим образом. Лист мембраны складывается пополам активной стороной внутрь, в середину кладется лист турбулизатора-разделителя, таким образом получается мембранная заготовка. Мембранные заготовки в чередовании с дренажными материалами образуют мембранный канал или мембранный пакет рулонного элемента. Мембранные пакеты герметизированы с трех сторон периметра.

Описанная конструкция навита на перфорированный коллектор [1,2,3,4]. Отличительные особенности конструкций следующие: усовершенствован коллектор [3] , дренажный канал [2,3,4] , предложен способ герметизации дренажного канала [5].

Общий недостаток этих конструкций - частое повреждение мембраны в месте перегиба, особенно при использовании асимметричной мембраны.

Известна конструкция мембранного аппарата [6] с рулонным элементом, в котором мембранная заготовка образована соединением двух листов мембран клейкой лентой и согнута пополам в месте нахождения ленты таким образом, что клейкая лента находится с внутренней стороны. На центральный перфорированный коллектор спирально намотаны мембранные пакеты, образованные двумя мембранами с дренажным каналом между ними, и листы турбулизатора-разделителя между смежными пакетами. Три кромки пакетов герметизированы.

Недостатки данной конструкции - невысокая разделяющая способность аппарата и низкая степень извлечения целевого компонента.

Цель изобретения - повышение эффективности работы аппарата путем увеличения его разделяющей способности и степени извлечения целевого компонента.

Цель достигается за счет использования в мембранном рулонном элементе двух типов мембран из которых одна более проницаема по одному компоненту, а вторая - по другому компоненту газовой смеси, а также за счет возможности получать более двух потоков продукта.

Поставленная цель достигается тем, что в мембранном аппарате рулонный элемент состоит из четного числа чередующихся мембранных пакетов, образованных двумя типами мембран с обратной селективностью. Коллектор разделен поперек заглушкой и служит для вывода двух потоков пермеата разного состава. Мембранный пакет имеет дополнительную зону герметизации, прилегающую к коллектору параллельно его оси. Зона расположена между внешней герметизированной стороной и заглушкой.

Таким образом, предлагается мембранный аппарат для разделения газов, который содержит напорный корпус, имеющий штуцера ввода разделяемой газовой смеси и вывода апермеата, размещенный в корпусе мембранный рулонный элемент, в котором соединены поверхности двух мембран посредством липкой ленты, с центральным перфорированным коллектором, на который спирально намотаны мембранные пакеты, образованные двумя мембранами с дренажным каналом между ними, и листы турбулизатора-разделителя между смежными пакетами. Мембранный рулонный элемент состоит из четного числа чередующихся мембранных пакетов, образованных двумя типами мембран с обратной селективностью. Коллектор разделен поперек заглушкой, мембранный пакет имеет зону герметизации, прилегающую к коллектору параллельно его оси.

Отличительные признаки данного технического решения: четное число чередующихся мембранных пакетов; мембранные пакеты образованы двумя типами мембран с обратной селективностью; коллектор разделен поперек заглушкой и служит для вывода двух потоков пермеата разного состава; имеется дополнительная зона герметизации мембранного пакета, прилегающая к коллектору и параллельная его оси. Зона расположена между внешней герметизированной стороной и заглушкой, по разные стороны от заглушки для четных и нечетных пакетов.

На фиг.1 показан мембранный аппарат, общий вид; на фиг.2 - схема укладки мембранных пакетов; на фиг.3 - коллектор рулонного элемента; на фиг.4 - две мембраны; на фиг.5 - организация потоков в рулонном элементе.

Мембранный аппарат для разделения газов состоит из напорного корпуса 1, торцовых крышек 2 со штуцерами ввода исходной газовой смеси 3 и вывода апермеата 4. В корпусе аппарата размещен рулонный элемент 5. Манжета 6 делит область высокого и низкого давлений в корпусе аппарата. Коллектор 10 рулонного элемента разделен поперек с помощью заглушки 12. Симметрично заглушке выполнена перфорация 13. Две мембраны 7 и 8 с обратной селективностью соединены между собой посредством клейкой ленты 9, сварки, склейки и т.д. Между мембранами помещен лист турбулизатора-разделителя 16. Получается мембранная заготовка, представляющая напорный канал рулонного элемента.

К коллектору 10 приваривается несущий дренаж 14 канавками вверх, на него кладется лист промежуточного дренажа типа "Tricot" канавками вниз. Затем кладется мембранная заготовка таким образом, чтобы сверху оказалась мембрана 7, сверху два листа дренажа 15 канавками друг к другу. С трех сторон периметра и непосредственно у коллектора 10 справа параллельно оси наносится герметик 17.

Затем кладется вторая заготовка так, чтобы сверху оказалась мембрана 8. Кладутся два листа дренажа. Снова наносится герметик с трех сторон периметра и непосредственно у коллектора слева параллельно его оси; образуется мембранный пакет, состоящий из мембран 8. Далее цикл операций повторяется и заканчивается укладкой мембранной заготовки мембраной 8 сверху, т.е. укладкой четного числа пакетов с чередованием мембран. Затем описанная сборка навивается на коллектор.

Описанная схема укладки пакетов позволяет организовать потоки следующим образом.

Разделяемая газовая смесь через штуцер 3 подается в напорный корпус 1, поступает в напорные каналы рулонного элемента. В напорных каналах часть потока проходит через мембрану 8, более проницаемую по одну (целевому) компоненту. Пермеат-1 по дренажному каналу 14 движется от периферии к центру рулона, попадая в левую часть коллектора 10. Часть исходного потока проникает под мембрану 8, более проницаемую по другому компоненту смеси; по дренажному каналу 15 пермеат-2 попадает в правую часть коллектора и оба потока выводятся из аппарата через штуцеры 18 и 19 соответственно пермеат-1 и пермеат-2
Предлагаемый мембранный аппарат для разделения газов имеет более высокую разделяющую способность и обеспечивает более высокую степень извлечения целевого продукта по сравнению с аппаратом-прототипом.

На ЭВМ проведены расчеты задачи мембранного разделения газов гелий-метан на предлагаемом мембранном аппарате (вариант 1) и на аппарате-прототипе (вариант 2).

В а р и а н т 1 (фиг.6). Предлагаемый мембранный аппарат с рулонным элементом, состоящим из шести чередующихся мембранных пакетов, три из которых изготовлены из композитной кремнийорганической мембраны типа МДК "лестосил" с производительностью: по гелию - 0,15 м³/м²˙ч ˙ат; по метану - 0,3 м³/м²˙ч˙ ат. Три пакета изготовлены из асимметричной ацетатцеллюлозной мембраны с производительностью: по гелию - 0,3 м³/м²˙ч˙ат.; по метану - 0,007 м³/м²˙ч˙ат. Общая площадь мембран в аппарате -2,38 м² (по 1,19 м²). На фиг.6 приведены следующие обозначения:
Q_иск - расход исходного потока; Q_п1 - расход пермеата-1; Q_п2 - расход пермеата-2; Q_а - поток апермеата. Целевой поток - пермеат-1.

Степень извлечения гелия - СИ_Не = = 30%
В а р и а н т 2 (фиг.7). Мембранный аппарат-прототип, все шесть пакетов изготовлены из асимметричной ацетатцеллюлозной мембраны площадью 2,38 м².

Q_п1 = 0,023 нм³/ч
Степень извлечения гелия в аппарате-прототипе составляет 9%.

СИ_Не = = 9%
Приведенные примеры наглядно показывают преимущества предлагаемого аппарата.

Сущность изобретения: мембранный аппарат для газов содержит напорный корпус, имеющий штуцеры ввода разделяемой газовой смеси и вывода апермеата, размещенный в корпусе мембранный рулонный элемент с виде центрального перфорированного коллектора, разделенного поперек заглушкой, на которой спирально намотаны мембранные пакеты, образованные двумя соединенными между собой мембранами с дренажным каналом между ними, и листы турбулизатора-разделителя между смежными пакетами. Мембранный рулонный элемент выполнен из четного числа чередующихся мембранных пакетов, образованных двумя типами мембран с обратной селективностью, герметизированных по трем внешним сторонам, а также по стороне, прилегающей к коллектору до заглушки. Для четных и нечетных пакетов зона герметизации, прилегающая к коллектору, находится по разные стороны от заглушки. 7 ил.

МЕМБРАННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ, содержащий напорный корпус, имеющий штуцера ввода разделяемой газовой смеси и вывода апермеата, размещенный в корпусе мембранный рулонный элемент в виде центрального перфорированного коллектора, на который спирально намотаны герметизированные с трех сторон периметра мембранные пакеты, образованные двумя соединенными между собой мембранами с дренажным каналом между ними, и листы турбулизатора-разделителя, расположенные между смежными пакетами, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности в работе аппарата путем увеличения его разделяющей способности и степени извлечения целевого компонента, мембранный рулонный элемент выполнен из четного числа чередующихся мембранных пакетов, образованных двумя типами мембран с обратной селективностью, коллектор разделен поперек заглушкой, а мембранные пакеты имеют прилегающую к коллектору дополнительную зону герметизации, при этом дополнительная зона герметизации параллельна оси коллектора и для четных и нечетных пакетов находится с разных сторон заглушки.