МЕМБРАННЫЙ АППАРАТ Российский патент 1995 года по МПК B01D63/06 

Изобретение относится к разработке способов и систем для разделения газов и жидкостей, в частности к аппаратам для мембранного разделения веществ.

Известно большое число мембранных аппаратов с трубчатыми элементами, которые недостаточно надежны, сложны в сборке и эксплуатации. Среди этих аппаратов наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является мембранный аппарат, содержащий корпус, трубчатые мембранные элементы, состоящие из пористой основы с центральным каналом, на поверхности которой выполнена многозаходная резьба и нанесен селективный слой, трубную решетку, в которой закреплены мембранные элементы, обечайки, надеваемые на трубчатые мембранные элементы, перегородку, в которой зафиксированы обечайки, и трубопроводы для подачи и вывода разделяемого потока и отвода пермеата. Разделяемая среда подается в корпус к торцам (заглушенным) мембранных элементов и далее в каналы, образованные резьбовыми поверхностями мембранных элементов и обечайки. Из этих каналов разделяемая среда попадает в камеру в корпусе и из нее выводится вниз. Проникающие через селективный слой вещества попадают в центральные каналы мембранных элементов и из них выводятся в систему удаления пермеата. В качестве пористой основы используется металлокерамика, на которую наносится металлическая пленка, динамическая мембрана или слой полимера. Известное устройство не обеспечивает достаточной надежности и чрезвычайно сложно при сборке и эксплуатации, так как при сборке мембранного аппарата необходимо последовательное проведение ряда сложных операций: закрепление каждого элемента в трубной решетке, надевание обечаек на все мембранные элементы и введение обечаек с мембранными элементами в отверстия перегородки. При проведении этих операций возможно как повреждение самих мембранных элементов и селективных слоев при контакте с поверхностями обечаек, так и повреждение мест заделки мембранных элементов из-за возникающих перекосов, несоосностей и т. п. Устранение этих повреждений представляет известные сложности и может потребовать разборки всего аппарата. Кроме того, известный аппарат имеет достаточно большое гидравлическое сопротивление как за счет резкого изменения скорости разделяемого потока при переходе его из корпуса в узкие винтовые каналы, так и за счет значительного сопротивления в самих винтовых каналах.

Целью изобретения является повышение надежности, упрощение сборки и эксплуатации, а также снижение гидравлического сопротивления аппарата.

Поставленная цель достигается тем, что известный аппарат, содержащий корпус, трубчатые мембранные элементы, трубную решетку и трубопроводы для подачи и вывода разделяемого потока, дополнительно снабжен рамками и распределительными плитами с перепускными каналами, разделяющими корпус на секции, в каждой из которых расположены две группы ориентированных своими осями перпендикулярно разделяемому потоку мембранных элементов, внешняя поверхность которых выполнена в виде чередующихся выступов и впадин. При этом элементы каждой группы образуют ряды с одинаковым шагом, а элементы разных групп расположены по отношению друг к другу в шахматном порядке. Выступы элементов одной группы частично расположены во впадинах элементов другой группы. Концы элементов расположены в двух трубных решетках, одна из которых выполнена разъемной по диаметрам элементов и установлена вплотную к противолежащей боковой стенке корпуса, а вторая трубная решетка выполнена неразъемной и установлена относительно противолежащей боковой стенки корпуса с зазором с образованием полости, сообщающейся с трубопроводом вывода пермеата, а на внутренней поверхности двух других противолежащих стенок корпуса выполнены впадины, полуохватывающие мембранные элементы одной группы. Предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение надежности, упрощение сборки и эксплуатации и снижение гидравлического сопротивления. Это обусловлено тем, что, во-первых, мембранные элементы надежно установлены и загерметизированы обоими концами в двух трубных решетках, причем одна из них выполнена разъемной (склеиваемой при сборке вместе с мембранными элементами), что позволяет укладывать мембранные элементы при сборке без повреждений, во-вторых, выполнение аппарата из секций, устанавливаемых одна на другую и разделяемых распределительными плитами, позволяет при увеличении конструктивной прочности каждой секции и всего аппарата легко менять секции с поврежденными элементами, увеличивать производительность (либо степень извлечения) путем установки дополнительных секций без значительного изменения коммутации аппарата, в-третьих, регулярное размещение мембранных элементов, снижение стеночных эффектов и использование перепускных каналов позволяет надежно обеспечить обтекание всех мембранных элементов и снизить гидравлическое сопротивление аппарата, и, в-четвертых, возможно быстрое определение секции, в которой находится поврежденный элемент, а затем и нахождение этого элемента (например, путем подключения щупа с микроманометром к открытым концам мембранных элементов при снятых боковых стенках).

На фиг. 1 представлен предлагаемый аппарат, разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 1.

Мембранный аппарат состоит из секций 1-3, входного диффузора 4 с распределительной плитой 5 и трубопроводом 6 для подачи разделяемого потока, выходного конфузора 7 с рамой 8 и трубопроводом 9 для вывода разделяемого потока, металлических рам 10, стяжных шпилек 11, гаек 12 и прокладок 13, устанавливаемых между секциями 1-3, между секцией 1 и распределительной плитой 5, между секцией 3 и рамой 8. Каждая секция включает две трубные решетки 14, 15, одна из которых (14) выполнены разъемной, т.е. из планок с полукруглыми вырезами под мембранные элементы, а другая (15) сплошной, мембранные элементы 16 первой группы, мембранные элементы 17 второй группы, расположенные в промежутках между мембранными элементами 16 первой группы, рамку 18, на которую опирается разрезная трубная решетка 14, стенки 19, 20 с впадинами, полуохватывающими мембранные элементы 16, распределительную плиту 5 с перепускными каналами 21, жестко скрепленную с рамкой 18, стенками 19, 20 и сплошной трубной решеткой 15, боковую стенку 22, зафиксированную в рамке 18 и перекрывающую концы мембранных элементов 16, 17, установленные в разрезной трубной решетке 14, вторую боковую стенку 23, которая прилагает к сплошной трубной решетке 15 с зазором, образующим полость 24, сообщающуюся с трубопроводом 25 для вывода пермеата, и прокладку 26, изолирующую полость 24.

Сборка аппарата осуществляется следующим образом. В секцию, состоящую из распределительной плиты 5, стенок 19, 20, сплошной трубной решетки 15 и рамки 18 (сваренных между собой) устанавливается планка (с полукруглыми вырезами) разрезной трубной решетки 14, затем укладывается ряд мембранных элементов путем введения одного конца элементов в отверстия в сплошной трубной решетке 15 и опускания второго конца элементов в вырезы на планке. После укладки всех элементов одного ряда на неприкрытые концы мембранных элементов устанавливается следующая планка разрезной трубной решетки 14 и производится установка следующего ряда элементов и т.д. Таким образом, одновременно устанавливаются все мембранные элементы и набирается разрезная трубная решетка 14. На прилегающие друг к другу и к мембранным элементам поверхности планок наносится слой клея. Затем на ту поверхность заглушающей плиты (стенки) 22, которая будет прилегать к разрезной трубной решетке 14, наносится слой клея, замазки или отверждаемого полимера толщиной порядка 1 мм. Стенка 22 фиксируется на рамке 18 и прижимается к открытым торцам мембранных элементов и к разрезной трубной решетке 14. После отверждения клея (замазки) мембранные элементы надежно заглушаются с одной стороны, а все планки разрезной трубной решетки 14 жестко скрепляются со стенкой 22. Затем с внешней стороны секции герметизируются концы мембранных элементов, пропущенные через сплошную трубную решетку 15 (с помощью клея или обваривания винипластом при исполнении аппарата из винипласта). Далее на корпус устанавливаются прокладка 26 и стенка 23. Таким образом собирается каждая секция, затем секции устанавливаются друг на друга, к верхней секции присоединяется распределительная плита 5 с диффузором 4, а к нижней секции рама 8 с конфузором 7. С помощью металлических рам 10, стяжных шпилек 11 и гаек 12 аппарат собирается в единую конструкцию.

Аппарат работает следующим образом. Разделяемый поток, например, воздуха, содержащего галогеноорганические соединения и неорганические газы, подается по трубопроводу 6 через диффузор 4 к распределительной плите 5 и через перепускные каналы 21 направляется в секцию 1 к наружной поверхности мембранных элементов 16, 17. Разделяемый поток проходит между мембранными элементами 16, 17 секции 1 и через перепускные каналы 21 попадает в следующую секцию и т.д. а затем из последней секции (3) опять же через перепускные каналы 21 выводится в конфузор 7 и трубопровод 9. Проникающие через селективный слой мембранных элементов 16, 17 вещества через пористую основу этих элементов попадает в центральный канал, а затем в камеры (полости) 24 пермеата, из которых выводится по трубопроводам 25.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение надежности, упрощение сборки и эксплуатации, снижение гидравлического сопротивления, так как, во-первых, мембранные элементы надежно закрепляются и герметизируются обоими концами в двух трубных решетках, одна из которых выполнена разрезной, что позволяет избежать повреждений элементов и селективного слоя при установке элементов в аппарат, во-вторых, выполнение аппарата из секций, устанавливаемых одна на другую, увеличивает конструктивную прочность секций и аппарата, позволяет быстро обнаружить секцию с поврежденным элементом, увеличить количество секций при незначительном изменении коммутации аппарата и, в-третьих, регулярное размещение мембранных элементов, снижение стеночных эффектов, использование перепускных каналов обеспечивает равномерность обтекания всех мембранных элементов и снижение гидравлического сопротивления (до 130-360 Па при расходе воздуха 500-1000 мм³/ч).

Использование: разделение газов и жидкостей. Сущность изобретения: распределительными плитами с перепускными каналами корпус разделен на секции, в каждой из которых расположены две группы ориентированных своими осями перпендикулярно разделяемому потоку мембранных элементов, внешняя поверхность которых выполнена в виде чередующихся выступов и впадин. Элементы каждой группы образуют ряды с одинаковым шагом, элементы разных групп расположены по отношению друг к другу в шахматном порядке, выступы элементов одной группы частично расположены во впадинах элементов другой группы, концы элементов расположены в двух трубных решетках, одна из которых выполнена разъемной по диаметрам элементов и установлена вплотную к противолежащей боковой стенке корпуса, а вторая трубная решетка выполнена неразъемной и установлена относительно противолежащей боковой стенки корпуса с зазором и с образованием полости, сообщающейся с трубопроводом вывода пермеата. 3 ил.

МЕМБРАННЫЙ АППАРАТ, содержащий корпус, трубчатые мембранные элементы, трубную решетку и трубопроводы для подачи и вывода разделяемого потока и вывода пермеата, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, упрощения сборки и эксплуатации, а также снижения гидравлических сопротивлений аппарата, он снабжен рамками и распределительными щитами с перепускными каналами, разделяющими корпус на секции, в каждой из которых расположены две группы ориентированных своими осями перпендикулярно разделяемому потоку мембранных элементов, внешняя поверхность которых выполнена в виде чередующихся выступов и впадин, при этом элементы каждой группы образуют ряды с одинаковым шагом, элементы разных групп расположены по отношению друг к другу в шахматном порядке, выступы элементов одной группы частично расположены во впадинах элементов другой группы, концы элементов расположены в двух трубных решетках, одна из которых выполнена разъемной по диаметрам элементов и установлена вплотную к противолежащей боковой стенке корпуса, а другая трубная решетка выполнена неразъемной и установлена относительно противолежащей боковой стенки корпуса с зазором с образованием полости, сообщающейся с трубопроводом вывода пермеата, а на внутренней поверхности двух других противолежащих стенок корпуса выполнены впадины, полуохватывающие мембранные элементы одной группы.