МЕМБРАННЫЙ АППАРАТ Российский патент 1996 года по МПК B01D63/06 

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

Известны аппараты для мембранного разделения с использованием трубчатых мембранных элементов. Так, аппарат по патенту ЕПВ N 0166994, В 01 D 53/22, 1986 г. состоит из цилиндрического корпуса, в котором расположен пучок трубчатых мембранных элементов, закрепленных на концевых участках в трубных решетках. Разделяемая среда (газ) подается с внешней стороны мембранных элементов, а проникшие соединения (пермеат) отводятся по центральным каналам этих элементов. Основными недостатками известного аппарата являются неразборность конструкции и неравномерность обтекания потоком пучка мембранных элементов. В аппарате по а.с. СССР N 1261685, В 01 D 63/06, 1986, разделяемая среда подается как с внешней, так и с внутренней поверхности сдвоенных мембранных элементов. Каждый из элементов представляет собой две коаксиальные пористые трубки различной длины, которые с одной стороны соединены заглушкой, а с другой закреплены в двух трубных решетках. Пермеат отводится по зазору между пористыми трубками в полость между трубными решетками. Аппарат имеет две группы мембранных элементов, закрепленных в соответствующей паре трубных решеток. Элементы одной группы введены в центральные каналы элементов другой группы. Основными недостатками известного аппарата являются сложность сборки и недостаточная надежность, определяемая возможностью повреждения закрепленных только одним концом мембранных элементов при сборке, перевозке и монтаже (особенно при изготовлении их из керамических материалов).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является мембранный аппарат по а.с. СССР N 1586758, B 01 D 69/04, 1990 г. содержащий цилиндрический корпус, два торцевых фитинга, навинченные на два переходника, которые закреплены на обоих концах корпуса, две торцевые крышки со штуцерами и пучок трубчатых мембранных элементов, оба конца которых установлены в опорных трубных решетках. Полупроницаемые мембраны нанесены на поверхности центральных каналов мембранных элементов, а на входах в центральные каналы установлены турбулизаторы в виде вставок с резьбовыми каналами. Работает известный аппарат следующим образом: разделяемая среда подается через штуцер и одну из крышек к входам в центральные каналы мембранных элементов, проходя по которым, среда обедняется компонентами, селективно проникающими через мембраны в пористую основу элементов, а из нее в межтрубное пространство. Среда, прошедшая по центральным каналам, выводится из аппарата через вторую торцевую крышку. Основными недостатками известного аппарата являются сложность в эксплуатации и недостаточная надежность. При сборке (разборке) аппарата или при регенерации блока трубчатых элементов (длиной 1-1,5 м) возможно повреждение элементов или мест их заделки в трубные решетки, так как нагрузки, воздействующие на одну трубную решетку (при фиксации другой), воспринимаются мембранными элементами. Известный аппарат пригоден для работы при невысоких температурах и в слабоагрессивных средах, что определяется использованием в качестве уплотнительных материалов резины. Аппарат сложен в эксплуатации, так как его сборка (например, после очистки или регенерации мембранных элементов вне схемы аппарата) включает большое число ненадежных и трудоемких операций: установку на корпусе двух переходников, закрепление на переходниках торцевых фитингов, фиксацию двух торцевых крышек установку восьми уплотнительных элементов: двух прокладок на торцах корпуса, двух уплотнительных колец в торцевых фитингах, двух манжет между трубными решетками и торцевыми фитингами и двух прокладок между торцевыми фитингами и торцевыми крышками. Кроме того, подача разделяемого потока в центральные каналы мембранных элементов снижает рабочее давление при выполнении мембранных элементов из керамических материалов, которые лучше работают на сжатие, чем на растяжение.

Предлагаемое техническое решение направлено на решение задачи повышение надежности и упрощение эксплуатации аппарата. Это достигается тем, что в известный аппарат, содержащий цилиндрический корпус, две торцевые крышки со штуцерами, пучок трубчатых мембранных элементов и опорную трубную решетку, введены распределительная трубная решетка, в которой зафиксированы заглушенные концы мембранных элементов, опорный центральный стержень, пропущенный через обе трубные решетки и жестко закрепленный на них, конический обтекатель, установленный на конце опорного стержня с внешней стороны распределительной трубной решетки, и периферийный обтекатель, размещенный в зазоре между пучком мембранных элементов и корпусом. На другом конце опорного стержня выполнен центральный канал, соединенный радиальными каналами с межтрубным пространством, причем этот конец опорного стержня расположен в полости для сбора пермеата, выполненной в торцевой крышке, и жестко соединен со штуцером для отвода разделяемой среды. Каналы для подачи разделяемой среды из полости в другой торцевой крышке в межтрубное пространство образованы в распределительной трубной решетке. Распределительная трубная решетка может быть выполнена в виде: а) диска с системой с глухих каналов, в которых зафиксированы заглушенные концы мембранных элементов, и сквозных каналов, равномерно расположенных вокpуг глухих каналов; б) втулки, периферийного ограничителя и стержней или тонких пластин, соединенных с втулкой и периферийным ограничителем, образующих каналы для фиксации заглушенных концов мембранных элементов, и каналы для подачи разделяемой среды. Периферийный обтекатель может быть выполнен в виде: а) цилиндра, плотно установленного в корпусе, внутренняя поверхность которого расположена на равном расстоянии от крайних мембранных элементов; б) кусков эластичного материала, заполняющих зазор между пучком мембранных элементов и корпусом; в) намотанного на пучок трубчатых мембранных элементов шнура или ленты из эластичного материала. Предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение надежности и упрощение эксплуатации аппарата, так как, во-первых, при выполнении операций с пучком мембранных элементов (при сборке, разборке и регенерации) нагрузки воспринимаются опорным стержнем, жестко соединяющим обе трубные решетки, а не мембранными элементами, во-вторых, обеспечивается простота снятия блока мембранных элементов путем снятия уплотнителя с опорного стержня, отсоединения торцевой крышки и извлечения блока мембранных элементов, в-третьих, снижается возможность утечек сред, как внутри аппарата, так и в атмосферу, за счет минимального числа уплотнителей и их размещение в замке или в пазу (впадине), и, в-четвертых, достигается равномерное распределение потока разделяемой среды ко всем мембранным элементам за счет использования центрального и периферийного обтекателей и симметричного расположения сквозных каналов в распределительной трубной решетке. Кроме того, предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение рабочей температуры в связи с использованием более термостойких уплотнительных материалов и рабочего давления, так как разделяемый поток подается с внешней стороны мембранных элементов, т.е. материалы элементов работают на сжатие. Выполнение распределительной решетки в виде диска с системой глухих и сквозных каналов позволяет более жестко фиксировать мембранные элементы относительно опорного стержня и опорной трубной решетки. В качестве материалов основы мембранных элементов могут быть использованы хрупкие материалы, например, керамика. Другие виды выполнения распределительной трубной решетки более технологичны и дешевы, но обеспечивают менее жесткую фиксацию концов мембранных элементов, т.е. пригодны при выполнении основы мембранных элементов из более прочных материалов. Различные формы выполнения периферийного обтекателя позволяют использовать либо доступные и дешевые материалы (куски, шнуры или ленты из эластичного материала), либо более дорогостоящую конструкцию в виде цилиндра, установленного в корпусе. При этом периферийный обтекатель в виде цилиндра более удобен при разборке или сборке аппарата.

На рисунках представлены: фиг.1 сборочный чертеж аппарата с выполнением распределительной трубной решетки в виде диска с системой каналов и периферийного обтекателя в виде цилиндра, установленного в корпусе, фиг.2, 3 - чертежи выполнения распределительной трубной решетки в виде втулки и периферийного ограничителя, соединенных между собой стержнями (фиг.2) или тонкими пластинами (фиг.3) с периферийным обтекателем в виде кусков эластичного материала (фиг.2) или шнура (ленты) из эластичного материала (фиг.3).

Аппарат (см. фиг.1) состоит из цилиндрического корпуса 1, двух торцевых крышек 2, 3 со штуцерами 4, 5 для отвода пермеата и подачи разделяемой среды, соответственно, пучка трубчатых мембранных элементов 6, одни концы которых закреплены в опорной трубной решетке 7, а вторые заглушены и зафиксированы в распределительной трубной решетке 8, опорного стержня 9, центрального конического обтекателя 10, периферийного обтекателя 11 в виде цилиндра, штуцера 12 для отвода разделяемой среды и уплотнителя 13, охватывающего конец опорного стержня 9, расположенного в полости 14 для сбора пермеата. В опорном стержне 9 выполнен центральный канал 15, соединенный через радиальные каналы 16 с межтрубным пространством 17. В распределительной трубной решетке 8 выполнены глухие каналы 18 для фиксации заглушенных концов мембранных элементов и сквозные каналы 19, соединяющие полость 20 для распределения потока разделяемой среды с межтрубным пространством 17. На фиг.2 и на фиг.3 распределительная трубная решетка состоит из втулки 21 и периферийного ограничителя 22, соединенных между собой стержнями 23 (фиг.2) или пластинами (фиг. 3). Периферийные обтекатели на фиг.2, 3 выполнены в виде кусков эластичного материала или эластичного шнура. Для герметизации аппарата служат три прокладки 27-29 из мягких металлов: алюминия, меди, никеля или др.

Работает предлагаемый аппарат следующим образом. Разделяемая среда, подаваемая через штуцер 5, распределяется в полости 20 и поступает по каналам 19 или по каналам между стержнями 23 (пластинами 24) и мембранными элементами 6 в межтрубное пространство 17. В межтрубном пространстве 17 разделяемая среда перемещается вдоль внешних поверхностей мембранных элементов 6, на которых нанесены селективные слои. Перед опорной трубной решеткой 7 потоки разделяемой среды собираются к каналам 16, и через них направляются в центральный канал 15, после чего разделяемая среда через штуцер 12 выводится из аппарата. Компоненты, селективно проникающие через мембраны, поступают в пористую основу мембранных элементов 6 и далее в центральные каналы, из которых они собираются в полости 14 для сбора пермеата и выводятся из аппарата через штуцер 4.

Мембранный аппарат трубчатого типа предназначен для разделения жидких и газовых сред и обеспечивает повышение надежности и упрощение эксплуатации. Мембранный аппарат состоит из цилиндрического корпуса и пучка трубчатых мембранных элементов, одни концы которых закреплены в опорной трубной решетке, а другие (заглушенные) - зафиксированы в распределительной трубной решетке, двух торцевых крышек со штуцерами для подачи разделяемой среды и отвода пермеата и уплотнительных элементов. Обе трубные решетки жестко соединены между собой опорным стержнем, воспринимающим нагрузки, воздействующие на пучок мембранных элементов при сборке (разборке) аппарата и регенерации мембранных элементов вне аппарата. Простота введения в корпус и фиксации в нем пучка мембранных элементов упрощает установку (снятие) мембранных элементов и снижает вероятность повреждения элементов, мест их закрепления в опорной трубной решетке и селективных слоев. Наличие и выполнение соответствующим образом центрального и периферийного обтекателей, а также равномерное расположение каналов для подачи разделяемого потока вокруг каждого мембранного элемента обеспечивает оптимальное распределение потока относительно всех мембранных элементов. Минимальное число уплотнительных элементов и размещение их в замке (пазу) повышает герметичность камер и полостей аппарата. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Мембранный аппарат, содержащий цилиндрический корпус, торцевую крышку со штуцером ввода разделяемой среды, штуцер вывода разделяемой среды, вторую торцевую крышку, пучок трубчатых мембранных элементов и опорную трубную решетку, в которой закреплены открытые концы мембранных элементов, отличающийся тем, что он снабжен распределительной трубной решеткой, в которой зафиксированы заглушенные концы мембранных элементов, центральным опорным стержнем, пропущенным через обе трубные решетки, и жестко закрепленным на них периферийным обтекателем, размещенным в зазоре между корпусом и пучком трубчатых мембранных элементов и коническим обтекателем, установленным на конце опорного стержня с внешней стороны распределительной трубной решетки напротив штуцера ввода разделяемой среды, при этом другой конец опорного стержня пропущен через полость для сбора пермеата, образованную между опорной трубной решеткой и второй торцевой крышкой, и в нем выполнен центральный канал, соединенный со штуцером вывода разделяемой среды и сообщенный посредством радиальных каналов с межтрубным пространством, причем последнее при помощи каналов в распределительной трубной решетке сообщено со штуцером ввода разделяемой среды. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что распределительная трубная решетка выполнена в виде диска с системой глухих каналов, в которых зафиксированы заглушенные концы мембранных элементов, и сквозных каналов для подачи разделяемой среды, равномерно расположенных вокруг глухих каналов. 3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что распределительная трубная решетка выполнена в виде втулки и периферийного ограничителя, соединенных между собой при помощи стержней или тонких пластин с образованием каналов для фиксации заглушенных концов мембранных элементов и каналов для подачи разделяемой среды. 4. Аппарат по пп.1-3, отличающийся тем, что периферийный обтекатель выполнен в виде цилиндра, внешняя поверхность которого плотно прилегает в внутренней поверхности корпуса, при этом продольные оси периферийных мембранных элементов пучка удалены от внутренней поверхности периферийного обтекателя на равное расстояние. 5. Аппарат по пп.1-3, отличающийся тем, что периферийный обтекатель выполнен в виде кусков эластичного материала, заполняющего зазор между пучком трубчатых мембранных элементов и корпусом. 6. Аппарат по пп.1-3, отличающийся тем, что периферийный обтекатель выполнен в виде намотанного на пучок трубчатых мембранных элементов шнура или ленты из эластичного материала.