МЕМБРАННЫЙ КОМПРЕССОР Российский патент 1997 года по МПК F04B45/10 B01D63/08 

Изобретение относится к энергетике, в частности к конструкциям компрессорной техники и аппаратов, предназначенных для разделения газовых смесей с помощью диффузионных мембран в виде пленок, и может быть использовано для очистки отходящих газов от серийных соединений и углекислого газа, получения обогащенного кислородом воздуха, в химической и нефтехимической промышленности, в частности, для выделения водорода из водородсодержащих газовых смесей, выделения метана из биогаза сельскохозяйственного производства.

Известны мембранные аппараты пластино-рамной конструкции, предназначенные для разделения газовых смесей путем селективной проницаемости через полупроницаемые диффузионные мембраны, состоящие из ряда прилегающих друг к другу камер, каждая из которых образована в результате плотного прижима мембран, выполненных в виде плоских пластин, к обеим сторонам прямоугольной рамы. Большое число таких рам стянуты между собой в пакет вставленными в металлические обоймы болтами и помещены в цилиндрический сосуд высокого давления. Соседние мембраны отделаны друг от друга с помощью сепараторных пластинок из волокнистого, пористого материала (например, из фильтровальной бумаги) или металлической решетки (сетки), служащих опорой для находящихся под давлением мембран и обеспечивающих пропускание проникшего газа [1]
Недостатком известной конструкции является наличие корпуса высокого давления аппарата, поскольку присутствие газовой среды под избыточным давлением по соображениям механической прочности требует рассчитывать его на прочность с запасом, что приводит к значительным затратам металла и для его работы обязательно необходим компрессор.

Известны мембранные компрессоры, предназначенные для сжатия газа возвратно-поступательным движением мембраны, состоящие из блока с расположенной в нем гибкой (металлической) мембранной, связанной с подвижным штоком привода и зажатой по контуру между крышкой и опорной плитой, с находящимися в крышке всасывающим и нагнетательным клапанами [2]
В настоящее время для разделения газовых смесей используются системы, состоящие из отдельно взятых мембранных аппаратов и компрессора, основным недостатком которых является сложность, громоздкость конструкции, а также недостаточная эффективность, вызванная рассредоточением по различным агрегатам стадий сжатия и разделения газовой смеси.

Известный мембранный компрессор, конструкция которого выбрана в качестве прототипа, обладая лишь одной полезной характеристикой возможностью компримирования (сжатия) газов, имеет весьма существенный недостаток, а именно не может быть использован для непосредственного разделения газовых смесей.

Цель изобретения устранение указанных недостатков и обеспечение возможности разделения смеси газов непосредственно в компрессоре.

Цель достигается тем, что в мембранной компрессоре, содержащем блок из крышки и опорной плиты, зажатой между ними гибкой мембраны, связанной с подвижным штоком привода и установленными на крышке газовыми клапанами, согласно изобретению гибкая мембрана снабжена окнами, закрытыми полупроницаемой диффузионной мембраной, селективной к целевому газовому компоненту, а на опорной плите установлен клапан для его отвода.

Сущность предлагаемой конструкции компрессора для разделения газовых смесей иллюстрируется чертежом.

В корпус блока компрессора, состоящего из опорной плиты 1 и крышки 2 с всасывающим клапаном 3 и клапаном отсечки сбросного газа 4, помещена гибкая мембрана 5, связанная с подвижным штоком 6 привода и зажатая по контуру между крышкой и опорной плитой, а также снабжена окнами 7, закрытыми диффузионной мембраной, селективной к целевому компоненту, для отвода которого в опорной плите установлен клапан 8.

Предлагаемый мембранный компрессор для разделения газовых смесей работает следующим образом.

Исходная газовая смесь всасывается через клапан 3 за счет разрежения, создаваемого гибкой мембраной 5 при движении (чертеж) жестко связанного с ней штока 6. Полость между крышкой 2 и мембраной 5 заполняется исходной смесью. При обратном движении штока 6 и гибкой мембраны 5 происходит сжатие исходной газовой смеси.

Под воздействием перепада (разности парциальных давлений) давления выделяемый целевой газовой компонент диффундирует через окна 7, закрытые пленкой, например, полимерного материала, селективного к целевому компоненту, в подмембранную полость между мембраной и опорной плитой 1.

По достижении мембраной 5 положения, при котором концентрация выделяемого целевого компонента снижается настолько, что дальнейшее его выделение становится невозможным, открывается клапан отсечки сбросного газа 4 и сбросный газ (обедненный целевым компонентом) выпускается для дальнейшей утилизации или сбрасывается, в случае ненадобности, в атмосферу. Открытие сбросного клапана 4 может происходить при достижении заданного давления и завершается при касании клапана гибкой мембраной 5.

На последующем ходе штока 6 происходит всасывание следующей порции исходной смеси в надмембранную полость и вытеснением целевого компонента из подмембранной полости через клапан отвода 8.

Для исключения обратной диффузии выделяемого целевого газового компонента через окна селективной мембраны, необходимо обеспечить чтобы потери давления в сети выделяемого газового компонента были меньше, чем рабочий перепад давления на селективной мембране. Далее цикл повторяется.

Таким образом, в предлагаемом компрессоре для разделения газовых смесей процесс выделения целевого газового компонента происходит одновременно (совмещается) с циклом сжатия исходной смеси. Использование обратного хода рабочей гибкой мембраны позволяет получить целевой компонент в компримированном, зачастую, в готовом для использования виде.

Пример. В корпус блока компрессора, состоящего из опорной плиты 1 и крышки 2 с всасывающим клапаном 3 и клапаном отсечки сбросного газа 4, помещена сдвоенная гибкая мембрана 5, изготовленная, например, из прочной резины или газонепроницаемого эластомера, жестко связанная с подвижным штоком 6 механического привода и зажатия по контуру между крышкой и опорной плитой и снабженная окнами 7, закрытыми полупроницаемой полимерной мембраной, например, из полидиметилсилоксана или поли-4 метилпентена-1, селективными к такому целевому газовому компоненту, как кислород, при разделении воздушных смесей.

В зависимости от требуемого давления и количества целевого компонента рассчитывается прочность и толщина полупроницаемой полимерной мембраны. Так, при перепадах на рабочей мембране до 3 атитолщина полидиметилсилоксановой или поли-4-метилпентеновой мембраны может составлять 100 300 мКм. Учитывая, что в настоящее время большая часть полупроницаемых мембран производится либо армированными стекло- или капроновыми волокнами, либо выпускается на прочной сетчатой подложке, опасаться быстрого выхода из строя полимерных мембран при работе в таком компрессоре не следует. Следует отметить, (что можно ожидать), что ресурс работы полимерной полупроницаемой мембраны будет сравним с ресурсом работы рабочей гибкой мембраны.

Естественно, превышение давления выше расчетного может привести к выходу из строя полупроницаемой мембраны, но это может быть лишь в случае нарушения настройки предохранительных клапанов, которыми снабжены все, без исключения, газовые компрессоры.

Как правило, предохранительный клапан имеет давление настройки, превышающее рабочее давлением с определенным запасом и срабатывает при забивании или перекрытии напорной линии.

Таким образом, надежная работа предлагаемого компрессора для разделения газовых смесей может быть гарантирована.

Учитывая, что в последние годы выпускаются компрессоры с двумя или четырьмя мембранными полостями, вопрос о производительности по целевому компоненту таких компрессоров по изобретению решается без особых трудностей.

Поскольку в газовых компрессорах всегда предусматривается предварительная очистка газовых смесей от пыли и твердых частиц посредством механических фильтров, то проблем с засорением окон полупроницаемой мембраны в теле рабочей гибкой мембраны не предвидится.

Технически окна в рабочей мембране могут быть выполнены в виде круглых или овальных отверстий (аналогично перфорациям) в двух слоях рабочей мембраны, между которыми расположена сплошная полупроницаемая полимерная мембрана, селективная к заданному целевому газовому компоненту.

Меняя материал полупроницаемой мембраны, можно широко распространить использование предлагаемой конструкции компрессора для разделения газовых смесей, что особенно эффективно при содержании в них таких легкопроникающих газовых компонентов, как водород, гелий, метан, сероводород или углекислый газ. С помощью предлагаемого изобретения можно выделять водород из водородсодержащих продувочных газов цикла синтеза аммиака в азотной промышленности, при выделении гелия из природного газа, метана из биогаза при переработке сельскохозяйственных отходов или утилизации CO₂ из концентрированных выхлопных газов.

Преимуществом предлагаемой конструкции мембранного компрессора наряду с полезной способностью компримирования (сжатия) газа по сравнению с известными является ее качественно новая эксплуатационная характеристика, такая, как возможность разделения газовых смесей с подачей целевого газового компонента в готовом для использования виде.

Предлагаемая конструкция мембранного компрессора по сравнению с прототипом является более универсальной, многофункциональной, имеет широкие возможности для использования в различных условиях газодинамических режимов и заметно улучшенные эксплуатационные характеристики.

Лабораторный образец такого компрессора с поли-4метил-пентеновой мембраной позволяет ожидать получение из воздуха состава; 20% O₂ + 80%N₂ при исходном давлении 2 ати, в подмембранной полости компрессора обогащенный кислородом воздух при давлении 0,3 ати следующего состава: 44% O₂ + 56% N₂ и в сбросном газе: 19% O₂ + 81% N₂.

В соответствии с предлагаемой конструкцией в настоящее время разрабатывается рабочая документация для изготовления опытного образца компрессора для экспериментальной апробации.

Использование: разделение газовых смесей в химической и нефтехимической промышленности. Сущность изобретения : компрессор содержит блок из крышки, опорной плиты и зажатой между ними гибкой мембраны, связанной с подвижным штоком привода. На крышке установлены газовые клапаны. Гибкая мембрана снабжена окнами, закрытыми полупроницаемой диффузионной мембраной, селективной к целевому компоненту. Это позволяет сочетать в одном аппарате сжатие газовых смесей и их разделение. 1 ил.

Мембранный компрессор, содержащий блок из крышки с газовыми клапанами, опорной плиты и зажатой между ними гибкой мембраны, связанной с подвижным штоком привода, отличающийся тем, что гибкая мембрана снабжена окнами, закрытыми полупроницаемой диффузионной мембраной для селективного отделения целевого газового компонента, а опорная плита снабжена установленным на ней клапаном для отвода целевого газового компонента.