СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ Российский патент 1999 года по МПК B01D53/22 

Изобретение относится к мембранной технологии разделения газовых смесей и может быть использовано в химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности в тех случаях, когда необходимо разделение газовых смесей на фракции или очистить смеси от примесей, а также в газоаналитической технике.

Известны способы разделения газовых смесей (А. С. 1119718 SU, А.С. 1294367) при помощи полупроницаемых мембран, в которых с целью увеличения степени обогащения продуктов отбирают долю потока высокого давления. Все эти способы требуют введения дополнительных мембранных площадей либо дополнительного компремирования.

Известен способ разделения газовых смесей при помощи полупроницаемых мембран (С. -Т.Хванг, К.Каммермейер. Мембранные процессы разделения, М.:, Химия, 1981 г. стр. 331-332, 338-341.), отличающийся тем, что поток газовой смеси высокого давления и поток, проникший через полупроницаемую мембрану, направлены противотоком друг другу. При прочих равных условиях этот способ, по мнению авторов, наиболее предпочтителен.

На практике довольно часто встречаются газовые смеси, компоненты которых характеризуются очень большой разницей по проникающей способности через полимерные мембраны. Например, такие смеси, как CH₄-He, CH₄-H₂S, N₂-SO₂, воздух-H₂O и другие. Причем концентрация легкопроникающего компонента обычно очень мала. Для значительного удаления легкопроникающих компонентов из данных смесей требуются очень большие площади поверхности газоразделительных мембран даже при использовании упомянутого способа разделения газовых смесей.

Для более полного выделения легкопроникающего компонента при помощи полупроницаемой мембраны и уменьшения требуемой для этой цели площади мембраны предлагается способ разделения газовых смесей, содержащих труднопроникающие и легкопроникающие через полупроницаемую мембрану компоненты, включающий создание потока газовой смеси высокого давления с одной стороны полупроницаемой мембраны, обогащающегося труднопроникающими компонентами, и потока низкого давления с другой стороны полупроницаемой мембраны, обогащающегося легкопроникающими компонентами, направленного противотоком потоку высокого давления, отличающийся тем, что отбирается часть сбросного потока газовой смеси высокого давления, обогащенного труднопроникающими компонентами, дросселируется и подается в поток низкого давления со стороны сбросного потока. В качестве полупроницаемых мембран используются полые волокна, рулоны, полотна и трубки.

На фиг. 1 представлена схема организации потоков газовых смесей в газоразделительном аппарате в режиме противотока. На вход аппарата подается поток газовой смеси q_f концентрацией x_f легкопроникающего компонента A при давлении P₁. Через полупроницаемую мембрану M с толщиной l и площадью S, характеризующейся проницаемостью Q_A для легкопроникающего компонента, проходит поток газовой смеси q_p с концентрацией компонента A-y_p и давлением P₂(P₁>P₂).

В сбросном потоке q_o концентрация компонента A после прохождения над полупроницаемой мембраной падает до x_o. Суммарная площадь поверхности мембраны

где θ = q_p/q_f, Q_A и Q_B - проницаемости соответственно молекул A и B через мембрану толщиной 1;
R - отношение низкого давления к высокому, определяемое как
R=P₂/P₁.

В случае, когда Q_A>>Q_B, насыщение проникшего потока компонентом A происходит очень быстро, поскольку площадь мембраны, требуемая для проницаемости потока компонента B, равного потоку компонента A, значительно больше.

Таким образом, для более полного выделения компонента A, т.е. уменьшения концентрации x_o, требуется значительное увеличение площади мембраны, поскольку x_o>R^*y_p, а при x_o OS
Уменьшение требуемой площади мембраны достигается при помощи дросселирования части сбросного потока и подачи его в область проникшего потока (фиг. 2), где за счет этого концентрация компонента A уменьшается до величины:
y_p=a^*y_p+(1-a)^*x_o,
где a - доля проникающего через мембрану потока в общем потоке в области низкого давления.

Площадь мембраны S¹, необходимая для достижения концентрации x_o при наличии дополнительного потока, будет меньше площади S без такого потока в

где x_o =R^*y_p/b, 0<b<1.

Коэффициент b является функцией другого коэффициента - идеального коэффициента разделения равного Q_A/Q_B. Причем, чем больше коэффициент разделения, тем больше коэффициент b. Следовательно, чем больше коэффициент разделения и чем сильнее разбавление, т.е. меньше y_р ¹, тем больше отношение S/S¹, т. е. тем меньшая площадь мембраны требуется для достижения концентрации x_o в остаточном потоке.

Может быть использовано в химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности в тех случаях, когда необходимо разделение газовых смесей на фракции или очистить смеси от примесей, а также в газоаналитический технике. Создают поток газовой смеси высокого давления с одной стороны полупроницаемой мембраны, обогащающегося труднопроникающими компонентами, и поток низкого давления с другой стороны полупроницаемой мембраны, обогащающегося легкопроникающими компонентами, направленного противотоком потоку высокого давления, отбирают часть сбросного потока газовой смеси высокого давления, обогащенного труднопроникающими компонентами, дросселируют и подают в поток низкого давления со стороны сбросного потока. Способ позволяет значительно уменьшить площадь мембраны, требуемой для достижения необходимой концентрации компонентов. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ разделения газовых смесей, содержащих труднопроникающие и легкопроникающие через полупроницаемую мембрану компоненты, включающий создание потока газовой смеси высокого давления с одной стороны полупроницаемой мембраны, обогащающегося трудноприникающими компонентами, и потока низкого давления с другой стороны полупроницаемой мембраны, обогащающегося легкопроникающими компонентами, и направленного противотоком потоку высокого давления, отличающийся тем, что часть сбросного потока газовой смеси высокого давления, обогащенного труднопроникающими компонентами, отбирают, дросселируют и подают в поток низкого давления со стороны сбросного потока. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве полупроницаемых мембран используются полые волокна, рулоны, полотна и трубки.