МЕМБРАННЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1999 года по МПК B01D63/02 B01D71/26 B01D53/22 

Известно устройство с полупроницаемой мембраной для разделения газов. Устройство позволяет менять состав смеси и содержит минимум одну ячейку с камерами, разделенными полупроницаемой мембраной. Камеры сообщаются таким образом, что смесь в них движется противотоком. В устройстве имеется приспособление, которое создает разность давлений по обе стороны мембраны. В устройстве имеется вход для смеси и выход для смеси с измененным содержанием компонентов. Устройство применяется для обогащения воздуха кислородом (заявка Франции N 2464088, кл. B 01 D 53/00, опублик. 1981 г.)
Основным недостатком этого устройства является недостаточно высокая газопроизводительность, что снижает эффективность его использования.

Известен мембранный элемент для разделения газожидкостных смесей и аппарат на основе такого элемента.

Аппарат выполнен в виде корпуса, снабженного крышкой, штуцерами для входа и выхода разделяемой смеси и пакетом мембранных элементов.

Мембранные элементы состоят из плоских мембран и пористых носителей, из которых каждый выполнен в форме двух пластин, плоских с одной стороны и ребристых с другой, причем обращенных ребристыми сторонами друг к другу. Пакет мембранных элементов заключен в эластичную оболочку, плотно прилегающую к поверхностям элементов (см. заявку Франции N 2511260, кл. B 01 D 53/00, опублик. 1983 г.)
Основным недостатком этого элемента является недостаточная плотность упаковки мембран и в связи с этим недостаточно высокая газопроизводительность.

Известен также мембранный модуль из полых волокон, содержащий по меньшей мере один пучок И-образных полых волокон, причем оба конца каждого волокна заделаны в заливочную массу, а открытые концы полых волокон впадают в наружный торец заливочной массы. Модуль характеризуется тем, что каждый пучок полых волокон состоит из частичных пучков, которые имеют различную длину. Полые волокна по меньшей мере в области полукруглого изгиба расположены в основном слоями. По меньшей мере два частичных пучка в этой области расположены в другом слое. Указанные слои проходят в основном параллельно продольной оси модуля. Продольные оси слоев и продольная ось модуля в основном совпадают. Слои в продольном направлении образуют друг с другом угол (см. заявку Европатента N 0371189, кл. B 01 D 63/02, опублик. 1990 г.)
Основным недостатком этого модуля является высокое гидравлическое сопротивление газовому потоку, возникающее в местах перекрещивания волокон.

Известно также устройство для разделения жидких или газовых смесей.

Для обеспечения более высокой плотности упаковки мембраны при низких потерях потока пермеатное пространство поволоконного мембранного модуля выполнено в виде продольного трубчатого сосуда с гильзой, расположенной перпендикулярно продольной оси сосуда. В гильзе размещена мембранная ячейка, содержащая пучок полых волокон, открытые концы которых соединены с трубопроводами входа и выхода разделяемой смеси (см. патент Германии N 4039967, кл. В 01 D 63/02, опублик. 1992 г.)
Основным недостатком этого устройства является высокое гидравлическое сопротивление в слое.

Задачей, положенной в основу создания изобретения, является разработка конструкции мембранного элемента для разделения воздуха, обеспечивающей высокую газопроизводительность при увеличенном ресурсе работы элемента при малом гидравлическом сопротивлении в слое.

Поставленная задача решается мембранным элементом для разделения воздуха, состоящим из полых полимерных волокон, намотанных на металлическую основу, в котором последняя выполнена в виде двух усеченных конусов, соединенных большими основаниями на одном опорном стержне, имеющем в средней части диск с диаметром, равным 4-6 диаметрам опорного стержня, при этом на последний производится намотка полых волокон, сформованных из смесей поли-4-метилпентенов-1, имеющих различные индексы расплава.

При этом согласно настоящему изобретению на опорный стержень наматывают полые волокна, сформованные из смеси поли-4-метилпентенов-1 с индексом расплава 100-180 г/10 мин, взятого в количестве 75-95 мас.% и с индексом расплава 20-50 г/ 10 мин, взятого в количестве 5-25 мас.% от массы волокна.

Сущность изобретения состоит в том, что разработана оригинальная конструкция мембранного элемента для разделения воздуха, состоящая из двух усеченных конусов, соединенных между собой большими основаниями, сблокированных на одном опорном стержне. В средней части стержня устанавливают металлический диск определенного размера. Толщина слоя намотанных при этом волокон в мембранном элементе будет уменьшаться в направлении от меньших оснований конусов к большему основанию, то есть к середине элемента.

При этом сопротивление выходу проникшего в межволоконное пространство газового потока будет меньшим, что в конечном счете приводит к увеличению удельной производительности мембранного элемента и ресурса работы элемента.

Согласно данных, полученных при испытании описываемой конструкции, удельная газопроизводительность возросла на 10-14% по сравнению с контрольным мембранным элементом, выполненным в виде цилиндра с намотанными на него полыми полимерными волокнами из 4-полиметилпентена-1.

Размер диска, установленного в середине опорного стержня, определен экспериментально, и он имеет диаметр, равный 4-6 диаметрам опорного стержня, обусловлен необходимостью создания оптимальной толщины слоя волокон в середине мембранного модуля, в которой газовому потоку обеспечивается минимальное гидравлическое сопротивление.

Согласно предлагаемому изобретению намотка полых полимерных волокон производится на опорный стержень.

Полые волокна огибают внешний обод диска, образуя полость. Поскольку количество нитей полых волокон, уложенных в поперечном сечении мембранного элемента по диску и в области концов элемента, зафиксированных эпоксидной смолой, одинаково, а толщина слоя уложенных волокон в этих сечениях обратно пропорциональна квадрату диаметров (вследствие равенства площадей), то толщина слоя волокон на диске будет меньше их толщины области эпоксидного блока, что обеспечивает минимальное гидравлическое сопротивление слоя волокон газовому потоку.

Для намотки на опорный стержень используется смесь из поли-4-метилпентенов-1, имеющих различные показатели текучести расплава, так называемый индекс расплава, который соответствует следующим показателям: 75-95 мас.% от смеси полимера берется с индексом расплава 100-180 г/10 мин; 5-25 мас.% от смеси полимера берется с индексом расплава 20-50 г/10 мин.

Из смеси этих полимеров формуют полое волокно, подлежащее намотке.

Наличие смеси полимеров в волокне обуславливает оптимальные вязкостные характеристики исходного сырья и позволяет избежать наличия дефектов структуры получаемых волокон и их равномерную толщину по всей длине волокна. Полученные таким образом волокна имеют проницаемость на 5-10% выше известных, при той же селективности разделения газов.

В результате использования мембранного элемента вышеописанной конструкции и намотки полимерного волокна вышеуказанного состава удается значительно повысить газопроизводительность элемента, в частности на 15-20%. Это преимущество позволяет, кроме того, увеличить ресурс работы, обеспечив расход гипоксической газовой смеси, т.е. смеси, имеющей пониженное содержание кислорода более 60 л/мин, что расширяет возможность практического использования элемента.

На чертеже изображен мембранный элемент по фронтальному разрезу.

Мембранный элемент, изображенный на чертеже, состоит из стержня 1, слоя полых полимерных волокон 2, полости 3, диска 4, эпоксидного блока 5, герметичных камер 6, крышек 7, гаек 8, канала входа газа 9 и канала выхода газа 10.

Возможность реализации изобретения подтверждается следующими конкретными примерами.

Пример 1. Мембранный элемент, изображенный на чертеже, изготавливают следующим образом.

Стержень 1 с надетым на него диском 4 устанавливается в креплениях намоточного станка и приводится во вращение. Параллельно стержню 1 совершает возвратно-поступательное движение вкладчик, через отверстие в пластине которого проходят полые полимерные волокна, закрепленные на вращающемся стержне. Волокна сматываются из бобин. Таким образом происходит крестовая укладка пучка полых волокон 2 на стержень мембранного элемента 1, причем угол между витками пучка волокон, идущими в прямом и обратном направлениях, поддерживают равным 90^o. Одновременно с намоткой слоя полимерных волокон 2 формируются эпоксидные блоки 5, для чего на концы наматываемого мембранного элемента непрерывно наносится эпоксидный компаунд, а прикатывание роликами способствует пропитке в этих местах межволоконного пространства и склеиванию волокон.

При намотке полые волокна 2 огибают внешний обод диска 4, образуя полость 3.

После намотки необходимого количества полых волокон 2 и полного отверждения эпоксидного компаунда в блоках 5 производят обрезку нитей по торцам элемента, при этом вскрываются каналы полых волокон, затем надевают по концам элемента крышки 7, которые поджимают гайками 8. В результате образуются две герметичные камеры 6 на входе и выходе из элемента.

Пример 2. Мембранный модуль работает следующим образом.

Сжатый воздух от компрессора через канал входного отверстия 9 подается в одну из герметичных камер 6, откуда попадает внутрь каналов полых волокон 2 на основе поли-4-метилпентена-1. Проходя внутрь каналов, воздух разделяется и обедняется по кислороду, который проходит через стенки волокон и попадает в межволоконное пространство и затем в окружающую среду. Обогащенный азотом воздух выходит из каналов волокна на другом конце элемента во вторую герметичную камеру 6 и направляется потребителю.

Использование вышеописанного мембранного элемента позволяет обеспечить следующие преимущества: повышенную на 15-20% по сравнению с известными элементами газопроизводительность; высокий ресурс работы элемента с одновременной надежностью и простотой сборки и работы конструкции.

Область применения: изобретение относится к аппаратуре для разделения газовых смесей, в частности воздуха, и может найти свое применение в химической промышленности и в медицине. Сущность изобретения заключается в мембранном элементе для разделения воздуха, состоящем из полых полимерных волокон, намотанных на металлическую основу, в которой последняя выполнена в виде двух усеченных конусов, соединенных большими основаниями на одном опорном стержне, имеющем в средней части диск с диаметром, равным 4-6 диаметрам опорного стержня, при этом на последний производится намотка полых волокон, сформованных из смесей поли-4-метилпентенов-1, имеющих различные индексы расплава. Элемент обеспечивает высокую газопроизводительность и увеличенный ресурс paбoты. 1 с. и 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Мембранный элемент для разделения воздуха, состоящий из полых полимерных волокон, намотанных на металлическую основу, отличающийся тем, что основа выполнена в виде двух усеченных конусов, соединенных на одном опорном стержне, имеющем в средней части диск с диаметром, равным 4-6 диаметрам опорного стержня, при этом полые волокна сформованы из смеси поли-4-метилпентенов-1, имеющих различные индексы расплава. 2. Мембранный элемент по п.1, отличающийся тем, что полые волокна, намотанные на основу, сформованы из смеси 75-95 мас.% поли-4-метилпентена-1 с индексом расплавки 100-180 г/10 мин и 5-25% поли-4-метилпентена-1 с индексом расплава 20-50 г/10 мин.