МЕМБРАННЫЙ РУЛОННЫЙ ГАЗОРАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1999 года по МПК B01D63/10 

Изобретение относится к аппаратурному оформлению процесса диффузионного разделения газовых смесей, а именно к конструкции мембранного аппарата для разделения газов.

Наиболее распространенная конструкция мембранных аппаратов с элементами рулонного типа состоит из напорного корпуса, имеющего штуцера ввода разделяемой газовой смеси и вывода апермеата и пермеата с размещенным внутри одним или несколькими рулонными последовательно соединенными элементами. Рулонный элемент содержит один или несколько мембранных пакетов, образованных двумя мембранами с дренажным каналом между ними, а также листов турбулизатора-разделителя между смежными пакетами, которые навиты на перфорированный коллектор [1, 2, 3, 4]. Отличительные особенности конструкций следующие: усовершенствован коллектор [1], дренажный канал [2, 3, 4].

Известен рулонный газоразделительный элемент [5], содержащий коллектор с навитыми на него сложенными вдвое листами плоских мембран, между которыми расположен турбулизатор, наружные прокладки, прилегающие к мембранам соседних сложенных вдвое листов, и промежуточные прокладки, размещенные между наружными, причем промежуточные прокладки выполнены переменными по толщине, уменьшающейся в направлении от коллектора к периферии элемента.

Известен модуль, содержащий перфорированный коллектор, по меньшей мере, одна газопроницаемая мембрана спирально намотана на коллектор, прокладку для питающей воды спирально обертывают вокруг коллектора так, чтобы она располагалась на наружной поверхности мембраны, мембрана содержит проницаемую прокладку. Перфорированный коллектор имеет в торце канал для ввода потока газа и канал для вывода газа и снабжен перегородкой, которая блокирует поток газа вдоль коллектора. В мембране имеется продольная перегородка для регулирования потока газа [6].

Недостатком данного элемента является сложность его изготовления и невозможность работы в системе газ - газ при высоких давлениях до 5 МПа.

Предлагаемое изобретение направлено на упрощение способа изготовления конструкции и повышение эффективности его работы.

Сущность изобретения заключается в следующем: элемент содержит перфорированный коллектор, который разделен поперечной непроницаемой для газов перегородкой, имеет для канала ввода и два канала вывода разделяемой газовой смеси, на коллектор спирально намотаны мембранные пакеты, образованные двумя соединенными между собой мембранами и листом турбулизатора между ними, между смежными пакетами - дренажный канал, образованный листами дренажного материала, который имеет продольную перегородку и герметизирован с 3-х сторон периметра.

В предлагаемом изобретении продольную перегородку в дренажном канале формируют непосредственно в процессе намотки рулонного элемента, а в известном решении разделительную перегородку формируют предварительно на мембране, что требует дополнительного контроля толщины и высоты перегородки, что свою очередь усложняет процесс изготовления элемента.

Дренажный канал образован листами дренажного материала, в качестве которого использовано трикотажное полотно, пропитанное фенолформальдегидными смолами. Полученный материал обладает фиксированными канавками для прохода газа, что позволяет поднять производительность элемента и использовать его при высоких давлениях до 5 МПа.

Дренажный канал герметизирован с 3-х сторон периметра, что позволяет расширить диапазон используемых мембран, в т.ч. и бесподложечных малоэластичных, например, на основе поливинилтриметилсилана, а также позволяет работать элементу при высоких давлениях до 5 МПа.

На фиг. 1 показан мембранный рулонный элемент, на фиг. 2 - последовательность укладки комплектующих материалов при намотке элемента, на фиг. 3 - общий вид мембранного рулонного элемента в разрезе, на фиг. 4 - схема организации потоков в элементе.

На фиг. 1, 3 показан мембранный рулонный элемент: к трубке (1) с перфорациями (3) и перегородкой (9) прикреплен несущий дренаж (2). Дренажный канал образован двумя листами дренажа (6, 8), герметиком (4) и снабжен клеевой продольной перегородкой (10).

При работе рулонного фильтрующего элемента (фиг. 2, 4) исходный поток (1) поступает в напорный канал (7). Исходный поток (1) в РГЭ разделяется на две части, одна из которых движется вдоль мембраны (5) и выходит с противоположного торца элемента (поток II); вторая проникает в дренажный канал, разделенный клеевой перегородкой (10). Одновременно дополнительный поток (III) входит в дренажный канал через один из концов пермеатотводящего коллектора (1), огибает клеевую перегородку (10) в дренажном канале, смешивается с проникшей частью исходного потока (I) и выходит через противоположный конец коллектора (1) (поток IV).

Пример 1. Исходную газовую смесь в количестве 3,25 м³/ч с относительной влажностью 100% при температуре 25^oC и давлении 4,2 атм подают в напорный канал четырехходового рулонного мембранного элемента, в котором использованы пакеты с кремнийорганической мембраной. Производительность РГЭ по кислороду Q₀₂ = 530 л/ч ат, селективность кислород/азот α _02/N2 = 2,03, площадь мембраны в элементе 1,5 м². Напорный канал образован с использованием в качестве турбулизатора капронового сита с размером ячеек 8 мм², дренажный канал образован с использованием трикотажного полотна, пропитанного фенолформальдегидными смолами. Непроникший через мембрану газовой поток (апермеат) в количестве 1,75 м³/ч с относительной влажностью 4% отводят из элемента, затем часть этого потока в количестве 0,25 м³/ч как дополнительный газовый поток подают в торец коллектора, который смешивается с проникшим через мембрану газовым потоком, затем поток движется по канавкам дренажного материала, огибает продольную перегородку в дренажном канале и в количестве 1,75 м³/ч через второй конец коллектора отводится из элемента. Степень отбора при испытании - 0,5.

Пример для сравнения. Согласно прототипу был изготовлен рулонный элемент, в котором была использована кремнийорганическая мембрана площадью 1,5 м², в центре которой находится регулирующая перегородка, образованная из адгезива. Листы мембраны, турбулизатора, дренажного материала герметизированы с боковых сторон и соединены с боковой поверхностью коллектора у открытого края для сообщения внутренней части коллектора с внутренней частью мембраны.

Исходную газовую смесь в количестве 3,25 м³/час с относительной влажностью 100% при температуре 25^oC и давлении 4,2 атм подают в напорный канал рулонного элемента. Непроникший через мембрану газовый поток (апермеат) в количестве 1,5 м³/час с относительной влажностью 5,5% отводится из элемента, затем часть этого потока в количестве 0,25 м³/час как дополнительный газовый поток подают в торец коллектора, где он смешивается с проникшим через мембрану газовым потоком и в количестве 2 м³/час через второй конец коллектора отводится из элемента. Выход целевого продукта 1,0 м³/м².

Таким образом, использование заявляемого элемента по сравнению с прототипом позволяет существенно повысить эффективность процесса осушки, увеличение выхода целевого (осушенного) продукта (с 1,0 м³/м² до 1,17 м³/м²) с одновременным увеличением степени осушки воздуха.

Литература
1. Патент США N 3417870, кл. 210 - 320, 1968 г.

2. Патент США N 4476022, кл. B 01 B 31/60, 1984.

3. Патент США N 3813334, кл. B 01 B 13/00, 1974.

4. Патент США N 4802982, кл. B 01 B 13/00, 1969.

5. А.С. СССР N 1656728.

6. Заявка ЕПВ N 0448943, B 01 D 63/10.

Использование: в процессах диффузионного разделения газовых смесей. Сущность изобретения: мембранный рулонный газоразделительный элемент содержит перфорированный коллектор, который разделен поперечной непроницаемой для газов перегородкой, два канала ввода и два канала вывода разделяемой газовой смеси. На коллектор спирально намотаны мембраны и лист турбулизатора между ними, которые соединены между собой, образуя мембранные пакеты, между смежными пакетами - дренажный канал, образованный листами дренажного материала. Дренажный канал имеет продольную перегородку и герметизирован с трех сторон периметра. Дренажный канал имеет клеевую продольную перегородку. В качестве дренажного материала использовано трикотажное полотно, пропитанное фенолформальдегидной смолой. Техническим результатом изобретения является упрощение способа изготовления мембранного элемента и повышение эффективности его работы. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Мембранный рулонный газоразделительный элемент, содержащий перфорированный коллектор, который разделен поперечной не проницаемой для газов перегородкой, имеющий два канала ввода и два канала вывода разделяемой газовой смеси, на коллектор спирально намотаны мембраны и лист турбулизатора между ними, которые соединены между собой, образуя мембранные пакеты, между смежными пакетами - дренажный канал, образованный листами дренажного материала, отличающийся тем, что дренажный канал имеет продольную перегородку и герметизирован с трех сторон периметра. 2. Мембранный рулонный газоразделительный элемент по п.1, отличающийся тем, что дренажный канал имеет клеевую продольную перегородку. 3. Мембранный рулонный газоразделительный элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве дренажного материала используют трикотажное полотно, пропитанное фенолформальдегидной смолой.