СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ И/ИЛИ ОСУШКИ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ С ПОМОЩЬЮ МЕМБРАННЫХ УСТРОЙСТВ Российский патент 2004 года по МПК B01D53/22 B01D61/00 B01D63/00 H01B9/06 

Изобретение относится к аппаратуре для разделения и/или осушки газовых смесей, в частности воздуха, с помощью мембранных устройств. В частности, заявленное изобретение может относиться к области эксплуатации кабелей связи и силовых кабелей, в которых для защиты от попадания влаги и контроля за герметичностью оболочек кабелей используется осушенный воздух под избыточным давлением, а также к другим областям, где требуется подача газовых смесей под регулируемым избыточным давлением.

В настоящее время для разделения газовых смесей широко применяются установки, в которых используются мембранные газоразделительные аппараты с мембранами преимущественно в виде полых волокон. Примером такого аппарата может служить мембранный аппарат по патенту РФ 2135271, кл. В 01 D 71/26 от 27.08.1999.

Сжатый воздух от компрессора подается в этот мембранный аппарат через канал входного отверстия в одну из герметичных камер, откуда попадает внутрь каналов полых волокон 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 и направляется потребителю.

Такие мембранные аппараты могут применяться, например, для разделения воздуха на влажный (обогащенный кислородом) и сухой (обогащенный азотом) в установках для содержания газонаполненных кабелей телефонных линий под избыточным давлением осушенного воздуха.

Установка для содержания газонаполненных кабелей под избыточным давлением сухого воздуха с применением такого мембранного аппарата обеспечивает высокую газопроизводительность и увеличенный ресурс работы.

Такие установки для содержания газонаполненных кабелей под избыточным давлением сухого воздуха позволяют подавать в кабели осушенную газовую смесь с пониженным содержанием кислорода, с меньшими энергозатратами и меньшими затратами на обслуживание, чем используемые ранее аналогичные установки. Однако решение технических задач, которые ставят перед собой почти все разработчики новых установок, не позволяет избавиться от существующих недостатков, вызванных использованием установок с мембранными аппаратами.

В настоящее время специалисты выделяют следующие существенные недостатки современных установок для разделения и/или осушки газовых смесей и подачи их под регулируемым избыточным давлением потребителю.

1. Возможность попадания капельной влаги в мембранный газоразделительный аппарат, вызванная тем, что температура сжатого воздуха по мере продвижения от компрессора к аппарату уменьшается от значения, соответствующего температуре на выходе компрессора, до температуры окружающей среды, что приводит к образованию конденсата во всех элементах схемы.

2. Периодичность работы компрессора приводит к циклическому нагружению давлением мембранного аппарата. Известное уменьшение механической прочности мембраны из полимерных материалов при наличии капельной влаги в сочетании с циклическим нагружением приводит к потере надежности работы аппарата, вплоть до преждевременного выхода его из строя.

Другим существенным недостатком известных схем является тот факт, что температура мембранного газоразделительного аппарата и температура подаваемого в него воздуха зависят от температуры окружающей среды, сезонные колебания которой могут достигать 20-30°С. В то же время известно, что разделительные характеристики полимерных мембран зависят от температуры. Так, например, при увеличении температуры с 20 до 30°С проницаемость мембраны из поливинилтриметилсилана (ПВТМС) увеличивается на 25% с одновременным уменьшением ее селективности. То есть если регулировка мембранного газоразделительного аппарата по степени отбора осушенного воздуха произведена, например, при температуре 20°С, то увеличение температуры приведет к увеличению потока сбрасываемого в атмосферу влажного воздуха и, как следствие, к дополнительному расходу электроэнергии и снижению ресурса компрессора; и, наоборот, при уменьшении температуры окружающего воздуха - к уменьшению сбрасываемого потока и соответствующему увеличению степени отбора, что приведет к повышению влажности воздуха, подаваемого в кабель.

Другим существенным недостатком существующих установок является то, что поток сбрасываемого в атмосферу воздуха не зависит от задействованной производительности установки, регулировку которой осуществляют на выходе установки, что также приводит к дополнительному расходу электроэнергии, снижению ресурса компрессора и к уменьшению ресурса самого мембранного аппарата.

Предложение по патенту США 5989312 от 23.11.1999 позволяет исключить образование капельной влаги (конденсата) в мембранном аппарате и обеспечивает температурную стабилизацию процесса мембранного газоразделения путем подогрева входного потока. Однако в общем тепловом балансе описанной схемы участвует окружающий воздух и, следовательно, температура компрессированного воздуха на входе аппарата, а также температура самого аппарата остаются зависимыми от температуры окружающей среды.

Для обеспечения безнагрузочного режима работы мембранного аппарата в патенте РФ 2107962 от 27.03.1998 предлагается установить на выходе аппарата дополнительный обратный клапан, а на выходе проникшего (влажного) потока в атмосферу установить электроклапан, который открывается при работе компрессора и закрывается при его остановке.

Этот способ, хотя и позволяет постоянно поддерживать в мембранном аппарате повышенное давление, однако не решает проблему циклического нагружения мембраны, а именно - периодически возникающего перепада давления ΔР на мембране, что приводит к преждевременному выходу из строя мембранного аппарата. Кроме того, этот способ имеет существенный недостаток, заключающийся в невозможности использования в установке эффективных и относительно недорогих бескорпусных половолоконных аппаратов, в которых подача компрессированного воздуха производится внутрь волокна, а полостью низкого давления является окружающая атмосфера.

Устранение цикличности нагружения мембранного газоразделительного аппарата предлагается в патенте РФ 2133513 от 20.07.1999.

В данном техническом решении раскрыта установка для содержания телефонных кабелей под избыточным давлением осушенного воздуха, в которой накопительный ресивер установлен между компрессором и аппаратом. При этом на выходе ресивера установлен регулируемый редуктор, обеспечивающий поддержание постоянного давления в аппарате, а на выходе аппарата - второй регулируемый редуктор, обеспечивающий поддержание устанавливаемого пользователем расхода и (или) давления осушенного воздуха на выходе установки.

Существенным недостатком схемы по патенту РФ 2133513, так же как и других, является следующее.

Известно, что при эксплуатации подобных установок требуемый расход осушенного воздуха на выходе установки изменяется в широких пределах в зависимости от количества одновременно подключенных кабелей, их объема и степени герметичности. Реально, требуемая производительность установки может регулироваться пользователем в диапазоне от 10-20% до 100% максимальной производительности. По предложенной в патенте РФ 2133513 схеме, при уменьшении производительности установки регулируемым редуктором, поток сбрасываемого в атмосферу влажного воздуха остается неизменным, т.е. степень отбора осушенного воздуха уменьшается, что приводит к неоправданно повышенному расходу компрессированного воздуха из ресивера и, следовательно, к дополнительному расходу электроэнергии и снижению ресурса компрессора.

Понятно, что такие же проблемы возникают и в других установках, где газовая смесь подается на выход установки под избыточным давлением.

В патенте США 5131929 от 21.07.1992 раскрывается способ регулирования давления в системах осушки газа с помощью мембран, работающих в периодическом режиме. В данном техническом решении предлагается установить клапан, регулирующий давление газа на входе мембранного аппарата, и клапан на выходе, который открывается, когда давление в аппарате достигает заданного давления. Этот способ, хотя и позволяет постоянно поддерживать в мембранном аппарате повышенное давление, однако также не решает проблему циклического нагружения мембраны.

Таким образом, задачей, на которую направлено заявленное изобретение, является создание способа и установки для разделения и/или осушки газовых смесей, которые не содержали бы указанных недостатков.

Решая данную задачу, достигается технический результат, заключающийся в возможности поддерживать постоянную степень извлечения продукта (осушенного воздуха) независимо от задействованной производительности установки, что позволяет увеличить ресурс ее работы и с большей надежностью гарантировать степень осушения воздуха.

Указанный технический результат достигается при использовании заявленного способа и установки согласно независимым пунктам формулы и подчиненным им зависимым пунктам во всех областях альтернатив, содержащихся в формуле изобретения.

Согласно пункту 1 формулы изобретения технический результат достигается способом разделения и/или осушки газовых смесей, в котором поток сжатого газа подают на мембранное газоразделительное устройство в установке для разделения и/или осушки газовых смесей, в котором он разделяется на два потока, при этом осуществляют регулирование давления и/или расхода продукта на выходе установки путем изменения рабочего давления в мембранном устройстве с помощью редуктора-регулятора давления, установленного перед устройством, совместно с дросселем, установленным на выходе устройства, который служит для первоначальной настройки степени отбора продукта.

В предпочтительном варианте осуществления способа газом может быть воздух.

В другом варианте изобретения технический результат достигается установкой, предназначенной для осуществления заявленного способа, содержащей, как минимум, один компрессор, ресивер, отсекаемый при остановке компрессора обратным клапаном, устройство слива конденсата и мембранное газоразделительное устройство, при этом регулирование давления и/или расхода осушенного газа на выходе установки осуществляют путем изменения рабочего давления в мембранном устройстве с помощью редуктора - регулятора давления, установленного перед устройством, совместно с дросселем, установленным на выходе устройства, который служит для первоначальной настройки степени отбора осушенного газа.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения работой компрессора управляет, как минимум, одно реле давления, установленное на ресивере, обеспечивающее требуемый запас сжатого воздуха в ресивере.

Установка может содержать реле давления, которое служит для подачи сигнала о снижении давления воздуха в установке ниже предельного уровня.

На выходе установки может быть установлен измеритель влажности. В качестве измерителя влажности может использоваться цифровой термогигрометр, снабженный пороговым устройством и устройством вывода показаний.

Кроме того, установка может содержать, как минимум, один воздушный фильтр для очистки воздуха от сконденсированной влаги и паров масел, которые попадают в сжатый газовый поток при работе компрессора. Фильтр устанавливается после ресивера.

Также установка может содержать дополнительно установленные перед ресивером теплообменник и сепаратор.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения на входном трубопроводе мембранного газоразделительного устройства установлен нагреватель-термостат, обеспечивающий постоянную температуру подаваемого воздуха, а внешняя поверхность мембранного газоразделительного устройства теплоизолирована от окружающей среды.

Нагреватель-термостат представляет собой или трубчатый нагревательный элемент, запитанный через реле температуры, управляемое по сигналу установленного в трубопроводе датчика, или представляет собой саморегулирующийся нагревательный кабель.

В другом предпочтительном варианте мембранное газоразделительное устройство представляет собой бескорпусной половолоконный мембранный газоразделительный аппарат. При этом мембранный газоразделительный аппарат может быть помещен в нагреватель-термостат.

При использовании такого бескорпусного мембранного аппарата можно снизить стоимость всей установки.

Представляемая установка проще по конструкции, чем известные установки, и при этом свободна от перечисленных недостатков.

Признаки, выраженные в виде альтернативы во всей формуле изобретения, при любом допускаемом такими альтернативами выборе в совокупности с другими признаками формулы изобретения обеспечивают получение указанного технического результата. При этом получение указанного технического результата обеспечивается сочетанием каждой из альтернативных характеристик одного признака с каждой из альтернативных характеристик других признаков порознь. Таким образом, в заявленном изобретении, во всех сочетаниях любых альтернатив, соблюдается требование единства изобретения.

Далее на примере установки для содержания телефонных кабелей под избыточным давлением сухого воздуха для наглядности будет продемонстрировано осуществление заявленного изобретения.

В данной установке через мембранное устройство проходит поток воздуха, который разделяется на два потока, один из которых, влажный и обогащенный кислородом, сбрасывается в атмосферу, а второй, сухой и обогащенный азотом, поступает на выход установки под давлением.

Для устранения цикличности нагружения мембранного газоразделительного устройства предлагается накопительный ресивер установить между компрессором и устройством, вход ресивера оборудовать обратным клапаном, а на выходе установить редуктор - регулятор давления, который совместно с дросселем, установленным на выходе устройства, обеспечивает регулировку необходимого давления и/или расхода осушенного воздуха на выходе установки. При такой схеме в ресивере создается запас сжатого воздуха, восполняемый компрессором по сигналу с датчика - реле давления, установленного на ресивере, как в обычных пневмосхемах. Мембранное устройство работает в стационарном режиме, независимо от режима работы компрессора, а расход сжатого воздуха из ресивера пропорционален расходу осушенного воздуха на выходе установки. Таким образом, регулирование выходящих параметров (давления и/или расхода осушенного воздуха) осуществляется путем изменения рабочего давления в устройстве с помощью редуктора - регулятора давления, установленного перед устройством, который совместно с дросселем, установленным на выходе устройства, позволяет поддерживать постоянную степень извлечения продукта (осушенного воздуха) независимо от задействованной производительности установки, т.е. величина потока сбрасываемого влажного воздуха пропорциональна расходу осушенного воздуха в кабели, следовательно, период работы компрессора и энергозатраты на процесс осушки также пропорциональны расходу осушенного воздуха.

Для обеспечения температурной стабилизации процесса мембранного газоразделения, а также для исключения попадания конденсата в мембранное устройство можно установить на входном трубопроводе последнего нагреватель-термостат, обеспечивающий постоянную температуру подаваемого воздуха, а внешнюю поверхность самого устройства теплоизолировать от окружающей среды.

В случае если производительность компрессора велика и подаваемый воздух в ресивере охлаждается недостаточно, то перед ресивером дополнительно установлен теплообменник для охлаждения воздуха и предварительной осушки за счет частичной конденсации находящейся в нем влаги и сепаратор.

Функциональная схема установки для содержания телефонных кабелей под избыточным давлением осушенного воздуха представлена на чертеже.

Установка для содержания газонаполненных кабелей под избыточным давлением осушенного воздуха состоит из, как минимум, одного компрессора К, теплообменника ТО и сепаратора С, устройства слива конденсата СК, ресивера Р, отсекаемого при остановке компрессора обратным клапаном ОК, как минимум, одного воздушного фильтра Ф, редуктора - регулятора давления РР, нагревателя-термостата НТ, мембранного газоразделительного устройства МГУ, пневмодросселя Д, измерителя влажности ИВ, двух датчиков - реле давления РД1 и РД2 и соединяющих их трубопроводов.

Работает установка следующим образом.

Сжатый компрессором К атмосферный воздух охлаждается в теплообменнике ТО, освобождается от сконденсировавшейся в сепараторе С влаги через устройство слива конденсата СК и поступает в ресивер Р.

В случае если объем сжатого компрессором К воздуха невелик и объем ресивера Р достаточен для охлаждения воздуха и конденсации влаги, то из установки можно исключить теплообменник ТО и сепаратор С, тогда устройство слива конденсата СК устанавливается на ресивере Р.

На чертеже устройство слива конденсата СК условно обозначено подсоединенным к сепаратору С и ресиверу Р.

Из ресивера воздух через фильтр Ф, в котором воздух очищается от сконденсированной влаги и паров масел, которые могут попадать в сжатый воздух при работе компрессора, поступает на редуктор - регулятор давления PP. При помощи редуктора - регулятора давления РР сжатый воздух редуцируется до определенного давления и подается в мембранное газоразделительное устройство МГУ, где устанавливается избыточное давление Р_изб.

В устройстве воздух разделяется на два потока, один из которых, влажный и обогащенный кислородом, сбрасывается в атмосферу, а второй, сухой и обогащенный азотом, через дроссель Д, который служит для первоначальной настройки степени отбора осушенного воздуха из устройства, и визуальный индикатор - измеритель влажности ИВ поступает на выход установки под давлением Р_{выходное}. При этом поток сбрасываемого в атмосферу влажного воздуха пропорционален давлению в мембранном устройстве Р_изб.

В известных установках давление в мембранном устройстве Р_изб. устанавливается неизменным и при уменьшении задействованной производительности установки поток сбрасываемого в атмосферу влажного воздуха остается также неизменным, при этом давление на выходе и/или степень отбора осушенного воздуха уменьшается, что приводит к неоправданно повышенному расходу компрессированного воздуха из ресивера и, следовательно, к дополнительному расходу электроэнергии и снижению ресурса компрессора.

В заявленной установке давление и расход продукта на выходе установки регулируется редуктором - регулятором РР перед мембранным устройством, т.е. избыточное давление, устанавливающееся в мембранной установке Р_изб, пропорционально давлению на выходе установки Р_{выходное}.

Поток сбрасываемого в атмосферу воздуха пропорционален давлению в устройстве Р_изб., а следовательно, и давлению на выходе устройства Р_{выходное}. Таким образом, степень отбора продукта в устройстве остается постоянной и поток сжатого воздуха на входе в устройство пропорционален давлению и расходу осушенного воздуха на выходе установки.

Мембранное устройство работает в стационарном режиме независимо от режима работы компрессора, а давление и/или расход осушенного воздуха на выходе установки регулируется путем изменения рабочего давления в аппарате с помощью редуктора - регулятора давления, установленного перед устройством. Следовательно, расход сжатого воздуха из ресивера пропорционален расходу осушенного воздуха на выходе установки.

На входном трубопроводе перед мембранным устройством МГУ можно установить нагреватель-термостат НТ, обеспечивающий постоянную температуру подаваемого воздуха. В сочетании с теплоизоляцией внешней поверхности устройства это обеспечивает постоянство температуры процесса разделения воздуха, а следовательно, и характеристик самого мембранного устройства.

Работой компрессора управляет реле давления РД1, обеспечивающее включение компрессора при снижении давления в ресивере ниже установленного значения и отключение при заполнении ресивера до верхнего значения давления. Регулировка расхода осушенной газовой смеси и/или давления на выходе установки осуществляется изменением давления в МГУ с помощью редуктора - регулятора PP. Датчик - реле давления РД2, расположенный на выходе установки, служит для подачи сигнала о снижении давления воздуха, подаваемого в кабели ниже предельного уровня, например, в случае нарушения герметичности его оболочки.

Пример конкретной реализации изобретения.

Опытная установка, в которой использовались только серийно производимые узлы и агрегаты, в том числе:

- поршневой безмасляный компрессор, производительностью 6 нм³/час при рабочем давлении 7 кгс/см²;

- воздушно-воздушный теплообменник с сепаратором и полуавтоматическим сливом конденсата;

- ресивер объемом 50 л;

- трубчатый нагреватель мощностью 300 Вт, управляемый реле температуры по сигналу от термометра-сопротивления;

- мембранный газоразделительный аппарат на основе полых волокон из поли-4-метилпентена;

- цифровой измеритель влажности емкостного типа.

Компрессированный воздух термостатировался на входе в аппарат на уровне 36±2°С, давление в аппарате регулировалось в диапазоне от 1 до 5 кгс/см², что обеспечивало расход осушенного воздуха на выходе установки от 0,3 до 1,5 нм³/час в диапазоне выходных давлений от 0,1 до 1 кгс/см², при этом остаточное влагосодержание, приведенное к нормальным условиям, не превышало 0,3 г/м³ (температура “точки росы” не выше - минус 31°С).

Настоящее решение относится к способу разделения и/или осушки газовых смесей, в частности воздуха, с помощью мембранных устройств и применяется для эксплуатации кабелей связи и силовых кабелей, в которых для защиты от попадания влаги и контроля за герметичностью оболочек кабелей используется осушенный воздух под избыточным давлением, а также в других областях, где требуется подача газовых смесей под регулируемым избыточным давлением. В способе разделения и/или осушки газовых смесей поток сжатого газа подают на мембранное газоразделительное устройство в установке для разделения и/или осушки газовых смесей, в котором он разделяется на два потока - выходной сухой и второй влажный, который сбрасывается в атмосферу. При этом осуществляют регулирование давления и/или расхода осушенного газа на выходе установки путем изменения рабочего давления в мембранном устройстве с помощью редуктора-регулятора давления, установленного перед мембранным устройством, совместно с дросселем, установленным на выходе мембранного устройства, который служит для первоначальной настройки степени отбора осушенного газа. Настоящее решение также относится к устройству для разделения и/или осушки газовых смесей. Данные признаки позволяют достичь технического результата, заключающегося в возможности поддерживать постоянную степень извлечения продукта независимо от задействованной производительности установки, что позволяет увеличить ресурс ее работы и с большей надежностью гарантировать степень осушения воздуха. 1 ил.

1. Способ разделения и/или осушки газовых смесей, в котором поток сжатого газа подают на мембранное газоразделительное устройство в установке для разделения и/или осушки газовых смесей, в котором он разделяется на два потока, при этом осуществляют регулирование давления и/или расхода осушенного газа на выходе установки путем изменения рабочего давления в мембранном устройстве с помощью редуктора-регулятора давления, установленного перед мембранным устройством, совместно с дросселем, установленным на выходе мембранного устройства, который служит для первоначальной настройки степени отбора осушенного газа.2. Способ по п.1, в котором газом является воздух.3. Установка разделения и/или осушки газовых смесей способом по п.1 или 2, содержащая как минимум один компрессор, ресивер, отсекаемый при остановке компрессора обратным клапаном, устройство слива конденсата и мембранное газоразделительное устройство, соединяющие их трубопроводы, при этом работой компрессора управляет как минимум одно реле давления, установленное на ресивере, обеспечивающее требуемый запас сжатого воздуха в ресивере, а регулирование давления и/или расхода осушенного газа на выходе установки осуществляют с помощью редуктора-регулятора давления, установленного перед мембранным устройством, совместно с дросселем, установленным на выходе мембранного устройства, который служит для первоначальной настройки степени отбора осушенного газа.4. Установка по п.3, которая содержит реле давления, которое служит для подачи сигнала о снижении давления воздуха в установке ниже предельного уровня.5. Установка по п.3 или 4, на выходе которой установлен измеритель влажности.6. Установка по п.5, в которой в качестве измерителя влажности используется цифровой термогигрометр, снабженный пороговым устройством и устройством вывода показаний.7. Установка по любому из предыдущих пунктов, которая содержит как минимум один воздушный фильтр, установленный после ресивера.8. Установка по любому из предыдущих пунктов, которая дополнительно содержит установленные перед ресивером теплообменник и сепаратор.9. Установка по любому из предыдущих пунктов, в которой на входном трубопроводе мембранного газоразделительного устройства установлен нагреватель-термостат, обеспечивающий постоянную температуру подаваемого воздуха, а внешняя поверхность мембранного газоразделительного устройства теплоизолирована от окружающей среды.10. Установка по п.9, в которой нагреватель-термостат представляет собой или трубчатый нагревательный элемент, запитанный через реле температуры, управляемое по сигналу установленного в трубопроводе датчика, или представляет собой саморегулирующийся нагревательный кабель.11. Установка по п.1, в которой мембранное газоразделительное устройство представляет собой бескорпусной половолоконный мембранный газоразрядный аппарат.12. Установка по п.11, в которой мембранный газоразделительный аппарат помещен в нагреватель-термостат.