АБСОРБЦИОННО-ДЕСОРБЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2007 года по МПК B01D63/08 B01D53/22 

Изобретение относится к сорбционным технологиям разделения газовых смесей и дегазации жидкостей и может быть использовано в пищевой, медицинской, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Для разделения газовых смесей и очистки жидкостей от растворенных газов широко используют устройства, принцип действия которых основан на использовании сорбционных явлений. Например, для выделения углекислого газа из различных газовых смесей используют абсорбционные противоточные колонны, где углекислый газ поглощается потоком жидкости (в частности, водным раствором моноэтаноламина) и затем выделяется в десорбере за счет нагрева жидкости.

Наиболее близким по технической сути является мембранное контакторное устройство, которое при разделении газовых смесей может быть использовано в качестве как абсорбера, так и десорбера (И.Н.Бекман, Д.Г.Бессарабов, Р.Д.Сандерсон. Интегрированные мембранные системы с подвижным жидким носителем. Вестник Московского Университета, сер.2, Химия. 1999. Т.40. №6, стр.408-413). Устройство выполнено в виде модуля, собранного из n-го количества двухполостных ячеек, каждая из которых ограничена и разделена мембраной. В одну из полостей каждой ячейки подают поток газа, а в смежную - жидкости, для чего используются распределители подачи (коллекторы). В полупромышленном или промышленном исполнении модуль должен быть жестким, что достигается применением стандартного крепежного элемента в виде верхнего и нижнего фланцев, между которыми размещены ячейки. Мембрана является непроницаемой для жидкости и проницаемой для газа и может быть как пористой, так и непористой. В результате, более растворимые компоненты газовой смеси проникают через мембрану, абсорбируются жидкостью и выносятся в ее потоке (использование устройства в режиме абсорбера). Выходящий из абсорбера поток жидкости можно подать на аналогичное устройство, где подаваемый газ должен содержать очень малое количество поглощенных жидкостью газов. При этом поглощенные газы будут выделяться из жидкости (использование устройства в режиме десорбера). Вместо подачи газа в десорбере можно использовать вакуумную откачку. При разделении газовых смесей использование одновременно двух устройств в режиме абсорбера и десорбера позволяет создать замкнутый контур по жидкому носителю. Данное сорбционное устройство незаменимо в тех случаях, когда по тем или иным причинам физический контакт между жидкостью и газом недопустим (например, в аппаратах «искусственное легкое»). Использование специальных жидких абсорбентов позволяет обеспечить высокую чистоту разделяемой газовой смеси.

Однако известное устройство имеет ряд недостатков. Критерием эффективности абсорбционного устройства является достижение максимальной производительности по перерабатываемому газовому потоку при заданных степени разделения и потока жидкого абсорбента на единицу площади мембраны. В ячейках полости для газа и жидкости должны иметь зазор определенной толщины, величина которого сильно влияет на эффективность. Чем больше толщина зазора жидкости, тем меньше производительность по получаемому продукту за счет уменьшение степени поглощения газа в жидкости из-за ухудшения диффузионного переноса. В режиме десорбера при заданной степени очистки жидкости от газа устройство с большой толщиной зазора не позволяет иметь высокую производительность по жидкости по той же причине. Для увеличения производительности устройства необходимо либо снижать толщину зазора, либо, как это сделано в известном устройстве, в жидкостных полостях осуществляют перемешивание жидкости за счет использования турбулизующих вставок, реализуемых на практике в виде дренажной сетки. Эти же вставки выполняют роль элементов, задающих толщину зазора. В газовых полостях для задания толщины зазора могут быть использованы аналогичные дренажные сетки. Однако рабочие режимы течения жидкости в устройстве лежат в области очень малых чисел Рейнольдса (порядка нескольких десятков) и использование дренажных сеток и любых известных турбулизирующих систем не приводит к заметному перемешиванию жидкости. Кроме того, использование турбулизирующих вставок (в частности, в виде дренажных сеток) приводит к повреждению мембраны во время эксплуатации и, в конечном итоге, к довольно малому сроку службы устройства.

Задачей заявленного изобретения является повышение эффективности использования мембранного контакторного абсорбционно-десорбционного устройства за счет повышения производительности устройства по газовому потоку при его эксплуатации в режиме абсорбера; повышения производительности устройства по жидкостному потоку при его эксплуатации в режиме десорбера; повышения эксплуатационной надежности устройства.

Поставленная задача достигается в абсорбционно-десорбционное устройстве, содержащем фланцы, между которыми размещено n-е количество двухполостных ячеек, ограниченных и разделенных мембраной, и коллекторы для подачи и отвода газа и жидкости в смежные полости ячеек, полости для жидкости и полости для газа дополнительно оснащены подложками. В полостях для газа подложки выполнены из жесткого пористого материала и размещены по всей площади ячеек. В полостях для жидкости подложки выполнены из материала, непроницаемого для жидкости, и размещены по периметру ячеек. Коллекторы для подачи и отвода газа и жидкости выполнены внутри фланцев и соединены с вертикальными сквозными каналами, выполненными в ячейках и подложках. Причем подложки в полостях для жидкости выполнены и размещены так, что через них проходят только каналы для подачи и отвода газа. Для того чтобы жидкость не проникала в полости для газа, каналы для подачи и отвода жидкости герметизированы от полостей для газа. Полости для жидкости могут быть оснащены дополнительными подложками, выполненными в виде полосок, ориентированных направлению движения жидкости.

Оснащение устройства подложками из жесткого пористого материала, размещенными по всей площади ячеек в полостях для газа, позволяет исключить вероятность повреждения мембраны за счет элементов, задающих толщину зазора в этих полостях (сами подложки являются элементами, задающими эту толщину). Пористый материал должен обладать высокой проницаемостью, для того чтобы не препятствовать свободному течению газа.

Оснащение устройства подложками из материала, непроницаемого для жидкости, размещенными по периметру ячеек в полостях для жидкости, позволяет обеспечить любую требуемую, причем одинаковую, толщину зазора полостей. Постоянные по всему модулю зазоры обеспечивают равномерное распределение потока жидкости между ячейками. Выбором подложки толщина зазора может быть задана достаточно малой для достижения максимально большой степени разделения газовой смеси. Кроме того, размещение этих подложек по периметру ячеек позволяет герметизировать полости для жидкости от окружающей среды.

Выполнение в ячейках и подложках сквозных каналов, соединенных с коллекторами, позволяет подавать и отводить газ и жидкость одновременно от всех ячеек, т.е. обеспечивать их параллельный режим работы. Причем каждый коллектор оказывается общим для всех ячеек. Сам по себе параллельный режим работы ячеек позволяет обеспечить стабильную гидравлику при любом числе ячеек в модуле.

Для удобства коллекторы для подачи и отвода газа и жидкости выполнены внутри фланцев.

Расположение подложек в полостях для жидкости по периметру ячеек и выполнение в них только каналов для подачи и отвода газа позволяет герметизировать полости для жидкости от подаваемого в устройство газа.

Каналы для подачи и отвода жидкости также герметизированы от полостей для газа.

Дополнительно устройство может быть оснащено подложками, выполненными в виде полосок, размещенными в полостях для жидкости и ориентированными по направлению движения жидкости. Тем самым создаются условия для более надежного поддержания толщины зазора в полостях для жидкости и снижается вероятность образования застойных зон течения жидкости, что повышает эффективность работы устройства.

Устройство может быть использовано при повышенном давлении как в газовой, так и в жидкой фазах, что повышает его сорбционные свойства. Это обеспечивается тем, что мембрана везде плотно прилегает к ровной твердой пористой подложке и не контактирует с неровными элементами (дренажными сетками), как это используется в известном устройстве.

При реализации данного устройства его удельная поверхность мембранного контакта между жидкостью и газом составляет до 250-300 м²/м³.

На фиг.1 приведен общий вид абсорбционно-десорбционного устройства. На фиг.2 приведена детализация компоновки ячеек между фланцами. На фиг.3 приведена детализация ячейки.

Абсорбционно-десорбционное устройство содержит верхний 1 и нижний 2 фланцы, между которыми размещено n-е количество двухполостных ячеек (см. фиг.1) Полости ячеек 7, 8 ограниченны и разделены мембраной 11 (см. фиг.3). По всей площади ячеек в полостях для газа 7 установлены подложки 14 из жесткого пористого материала (см. фиг.3), герметизированные вокруг от окружающей среды. В полостях для жидкости 8 по периметру ячеек установлены подложки 12 из материала, непроницаемого для жидкости. Коллекторы для подачи и отвода газа 3, 4 и для подачи и отвода жидкости 5, 6 выполнены внутри фланцев (см. фиг.2) и соединены с вертикальными сквозными каналами 10 и 9, выполненными в ячейках и подложках (см. фиг.2, 3). Через подложки 12 в полостях для жидкости 8 проходят только каналы 10 для подачи и отвода газа (см. фиг.3). Подобное выполнение каналов означает, что каналы для подвода и отвода газа всегда должны быть ближе к торцам ячеек, чем каналы для подвода и отвода жидкости. Каналы 9 для подачи и отвода жидкости герметизированы (например, проклеены) от полостей для газа 7 (см. фиг.3). Количество вертикальных каналов и их расположение должны быть такими, чтобы обеспечить равномерное распределение потоков жидкости и газа в начальных частях полостей. Полости для жидкости 8 могут быть оснащены дополнительными подложками 13, выполненными в виде полосок, ориентированных направлению движения жидкости (см. фиг.3). Боковая поверхность модуля также должна быть герметизирована для предотвращения утечек газа во внешнюю среду.

Абсорбционно-десорбционное устройство работает следующим образом. Жидкость подают, например, в правый коллектор 5 верхнего фланца 1 (см. фиг.1, 2), откуда она поступает в вертикальные каналы 9, распределяется между всеми жидкостными полостями 8 и движется справа-налево вдоль полостей в ячейках. Поскольку газовые полости 7 герметизированы от жидкостных каналов 8, жидкость движется только в жидкостных полостях. Дойдя до противоположного торца ячейки, жидкость поступает в вертикальные жидкостные каналы 9 и отводится через левый жидкостной коллектор 6 на нижнем фланце 2. Движущей силой для потока жидкости является избыточное давление, создаваемое, например, жидкостным насосом.

Газ подают через левый коллектор 4 в нижнем фланце 2. Через каналы газ распределяется между всеми газовыми полостями 7 ячеек и движется в пористой подложке 14 слева-направо противотоком потоку жидкости. Поскольку газовые каналы выполнены в подложке в жидкостных каналах, газ не может попасть в жидкостные полости 8. Далее газ, дойдя до противоположного торца ячейки, поступает в вертикальные газовые каналы 10 и отводится через правый газовый коллектор 3 на верхнем фланце 1. Таким образом, газ и жидкость движутся навстречу друг другу, но не контактируют между собой. Поскольку мембрана является полупроницаемой для газа, его компоненты могут продиффундировать сквозь нее из газовой фазы в жидкую или наоборот.

В зависимости от поставленной задачи в устройстве можно организовать также и прямоточный режим течения, когда газ и жидкость подают в соответствующие коллекторы в одном фланце, например в верхнем 1, а отводят через коллекторы на противоположном фланце 2.

При использовании устройства в режиме абсорбера в качестве жидкости используют вещества, хорошо растворяющие определенные компоненты газовой смеси (например, воду или раствор моноэтаноламина при необходимости очистить газовую смесь от СО₂). По мере течения газ обедняется, а жидкость насыщается этими компонентами.

При использовании устройства в режиме десорбера (для очистки жидкости от растворенных в ней газов) используют труднорастворимые и не содержащие растворенных в жидкости компонентов газовые смеси или чистые газы. В этом случае перенос компонент осуществляется из жидкой фазы в газовую. В режиме десорбера можно использовать вакуумную откачку от одного из газовых коллекторов. Другой газовый коллектор в этом случае должен быть закрыт.

На практике, в случае использования токсичных или дорогостоящих жидкостей, используют замкнутый жидкостный контур, для чего требуется два абсорбционно-десорбционных устройства. На абсорбер подают исходную газовую смесь и очищают ее от хорошо растворимых компонентов. Вышедшую из абсорбера жидкость подают на соответствующий коллектор десорбера, где ее очищают от поглощенных газовых компонент. Очищенную жидкость жидкостным насосом возвращают на входной жидкостной коллектор абсорбера. По жидкости организуется замкнутый цикл, и ее потери обусловлены только испарением через мембрану. Такой режим работы называется рециркуляционным. В рециркуляционном режиме в десорбере могут быть использованы различные способы удаления растворенных газовых компонент. Одним из способов является создание разницы давлений газа в абсорбере и десорбере, которая может быть реализована сжатием газа перед подачей в абсорбер или вакуумной откачкой газа из десорбера. Второй способ - работа абсорбера и десорбера при различных температурах. Обычно в этом случае жидкость перед подачей в абсорбер охлаждают, а перед подачей в десорбер - нагревают. Третий способ - отдувка в десорбере растворенных в жидкости компонентов трудно растворимым газом или смесью.

Примеры реализации устройства.

Пример 1. Устройство используется в режиме абсорбера. Решается задача очистки биогаза от углекислого газа. Концентрации компонентов в исходной смеси: СО₂ - 40%, СН₄ - 60%.

В абсорбционном устройстве используется непористая асимметричная мембрана поливинилтриметилсилан (ПВТМС) с толщиной селективного слоя 0,2 мкм. Рабочая площадь мембраны составляет 1 м². В полостях для жидкости использованы подложки из лавсана толщиной 0,1 мм. В полостях для газа использованы подложки из двух гофрированных листов мипласта, сложенных гофрами под углом друг к другу. Плоские поверхности листов контактируют с мембраной. В модуле использовано 9 двухполостных ячеек.

В качестве жидкого абсорбента используется вода.

Воду с расходом 100 л/час нагнетают жидкостным насосом в один из жидкостных коллекторов под избыточным давлением 0,013 МПа. Биогаз при атмосферном давлении подают в газовый коллектор на противоположном фланце с расходом 50 л/час. Таким образом, в устройстве использовано противоточное течение жидкости и газа. По мере течения биогаз обедняется по углекислому газу, а жидкость насыщается им. В результате на выходном газовом коллекторе получается газовый продукт с расходом около 30 л/час, обогащенный по метану до 95,2%. В состав выходящего газа кроме метана входят около 1% углекислого газа, 2% паров воды и порядка 0,8% кислорода и 1% азота. Азот и кислород проникают в газовый поток за счет того, что подаваемая вода насыщена воздухом. При использовании дистиллированной воды обогащение по метану достигает до 98%.

Пример 2. Используются два устройства в рециркуляционном режиме. Решается задача очистки биогаза от углекислого газа и получения воздуха, обогащенного углекислым газом.

В качестве абсорбера и десорбера использованы два одинаковых модуля с параметрами, совпадающими с устройством по примеру 1.

В качестве жидкого абсорбента используется дистиллированная вода, циркулирующая по замкнутому контуру.

Воду с расходом 100 л/час нагнетают жидкостным насосом в верхний жидкостной коллектор абсорбера под избыточным давлением 0,026 МПа. Биогаз при атмосферном давлении подают в нижний газовый коллектор абсорбера с расходом 50 л/час. В абсорбере использовано противоточное течение жидкости и газа.

Из нижнего жидкостного коллектора абсорбера воду отводят и подают в верхний жидкостной коллектор десорбера. Прошедшую через десорбер воду отводят из нижнего жидкостного коллектора, подают на жидкостной насос и возвращают на верхний жидкостной коллектор абсорбера.

В нижний газовый коллектор десорбера подают воздух с расходом 400 л/час и отводят его из верхнего газового коллектора. В десорбере также использовано противоточное течение жидкости и газа.

В десорбере происходит частичное удаление углекислого газа из воды в воздух.

В результате на установке получены следующие газовые продукты:

- на выходе из верхнего газового коллектора абсорбера получен газовый продукт с расходом около 30 л/час, обогащенный метаном до 93%.

- на выходе из верхнего газового коллектора десорбера получен воздух с расходом около 400 л/час, обогащенный углекислым газом до 4,3%.

Воздух, обогащенный углекислым газом, может быть использован для подкормки растений в тепличных хозяйствах.

Незначительное снижение концентрации метана в газовом продукте из абсорбера по сравнению с примером 1 связано с неполным удалением СО₂ из воды в десорбере. Дополнительно в десорбере в воду из воздуха сорбируется часть кислорода и азота, которые десорбируются в газовый продукт из воды в абсорбере.

Изобретение относится к сорбционным методам разделения газовых смесей и дегазации жидкостей и может быть использовано в пищевой, медицинской, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Абсорбционно-десорбционное устройство содержит фланцы, между которыми размещено n-е количество двухполостных ячеек, ограниченных и разделенных мембраной, коллекторы для подачи и отвода газа и жидкости в смежные полости ячеек и подложки, расположенные в полостях ячеек. В полостях для газа подложки выполнены из жесткого пористого материала и размещены по всей площади ячеек. В полостях для жидкости подложки выполнены из материала, непроницаемого для жидкости, и размещены по периметру ячеек. Коллекторы для подачи и отвода газа и жидкости выполнены внутри фланцев и соединены с вертикальными сквозными каналами, выполненными в ячейках и подложках. Подложки в полостях для жидкости выполнены и размещены так, что через них проходят только каналы для подачи и отвода газа. При этом каналы для подачи и отвода жидкости герметизированы от полостей для газа. В результате повышается производительность устройства, а также его эксплуатационная надежность. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Абсорбционно-десорбционное устройство, содержащее фланцы, между которыми размещено n-е количество двухполостных ячеек, ограниченных и разделенных мембраной, коллекторы для подачи и отвода газа и жидкости в смежные полости ячеек, отличающееся тем, что оно дополнительно оснащено подложками из жесткого пористого материала, размещенными по всей площади ячеек в полостях для газа, а в полостях для жидкости - подложками из материала, непроницаемого для жидкости, размещенными по периметру ячеек, коллекторы для подачи и отвода газа и жидкости выполнены внутри фланцев и соединены с вертикальными сквозными каналами, выполненными в ячейках и подложках, причем через подложки в полостях для жидкости проходят только каналы для подачи и отвода газа, а каналы для подачи и отвода жидкости герметизированы от полостей для газа.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полости для жидкости оснащены дополнительными подложками, выполненными в виде полосок, ориентированных направлению движения жидкости.