ГАЗОРАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЙ МЕМБРАННЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ РАБОТЫ С ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫМ ГАЗОМ Российский патент 2019 года по МПК B01D53/22 B01D63/02 B01D63/04 B01D63/10 

Предпосылки создания изобретения

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к экономически эффективному газоразделительному мембранному модулю для использования при разделении газов от химически активного сырьевого газа, который содержит элементы уплотнения, обладающие большей стойкостью к утечкам.

Уровень техники

Многие газоразделительные мембранные модули содержат множество полых волокон, расположенных в пучке, при этом по меньшей мере один торец пучка встроен в трубную решетку, и пучок установлен в емкости высокого давления. Сырьевой газ может контактировать с мембранным пучком со стороны оболочки (т.е. внешних поверхностей полых волокон) либо со стороны трубок/отверстий полых волокон (т.е. внутренних поверхностей полых волокон).

При подаче со стороны отверстий компоненты газа предпочтительно проникают через стенку волокна из отверстий волокон в пространства снаружи волокон. Эти предпочтительно проникшие газы выводятся со стороны оболочки в качестве потока пермеата через канал для пермеата. Поток остатка, который обеднен этими предпочтительно проникающими компонентами, выводится из канала для остатка.

Как правило, для работы при высоком давлении, наоборот, сырье приводится в контакт с пучком полых волокон со стороны оболочки. Траектория потока сырья, как правило, имеет ориентацию снаружи внутрь, хотя также возможна обратная ориентация. Предпочтительно проникающие компоненты газа проходят через стенки полых волокон и в отверстия полых волокон. Предпочтительно проникающие компоненты газа выходят из канала для пермеата в качестве потока пермеата, и обедненный сырьевой газ (обедненный предпочтительно проникающими компонентами газа) выходит из канала для остатка в качестве потока остатка.

Хотя описанные выше мембранные модули, как правило, подходят для многих типов сырьевых газов, они могут потенциально допускать утечки (т.е. утечку сырьевого газа в газ-пермеат, утечку сырьевого газа в остаточный газ, либо утечку сырьевого газа наружу модуля) при работе модуля с кислым газом. Работа с кислым газом означает, что сырьевой газ является коррозионно-активным и содержит кислые газы, такие как H₂S и CO₂, например, высокосернистый природный газ. Такая подверженность утечкам усугубляется относительно высокими уровнями кислых газов в сырьевом газе, в особенности, в H₂S. Например, есть сведения о концентрациях H₂S для очень высокосернистого либо ультра высокосернистого природного газа, которые представляют собой двузначные проценты и могут достигать даже вплоть до 75 об.%.

Таким образом, в уровне техники, относящемуся к разделению газа на основе мембран, существует необходимость в газоразделительных мембранных модулях, которые не допускают утечек.

Сущность изобретения

Цель заключается в удовлетворении указанной выше необходимости.

Следовательно, раскрыт газоразделительный мембранный модуль, используемый при работе с кислым газом, содержащий: полую емкость высокого давления, открытую на первом и втором торцах, выполненную из углеродистой стали либо низколегированной стали, при этом емкость высокого давления имеет первую торцевую поверхность на указанном первом торце и вторую торцевую поверхность на указанном втором торце; первую торцевую крышку, выполненную из углеродистой стали либо низколегированной стали, уплотняющую указанный первый торец указанной емкости высокого давления на указанной первой торцевой поверхности, при этом указанная первая торцевая крышка содержит образованный в ней первый канал; вторую торцевую крышку, выполненную из углеродистой стали либо низколегированной стали, уплотняющую указанный второй торец указанной емкости высокого давления на указанной второй торцевой поверхности, при этом указанная вторая торцевая крышка содержит второй образованный в ней канал, при этом указанная емкость высокого давления имеет третий образованный в ней канал; множество газоразделительных мембран, расположенных в емкости высокого давления в виде пучка, при этом один либо оба торца множества мембран заключены в твердом полимере уплотненным образом с образованием трубной решетки (решеток) на торце (торцах) пучка, при этом каждая из указанных мембран имеет первую сторону и вторую сторону, при этом каждая из указанных мембран предназначена и выполнена для разделения сырьевого газа, содержащего кислый газ, подаваемого к ее первой стороне, посредством проникновения газов через мембрану к ее второй стороне так, чтобы обеспечить газ-пермеат с низким давлением на второй стороне и остаточный газ с высоким давлением на первой стороне, при этом газ-пермеат обогащен одним либо несколькими газами по сравнению с остаточным газом; трубу первого канала, выполненную из высоколегированной стали, сообщающуюся по текучей среде с первым каналом и одной из первых сторон мембран и вторых сторон мембран; трубу второго канала, выполненную из высоколегированной стали, сообщающуюся по текучей среде со вторым каналом и другой из первых сторон мембраны и вторых сторон мембраны; и по меньшей мере два сжимаемых уплотнительных элемента, содержащих первый и второй сжимаемые уплотнительные элементы. Указанный первый сжимаемый уплотнительный элемент зажимают между первой парой уплотняемых поверхностей, выбранной из группы, состоящей из (i) внутренней поверхности емкости высокого давления и внешней поверхности одной из указанных трубных решеток, (ii) внешней поверхности трубы первого канала и внутренней поверхности первого канала и (iii) внешней поверхности трубы второго канала и внутренней поверхности второго канала. По меньшей мере одна из указанной первой пары уплотняемых поверхностей снабжена коррозионно-стойкой обшивкой. Указанный второй сжимаемый уплотнительный элемент зажимают между второй парой уплотняемых поверхностей, выбранной из группы, состоящей из (i) внутренней поверхности емкости высокого давления и внешней поверхности одной из указанных трубных решеток, (ii) внешней поверхности трубы первого канала и внутренней поверхности первого канала и (iii) внешней поверхности трубы второго канала и внутренней поверхности второго канала. По меньшей мере одна из указанной второй пары уплотняемых поверхностей снабжена коррозионно-стойкой обшивкой.

Также раскрывается способ разделения сырьевого газа, содержащего кислый газ, включающий следующие этапы. Предоставляется вышеописанный мембранный модуль. Сырьевой газ, содержащий кислый газ, подается в мембранный модуль через один из каналов. Газ-пермеат выводится из мембранного модуля через другой из каналов. Остаточный газ выводится из мембранного модуля через еще один из каналов.

Один либо оба мембранных модуля и способ могут включать один либо несколько следующих аспектов:

- только один торец каждой из множества мембран заключен в твердый полимер уплотненным образом с образованием цельной трубной решетки на торце пучка; указанная труба первого канала представляет собой трубу для пермеата, и первый канал представляет собой канал для пермеата; указанная первая пара уплотняемых поверхностей представляет собой внешнюю поверхность трубы для пермеата и внутреннюю поверхность канала для пермеата; указанный первый сжимаемый уплотнительный элемент представляет собой первое уплотнительное кольцо, установленное в пазу, образованном во внешнем диаметре трубы для пермеата, при этом части внутренней поверхности канала для пермеата в контакте с первым уплотнительным кольцом снабжены коррозионно-стойкой обшивкой; указанная труба второго канала представляет собой трубу для остатка, и второй канал представляет собой канал для остатка; указанная вторая пара уплотняемых поверхностей представляет собой внешнюю поверхность трубы для остатка и внутреннюю поверхность канала для остатка; указанный второй сжимаемый уплотнительный элемент представляет собой второе уплотнительное кольцо, установленное в пазу, образованном во внешнем диаметре трубы для остатка, при этом части внутренней поверхности канала для остатка в контакте со вторым уплотнительным кольцом снабжены коррозионно-стойкой обшивкой; и указанный третий канал представляет собой загрузочный канал;

- только один торец каждой из множества мембран заключен в твердый полимер уплотненным образом с образованием цельной трубной решетки на торце пучка; указанная труба первого канала представляет собой трубу для пермеата, и первый канал представляет собой канал для пермеата; указанная первая пара уплотняемых поверхностей представляет собой внешнюю поверхность трубы для пермеата и внутреннюю поверхность канала для пермеата; указанный первый сжимаемый уплотнительный элемент представляет собой первое уплотнительное кольцо, установленное в пазу, образованном во внешнем диаметре трубы для пермеата, при этом части внутренней поверхности канала для пермеата в контакте с первым уплотнительным кольцом снабжены коррозионно-стойкой обшивкой; указанная труба второго канала представляет собой трубу для сырьевого газа, и второй канал представляет собой канал для сырьевого газа; указанная вторая пара уплотняемых поверхностей представляет собой внешнюю поверхность трубы для сырьевого газа и внутреннюю поверхность загрузочного канала; указанный второй сжимаемый уплотнительный элемент представляет собой второе уплотнительное кольцо, установленное в пазу, образованном во внешнем диаметре трубы для сырьевого газа, при этом части внутренней поверхности загрузочного канала в контакте со вторым уплотнительным кольцом снабжены коррозионно-стойкой обшивкой; и указанный третий канал представляет собой канал для остатка;

- каждый торец каждой из множества мембран заключен в твердый полимер уплотненным образом с образованием первой трубной решетки возле первого канала и второй трубной решетки возле второго канала; указанная труба первого канала представляет собой трубу для остатка, и первый канал представляет собой канал для остатка; указанная труба второго канала представляет собой трубу для сырьевого газа, и второй канал представляет собой канал для сырьевого газа; указанный третий канал представляет собой канал для пермеата; указанная первая пара уплотняемых поверхностей представляет собой внешнюю поверхность первой трубной решетки и внутреннюю поверхность емкости высокого давления смежно с первой трубной решеткой; указанный первый сжимаемый уплотнительный элемент представляет собой первое уплотнительное кольцо, установленное в пазу, образованном во внешнем диаметре первой трубной решетки; при этом части внутренней поверхности емкости высокого давления в контакте с первым уплотнительным кольцом снабжены коррозионно-стойкой обшивкой; указанный второй сжимаемый уплотнительный элемент представляет собой второе уплотнительное кольцо, установленное в пазу, образованном во внешнем диаметре второй трубной решетки; при этом части внутренней поверхности емкости высокого давления в контакте со вторым уплотнительным кольцом снабжены коррозионно-стойкой обшивкой;

- указанные по меньшей мере два сжимаемых уплотнительных элемента дополнительно содержат третий сжимаемый уплотнительный элемент, установленный между первой торцевой поверхностью и обращенной внутрь поверхностью указанной первой торцевой крышки, и четвертый сжимаемый уплотнительный элемент, установленный между второй торцевой поверхностью и обращенной внутрь поверхностью указанной второй торцевой крышки, при этом: третий сжимаемый уплотнительный элемент установлен в пазу, образованном либо в одной из первой торцевой поверхности, обращенной внутрь поверхности указанной первой торцевой крышки, либо в каждой из указанной первой торцевой поверхности и указанной обращенной внутрь поверхности указанной первой торцевой крышки; при этом либо одна из первой торцевой поверхности, обращенной внутрь поверхности указанной первой торцевой крышки, либо каждая из указанной первой торцевой поверхности и указанной обращенной внутрь поверхности указанной первой торцевой крышки снабжена коррозионно-стойкой обшивкой; четвертый сжимаемый уплотнительный элемент установлен в пазу, образованном либо в одной из второй торцевой поверхности, обращенной внутрь поверхности указанной второй торцевой крышки, либо в каждой из указанной второй торцевой поверхности и указанной обращенной внутрь поверхности указанной второй торцевой крышки; и при этом либо одна из второй торцевой поверхности, обращенной внутрь поверхности указанной второй торцевой крышки, либо каждая из указанной второй торцевой поверхности и указанной обращенной внутрь поверхности указанной второй торцевой крышки снабжена коррозионно-стойкой обшивкой;

- каждый из указанных третьего и четвертого сжимаемых уплотнительных элементов представляет собой спирально навитую прокладку;

- мембраны выполнены в виде мембран из полых волокон либо спирально завернутых мембран;

- мембраны выполнены из стеклообразного полимера либо эластичного полимера;

- емкость высокого давления выполнена из бесшовной трубы ASME SA333 Grade 6;

- низколегированная сталь первой и второй торцевых крышек представляет собой сталь SA350 LF2 класса 2 либо ASTM 105N;

- каждая из обшивок выбрана из группы, состоящей из сплава Хастеллой, сплава Инконель и керамики;

- кислый газ представляет собой высокосернистый природный газ представляет собой высокосернистый природный газ, содержащий по меньшей мере 10 об.% H₂S;

- сжимаемый уплотнительный элемент представляет собой уплотнительное кольцо, прокладку либо манжетное уплотнение;

- сырьевой газ подают в мембранный модуль через третий канал, газ-пермеат выводят из мембранного модуля через первый канал, и остаточный газ выводят из мембранного модуля через второй канал;

- сырьевой газ подают в мембранный модуль через второй канал, газ-пермеат выводят из мембранного модуля через первый канал, и остаточный газ выводят из мембранного модуля через третий канал.

Краткое описание графических материалов

На фиг. 1 представлен схематический вид в поперечном разрезе первого варианта осуществления мембранного модуля согласно изобретению с убранными частями.

На фиг. 1A представлен подробный чертеж мембранного модуля по фиг. 1, части которого убраны для наглядности, показывающий первое уплотнение.

На фиг. 1B представлен другой подробный чертеж мембранного модуля по фиг. 1, части которого убраны для наглядности, показывающий второе уплотнение.

На фиг. 1C представлен еще один подробный чертеж мембранного модуля по фиг. 1, части которого убраны для наглядности, показывающий третье уплотнение.

На фиг. 1D представлен еще один подробный чертеж мембранного модуля по фиг. 1, части которого убраны для наглядности, показывающий четвертое уплотнение.

На фиг. 2 представлен схематический вид в поперечном разрезе второго варианта осуществления мембранного модуля согласно изобретению с убранными частями.

На фиг. 2A представлен подробный чертеж мембранного модуля по фиг. 2, части которого убраны для наглядности, показывающий первое уплотнение.

Подробное описание изобретения

Газоразделительный мембранный модуль подходит для работы с коррозионно-активным газом. Мембраны устанавливают в емкость высокого давления, выполненную с возможностью выдерживания высокого внутреннего давления. Основным материалом конструкции емкости высокого давления является относительно недорогой металл, такой как низколегированная сталь, которая требует высокого припуска на коррозию для использования при работе под давлением с коррозионно-активными газами. Однако подверженность коррозии, проявляемая многими относительно недорогими металлами, может привести к отсутствию допуска на их использование в мембранных модулях для работы с кислым газом.

В частности, было определено, уплотнения, в том числе относительно недорогие и менее коррозионно-стойкие металлы, не подходят, поскольку металлические поверхности, примыкающие друг к другу в месте уплотнения, подвергаются коррозии, оставляя в месте уплотнения низкопрочные продукты коррозии. По мере увеличения разницы давлений (между зонами высокого давления в модуле по сравнению с зонами низкого давления) на этом пораженном коррозией уплотнении, ранее не пораженное коррозией уплотнение нарушается, поскольку низкопрочным продуктам коррозии не хватает прочности, необходимой для предотвращения утечки через канал, образованный в уплотнении, из зоны высокого давления в зону низкого давления. Такая утечка может быть опасна в случае утечки воспламеняющегося газа из мембранного модуля. Такая утечка может на самом деле привести к значительной потере рабочей производительности мембранного модуля, поскольку разделение газа затрудняется вследствие утечки.

Не ограничиваясь какой-либо конкретной теорией, предположено, что коррозия может возникать в одном из двух случаев. Во-первых, она может возникать вследствие воздействия на поверхность газообразного H₂S и CO₂ во время нормальной работы либо простоя. Во-вторых, и более вероятно, более значительной причиной коррозии является то, что она может возникать вследствие воздействия на поверхность незначительных количеств конденсированной влаги, содержащей H₂S и CO₂, которая может собираться на поверхности во время простоя, транспортировки либо замены мембранного пучка.

Тогда как металлические компоненты мембранного модуля могут быть выполнены из коррозионно-стойкого материала для исключения данной проблемы, создается вместо нее другая проблема: экономическое обоснование для решения в отношении разделения газа на основе мембран. Во многих случаях общая стоимость инженерного решения для достижения указанного разделения газа привела к решению в пользу разделения газа на основе мембран вместо решения разделения газа без использования мембран.

Следовательно, предложены использование относительно низкого по стоимости металла для металлических компонентов газоразделительного мембранного модуля и обшивки поверхностей металлических компонентов, смежных с любым уплотнением, которая в первую очередь не допускает утечек и/или нарушения. Под обшивкой поверхностей подразумевается, что поверхность по меньшей мере одного из металлических компонентов, смежную с уплотнением, обшивают. Однако могут обшиваться поверхности каждого из двух металлических компонентов, смежные с уплотнением. Обшивка может быть любым металлическим материалом, который считается стойким к коррозии, таким как сплав Хастеллой, сплав Инконель и керамика. Наибольшая разница давлений происходит в местах уплотнений, изолирующих сырьевой газ от газа-пермеата, таким образом, главной задачей является обшивка данных поверхностей. Также важными, хотя, возможно, это имеет меньшее значение, чем уплотнение для сырьевого газа/пермеата, являются уплотнения, изолирующие сырьевой газ от остаточного газа, сырьевой газ от окружающей атмосферы снаружи мембранного модуля, и остаточный газ от окружающей атмосферы снаружи мембранного модуля.

Как правило, сжимаемые уплотнительные элементы используются между двумя металлическими компонентами, образуя уплотнение (один либо оба из которых обшиты). Паз может быть образован в одном из металлических компонентов уплотнения для размещения сжимаемого уплотнительного элемента, таким образом элемент зажимают между поверхностью паза и плоской поверхностью металлического компонента, обращенной к металлическому компоненту с пазом. Поскольку, как минимум, должна быть предусмотрена обшивка на поверхности без паза уплотнения, о которой идет речь, более коррозионно-стойкое уплотнение создается путем обшивки как поверхности с пазом, так и поверхности без паза.

Альтернативно, соответствующие пазы могут быть образованы в каждом из металлических компонентов с образованием уплотнения таким образом, что сжимаемый элемент зажимается между двумя поверхностями с пазом. В данном случае, обшивка предпочтительно предусмотрена на каждой из поверхностей с пазом.

Независимо от того, какую поверхность обшивают, сжимаемые уплотнительные элементы образуют уплотнение, которое предотвращает утечку при обходе между зоной относительно высокого давления (например зоной, которая содержит сырьевой газ под давлением) и зоной относительно низкого давления (например зоной, которая содержит газ-пермеат). Конструкция сжимаемого уплотнительного элемента не ограничена и может иметь конфигурацию, известную в области уплотнений газоразделительных мембранных модулей. Как правило, сжимаемый уплотнительный элемент выполнен в виде уплотнительного кольца, плоской прокладки, спирально навитой прокладки или манжетного уплотнения. Выбран такой материал уплотнительных элементов, который является стойким к составляющим сырьевого газа, например, Viton^TM (фторэластомер), EPDM (тройной сополимер этилена, пропилена и диена), материалы с покрытием Teflon^TM (политетрафторэтилен), и Kalrez^TM (перфторэластомер).

В одной типичной конфигурации для загрузочных модулей со стороны оболочки сырьевой газ поступает в емкость через канал для сырьевого газа и протекает в кольцевое пространство между внутренним диаметром емкости высокого давления и внешним диаметром мембранного пучка. Сырье затем протекает радиально через сторону оболочки пучка волокон из периферийной поверхности пучка к трубе для остатка/центральной трубе. Остаточный газ, содержащий компоненты газа, которые не проникают без труда в волокно мембраны, собирается в центральной трубе, которая перфорирована для обеспечения прохождения в нее остаточного газа. Газ-пермеат, содержащий компоненты сырья, которые проникают без труда в волокно мембраны, протекает через стенки волокон в сторону отверстия, собирается на одной либо двух сторонах пучка и протекает в трубу для пермеата. Центральная труба, как правило, проходит в продольном направлении через пучок и либо размещается в трубе для пермеата, либо труба для пермеата размещается в центральной трубе, предпочтительно концентрично, в данной трубе.

Трубная решетка (решетки) образована путем соединения либо уплотнения полых волокон эпоксидной смолой. Просветы волокон открываются по меньшей мере на одной трубной решетке путем разрезания трубной решетки для открытия отверстий волокон с тем, чтобы обеспечить проникновение потока в отверстия либо из них, в зависимости от случая. Волокна на другой стороне, как правило, остаются уплотненными в эпоксидной смоле, создавая герметичное уплотнение на закрытой трубной решетке. Труба для остатка проходит от открытой трубной решетки к неоткрытой трубной решетке на противоположной стороне пучка. Блок пористой подложки расположен смежно с открытой трубной решеткой. Данный блок обеспечивает проточную часть для проникновения, выходя через отверстия волокон, а также обеспечивает механическую опору для трубной решетки для сопротивления давлению сырьевого газа. Торцевая пластина расположена далее возле блока пористой подложки. Торцевая пластина удерживается на месте с помощью винтов и удерживающих колец. Торцевая пластина изготавливается на станке для размещения приемного устройства проточной части. Данное приемное устройство проточной части используется для соединения отверстий через блок пористой подложки с трубой для пермеата и из канала для пермеата. Наконец, центрирующее кольцо (центрирующий пучок в емкости высокого давления) может быть добавлено для облегчения вставки пучка в емкость.

Один конец трубы для остатка закрыт, в то время как другой конец соединен с каналом для остатка. На данном этапе уплотнение предусмотрено для изоляции остаточного газа от сырьевого газа и остаточного газа от окружающей атмосферы снаружи мембранного модуля. Уплотнение содержит сжимаемый уплотнительный элемент между внешним диаметром трубы для остатка и внутренним диаметром канала для остатка соответствующей торцевой крышки. Как правило, либо внешний диаметр трубы для остатка, либо внутренний диаметр канала для остатка соответствующей торцевой крышки (либо оба из них) имеет (имеют) паз для размещения сжимаемого уплотнительного элемента. Как правило, данный сжимаемый уплотнительный элемент представляет собой уплотнительное кольцо.

Подобным образом, один конец трубы для пермеата закрыт, в то время как другой конец соединен с каналом для пермеата. Снова, на данном этапе, уплотнение предусмотрено для изоляции газа-пермеата от сырьевого газа и газа-пермеата от окружающей атмосферы снаружи мембранного модуля. Уплотнение включает сжимаемый уплотнительный элемент между внешним диаметром трубы для пермеата и внутренним диаметром канала для пермеата соответствующей торцевой крышки. Как правило, либо внешний диаметр трубы для пермеата, либо внутренний диаметр канала для пермеата соответствующей торцевой крышки (либо оба из них) имеет (имеют) паз для размещения сжимаемого уплотнительного элемента. Как правило, данный сжимаемый уплотнительный элемент также представляет собой уплотнительное кольцо.

По причинам веса и стоимости, торцевые крышки, как правило, вогнуты. Торцевые крышки уплотнены с емкостью высокого давления путем зажимания сжимаемых уплотнительных элементов с подходящим уровнем сжатия с помощью болтов между каждой парой обращенной внутрь поверхности торцевой крышки/торцевой поверхности емкости высокого давления. Как правило, данный сжимаемый уплотнительный элемент представляет собой спирально навитую прокладку. Данное уплотнение предотвращает относительно высокое давление и иногда попадание воспламеняющегося сырьевого и остаточного газов в атмосферу.

Необязательно, высоколегированные стали могут быть использованы для определенных металлических компонентов мембранного модуля, таких как труба для пермеата, труба для остатка и приемное устройство проточной части. Их коррозионная стойкость может дополнительно обеспечивать неподвижность сжимаемых уплотнительных элементов, даже при подвержении коррозионным условиям.

Как описано выше, желательно использовать, в качестве основного материала для емкости высокого давления и торцевых крышек, углеродистую сталь либо низколегированную сталь по причинам стоимости материала и прочностных характеристик. Под «углеродистой сталью» понимается сталь, выполненная из железа и углерода. Под «низколегированной сталью» понимается углеродистая сталь, сплавленная с некоторым количеством другого металла, не превышающим 4 вес.%. Очень большое количество низколегированных сталей хорошо известно и коммерчески доступно из большого количества источников. Для работы с высокосернистым газом (природным газом, который не отвечает требованиям трубопроводной транспортировки для CO₂ и/или H₂S) в частности, основной материал емкости высокого давления должен быть выбран среди углеродистых сталей, характеризующихся стойкостью к образованию трещин, вызванному водородом, в соответствии с процедурой испытания, описанной в стандарте NACE TM0284 (доступном от NACE International) и любым другим критерием, необязательно определенным конечным пользователем либо руководствами, описанными в стандарте NACE MR0175 – ISO 15156 (Приложение B) (доступном от NACE International). Другим типичным материалом для емкости высокого давления является бесшовная труба ASME SA333 Grade 6 (конкретный тип структуры углеродистой стали). Как правило, торцевые крышки могут быть выполнены из стали SA350 LF2 либо стали A105N. Каждая сталь, описанная выше, хорошо известна и коммерчески доступна из широкого количества источников.

Хотя мембранный пучок может быть выполнен в виде множества спирально закрученных листов, как правило, есть множество полых волокон. По меньшей мере один конец пучка встроен в трубную решетку. Пучок установлен в емкости высокого давления. Сырьевой газ может контактировать с мембранным пучком со стороны оболочки либо со стороны трубок/отверстий полых волокон.

При подаче со стороны отверстий компоненты газа предпочтительно проникают через стенку волокна и остаточный пермеат выводится со стороны оболочки через канал для пермеата. Поток остатка, который обеднен этими предпочтительно проникающими компонентами, выводится из канала для остатка. Уплотнительные кольца между трубной решеткой и стенками емкости изолируют потоки сырья и остатка с высоким давлением от пермеата.

Как правило, для работы при высоком давлении, сырье приводится в контакт с пучком полых волокон со стороны оболочки. Траектория потока сырья, как правило, проходит снаружи внутрь, хотя также возможна обратная ориентация. Предпочтительно проникающие компоненты газа проходят через стенки волокон в отверстия и выводятся в качестве газа-пермеата из канала для пермеата. Поток остатка, который обеднен этими предпочтительно проникающими компонентами, выводится из канала для остатка. Уплотнительные кольца используются для изоляции потоков сырья и остатка с высоким давлением от пермеата.

Другими примечательным уплотнениями являются торцевые поверхности емкости высокого давления и обращенные внутрь поверхности торцевых крышек. Данные уплотнения предотвращают высокое давление и иногда попадание воспламеняющегося сырьевого и остаточного потоков в атмосферу. Как правило, сжимаемые уплотнительные элементы в этих местах уплотнения представляют собой уплотнительные кольца либо прокладки, такие как спирально навитые прокладки. Для каждого из этих уплотнений паз может быть образован в торцевой поверхности емкости высокого давления, либо в обращенной внутрь поверхности соответствующей торцевой крышки, либо и там, и там, для размещения сжимаемого уплотнительного элемента. Если паз образован только в одной из этих уплотняемых поверхностей, одна либо обе из уплотняемых поверхностей (т.е. поверхности с пазом и противоположной плоской уплотняемой поверхности) снабжена коррозионно-стойкой обшивкой. Если паз образован в каждой из этих уплотняемых поверхностей, одна либо каждая уплотняемая поверхность подобным образом снабжена коррозионно-стойким материалом обшивки.

Обшивка является хорошо известным процессом для связывания несхожих металлов либо связывания керамического материала с металлом. Высокое давление и высокая температура обеспечены на устройстве, использующем электрическую и/или механическую энергию, чтобы образовать металлургическую связь между подложкой (например, углеродистой сталью, низколегированной сталью или высоколегированной углеродистой сталью) и покрывающим коррозионно-стойким металлом обшивки (например, сплавом Хастеллой, сплавом Инконель и керамикой). Известны различные технологии обшивки, которые индуцируют расплавление с применением лазеров, нагрев инфракрасным излучением, сварку методом взрыва и т.д. Как правило, обшивку осуществляют согласно требованиям, описанным в стандарте SA 02-SAMSS-012 (ссылка на ASME, раздел IX (Corrosion protection – Weld Metal Overlay). Особенно предпочтительной технологией нанесения коррозионно-стойкого сплава в качестве обшивки на поверхность подложки является дуговая сварка с присадочным электродом, особенно сварка вольфрамовым электродом в газовой среде (GTAW). Другие способы хорошо известны в областях покрытия и обработки металла для создания керамического слоя сверху металлической подложки.

Пучок мембран может быть выполнен в виде одного элемента, предназначенного для простой вставки в емкость под давлением. Альтернативно, много пучков могут быть без труда вставлены в емкость под давлением, как раскрыто в US 5137631 и US 5470469, и расположены таким образом, чтобы функционировать последовательно либо параллельно. Количество пучков в одном элементе может варьировать от 2 до 10, предпочтительно от 2 до 4.

Как наилучшим образом проиллюстрировано на фиг. 1, первый вариант осуществления мембранного модуля содержит множество пучков M газоразделительных мембран, используемые в цельной емкости PV высокого давления. Для взаимосвязей между пучками M используются уплотнительные кольца, которые плотно прижимаются к коррозионно-стойким поверхностям центральных труб либо приемных устройств проточной части. Первый канал 1 образован в первой торцевой крышке EC1, тогда как второй канал 2 образован во второй торцевой крышке EC2. Третий канал 3 образован в емкости высокого давления.

В первом режиме работы для мембранного модуля по фиг. 1, мембранный модуль осуществляет загрузку со стороны оболочки, третий канал 3 представляет собой канал для сырьевого газа, первый канал 1 представляет собой канал для пермеата, второй канал 2 представляет собой канал для остатка, и мембраны представляют собой мембраны из полых волокон. В данной конфигурации сырьевой газ поступает в емкость PV высокого давления через канал 3 для сырьевого газа и протекает в кольцевое пространство между внутренним диаметром емкости PV высокого давления и внешним диаметром мембранного пучка M. Сырьевой газ затем протекает радиально внутрь через пучок из периферийной поверхности пучка к центральной трубе для остатка (не показана). Остаточный газ, содержащий компоненты газа, которые не проникают без труда через стенки волокон, собирается в центральной трубе для остатка, которая перфорирована для обеспечения прохождения в нее остаточного газа. Газ-пермеат, содержащий компоненты сырья, которые проникают без труда в стенки волокон, протекает через стенки волокон в сторону отверстий волокон и собирается на одной либо обеих сторонах мембранных пучков M на трубной решетке (решетках), и протекает в центральную трубу для пермеата (не показана) через приемные устройства проточной части, которые направляют потоки газа-пермеата из отверстий в центральную трубу для пермеата. Центральная труба для остатка, как правило, проходит в продольном направлении через пучок и либо размещается в центральной трубе для пермеата, либо центральная труба для пермеата размещается в центральной трубе для остатка, предпочтительно концентрично, в данной трубе. Несмотря на то, какая именно труба размещена в другой, центральная труба для мембранного разделителя и приемные устройства проточной части выполнены из высоколегированной стали. Центральная труба для пермеата соединена с трубой PT1 первого канала (трубой для пермеата) для обеспечения проникновения для вытекания из мембранного модуля через первый канал 1 (канал для пермеата). Альтернативно, центральная труба для пермеата и труба PT1 первого канала представляют собой одну цельную трубу. Центральная труба для остатка соединена с трубой PT2 второго канала (трубой для остатка) для обеспечения вытекания остатка из мембранного модуля через второй канал 2 (канал для остатка).

Во втором режиме работы для мембранного модуля по фиг. 1, мембранный модуль осуществляет загрузку со стороны отверстий, второй канал 2 представляет собой канал для сырьевого газа, первый канал 1 представляет собой канал для пермеата, третий канал 3 представляет собой канал для остатка, и мембраны представляют собой полые волокна. В данной конфигурации сырьевой газ поступает в емкость PV высокого давления через канал для сырьевого газа в трубу 2 второго канала (трубу для сырьевого газа), а затем в перфорированную центральную трубу для сырьевого газа. Сырьевой газ выходит из центральной трубы для сырьевого газа через перфорационные отверстия и движется в осевом направлении наружу через пучок. Остаточный газ, содержащий компоненты газа, которые не проникают без труда через стенки волокон, собирается в кольцевом пространстве между внешней поверхностью мембранных пучков M, протекает к стороне емкости PV высокого давления, противоположной первому каналу 1, и выходит из емкости PV высокого давления через третий канал 3. Газ-пермеат, содержащий компоненты сырья, которые проникают без труда в стенки волокон, протекает через стенки волокон к стороне отверстий волокон и собирается на трубной решетке (решетках) на одной либо обеих сторонах мембранных пучков M, и протекает в центральную трубу для пермеата (не показана) через приемные устройства проточной части, которые направляют потоки газа-пермеата из отверстий волокон в центральную трубу для пермеата. Центральная труба для остатка, как правило, проходит в продольном направлении через пучок и либо размещается в центральной трубе для пермеата, либо центральная труба для пермеата размещается в центральной трубе для остатка, предпочтительно концентрично, в данной трубе. Несмотря на то, какая именно труба размещена в другой, центральная труба для мембранного разделителя и приемные устройства проточной части выполнены из высоколегированной стали. Центральная труба для пермеата соединена с трубой PT1 первого канала (трубой для пермеата) для обеспечения проникновения для вытекания из мембранного модуля через первый канал 1 (канал для пермеата). Альтернативно, центральная труба для пермеата и труба PT1 первого канала представляют собой одну цельную трубу.

Как наилучшим образом проиллюстрировано на фиг. 1A, уплотнение 1A мембранного модуля по фиг. 1 образует сжимаемый уплотнительный элемент CSE, который размещается в пазу G и который зажат между двумя уплотняемыми поверхностями: внешней поверхностью PT1OS трубы PT1 первого канала и внутренней поверхностью P1IS первого канала 1. Как правило, труба PT1 первого канала выполнена из высоколегированной стали и первая торцевая крышка EC1 выполнена из углеродистой стали либо низколегированной стали. Тогда как внешняя поверхность PT1OS трубы PT1 первого канала либо внутренняя поверхность P1IS первого канала 1 может быть предусмотрена с обшивкой, как правило, обшивается только поверхность без паза (внутренняя поверхность P1IS). Обшивка выполнена из коррозионно-стойкого материала, описанного выше.

Как наилучшим образом проиллюстрировано на фиг. 1B, уплотнение 1B мембранного модуля по фиг. 1 образует сжимаемый уплотнительный элемент CSE, который размещается в пазу G и который зажат между двумя уплотняемыми поверхностями: внешней поверхностью PT2OS трубы PT2 второго канала и внутренней поверхностью P2IS второго канала 2. Как правило, труба PT2 второго канала выполнена из высоколегированной стали и вторая торцевая крышка EC2 выполнена из углеродистой стали либо низколегированной стали. Тогда как внешняя поверхность PT2OS трубы PT2 второго канала либо внутренняя поверхность P2IS второго канала 2 может быть предусмотрена с обшивкой, как правило, обшивается только поверхность без паза (внутренняя поверхность P2IS). Обшивка выполнена из коррозионно-стойкого материала, описанного выше.

Как наилучшим образом проиллюстрировано на фиг. 1C, уплотнение 1C мембранного модуля по фиг. 1 образует сжимаемый уплотнительный элемент (не показан), который зажат между двумя уплотняемыми поверхностями: первой торцевой поверхностью EF1 емкости PV высокого давления и обращенной внутрь поверхностью EC1IFS первой торцевой крышки EC1. Как правило, каждая из емкости PV высокого давления и первой торцевой крышки EC1 выполнена из углеродистой стали либо низколегированной стали. Одна либо обе из первой торцевой поверхности EF1 емкости PV высокого давления и обращенной внутрь поверхности EC1IFS первой торцевой крышки EC1 снабжены обшивкой. Обшивка выполнена из коррозионно-стойкого материала, описанного выше. Как правило, сжимаемый уплотнительный элемент представляет собой спирально навитую прокладку.

Как наилучшим образом проиллюстрировано на фиг. 1D, уплотнение 1D мембранного модуля по фиг. 1 образует сжимаемый уплотнительный элемент (не показан), который зажат между двумя уплотняемыми поверхностями: второй торцевой поверхностью EF2 емкости PV высокого давления и обращенной внутрь поверхностью EC2IFS второй торцевой крышки EC2. Как правило, каждая из емкости PV высокого давления и первой торцевой крышки EC2 выполнена из углеродистой стали либо низколегированной стали. Одна либо обе из первой торцевой поверхности EF2 емкости PV высокого давления и обращенной внутрь поверхности EC2IFS второй торцевой крышки EC2 снабжены обшивкой. Обшивка выполнена из коррозионно-стойкого материала, описанного выше. Как правило, сжимаемый уплотнительный элемент представляет собой спирально навитую прокладку.

Как наилучшим образом проиллюстрировано на фиг. 2, второй вариант осуществления одного мембранного модуля содержит один мембранный пучок M, установленный в емкости PV высокого давления, в которой загрузка осуществляется со стороны отверстий. Сырьевой газ поступает в емкость PV высокого давления через канал FP для сырьевого газа, образованный в первой торцевой крышке EC1, и распределяется для контакта с первой трубной решеткой TS1 пучка M. В данной конфигурации трубные решетки TS1, TS2 с обоих торцов пучка M обрезаны так, чтобы были открытыми концы полых волокон и чтобы обеспечить движение сырьевого газа через отверстие волокна в сторону с остатком пучка M, смежную со второй трубной решеткой TS2, и выход из емкости высокого давления через канал RP для остатка, образованный во второй торцевой крышке EC2. Проникающие газы движутся через стенки волокон и оттуда радиально наружу в кольцевое пространство AS между внешней поверхностью пучка M и внутренней поверхностью емкости PV высокого давления. Газ-пермеат затем выходит через канал для пермеата (не показан), образованный в емкости PV высокого давления.

В данном втором варианте осуществления сырьевой и остаточный газы необходимо изолировать от пространства с пермеатом на стороне оболочки в кольцевом пространстве между внешней поверхностью пучка M и внутренней поверхностью емкости PV высокого давления. Как наилучшим образом показано на фиг. 2A, сжимаемые уплотнительные элементы CSE размещаются в пазу G и зажимаются между внутренней поверхностью PVIS емкости PV высокого давления и внешней поверхностью TS1OS первой трубной решетки TS1. Емкость PV высокого давления выполнена из углеродистой стали либо низколегированной стали. Внутренняя поверхность PVIS емкости PV высокого давления снабжена обшивкой, выполненной из коррозионно-стойкого материала, как описано выше. Как правило, сжимаемый уплотнительный элемент представляет собой уплотнительное кольцо данное уплотнение между внутренним диаметром емкости и диаметрами трубной решетки. Пазы могут быть вырезаны в трубной решетке ограничения уплотнительных колец.

Несмотря на то, что в вариантах осуществления, показанных на фиг. 1–2A, описывается применение обшивки для образования надежных уплотнительных элементов при использовании мембранных пучков полых волокон, изобретение может относиться к другим конфигурациям мембран (спирально закрученным либо пластинчатым), когда уплотнение необходимо образовывать по отношению к внутренней части емкости высокого давления. Также в этих случаях обшивка относительно небольших уплотняемых поверхностей более высоким по стоимости коррозионно-стойким материалом обеспечивает надежное уплотнение, в то время как основной объем емкости выполнен из дешевой стали.

Независимо от конфигурации, варианта осуществления либо режима мембранного модуля, изобретение представляет мембранный модуль, подходящий для разделения смеси из очень высокосернистого либо ультравысокосернистого природного газа, имеющей концентрации H₂S по меньшей мере 5 об.%, вплоть до 10 об.%, даже вплоть до 60 об.%, и даже вплоть до 75 об.%

Хотя настоящее изобретение было описано в сочетании с его конкретными вариантами осуществления, очевидно, что многие альтернативы, модификации и варианты будут очевидны для специалистов в данной области в свете вышеизложенного описания. Соответственно, предполагается охватить все такие альтернативы, модификации и варианты, которые подпадают под суть и широкий объем прилагаемой формулы изобретения. Настоящее изобретение может соответственно содержать, состоять из или состоять по сути из раскрытых элементов и может быть осуществлено на практике в отсутствие элемента, который не раскрыт. Кроме того, если присутствует словесное упоминание порядка, такое как первый и второй, его следует понимать в примерном смысле, а не в ограничительном смысле. Например, специалисты в данной области могут понять, что определенные стадии можно объединить в одну стадию.

Формы единственного числа включают ссылки на множественное число, если в контексте явно не указано иное.

«Содержащий» в пункте формулы изобретения является открытым переходным термином, который означает, что далее идентифицированные элементы пункта формулы изобретения являются неисключительным списком, т.е. что-либо другое может быть дополнительно включено и оставаться в рамках «содержащего». «Содержащий» определен в данном документе как обязательно охватывающий более ограниченные переходные термины «состоящий по сути из» и «состоящий из»; «содержащий» может, таким образом, быть заменен «состоящим по сути из» или «состоящим из» и оставаться в пределах явно определенного объема «содержащего».

«Обеспечивать» в пункте формулы изобретения определяется в значении предоставления, снабжения, обеспечения наличия или получения чего-либо. Стадия может быть выполнена посредством любого участника, в отсутствии ясно выраженного языка в пункте формулы изобретения, имеющего противоположный смысл.

Необязательный или необязательно означает, что описанное далее событие или обстоятельства могут произойти или не произойти. Описание включает в себя случаи, когда событие или обстоятельство происходит и случаи, когда оно не происходит.

Диапазоны могут быть выражены в данном документе в качестве величин от приблизительно одного конкретного значения и/или до другого определенного значения. Когда такой диапазон выражен, следует понимать, что другой вариант осуществления представляет собой величину от одного конкретного значения и/или до другого конкретного значения наряду со всеми комбинациями в пределах указанного диапазона.

Все ссылки, идентифицированные в данном документе, включены в настоящее описание посредством ссылки в полном объеме, а также для конкретной информации, для которой они приведены.

Изобретение относится к газоразделительному мембранному модулю. Газоразделительный мембранный модуль, используемый при работе с кислым газом, содержащий: полую емкость высокого давления, открытую на первом и втором торцах, выполненную из углеродистой стали либо низколегированной стали, при этом емкость высокого давления имеет первую торцевую поверхность на указанном первом торце и вторую торцевую поверхность на указанном втором торце; первую торцевую крышку, выполненную из углеродистой стали либо низколегированной стали, уплотняющую указанный первый торец указанной емкости высокого давления на указанной первой торцевой поверхности, при этом указанная первая торцевая крышка содержит образованный в ней канал для сырьевого газа; вторую торцевую крышку, выполненную из углеродистой стали либо низколегированной стали, уплотняющую указанный второй торец указанной емкости высокого давления на указанной второй торцевой поверхности, при этом указанная вторая торцевая крышка содержит образованный в ней канал для остатка, при этом указанная емкость высокого давления имеет образованный в ней канал для пермеата; множество газоразделительных мембран, расположенных в емкости высокого давления в виде пучка, при этом множество мембран заключены в твердый полимер на торце пучка уплотненным образом с образованием первой и второй трубной решетки, при этом каждая из указанных мембран имеет первую сторону и вторую сторону, при этом каждая из указанных мембран предназначена и выполнена для разделения сырьевого газа, содержащего кислый газ, подаваемого к ее первой стороне, посредством проникновения газов через мембрану к ее второй стороне так, чтобы обеспечить газ-пермеат с низким давлением на второй стороне и остаточный газ с высоким давлением на первой стороне, при этом газ-пермеат обогащен одним либо несколькими газами по сравнению с остаточным газом; трубу канала для сырьевого газа, выполненную из высоколегированной стали, сообщающуюся по текучей среде с каналом для сырьевого газа и одной из первых сторон мембран и вторых сторон мембран; трубу канала для остатка, выполненную из высоколегированной стали, сообщающуюся по текучей среде с каналом для остатка и другой из первых сторон мембран и вторых сторон мембран; и по меньшей мере два сжимаемых уплотнительных элемента, содержащих первый и второй сжимаемые уплотнительные элементы, при этом: указанный первый сжимаемый уплотнительный элемент зажат между внутренней поверхностью емкости высокого давления смежно с первой трубной решеткой и внешней поверхностью первой трубной решетки, при этом указанная внутренняя поверхность емкости высокого давления снабжена коррозионно-стойкой обшивкой; указанный второй сжимаемый уплотнительный элемент зажат между внутренней поверхностью емкости высокого давления смежно со второй трубной решеткой и внешней поверхностью второй трубной решетки, при этом внутренняя поверхность емкости высокого давления снабжена коррозионно-стойкой обшивкой. Технический результат – повышение герметичности мембранных модулей. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Газоразделительный мембранный модуль, используемый при работе с кислым газом, содержащий:

полую емкость высокого давления, открытую на первом и втором торцах, выполненную из углеродистой стали либо низколегированной стали, при этом емкость высокого давления имеет первую торцевую поверхность на указанном первом торце и вторую торцевую поверхность на указанном втором торце;

первую торцевую крышку, выполненную из углеродистой стали либо низколегированной стали, уплотняющую указанный первый торец указанной емкости высокого давления на указанной первой торцевой поверхности, при этом указанная первая торцевая крышка содержит образованный в ней канал для сырьевого газа;

вторую торцевую крышку, выполненную из углеродистой стали либо низколегированной стали, уплотняющую указанный второй торец указанной емкости высокого давления на указанной второй торцевой поверхности, при этом указанная вторая торцевая крышка содержит образованный в ней канал для остатка, при этом указанная емкость высокого давления имеет образованный в ней канал для пермеата;

множество газоразделительных мембран, расположенных в емкости высокого давления в виде пучка, при этом множество мембран заключены в твердый полимер на торце пучка уплотненным образом с образованием первой и второй трубной решетки, при этом каждая из указанных мембран имеет первую сторону и вторую сторону, при этом каждая из указанных мембран предназначена и выполнена для разделения сырьевого газа, содержащего кислый газ, подаваемого к ее первой стороне, посредством проникновения газов через мембрану к ее второй стороне так, чтобы обеспечить газ-пермеат с низким давлением на второй стороне и остаточный газ с высоким давлением на первой стороне, при этом газ-пермеат обогащен одним либо несколькими газами по сравнению с остаточным газом;

трубу канала для сырьевого газа, выполненную из высоколегированной стали, сообщающуюся по текучей среде с каналом для сырьевого газа и одной из первых сторон мембран и вторых сторон мембран;

трубу канала для остатка, выполненную из высоколегированной стали, сообщающуюся по текучей среде с каналом для остатка и другой из первых сторон мембран и вторых сторон мембран; и

по меньшей мере два сжимаемых уплотнительных элемента, содержащих первый и второй сжимаемые уплотнительные элементы, при этом:

указанный первый сжимаемый уплотнительный элемент зажат между внутренней поверхностью емкости высокого давления смежно с первой трубной решеткой и внешней поверхностью первой трубной решетки, при этом указанная внутренняя поверхность емкости высокого давления снабжена коррозионно-стойкой обшивкой;

указанный второй сжимаемый уплотнительный элемент зажат между внутренней поверхностью емкости высокого давления смежно со второй трубной решеткой и внешней поверхностью второй трубной решетки, при этом внутренняя поверхность емкости высокого давления снабжена коррозионно-стойкой обшивкой.

2. Мембранный модуль по п. 1, отличающийся тем, что:

указанный первый сжимаемый уплотнительный элемент представляет собой первое уплотнительное кольцо, установленное в пазу, образованном во внутренней поверхности емкости высокого давления; и

указанный второй сжимаемый уплотнительный элемент представляет собой второе уплотнительное кольцо, установленное в пазу, образованном во внутреннем диаметре емкости высокого давления.

3. Мембранный модуль по п. 1, отличающийся тем, что каждый из указанных третьего и четвертого сжимаемых уплотнительных элементов представляет собой спирально навитую прокладку.

4. Мембранный модуль по п. 1, отличающийся тем, что мембраны выполнены в виде мембран из полых волокон либо спирально завернутых мембран.

5. Мембранный модуль по п. 1, отличающийся тем, что мембраны выполнены из стеклообразного полимера либо эластичного полимера.

6. Мембранный модуль по п. 1, отличающийся тем, что емкость высокого давления выполнена из бесшовной трубы ASME SA333 Grade 6.

7. Мембранный модуль по п. 1, отличающийся тем, что низколегированная сталь первой и второй торцевых крышек представляет собой сталь SA350 LF2 класса 2 либо ASTM 105N.

8. Мембранный модуль по п. 1, отличающийся тем, что каждая из обшивок выбрана из группы, состоящей из сплава Хастеллой, сплава Инконель и керамики.

9. Мембранный модуль по п. 1, отличающийся тем, что сжимаемое уплотнение представляет собой уплотнительное кольцо, прокладку либо манжетное уплотнение.

10. Способ разделения сырьевого газа, содержащего кислый газ, включающий этапы:

предоставления мембранного модуля по п. 1;

подачу сырьевого газа, содержащего кислый газ, в мембранный модуль через канал для сырьевого газа;

выведение газа-пермеата из мембранного модуля через канал для пермеата; и

выведение остаточного газа из мембранного модуля через канал для остатка.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что кислый газ представляет собой высокосернистый природный газ, содержащий по меньшей мере 5 об.% H₂S.