Блок мембранного разделения газовых смесей Российский патент 2023 года по МПК B01D61/00 

Изобретение относится к области разделения газовых смесей с помощью полупроницаемых мембран и может быть использовано в газовой, нефтяной, химической и других отраслях промышленности.

В процессе разделения газовых смесей с помощью полупроницаемых мембран потери целевых компонентов необходимо минимизировать за счет применения оптимального материала мембран, использования многоступенчатых схем, подбора наилучших термобарических условий мембранного разделения.

Из описания к патенту на полезную модель RU 114423 (МПК B01D 53/00, B01D 63/02 опубл. 27.03.2011) известен мембранный модуль с полостями высокого и низкого давления, разделенными полупроницаемой мембраной, где полость высокого давления с одной стороны сообщена с подводящим трубопроводом, а с противоположной стороны с трубопроводом, отводящим поток не проникшего газа, полость низкого давления сообщена с трубопроводом отвода проникшего газа, в котором установлен компрессор. Мембранный модуль используется в установке для двухступенчатой очистки природного газа от гелия.

В известной установке при очистке природного газа основным целевым продуктом является поток ретентата с низким (менее 0,1% мол.) содержанием гелия. К недостаткам устройства следует отнести невысокую степень извлечения гелия и высокое содержание метана в пермеате, что приводит к повышенным энергозатратам на компримирование гелиевого концентрата после прохождения второй ступени.

Известен мембранный газоразделительный модуль, состоящий из устойчивой рамы модуля и утепленного изнутри корпуса модуля, содержащего мембраны, утепленный коллектор подвода исходной газовой смеси, коллектор отвода продукта, нагревательный элемент, датчик температуры, установленный перед входом в мембраны, патрубок входа исходного продукта, патрубок отвода продукта, патрубок отвода пермеата, причем рама модуля имеет в своей конструкции элементы крепления в отношении корпуса модуля (патент на полезную модель RU 181320, МПК B01D 61/00, опубл. 10.07.2018).

К недостаткам указанного модуля можно отнести разделение в одну ступень, таким образом, значительная часть сырьевого потока (до 10%) проникает в пермеат и выводится с установки, что увеличивает потери метана в процессе разделения.

Наиболее близким к предлагаемому решению аналогом является универсальная модульная сборка для установок мембранного разделения, содержащая мембранные элементы, расположенные в виде параллельных друг другу горизонтальных и вертикальных рядов, установленных на общей опорной раме и сообщающихся через патрубки исходного, ретентатного и пермеатного потоков с соответствующими коллекторами. С соседними мембранными модулями сообщение происходит через соединительные фланцы, с образованием общего коллектора универсальной модульной сборки, а регулирование потоков производится устройствами для настройки и регулирования потоков и запорно-регулирующей арматурой (патент на полезную модель RU 189768, МПК B01D 63/02, опубл. 03.06.2019).

К недостаткам прототипа можно отнести расположение штуцеров для подвода сырьевого потока по центру мембранных элементов, что уменьшает время пребывания разделяемой смеси в зоне фильтрации и снижает количество извлекаемого продукта за проход; наличие запорно-регулирующей арматуры для регулирования процесса разделения, что увеличивает капитальные вложения и операционные затраты, а также усложняет процесс эксплуатации мембранной установки.

Техническая проблема, на разрешение которой направлено изобретение, заключается в необходимости повышения селективности процесса мембранного разделения, необходимости минимизации энергетических и материальных затрат на проведение процесса.

Техническим результатом решения заявленной технической проблемы является повышение степени извлечения отделяемых из сырьевого газового потока компонентов, уменьшение потерь ценных целевых компонентов в потоке ретентата при обеспечении минимальных энергетических и материальных затрат, обусловленных простотой сборки и уменьшением металлоемкости.

Технический результат обеспечивается за счет того, что блок мембранного разделения газовых смесей функционально разделенный на не менее чем две ступени мембранного разделения, состоящий из мембранных элементов, а также коллекторов исходной сырьевой газовой смеси и приемных коллекторов пермеата и ретентата, согласно решению, расположенные в горизонтальной плоскости параллельно друг другу мембранные элементы в количестве не менее двух образуют горизонтальную секцию, установленные относительно друг друга по вертикали и закрепленные на пространственной металлической раме по меньшей мере две горизонтальные секции образуют мембранный модуль, где каждый мембранный элемент содержит торцевые крышки со штуцерами для подачи сырьевой газовой смеси и вывода ретентата, а также штуцер вывода пермеата, расположенный в центральной части мембранного элемента, причем между ближайшими ступенями мембранного разделения дополнительно установлены промежуточные приемо-подающие коллекторы ретентата, при этом каждая последующая ступень мембранного разделения содержит на не менее чем один мембранный элемент меньше, чем предыдущая.

Пример реализации изобретения поясняется фигурой, где показана блок-схема подключения мембранных элементов к соответствующим коллекторам при разделении газовой смеси в три ступени, состоящая из мембранного элемента 1, горизонтальной секции мембранных элементов 2, коллектора исходной сырьевой газовой смеси 3; промежуточного приемо-подающего коллектора ретентата первой ступени разделения газовой смеси (сырья для второй ступени разделения) 4, промежуточного приемо-подающего коллектора ретентата второй ступени разделения газовой смеси (сырья для третьей ступени разделения) 5, приемного коллектора ретентата третьей ступени разделения газовой смеси (товарного природного газа, очищенного от гелия) 6, приемного коллектора пермеата (гелиевого концентрата) 7.

Первичной структурной единицей блока мембранного разделения (БМР) является мембранный элемент 1. Расположенные в горизонтальной плоскости параллельно друг другу мембранные элементы 1 в количестве не менее двух образуют горизонтальную секцию мембранных элементов 2. БМР образуют по меньшей мере две горизонтальные секции мембранных элементов 2, установленные относительно друг друга по вертикали и закрепленные на пространственной металлической раме (на схеме не показана). Каждый мембранный элемент 1 снабжен штуцерами для подачи сырьевой газовой смеси и вывода ретентата, расположенным на противоположных торцевых крышках, вывода пермеата, расположенным по его центру (штуцеры на схеме не показаны). Штуцеры посредством патрубков сообщаются с соответствующими коллекторами 3-7. Промежуточные приемо-подающие коллекторы ретентата, расположенные между ближайшими ступенями разделения, используются одновременно для приема потока ретентата и его подачи в качестве сырья на следующую ступень мембранного разделения. Очищенный от проникших через мембрану компонентов ретентат выводится из БМР через приемный коллектор ретентата 6 в качестве товарного продукта. Проникшие через мембрану компоненты (пермеат) из приемного коллектора пермеата 7 направляются на дальнейшую очистку и концентрирование целевого компонента до параметров товарного продукта, переработку или хранение.

Цикл мембранного разделения, согласно схеме, выполняется следующим образом. Сырьевой поток природного газа с давлением 90-100 бар поступает через коллектор исходной сырьевой газовой смеси 3 на первую ступень мембранного разделения, которая в данном случае состоит из трех мембранных элементов. При движении исходной сырьевой газовой смеси через мембранный элемент из нее отфильтровываются компоненты, проникающие через мембрану (пермеат). Потоки пермеата из каждого мембранного элемента выводятся через соответствующие штуцеры и патрубки и собираются в приемном коллекторе пермеата 7, после чего отводятся из БМР. Не проникающие через мембрану компоненты концентрируются в газовом потоке, проходящем через центр мембранного элемента, и образуют поток ретентата. Поток ретентата первой ступени мембранного разделения попадает в коллектор ретентата первой ступени разделения газовой смеси 4, откуда поступает на вторую ступень мембранного разделения в качестве сырьевого потока. Поток ретентата второй ступени мембранного разделения собирается в коллекторе ретентата второй ступени разделения газовой смеси 5, откуда поступает на третью ступень мембранного разделения в качестве сырьевого потока. Ретентат третьей ступени мембранного разделения представляет собой природный газ, очищенный от проникающих через мембрану компонентов (например, гелия) отводится из БМР через приемный коллектор ретентата 6. Каждая последующая ступень мембранного разделения ретентата имеет меньшее количество мембранных элементов (на схеме их количество 3-2-1 соответственно), благодаря чему поддерживается высокая скорость движения компонентов газа в БМР и давление от ступени к ступени сохраняется на определенном уровне.

Организация многоступенчатого мембранного разделения и организация потоков внутри БМР позволяет гибко регулировать скорость процесса, поддерживать оптимальную долю отбора, обеспечивая количественное соотношение потоков пермеата к потоку сырьевого газа. Организация дополнительных ступеней мембранного разделения также приводит к снижению доли отбора разделяемого газа, что способствует увеличению селективности быстро проникающих компонентов, например, таких как гелий и водород. Увеличение селективности приводит к сокращению потерь целевого компонента в пермеате, что также является одной из целей данного изобретения.

Расположение штуцеров для подачи сырьевой газовой смеси сырья и вывода ретентата на противоположных торцевых крышках мембранных элементов обеспечивает максимальное время пребывания разделяемой газовой смеси в зоне контакта с материалом мембраны. Поддержание давления в системе за счет уменьшения количества последующих ступеней разделения обеспечивает приемлемую рабочую температуру процесса за счет нивелирования эффекта дросселирования, высокую скорость процесса и турбулизацию потока, что минимизирует образование застойных равновесных зон в приграничном с мембраной слое. Кроме того, поддержание давления в системе обеспечивает самотек компонентов разделяемой газовой смеси между ступенями мембранного разделения, что обеспечивает рабочие параметры процесса без установки запорно-регулирующей арматуры.

Количество структурных элементов внутри одного БМР таково, что обеспечивается один полный цикл мембранного разделения от подачи сырьевой газовой смеси до получения товарных продуктов - разделенных газовых потоков с высоким содержанием целевых компонентов. Внутри одной установки мембранного разделения может быть несколько БМР, в зависимости от ее мощности.

При реализации изобретения отсутствует необходимость монтажа дополнительной запорно-регулирующей арматуры и переориентации мембранных модулей в пространстве.

В предлагаемом на схеме примере реализации изобретения БМР делится перенаправлением потоков внутри существующей технологической обвязки на три ступени разделения, количественное соотношение мембранных элементов в которых кратно 3-2-1. При реализации в две ступени такое соотношение кратно 2-1 от суммарного количества мембранных элементов. Реализация БМР с количеством ступеней мембранного разделения более трех увеличивается по описанному выше соотношению мембранных элементов между ступенями и обусловливается экономической целесообразностью усложнения технологической обвязки.

БМР отдельно или в составе соответствующей установки наиболее эффективен для разделения преимущественно сухих газовых смесей, не содержащих в значительном количестве конденсирующихся при невысоких температурах компонентов. Может применяться, например, для выделения из воздуха азота, осушки воздуха или природного газа, удаления из природного газа примесей (гелия, водорода, углекислого газа). Конструкция предлагаемого БМР позволяет повысить селективность мембранного разделения, варьировать количество ступеней мембранного разделения под заданную глубину извлечения целевых компонентов из потока ретентата, тем самым достигая требуемого значения его очистки от примесей.

Предложенное изобретение позволяет организовать технологические потоки за счет оптимизации технологической обвязки таким образом, что уменьшаются потери ценных целевых компонентов в потоке ретентата при минимальных энергетических затратах и капитальных вложениях.

Изобретение относится к области разделения газовых смесей. Изобретение касается блока мембранного разделения газовых смесей, функционально разделенного на не менее чем две ступени мембранного разделения, состоящего из мембранных элементов, а также коллекторов исходной сырьевой газовой смеси и приемных коллекторов пермеата и ретентата. Расположенные в горизонтальной плоскости параллельно друг другу мембранные элементы в количестве не менее двух образуют горизонтальную секцию, установленные относительно друг друга по вертикали и закрепленные на пространственной металлической раме по меньшей мере две горизонтальные секции образуют мембранный модуль, где каждый мембранный элемент содержит торцевые крышки со штуцерами для подачи сырьевой газовой смеси и вывода ретентата, а также штуцер вывода пермеата, расположенный в центральной части мембранного элемента. Между ближайшими ступенями мембранного разделения дополнительно установлены промежуточные приемо-подающие коллекторы ретентата, при этом каждая последующая ступень мембранного разделения содержит на не менее чем один мембранный элемент меньше, чем предыдущая. Технический результат - повышение степени извлечения отделяемых из сырьевого газового потока компонентов, уменьшение потерь ценных целевых компонентов в потоке ретентата при обеспечении минимальных энергетических и материальных затрат. 1 ил.

Блок мембранного разделения газовых смесей, функционально разделенный на не менее чем две ступени мембранного разделения, состоящий из мембранных элементов, а также коллекторов исходной сырьевой газовой смеси и приемных коллекторов пермеата и ретентата, отличающийся тем, что расположенные в горизонтальной плоскости параллельно друг другу мембранные элементы в количестве не менее двух образуют горизонтальную секцию, установленные относительно друг друга по вертикали и закрепленные на пространственной металлической раме по меньшей мере две горизонтальные секции образуют мембранный модуль, где каждый мембранный элемент содержит торцевые крышки со штуцерами для подачи сырьевой газовой смеси и вывода ретентата, а также штуцер вывода пермеата, расположенный в центральной части мембранного элемента, причем между ближайшими ступенями мембранного разделения дополнительно установлены промежуточные приемо-подающие коллекторы ретентата, при этом каждая последующая ступень мембранного разделения содержит на не менее чем один мембранный элемент меньше, чем предыдущая.