Способ разделения газовой смеси Российский патент 2025 года по МПК B01D53/22 

Изобретение относится к области мембранного разделения газовой смеси и может быть использовано в газоперерабатывающей, нефтехимической, химической промышленности.

В современной промышленности для разделения компонентов газовой смеси используют мембранные технологии, основанные на различной способности одного или нескольких компонентов проникать через (пористую) полимерную мембрану за счет различия в скорости проникновения компонентов газовой смеси. При этом, различные составы разделяемой смеси на границах мембраны поддерживаются под действием извне полей различной природы: поля давления, электромагнитные и др. (Дытнерский Ю.И., Брыков В.П., Каграманов Г.Г. Мембранное разделение газов. - Москва, 1991. - 344 с.)

Известны устройство и способ разделения газовой смеси с использованием электрического поля и монолитной биполярной мембраны (пат. US 4354857, опуб.19.10.1982). Разделение газов осуществляется посредством мембранного разделителя, содержащего камеру разделяемой газовой смеси, камеру пермеата и биполярную мембрану между ними, которая способна менять размеры пор под действием электрического поля при ее увлажнении. Процесс разделения газов проводится путем создания потока газовой смеси через мембрану. Приложение электрического поля к мембране обеспечивает поток газовой смеси с определенным типом и размером молекул.

Недостатком этого технического решения является необходимость увлажнения мембраны, которое усложняет способ и устройство. Это, в свою очередь приводит к неравномерности распределения потенциала, быстрому разрушению мембраны и локальным градиентам концентрации газа при его очистке. Кроме этого, это решение применимо к разделению достаточно узкого ряда газовых смесей, что ограничивает его с точки зрения универсальности.

Известен способ мембранного разделения газовой смеси по патенту SU1637850A1, опубл. 30.03.1991), заключающийся в пропускании газа вдоль селективной мембраны, состоящей из двух полимерных слоев, разделенных жидкостью. Состав жидкости выбирается так, чтобы обеспечить наибольший коэффициент разделения. Подача газовой смеси, подлежащей разделению, и удаление обогащенной смеси происходит при помощи компрессора. Жидкость прокачивается при помощи насоса; давление жидкости поддерживается более высоким по сравнению с давлением газовой смеси. Коэффициент разделения достигает 5000.

Недостатком данного метода является ограниченный диапазон рабочих температур, при котором вещество жидкости находится в жидкой фазе. Кроме того, к недостаткам можно отнести техническую сложность аппаратурной реализации способа, требующего использования компрессоров и насосов, а также высокие механические нагрузки на мембрану. Эти факторы снижают эффективность метода и надежность устройств, реализующих данный метод.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ разделения или очистки газовых смесей (пат. РФ RU2322284 С1, опубл. 20.04.2008), заключающийся в пропускании газовой смеси через мембранный разделитель, разделенный полупроницаемой мембраной на зону разделяемой газовой смеси и зону пермеата. Поток газовой смеси поддерживается за счет создания высокого давления в зоне разделяемой газовой смеси и низкого давления в зоне пермеата. Для повышения степени обогащения процесс многократно повторяют. Перепад давлений, необходимый для этой технологии разделения газов, обеспечивается компрессором. Данное решение выбрано в качестве прототипа.

Недостатками указанного способа являются, низкой степенью селективности, а также сложной аппаратурной реализации способа. Многократное повторение процесса также приводит к росту временных затрат и снижению выхода готового продукта.

Задачей предложенного способа является улучшение технологических характеристик мембранного разделения газовых смесей.

Техническим результатом предложенного способа является увеличение степени селективности выделения целевого компонента газовой смеси с наименьшей энергией ионизации.

Технический результат достигается тем, что в качестве целевого компонента газовой смеси выбирают компонент с наименьшей энергией ионизации. Газовую смесь разогревают до температуры ионизации целевого компонента газовой смеси. Разогретую газовую смесь продувают и раскручивают через мембранный сепаратор с цилиндрической мембраной, который помещают в магнитное поле, направление которого противоположно направлению потока газовой смеси.

Сущность заявляемого способа разделения газовых смесей поясняется примером его реализации и Фиг. 1, на которой упрощенно представлен вариант мембранный сепаратор с цилиндрической мембраной в разрезе, где: 1 - соленоида; 2 - труба; 3 - винтовая поверхность; 4 - цилиндрическая мембрана; 5 - шнек; 6 - проводник; направление потока газовой смеси отмечено сплошной стрелкой, а направление магнитного поля отмечено пунктирной стрелкой.

Для осуществления способа применяют мембранный сепаратор с цилиндрической мембраной, который состоит из соленоида (1), внутрь которого вставлена труба (2), винтовой поверхности (3), цилиндрической мембраны (4) и шнека (5). Труба (2), цилиндрическая мембрана (4) и шнек (5) соединены проводником (6). Все детали неподвижно закреплены друг относительно друга. Намотку соленоида (1) выполняют из материала с высокой электропроводностью, например, серебра или меди. При условии обеспечения необходимого теплового режима возможно использование сверхпроводящих материалов. Соленоид (1) подключают к источнику постоянного тока. Трубу (2) выполняют из тугоплавкого материала с высокой электропроводностью, химически нейтрального к компонентам газовой смеси. Следует отдать предпочтение тугоплавким металлам, например, вольфраму. Внешний радиус трубы (2) выбирают несколько меньше внутреннего радиуса соленоида (1). Толщина стенок трубы (2) определяют из условия обеспечения прочности конструкции. Винтовую поверхность (3) выполняют из тугоплавкого непроводящего материала, например керамики. Винтовая поверхность (3) может быть левого вращения или правого вращения, при этом шаг винтовой поверхности должен быть примерно равен ее внешнему радиусу. Если винтовая поверхность правого вращения, то полярность при подключении соленоида (1) выбирают так, чтобы магнитное поле было направлено против направления движения газовой смеси через мембранный сепаратор с цилиндрической мембраной. Если винтовая поверхность левого вращения, то полярность при подключении соленоида (1) выбирают так, чтобы магнитное поле было направлено против направления движения газовой смеси через мембранный сепаратор с цилиндрической мембраной.

На Фиг. 1 направление потока газовой смеси отмечено сплошной стрелкой, а направление магнитного поля отмечено пунктирной стрелкой. Ориентация стрелок соответствует винтовой поверхности правого вращения. Внешний радиус винтовой поверхности (3) равен внутреннему диаметру трубы (2). Внутренний радиус винтовой поверхности (3) равен внешнему радиусу цилиндрической мембраны (4). Цилиндрическую мембрану (4) выполняют из тугоплавкого металла, не вступающего в химическую реакцию с компонентами газовой смеси, подлежащей разделению. Примеры металлических мембран описаны в (В.В. Волков, Б.В. Мчедлишвили, В.И. Ролдугин, С.С. Иванчев, А.Б. Ярославцев. Мембраны и нанотехнологии. Российские нанотехнологии. Т.3, №11-12, 2008, 67-99.) Цилиндрическая мембрана (4) должна быть проницаемой для всех компонентов газовой смеси, подлежащей разделению. Внешний радиус мембраны (4) равен внешнему диаметру винтовой поверхности шнека (5). Винтовую поверхность шнека (5) выполняют из тугоплавкого, непроводящего материала. Направление закручивания винтовой поверхности шнека (5) и шаг выбирают таким же, как у винтовой поверхности (3). Радиус стержня определяется из требования обеспечения механической прочности и достаточной электропроводности. Стержень шнека (5) выполняют из тугоплавкого электропроводящего материала. Следует отдать предпочтение тугоплавким металлам, например, вольфраму. Проводник (6) выполняют из тугоплавкого электропроводящего материала, например, тугоплавкого металла. Точные значения размеров трубы (2), винтовой поверхности (3), цилиндрической мембраны (4) и шнека (5) определяют на основании газодинамических расчетов, исходя из требуемой производительности установки и степени разделения компонентов газовой смеси. Следует отдать предпочтение конструкциям с большим отношением длины трубы (2) к ее диаметру, так как в этом случае возможно наиболее полное разделение компонентов газовой смеси. Длина трубы не должна быть слишком большой, так как в противном случае прохождение газа через мембранный сепаратор с цилиндрической мембраной будет затруднено. Например, для расхода газовой смеси 1 м³/с можно выбрать диаметр трубы D=20 см. Скорость потока газовой смеси составит 32 м/с.

Пример осуществления

Газовую смесь, состоящую из гелия и паров цезия, нагревают до температуры T=3000 K, то есть до температуры ионизации целевого компонента с наименьшей энергией ионизации. В результате воздействия высокой температуры происходит частичная ионизация цезия, а атомы гелия, чья энергия ионизации намного выше, остаются в нейтральном состоянии. По формуле Саха, степень ионизации атомов цезия, имеющих энергию ионизации 3,90 эВ, составит 0,34% при парциальном давлении компонента Р=1 атм. Газовую смесь, состоящую из нейтральных атомов гелия, нейтральных атомов цезия, ионов цезия и электронов, подают в трубу (2). Часть газовой смеси попадает в пространство между трубой (2) и цилиндрической мембраной (4), а часть - в пространство внутри цилиндрической мембраны (4). Взаимодействие потока газовой смеси с винтовой поверхностью (3) и шнеком (5) приводит к его раскручиванию. Частицы газа, двигающиеся по спиралевидным траекториям, участвуют одновременно в двух движениях: поступательном, заключающемся в движении вдоль трубы, и вращательном движении в плоскости, перпендикулярной оси трубы (2). Движение атомов газовой смеси в трубе (2) происходит под действием центробежной силы. На положительно заряженные ионы и электроны, дополнительно к центробежной силе, действует сила Лоренца. Величина силы Лоренца Fл=qvB, где q - заряд иона или электрона, v - скорость иона или электрона, B - индукция магнитного поля. Величина центробежной силы Fц=mvw, где m - масса иона, v линейная скорость вращательного движения газового потока, w - угловая скорость вращательного движения газового потока. При действии на ионную и электронную компоненту газовой смеси силы Лоренца, действующие на отдельные частицы, складываются, и средняя сила, действующая на одну частицу одного знака заряда, определяется скоростью вращательного движения газового потока. На положительно заряженные ионы сила Лоренца действует по направлению от центра трубы (2) к ее стенкам. На отрицательно заряженные ионы сила Лоренца действует по направлению от стенок трубы (2) к ее центру. Таким образом, действие силы Лоренца на заряженные частицы в закрученном газовом потоке напоминает действие центробежной силы, причем ионы ведут себя как частицы положительной массы, а электроны как частицы отрицательной массы. В сильных магнитных полях, сила Лоренца намного превышает центробежную силу. Отношение силы Лоренца к центробежной силе постоянно по всему объему мембранного сепаратора с цилиндрической мембраной и равно qB/mv, где - масса иона или электрона. Например, для потока, движущегося в трубе радиусом 0,1 м со скоростью вращательного движения v=32 м/с в магнитном поле с напряжённостью В=10 Тл, центростремительное ускорение равно ац=vw=9000 м/с. Ускорение, вызванное силой Лоренца ал=qvB/m=2,14E8 м/с2, то есть в 24000 раза больше. Под действием силы Лоренца положительно заряженные ионы, происходящие из потока газа внутри цилиндрической мембраны (4), скапливаются около ее внутренней поверхности. Ионы из потока газа между трубой (2) и цилиндрической мембраной (4) скапливаются около внутренней поверхности трубы (2). Отрицательно заряженные электроны скапливаются около оси шнека (5) и около внешней поверхности цилиндрической мембраны (4). Толщина слоя, в котором накаливаются ионы или электроны определяется распределением Больцмана и она равна kT/qvB=0.8мм, а концентрация ионов или электронов в этом слое будет повышена на несколько порядков по сравнению с концентрацией в газовой смеси, подлежащей разделению. Избыток ионной концентрации цезия на внутренней поверхности цилиндрической мембраны (4) давления приводит к формированию потока по направлению от внутренней к внешней поверхности цилиндрической мембраны (4). Поток проходит в три стадии: рекомбинация иона на внутренней поверхности цилиндрической мембраны (4), просачивание нейтрального атома через цилиндрической мембраны (4), выход нейтрального атома на внешней поверхности цилиндрической мембраны (4) и его последующая ионизация. Результатом всех описанных процессов является просачивание ионов цезия через цилиндрическую мембрану (4). Поскольку такой процесс происходит непрерывно, то по мере движения газовой смеси концентрация компонента с наименьшей температурой ионизации в пространстве между трубой (2) и цилиндрической мембраной (4) растет, а в пространстве между цилиндрической мембраной (4) и шнеком (5) - уменьшается, то есть происходит разделение газовой смеси. Процесс фильтрации через цилиндрическую мембрану (4) остановится, когда концентрация ионов цезия с разных сторон цилиндрической мембраны (4) выровняются. Поскольку процесс утечки ионов будет восполняться за счет ионизации нейтральных атомов, то процесс фильтрации через цилиндрическую мембрану (4) остановится, когда почти все атомы цезия перейдут в пространство между цилиндрической мембраной (4) и трубой (2). Степень селективности процесса дрейфа компонент газовой смеси через цилиндрическую мембрану (4) имеет порядок произведения степени ионизации атомов цезия на величину отношения силы Лоренца к величине центробежной силы. В рассмотренном примере степень селективности имеет порядок 0.0034×24000=72. Побочным результатом данного процесса является накопление избыточной положительно заряженных ионов около внутренней стенки трубы (2), и избыточной концентрации электронов вблизи стержня шнека (5), то есть возникает разность потенциалов. Электрический ток, проходящий через проводник (6), используется для нейтрализации избыточного заряда на трубе (2), цилиндрической мембране (4) и шнеке (5). Отбор газовой смеси, обогащённой парами цезия, производится раздельно из пространства между трубой (2) и цилиндрической мембраной (4). Отбор газовой смеси, обедненной парами цезия, производится из пространства между цилиндрической мембраной (4) и шнеком (5).

Повышение степени селективности выделения целевого компонента смеси с наименьшей энергией ионизации из газовой смеси достигается за счет диффузии ионов через цилиндрическую мембрану (4) в закрученном потоке газовой смеси, под действием магнитного поля, направление которого противоположно направлению потока газовой смеси. Данный процесс действует только на компонент смеси с низкой энергией ионизации и не действует на компонент с высокой энергией ионизации. Способ обеспечивает практически полное выделение ионизируемого компонента из газовой смеси, подлежащей разделению.

Изобретение относится к области мембранного разделения газовой смеси и может быть использовано в газоперерабатывающей, нефтехимической, химической промышленности. Способ разделения газовой смеси характеризуется тем, что в качестве целевого компонента газовой смеси выбирают компонент с наименьшей энергией ионизации. Газовую смесь при разделении разогревают до температуры ионизации целевого компонента газовой смеси. Разогретую газовую смесь продувают и раскручивают через мембранный сепаратор с цилиндрической мембраной, который помещают в магнитное поле. Направление магнитного поля противоположно направлению потока газовой смеси. Изобретение обеспечивает увеличение степени селективности выделения целевого компонента газовой смеси с наименьшей энергией ионизации. 1 ил., 1 пр.

Способ разделения газовой смеси, в котором в качестве целевого компонента газовой смеси выбирают компонент с наименьшей энергией ионизации, продувают и раскручивают газовую смесь, которую предварительно разогревают до температуры ионизации целевого компонента газовой смеси, через мембранный сепаратор с цилиндрической мембраной, который помещают в магнитное поле, направление которого противоположно направлению потока газовой смеси.