Способ разделения газовых смесей Советский патент 1992 года по МПК B01D61/00 

Изобретение относится к способам разделения газовых смесей на пористых мембранах и может быть использовано в технологических циклах с применением мембран.

Известен способ разделения газовых смесей на пористых мембранах, когда поток разделяемой смеси высокого давления подают с одной стороны пористой мембраны, проникший через поры мембраны поток смеси низкого давления отводят в качестве потока отбора, обогащенного легкими компонентами газовой смеси, а непроникший через мембрану поток высокого давления отводят в качестве потока отбора, обогащенного тяжелыми компонентами смеси.

Разделение газовой смеси на пористой мембране происходит за счет различия тепловых скоростей молекул компонентов смеси при течении газа в свободномолекупярном режиме в порах мембраны

Наиболее близким к заявляемому является способ разделения газовых смесей, включающий подачу исходной разд эляемой смеси с одной стороны пористой мембраны, отбор проникшей через мембрану газовой смеси, обогащенной легкими компонентами, с другой стороны мембраны, создание перепада температуры поперек мембраны с более высокой температурой со стороны отбора проникшего потока, выбор давления исходной разделяемой смеси, обеспечиваXI О .00

К сл со

ющего свободномолекулярное течение газа в порах, из условия

Pi 10 5Ti/d,(1)

где Pi - давление исходной разделяемой смеси (Па); Тт - температура разделяемой смеси ( К); d - средний диаметр пор мембраны (м) 2.

Недостатками известного способа является невозможность получения коэффициента разделения смеси, превышающего значение равное квадратному корню из отношения молярных масс компонентов смеси.

Цель настоящего изобретения заключается в увеличении коэффициента разделения газовой смеси на пористой мембране.

Для достижения указанной цели давления и температуры исходной разделяемой и проникаемой через мембрану газовых смесей выбирают из условий

,

N

У + 2 Vmi/mi

i 1

max ( 0 : 1 + k F V

Тт/тГ 1 - рг , гдесУ (Р2(УТ1/Т9 KF(V Ti/T2- 1)))/(PlO

Ti/T2 1)));

+ KF(

P2 давление в отборе проникшей газовой смеси (Пэ);

Т2 температура мембраны со стороны отбора ( К);

KF 10 7/d Vmi/mN :

N - число компонентов смеси;

mi - молярная масса i-ro компонента (г/моль) смеси (i 1N, m, гп2 ... тгм);

Xi - молярная концентрация i-ro компонента исходной разделяемой смеси.

При этом используют мембрану со средним диаметром пор не превышающим .

Увеличение коэффициента разделения смеси происходит за счет одновременного уменьшения всех усредненных по поперечному сечению поры скоростей течения компонентов смеси на одну и ту же величину, обусловленную межфазным эффектом взаимодействия потока фононов в материале мембраны и потока молекул смеси в газовой фазе, не зависящую от молярных масс компонентов разделяемой смеси.

Способ разделения может отличаться тем, что со стороны отбора проникшей газовой смеси осуществляют нагрев поверхности мембраны с помощью токопроводящей

подложки. Это позволяет поддерживать температуру поверхности мембраны со стороны отбора проникших компонентов газовой смеси постоянной по величине вдоль

всей поверхности пористой мембраны.

Способ разделения может отличаться тем, что перепад температуры на мембране создают с помощью охлаждающих элементов, расположенных со стороны исходной

разделяемой смеси. Это позволяет поддерживать равномерное распределение температуры на всей поверхности мембраны со стороны разделяемой смеси.

Способ разделения может отличаться

тем, что исходную газовую смесь предварительно охлаждают. Это позволяет создавать большие перепады температур на мембране.

Способ разделения может отличаться

тем, что часть проникшей через мембрану смеси нагревают и снова подают на мембрану со сторону отбора проникших через нее компонентов смеси. Это позволяет поддерживать температуру поверхности мембраны со стороны отбора проникшей смеси (частично или полностью) только за счет температуры подогретого газа, а также обеспечить универсальность и простоту реализации способа.

Способ разделения газовых смесей осуществляется следующим образом.

В качестве мембраны используют пористую полимерную мембрану, например типа ядерный фильтр, со средним диаметром пор

не превышающим 10 м. Пористую мембрану помещают в замкнутый обьем так, чтобы мембрана разделила этот объем на две не пересекающиеся между собой области. На мембране создают перепад давления, причем более высокое давление должно быть таким, чтобы течение молекул разделяемой смеси в порах мембраны происходило в сво- бодномолекулярном режиме, т. е. должно удовлетворять условию (1)

Pi 10 5Ti/d.

Со стороны исходной разделяемой смеси создают ее поток вдоль поверхности мембраны, а с другой стороны мембраны отбор проникших чрез мембрану компонентов газовой смеси. Кроме этого создают перепад температуры поперек мембраны с более высокой температурой со стороны отбора проникших через мембрану компонентов смеси, не превышающей температуру размягчения полимерной основы.

Давления и температуры с обеих сторон мембраны должны удовлетворять условиям (2)

,

N

Vmi/m,

i 1

max(0;1 +kFVmi/mi (Vn/Tg-Q)

10

/d Vmi/mN

1

VTi/T2 1 к

Перепад температуры поперек мембраны можно создавать следующим образом: пропускать электрический ток через токо- проводящую подложку, находящуюся либо вблизи, либо на позерхности пористой мембраны со стороны отбора проникших компонентов смеси; подавать туда же часть отбора, предварительно подогретого до необходимой температуры; подавать предварительно охлажденную до необходимой температуры исходную разделяемую смесь; охлаждать поток газа со стороны исходной смеси с помощью охлаждающих элементов, расположенных вдоль всей поверхности мембраны. Перепад температуры поперек мембраны можно создавать также комбинированным способом, включающим все. либо часть вышеперечисленных способов.

Использование пористых мембран со средним диаметром пор не превышающим 10 м и выполнение условий (2) позволяете увеличением перепада температуры на мембране увеличить коэффициент разделения газовой смеси так, что его значение будет больше корня квадратного из отношения молярных масс компонентов смеси. Увеличение коэффициента разделения происходит за счет уменьшения скоростей течения компонентов смеси в порах на одну и ту же величину, не зависящую от молярных масс компонентов смеси и обусловленную межфазным эффектом взаимодействия потока фонснов в материале мембраны и молекул разделяемой газовой смеси.

Реализация способа иллюструется на примере разделения бинарной газовой смеси гелий-азот с концентрацией гелия со сто- роны исходной смеси равной 0,3. Использовалась мембрана из лавсана с диаметром пор 10 м, проницаемостями компонентов смеси равными 1,0 моль/(м2 с Па) для гелия и 3,7 моль/(м2 с Па) для азота, с площадью рабочей поверхности равной 0,1 м , Значение К для данной мембраны равно 3,7. Давления со стороны исходной смеси и со стороны отбора проникших компонентов смеси поддерживались равными Pi 104 Па и Р2 10 Па. соответственно. Температура со стороны

исходной смеси поддерживалась равной Ti 293 К.

Полученные значения концентрации ге- лия со стороны отбора и коэффициента раз5 деления смеси при различных значениях температуры Т2 приведены в таблице.

При Т2, меньшей 318 К, второе неравенство в (2) не выполняется. Из таблицы видно, что коэффициент разделения по сравнению

10 с известным способом 2 увеличивается при .

В случаях, когда не удовлетворялись первое и третье неравенство в условиях (2) газовая смесь не проникала через мембра15 ну.

Вывод о возможности увеличения коэффициента разделения является достаточно общим и не зависит от состава и количества компонентов в исходной смеси,

20 Формула изобретения

1. Способ разделения газовых смесей, включающий подачу исходной разделяемой смеси с одной стороны мембраны, отбор проникших через мембрану компонентов

25 смеси с другой стороны, создание перепада температуры по обеим сторонам мембраны так, что температура мембраны со стороны отбора выше температуры со стороны исходной разделяемой смеси, выбор давления

30 исходной разделяемой смеси исходя из условия свободно молекулярного течения Pi Ti/d, где Ti - температура разделяемой смеси, К°; d - средний диаметр пор мембраны, м; Pi - давление исходной раз35 деляемой смеси Па, отличающийся тем, что, с целью повышения селективности разделения, давления и температуры исходной разделяемой и проникшей через мембрану газовых смесей выбирают, исходя из

40 условий

45

VTi/T2

где у (Р2( УТУЪ - KF( VTVT2 - - 1)))/(Р2(1 + KF(VTi/T2 - 1)));

Р2 - давление проникшей через мемб- рану смеси, Па;

Т2 - температура мембраны со стороны этой смеси:

K 10 7/d Vrm/mN ;

N - число компонентов смеси;

mi - молярная масса i-ro компонента, (г/моль) смеси (i 1N, mi rri2 ... тм);

Xi - молярная концентрация i-ro компонента в исходной разделяемой смеси, а при этом средний диаметр пор в мембране не превышает 10 м.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что перепад температуры на мембране создают с помощью токопроводящей подложки, расположенной со стороны отбора проникшей газовой смеси.

0

3.Способ поп. 1,отличающийся тем, что перепад температуры на мембране создают с помощью охлаждающих элементов, расположенных со стороны исходной разделяемой смеси.

4.Способ по п. 1,отличающийся тем. что исходную разделяемую смесь предварительно охлаждают.

5.Способ по п. 1,отличающийся тем, что часть проникшей через мембрану смеси нагревают и снова подают на мембрану со стороны отбора проникших через нее компонентов смеси.

Использование: в технологических циклах с применением мембран. Сущность изобретения: давления и температуры исходной разделяемой и проникшей через мембрану газовых смесей выбирают исходя из условий: у Xi; 1 ч Vmi/mi max(0 : 1 +К i - 1 Wmi ( VTi/T2 - 1 ) )/1 + N + KF(VTi/T2 -1 ) Vmi/ i 1 J К m, X XX,VT1/T2 1- , где Г p2l v,.J( s Г J v Т 1))/Pi1-Kr(VT, T2 -I))) P2 - давление проникшей через мембрану смеси (Па); Та - температура мембраны со стороны этой смеси (°К) : 1C - Vrnj/mhT N - число компонентов смеси: mi -молярная масса (г/моль) i-ro компонента смеси (i 1.... N. mi rri2 ... тм); Х| - молярная концентрация i-ro компонента смеси в исходной разделяемой смеси, а при этом средний диаметр пор в мембране не превышает 10 а м. 4 з.п. ф-лы. 1 габл. 00 с