Мембранный аппарат для разделения газовых смесей Советский патент 1993 года по МПК B01D65/02 

Изобретение относится к конструкциям аппаратов, предназначенных для разделения газовых смесей с помощью полимерных мембран, изготовленных в виде полых волокон и может быть использовано в энергетике для очистки шестифтористой серы от примесей, в химической, нефтехимической, пищевой, металлургической и других отраслях народного хозяйства, в частности для выделения водорода из водородосодержа- щих газовых смесей, получения обогащенного кислородом воздуха, извлечения аммиака из аммиакосодержащих газовых смесей, выделения сернистых соединений из природного газа и дымовых газов.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является мембранный аппарат для разделения газовых смесей, содержащий корпус с присоединенным к нему коленообразным отводом.

размещенный в корпусе петлеобразный пучок полых волокон, открытые концы которых закреплены при помощи герметика в коле- нообразном отводе, патрубки подачи разделяемой смеси и вывода обогащенной и обедненной смесей.

Известный мембранный аппарат, конструкция которого выбрана в качестве прототипа, имеет существенный недостаток, из-за которого он не может быть эффективно использован в таком режиме работы, когда необходимо сохранить высокое давление остаточного (не проникающего через мембрану) газа, то есть отсутствует возможность осуществить подачу сырьевого потока внутрь полых волокон с дальнейшим использованием высокого давления остаточного газа.

Другим недостатком известной конструкции аппарата является наличие байпач

00

оо

О О

оо

со

сов и застойных зон по сырьевому потоку, приводящих к плохому распределению газа и возникновению режима концентрационной поляризации, устранение которой пред- ставляет определение трудности для потребителей и снижает эффективность процесса разделения газовых смесей.

Существенным недостатком известной конструкции является наличие корпуса высокого давления аппарата, поскольку присутствие газовой среды под -избыточным давлением по соображениям механической прочности требует рассчитывать его на прочность с запасом, что приводит к значительным затратам металла (увеличенной ме- таллоемкости), .Корпус аппарата изготавливают из стальных поковок или тол- стостенных высокопрочных цельнотянутых труб, следствием чего является увеличение веса аппарата, его удорожание.

Еще одним недостатком известной конструкций является ее недостаточная технологичность, Поскольку требуются большие, затраты времени, обусловленные трехста- дийным процессом герметизации пучка полых волокон с обязательной выдержкой во времени для осуществления отверждения герметизирующего компаунда после каждой стадии. :. .

: Цёлькэ изобретения является улучше-. ни ё эксплуатационных характеристик аппарата и технологичности его изготовления. Указанная цель достигается тем. что в мембранном аппарате для разделения газовых смесей, содержащем корпус с присоединенным к нему коленообразным отводом, размещенный в корпусе петлеобразный пучок полых волокон, открытые концы которых закреплены при помощи герметика в коленообразном отводе, патрубки подачи разделяемой смеси и вывода обогащенной и обедненной смесей согласно изобретению выполнен второй коленообразный отвод, расположенный симметрично первому отводу с образованием U-образной полости, соединенной с корпусом вогнутой частью при помощи патрубка, при этом открытые концы полых волокон, размещенных в первом отводе, соединены с патрубком подачи разделяемой смеси, а открытые концы полых волокон, размещенных во втором отводе, соединены с патрубком вывода обедненной смеси. Кроме.того, на выпуклой части коленообразного отвода установлен технологический патрубок для подачи герметика, а корпус и коленообразные отводы выполнены из ударопрочной пластмассы.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом.

В корпус аппарата 1, оканчивающийся фланцами 2, помещен петлеобразный пучок полых полупроницаемых волокон 3, концы которого выведены из корпуса 1 через патрубок 4, герметично и жестко присоединенный к нижней крышке 5 корпуса аппарата и к отверстию в середине вогнутой части U- образной полости б, состоящей из двух симметричных коленообразных отводов 7, 8.

Концы пучка волокон 3 разведены на 180° в U-образной полости 6 и выведены из нее за пределы отводов 7, 8, заканчивающихся патрубками 9 и 10, служащими для ввода исходной разделяемой смеси (сырьевого потока) и вывода обедненной смеси (остаточного газа) соответственно.

В нижнем фланцевом соединении 2 имеется радиальное сверление, к которому соосно прикреплен патрубок 11 для отвода

обогащенного (примесного) потока газа. Для осуществления продувки или удаления обогащенного (примесного) потока посред- ством вакуумирования служит патрубок 12 на верхней крышке корпуса аппарата. На

выпуклой части U-образной полости 6 уста1- новлен технологический патрубок 13, используемый для наполнения полости колена герметизирующим компаундом и заглушаемой после его отверждения, при этом часть

пучка полых полупроницаемых волокон, пропускаемая через полость 6, залита в ее пределах по всему поперечному сечению.

Предлагаемый, мембранный аппарат для разделения газовых смесей работает

следующим образом.

Исходную газовую смесь (сырьевой поток) подают под давлением через патрубок 9 мембранного аппарата. Равномерно распределяясь по сечению пучка полых полупроницаемых волокон 3, материал которых селективен к целевому компоненту или его примесям, газовая смесь через открытые концы проникает во внутренние каналы волокон, движется вдоль по каналам к открытым концам волокон, накапливается в коллекторах низкого давления и выводится через патрубок 10 для дальнейшей переработки или использования. Прошедшая через стенки волокон под действием давления

часть смеси, обогащенная целевым компонентом или его примесями, собирается в корпусе аппарата 1 и удаляется по мере накопления через патрубки 11 и 12. Обедненный целевым компонентом или его примесями (остаточный) газ выводится через патрубок 10, при этом давление остаточного газа фактически сохраняется, поскольку гидравлическое сопротивление вязкому течению газа в каналах волокон значительно меньше сопротивления Диффузионной проницаемости молекул газа через стенку полого волокна.

Для улучшения процесса разделения газовой смеси удаление обогащенной (примесной) газовой смеси из корпуса аппарата

I производится продувкой через патрубок

II и 12, либо посредством удаления продуктов разделения вакуумным насосом через патрубок 12.

Поддерживая низкое давление (ниже атмосферного) продуктов разделения в корпусе аппарата 1 и высокое давление сырья можно заметно увеличить степень извлечения заданного газового компонента. При этом в предложенной конструкции мембранного аппарата устраняются застойные зоны, байпасы и явления концентрационной поляризации, эффективность процесса разделения газовых смесей повышается, естественно, улучшаются эксплуатационные характеристики разделительного аппарата.

Следует отметить, что из-за отсутствия высокого газового давления в корпусе аппарата предлагаемой конструкции, отпадает необходимость рассчитывать корпус, как сосуд высокого давления и он может изготавливаться из обычных водогазопровод- ных труб или из ударопрочной пластмассы, например,полистирола.

Предложенный аппарат обладает низкой стоимостью, дешевизной, простотой изготовления, надежностью и удобством эксплуатации, что особенно важно при серийном и крупномасштабном производстве.

П р и м е р . В корпус 1 из обычной дюймовой водогазопроводной трубы, имеющей фланцевые соединения 2, помещается петлеобразный пучок полых полимерных волокон 3 из поли-4 метилпентена-1 с наружным диаметром 80 мкм, внутр. d 40 мкм и длиной 3 м. Пучок волокон пропускается через патрубок 4, герметично приваренный к нижней крышке 5 фланцевого соединения и к отверстию в середине вог- нутой части U-образной полости 6, внутри которой концы пучка волокон разведены на 180° и выведены из нее за пределы отводов 7, 8, заканчивающихся патрубками 9 и 10, служащими для ввода исходной разделяемой смеси (сырьевого потока) и вывода обедненной смеси (остаточного газа) соответственно.

Через технологический патрубок 13 во внутреннюю полость U-образной полости подается под необходимым давлением герметизирующий компаунд, например, из эпоксидной смолы с отвердителем в таком количестве, чтобы уровень неотвержденного компаунда после пропитки пучка волокон достигал верхнего среза патрубка 4. По принципу сообщающихся сосудов уровень компаунда установится везде одинаковым

по высоте.

После отверждения эпоксидного компаунда патрубок 13 закрывается заглушкой и производится полная сборка мембранного аппарата, который направляется для испытаний под давлением на экспериментальный стенд, где определяется его работоспособность, регистрируются производственные и эксплуатационные характеристики.

Пример 2. К патрубку 9 (см. черт.) мембранного аппарата, изготовленного по предлагаемой конструкции, подают под давлением 20 кгс/см2 исходную загрязненную примесями шестифтористую серу. Равномерно распределяясь по сечению пучка полых волокон из поли-4-метилпентена-1 с dH 80 мкм и deny 40 мкм шестифтористая сера проникает во внутренние каналы волокон и движется под воздействием давления

на выход к патрубку 10.

Прошедшая сквозь стенки волокон часть смеси, обогащенная примесями, содержащими кислород, азот, С02, водяные пары.и др., концентрируется на противоположной стороне волокон в области низкого давления, т. е. собирается в корпусе аппарата 1 и удаляется по мере накопления через патрубок 11 или 12.

Примесная газовая смесь, накапливаемая в корпусе аппарата 1 при наличии высокотоксичных соединений, эвакуируется вакуумным насосом, компримируетс я компрессором в отдельный ресивер, поскольку в целях защиты окружающего воздушн ого

бассейна выбрасывать ее в атмосферу не рекомендуется и направляется на дальнейшую переработку и утилизацию.

Очищенная от примесей (остаточный

газ) шестифтористая сера под давлением 19

- 19,5 кгс/см2 поступает в ресивер-сборник

для использования по назначению, либо в

зависимости от результатов хроматографического анализа состава Ноступ аёт на

вход аналогичного мембранного аппарата II

ступени или III ступени.

В зависимости от степени загрязненности шестифтористой серы, как показывает практика использования мембранных аппа- ратов предлагаемой конструкции, применяется не более 3-% ступеней очистки.

Зачастую очистка в I ступень на предлагаемом мембранном аппарате уже удовлетворяет требованиям потребителей, поскольку очищенная на I ступени шестифтористая сера по содержанию примесей отвечает требованиям ТУ 6-02-1249-83.

Очищенная на трех ступенях шестифто- ристая сера, как правило, удовлетворяет требованиям Международной электротехнической комиссии (МЭК) и может быть ис- пользована в качестве газовой изоляции в высоковольтном оборудовании электрических подстанций.

Преимуществом предлагаемой конструкции мембранного аппарата.является со- хранение высокого давления (остаточного газа) шестифтористой серы, так как шести- фтористая сера через материал мембраны волокон из поли-4-метилпентена-1 практически не проникает.

Улучшаются эксплуатационные характеристики из-за отсутствия застойных зон, байпасов и концентрационной поляризации, улучшенной технологичности, благодаря упростившейся технологии герметизации и сокращению затрат времени на изготовление аппарата.

В соответствии с предложенной конструкцией были изготовлены мембранные аппараты в количестве 12 штук на Опытном заводе ОКБ-1 ЭНИН для экспериментальной апробации их в процессе очистки шестифтористой серы от примесей.

Испытаниями готовых мембранных аппаратов была показана их высокая надеж- ность, простота изготовления и монтажа, улучшение эксплуатационных характеристик, т. е. был достигнут тот положительный эффект, который являлся целью настоящего изобретения.

В таблице приведены результаты испытаний мембранного аппарата на полых волокнах из поли-4-метилпентена-1 для очистки шестифтористой серы от примесей и предназначенного для опытного внедре- ния на сервисных тележках по обслуживанию КРУЭ электрических подстанций Мосэнергов 1991 - 1992 гг.

Анализ состава газовых смесей проводился хроматографическим путем посредст- вом газового хроматографа ХЛМ-8МД и выполнялся сотрудниками СКТБ ВКТ Мосэ- нерго.

Данные хроматографического анализа проб исходной шести- фтористой серы с различной степенью загрязненности примесями t

Данные хроматографического

анализа проб шестифтористой

серы после очистки на мембранном

аппарате предложенной конструкции

Как следует из таблицы, состав шестифтористой серы после очистки на мембранном аппарате предложенной конструкции заметно лучше исходного по содержанию примесей, при сохранении высокого давления исходной газовой смеси, что выгодно отличает предложенную конструкцию аппарата от известных, поскольку не теряется энергия сжатого газа.

Таким образом, применение U-образно- го отвода с размещением в нем пучка полых полимерных волокон, открытые концы которых выводятся через противоположные выходы U-образного отвода, позволяют организовать подачу сырьевого потока разделяемой смеси внутрь волокон с сохранением высокого давления остаточного газа, чего сделать в известной конструкции нельзя, при этом улучшается гидравлическое распределение газа, полностью устраняются застойные зоны и байпасы, предотвращается опасность возникновения концентрационной поляризации.

Предлагаемая конструкция мембранного аппарата по сравнению с прототипом является более универсальной, многофункциональной, имеет широкие возможности для использования в различных условиях газодинамических режимов (прямоток, противоток и др.) и заметно улучшенные эксплуатационные характеристики.

Данная конструкция отвечает всем требованиям производства и эксплуатации мембранных аппаратов, обладает улучшенной технологичностью, обеспечивающей повышенные эксплуатационные качества и позволяющей создавать мембранный аппарате наименьшими затратами труда и материалов, т, е. с минимальной трудоемкостью в процессе серийного изготовления.

Улучшенная технологичность конструкции мембранного аппарата обуславливается значительно упростившейся технологией герметизации пучка полых волокон в - образной полости, поскольку заполнение всех его полостей герметизирующим материалом производится одновременно и в одну стадию, что сокращает затраты времени на изготовление в 3 раза.

Формула изобретения 1. Мембранный аппарат для разделения газовых смесей, содержащий корпус с присоединенным к нему первым коленообраз- ным отводом, размещенный в корпусе петлеобразный пучок полых волокон, открытые концы которых закреплены при помощи герметика в коленообразном отводе, патрубки подачи разделяемой смеси, о т- личающийся тем, что, с целью

улучшения эксплуатационных характеристик аппарата и технологичности его изготовления, он снабжен вторым коленообразным отводом, расположенным

симметр ично первому отводу с образованием U-образной полости, соединенной с корпусом вогнутой частью при помощи патрубка, при этом открытые концы полых волокон, размещенных в первом отводе, соединены с патрубком подачи разделяемой смеси, а открытые концы полых волокон, размещенных во втором отводе, соединены с патрубком вывода обедненной смеси.

2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что на выпуклой части коленообразного отвода установлен технологический патрубок для подачи герметика.

3. Аппарат по пп. 1 и 2, о т л и. ч а ю- щ и и с я тем, что корпус и коленооб- разные отводы выполнены из ударопрочной пластмассы.

Сущность изобретения: мембранный аппарат содержит корпус с присоединенным к нему U-образным отводом и размещенный в корпусе петлеобразный пучок полых волокон, открытые концы которых закреплены при помощи герметика в U-образ- ном отводе. Один конец отвода соединен с патрубком подачи разделяемой смеси, а второй конец соединен с патрубком вывода обедненной смеси На выпуклой части U-об- разного отвода установлен технологический патрубок для подачи герметика. Корпус и отвод выполнены из ударопрочной пластмассы. 2 з.п. ф-лы, 1 ил Ё