Сепарационный модуль - RU2042409C1
Код документа: RU2042409C1
Чертежи
Описание
Изобретение касается сепарационного модуля, содержащего мембрану из полых волокон, при этом в модуле текучая питающая смесь и проникший через материал мембраны компонент движутся в противотоке. Модуль преимущественно предназначен принимать питающие смеси на наружной стороне волокон и пропускать фильтрат по каналам волокон.
Полупроницаемые мембраны в форме пустотелых/полых волокон используются для разделения компонентов в текучих смесях уже много лет. Полые волокна, которые обладают соответствующими мембранными свойствами разделения, обеспечивают большую поверхностную площадь для контакта с текучей смесью, из которой необходимо отделить некоторые компоненты, проходящие через мембранный материал быстрее, чем другие компоненты.
Большое количество полых волокон одинаковой длины обычно группируют вместе в оболочке или корпусе высокого давления, в котором противоположные концы волокон заделываются и герметизируются в материале, который служит для образования трубного щита на каждом конце корпуса-оболочки. Заделывающий материал частично срезается, чтобы открыть каналы волокон.
Такие средства могут использоваться для разделения жидких смесей или для отделения паров или газов от жидкости, но наиболее эффективны для разделения газов, например для выделения азота из воздуха.
Ряд способов изготовления пучков полых волокон мембранных модулей описаны в патентной литературе. Например, патент США N 3228877 описывает концепцию использования полых волокон в устройстве разделения газов. В патенте США N 3422008 описывается способ навивания полых волокон спиралью вокруг цилиндрической оправки так, что пучок образуется в кольцевой форме с узкими проточными каналами, которые улучшают распределение потока текучей среды на внешней стороне волокон. Способ образования кольцевого пучка без центральной оправки из спирально наматываемых волокон описан в патент США N 4045851. Другой способ образования пучков без центральной оправки из полых волкон для мембраны описан в патенте США N 4351092. В нем волокна перекрываются друг с другом в левозаходных и правозаходных спиралях под углами к общей оси вращения вращающихся элементов, образующих пучок волокон. Эти патенты описывают модули, которые являются типичными и в которых разделяемая текучая смесь обрабатывается по-существу всеми волокнами за один раз. Однако разработаны модули, в которых пучки волокон разделены на секции, чтобы манипулировать распределением потока питающего материала или фильтрата.
Патент США N 4676808 описывает мембранный модуль из полых волокон, в котором заделанные концы волокон отрезаются по-разному на каждом конце, так что волокна, открывающиеся на одном конце, являются закрытыми на другом конце и наоборот. Таким образом, образуют две концентрические секции пучка волокон в одном модуле, чтобы имитировать два модуля, установленные последовательно. Устройство предназначено сепарировать два растворенных вещества из разных композиций. Питающий газ течет перпендикулярно к потоку газа-фильтрата в каналах волокон.
Патент США N 4880440 описывает сепарирующие мембранные модули из полых волокон, имеющие два разных типа волоконных мембран, обладающих разными характеристиками сепарирования текучих компонентов для образования двух потоков фильтратов, различных по составу, и один поток рафината из питающей смеси. Два типа волокон намотаны спирально на оправке по типу переплетающихся или чередующихся слоев, но разнесенных таким образом, что только один из каждых заходов волокон проходит до одного конца пучка волокон. Когда каждый конец пучка заделан в трубный щит и срезан, только тот тип волокон, который проходит до этого конца пучка, открывается для полученного фильтрата. Хотя питающий состав показан входящим на одном конце всего пучка со стороны оболочки, а рафинат выходит на противоположном конце, потоки фильтратов обязательно текут в противоположных направлениях. Как следствие, создается противоток питающего состава по крайней мере с одним из потоков фильтратов.
Патент США N 4929259 описывает преимущества противоточного течения в мембранных модулях из полых волокон, где питающий состав находится в каналах волокон. Противоток обеспечивается при помощи концентрических отражательных перегородок или спиральной отражательной перегородки внутри пучка волокон. Промывающий газ может вводиться в модуль для прохода по внешней стороне волокон и усиления противопоточного потока полученного фильтрата.
Мембранные модули из полых волокон могут быть выполнены путем использования либо плотных, либо асимметричных, либо тонкопленочных составных волокон. Плотные волокна имеют стенки однородной плотности и по существу нулевую пористость. Они обычно изготавливаются формованием из расплава. Асимметричные волокна имеют тонкую плотную наружную оболочку (которая составляет сепарирующий слой), заделанную в стенку с градацией пористости по ее толщине. Они изготавливаются способами инверсии фазы. Тонкопленочные составные волокна имеют одинарное или многократное покрытие из одного или больше полимеров, нанесенных на поверхность пористого субстратного волокна, которое образует опору для покрытия.
Если плотные и асимметричные волокна обычно изготавливают из одного полимерного материала, тонкопленочные составные волокна обычно изготавливаются путем нанесения покрытия, отличающегося от материала субстрата, что ведет к более слабой адгезии между сепарирующим слоем и субстратом (подложкой). В этом случае вероятность разрыва высокая, когда давление питающего состава действует на сторону, противоположную покрытию. Поэтому тонкопленочные составные волокна, покрытые снаружи, и асимметричные мембраны с сепарирующим слоем на наружной стороне волокон являются предпочтительными.
Согласно изобретению создан сепарационный модуль из полых волокон с тем расчетом, что достигается поток в противопотоке питающего состава и полученных фильтратов и питающий состав подается на внешнюю сторону волокон. Благодаря конструкции модуля легко достигается равномерность распределения питающего состава и проникновение двух или более компонентов при использовании модулей, установленных последовательно.
Сепарирующие модули из полых волокон согласно изобретению используют один аппарат высокого давления. Внутри этого аппарата находится удлиненный пучок полых волокон, которые выполнены из полупроницаемого мембранного материала, способного сепарировать компоненты из текучей смеси. Волокна соосно выравнены вдоль траекторий, проходящих от одного конца пучка до другого конца, и каждый из концов волокон заделан в связующих соединениях, которые образуют трубные щиты (торцы) и тем самым герметизируют каналы волокон от наружной части волокон, расположенных в корпусе-оболочке между трубными щитами. По меньшей мере один элемент непроницаемой стенки проходит продольно через пучок волокон и перегораживает пучок между трубными щитами по меньшей мере в двух секциях, так что каждое волокно, которое лежит между трубными щитами корпуса, также лежит полностью в одной или другой секции, которые перегорожены элементом стенки. Модуль также содержит средство для подачи текучей питающей смеси в первую секцию пучка в точке, которая является смежной с первым трубным щитом корпуса, и средство для пропускания текучей смеси, поступающей из этой первой секции пучка, в точке, смежной с вторым трубным щитом корпуса, пропуская во вторую секцию пучка смежно с вторым трубным щитом корпуса. Также предусмотрены средства для удаления рафината из второй секции пучка в точке, смежной с первым трубным щитом корпуса, и средства для удаления рафината из корпуса-оболочки. Модуль содержит герметизирующее средство, которое взаимодействует с двумя трубными щитами корпуса для герметизации каналов волокон каждой секции от каналов волокон в любой другой секции и для образования дискретных накопительных зон в отношении полученных фильтратов из каналов волокон каждой секции. Также предусмотрены средства для удаления первого полученного фильтрата из накопительной зоны первой секции смежно с первым трубным щитом корпуса и другие средства для удаления второго полученного фильтрата из накопительной зоны второй секции, которая смежна с вторым трубным щитом корпуса.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения две секции пучков полых волокон в модуле являются кольцевыми в поперечном сечении, расположены концентрически и разделены непроницаемым барьером из гибкого материала. Полые волокна, содержащиеся в каждой из секций, равномерно упакованы и заделаны в одни и те же трубные щиты корпуса. Питающая смесь течет через две секции последовательно по внешней стороне волокон. Каждая секция имеет правильный размер в поперечном сечении по отношению к скорости потока, так что достигается равномерность потока с равномерным распределением питающего состава поперек пучка волокон. Противоток потоков питающего материала и полученного фильтрата достигается в каждой секции модуля.
Гибкость функционирования, которая возможна только благодаря использованию двух или более модулей, соединенных последовательно, может быть достигнута с помощью одного модуля.
На фиг.1 схематично изображен модуль, в котором питающий состав пропускается в центральную осевую оправку и удаляется как рафинат из периферии модуля, поперечное сечение; на фиг.2 модуль, в котором подача питающего состава реверсирована: вход с периферии модуля, а выход из центральной оправки, поперечное сечение; на фиг. 3 модуль, в котором элемент, перегораживающий стенки, располагается поперечно в корпусе-оболочке вдоль оси модуля; на фиг. 4 показано сечение А-А на фиг.3; на фиг.5, 6 и 7 показаны возможные варианты расположения перегораживающих стенок.
Мембранный модуль из полых волокон согласно изобретению содержит по крайней мере две параллельные секции пучка волокон, каждая из которых содержит равномерное упакованные полые волокна. Каждая секция имеет размеры с таким расчетом, что ее поперечное сечение достаточно небольшое, так что достигается равномернoе распределение питающего состава, когда питающая смесь проходит по длине волокон в каждой секции пучка. Противоточный поток питающего состава и получаемого фильтрата достигается в каждой секции модуля. Конструкция модуля может быть лучше всего понята со ссылкой на фиг.1, которая схематично представляет предпочтительный вариант реализации, в котором секции пучка волокон расположены концентрически в кольцевой форме вокруг осевой оправки и внутри корпуса модуля высокого давления.
На фиг. 1 модуль имеет наружный корпус 1 в виде удлиненного цилиндра и аксиально расположенную оправку 2, которая служит опорой для пучков волокон. Оправка может быть полой трубой, через которую течет разделяемая питающая смесь, поступающая в модуль через канал 3. Если оправка является полой трубой, то она герметизируется в соответствующей точке, например, пробкой 4 или 5, так что питающий материал подается в отверстия 6.
Удлиненный пучок 7 волокон образован вокруг оправки 2. Непроницаемая оболочка или гильза 8 окружает пучок 7 и эффективно отгораживает объем в корпусе 1, занятый пучком 7 волокон, от объема в корпусе, который занимает пучок 9 волокон, расположенный вокруг пучка 7 и концентрически ему. Толщина каждого пучка 7 и 9 зависит от требуемого поперечного сечения пучков волокон для достижения равномерного распределения питающего состава, текущего через каждую секцию. Индивидуальные волокна в пучках 7 и 9 могут лежать параллельно оси оправки, вдоль которой лежит оправка, или волокна могут быть намотаны спирально или внахлестку, но они должны быть выравнены в целях плотной и равномерной упаковки и располагаться вдоль траекторий, которые проходят от одного конца каждого пучка до другого, так что продвижение получаемого фильтрата в каналах волокон происходит непрерывно в одном направлении в сторону конца пучка волокон или в противоположном направлении, как показано пунктирными стрелками 10. Эти направления находятся в противотоке по отношению к потоку питающей смеси, который обозначен сплошными стрелками 11. Непроницаемая оболочка или гильза, которая служит в качестве элемента стенки между концентрическими кольцевыми пучковыми секциями 7 и 9, содержит проходы 12, которые дают возможность питающему материалу течь из секции модуля, содержащей пучок 7 волокон, в секцию модуля, содержащую пучок 9 волокон. Гильза 8 предпочтительно гибкая для обеспечения легких движений в пучках волокон, которые вызываются изменениями высокого давления в модуле. Она может быть образована из непроницаемого пластика, такого как полиэтилен или полипропилен, или тонкого металла.
Другая гильза 13 расположена вокруг пучка 9 волокон. Если гильза 13 используется, то образуют проходы 14 в ней, чтобы рафинат мог выходить из объема модуля, который содержит пучок 9 волокон. Рафинат затем собирается в пространстве 15, которое расположено между наружной частью пучка 9 волокон и корпусом-оболочкой 1 модуля. Рафинат удаляется из модуля по каналу 16, который сообщается с пространством 15. Гильза 13 может быть образована из материала, аналогичного материалу гильзы 8, или какого-либо другого пластика. Одна функция гильзы 13 состоит в содействии удерживания волокон пучка 9 на месте при колебаниях давления. Эта гильза не должна быть контейнером высокого давления, так как имеет место очень небольшой перепад давлений между объемом, занятым пучком 9, и пространством 15.
Концы волокон в обоих пучках 7 и 9 заделаны в трубные щиты 17 и 18. Трубные щиты 17 и 18 корпуса служат для волокон обоих пучков 7 и 8. Заделывающие смолы для этой цели хорошо известны и могут быть приготовлены из эпоксидной или полиуретановой смолы. Когда заделанные пучки волокон закреплены на месте в пластиковой гильзе и смонтированы на осевой оправке, наружные поверхности трубных щитов 17 и 18 корпуса обрезаются известным образом, чтобы открыть концы волокон 7 и 9. Трубные щиты 17 и 18 эффективно герметизируют каналы волокон от их наружной части, которая расположена между трубными щитками. Для улучшения герметизации пространства между трубными щитами корпуса служат уплотнительные кольца 19 и 20, расположенные концентрически между концом корпуса-оболочки 1 и трубным щитом 17 корпуса, и уплотнительные кольца 21 и 22, расположенные концентрически между другим концом корпуса-оболочки 1 и трубным щитом 18 корпуса. Уплотнительные кольца 19 и 20 предназначены для образования и герметизации кольцевой коллекторной зоны 23, которая расположена смежно с трубным щитом 17 корпуса и находится в открытом сообщении с каналами волокон пучка 9. Аналогично уплотнительное кольцо 20, взаимодействующее с концом корпуса-оболочки 1 и трубным щитом 17 корпуса, образует и герметизирует объем 24, который расположен смежно с трубным щитом 17 и находится в открытом сообщении с каналами волокон пучка 7.
Уплотнительные кольца 21 и 22 взаимодействуют с трубным щитом 18 корпуса и концом корпуса-оболочки 1, чтобы образовать и герметизировать кольцевую зону 25. В этом варианте реализации зона 25 не выполняет иных функций, кроме герметизации концов волокон пучка 9, которые проходят в трубный щит 18. Для герметизации концов этих волокон может быть использовано другое средство. Уплотнительные кольца 22 взаимодействуют с трубным щитом 18 и концом корпуса-оболочки 1 для образования коллекторной зоны 26, которая находится в открытом сообщении с каналами волокон пучка 7. Получаемый фильтрат, проходящий из каналов волокон пучка 7 в коллекторную зону, может удаляться из корпуса-оболочки через канал 27, который соединен с зоной 26. Аналогично получаемый фильтрат, выходящий из каналов волокон пучка 9 в зону 23, может удаляться по каналу 28, который сообщается с зоной 23. Канал 29 соединен с каналом 28 выхода полученного фильтрата посредством клапана 30 для сообщения с объемом 24, чтобы дать возможность использовать часть полученного фильтрата, выходящего из пучка 9 волокон, в качестве промывающего газа через каналы пучка 7 волокон. Остальная часть полученного фильтрата из пучка 9 волокон может быть отведена посредством канала 31 через клапан 32. Этот полученный фильтрат может быть снова запущен в цикл в питающий состав, выпускаться или собираться для других целей. На фиг.1 направление потока полученного фильтрата указано пунктирными стрелками, например стрелкой 10, а направление потока питающего состава или рафината питающего состава обозначено сплошной стрелкой, например стрелкой 11. Удобно выполнить корпус-оболочку 1 из двух половин для размещения пучков волокон. Эти половины могут быть соединены вместе прочно болтами, проходящими через фланцы 33 и 34 при герметизации в соединении прокладкой 35. Также могут использоваться альтернативные конструкции, такие как фланцевые концевые секции корпуса-оболочки 1.
Работает модуля, изображенного на фиг.1, заключается в следующем.
Питающий воздух, поступающий через канал 3, поступает в пучок 7 волокон через каналы 6, которые расположены смежно с трубным щитом 18 корпуса. Эти каналы (отверстия) 6, которые расположены сразу после (по ходу процесса) границы заделывающей смолы трубного щита 18, распределяют питающий воздух радиально через толщину пучка 7. Питающий газ движется вдоль линии оси модуля через пучок 7 волокон, как обозначено сплошной стрелкой на фиг.1, и поступает в объем, занятый пучком 9 волокон, через проходы 12, которые расположены сразу смежно с трубным щитом 17 корпуса на противоположном конце пучка 7, куда поступает питающий состав. Этот питающий газовый материал, который является рафинатом из пучка 7 волокон, становится питающим газом для пучка 9. Таким образом, функционирование для разделения газа через пучок 7 волокон образует первую стадию разделения, за которой сразу следует вторая стадия разделения, которая происходит в пучке 9 волокон. Этот рафинат из первой стадии движется вдоль осевого направления пучка 9, как показано сплошными стрелками на фиг,1, двигаясь в направлении, противоположном направлению потока питающего газа на первой стадии. Рафинат из пучка 9 волокон или второй стадии выходит из пучка через проходы 14 в гильзе 13 и оставляет модуль через каналы 16, который сообщается с объемом в корпусе-оболочке 1.
Газ-фильтрат первой стадии из пучка 7 движется, как показано пунктирными стрелками, концентрически относительно потока питающего газа, выходит из каналов волокон в пучке 7 в коллекторную зону 26 и затем удаляется из модуля посредством канала 27. Фильтрат второй стадии из пучка 9 волокон движется концентрически относительно потока питающего газа, выходит из каналов волокон пучка 9 в зону 23 и затем в канал 28, через который он удаляется из модуля. Поэтому конструкция и монтаж модуля обеспечивают эффективное разделение питающего газа, выделение рафината и фильтратов в двух стадиях процесса разделения. Хотя на фиг.1 описан двухстадийный модуль, его конструкция может быть усовершенствована путем добавления других кольцевых секций, расположенных радиально снаружи от пучка 9 и аксиально концентрически ему. Все пучки волокон или секции пучков волокон, которые образованы таким образом, могут быть заделаны в те же трубные щиты корпуса, используя лишь один трубчатый щит для каждого конца пучков сгруппированных волокон.
Фиг. 2 показывает ту же структуру модуля, как на фиг.1, за исключением того, что в этом варианте реализации предусмотрены внешние каналы фильтрата. Питающий газ подается в периферийный объем 15 корпуса-оболочки 1 через аксиальный канал 3 как рафинат. На фиг.2 направление стрелок внутри модуля реверсировано по отношению к стрелкам на фиг.1, показывая обратные потоки питающего газа и фильтрата через модуль. В результате этого реверсивного потока происходит сепарирование в пучке 9 волокон на первой стадии и сепарирование в пучке 7 на второй стадии. Фильтрат на первой стадии, выходящий из каналов пучка 9 волокон в коллекторную зону 25, смежную с трубным щитом 18 корпуса, удаляется из модуля через канал 36, который сообщается с зоной 25. Объем 26, который также является смежным с трубным щитом 18, эффективно герметизируется и не сообщается с любым другим объемом модуля, так что другое средство герметизации может использоваться для закрывания концов волокон пучка 7, которые проходят в трубный щит 18.
На противоположном конце смежно с трубным щитом 17 модуля фильтрат из пучка 7 волокон выходит из каналов волокон в зону 24, которая сообщается с выходным каналом 37. Пучок 7 волокон поэтому обеспечивает вторую стадию сепарирования, так что фильтрат второй стадии удаляется через канал 37, тогда как фильтрат первой стадии сепарации удаляется через канал 36.
Часть фильтрата второй стадии может использоваться как промывающий газ для пропускания через каналы волокон пучка 9 путем пропускания его через каналы 38 и клапан 39 в объем 23, который сообщается с каналами волокон пучка 9. Остальной фильтрат второй стадии может быть удален по каналу 40 через клапан 41 и направляться на повторную циркуляцию в питающий газ, выбрасываться в атмосферу или использоваться для других целей. Поэтому при функционировании модуля на фиг. 2 питающий воздух входит в модуль через канал 16 и проходит через проходы в гильзе 13 в пучок 9 волокон непосредственно рядом с трубным щитом 18 корпуса, двигаясь аксиально вдоль пучка 9. Рафинат из первой стадии проходит через пучок 7 волокон, через проходы в гильзе 8 смежно с трубным щитом 17 корпуса. Этот питающий газ затем движется аксиально вдоль пучка 7, удаляется через проходы в оправке 2 смежно с трубным щитом 18 корпуса и выходит через канал 3. Хотя поток питающего газа реверсирован по сравнению с его потоком на фиг.1, модуль легко может адаптироваться для удаления фильтратов первой стадии и второй стадии сепарирования таким образом, что потоки питающего газа и фильтрата в каналах волокон направляются противоположно.
Хотя концентрические кольцевые пучки волокон предпочтительны, как показано на фиг. 1 и 2, фиг.3 иллюстрирует альтернативный вариант реализации, в котором барьер типа стенки, разделяющий пучки волокон на две отдельные секции, реализован с помощью одного элемента типа плоской стенки, который проходит от одной стороны корпуса-оболочки до другой по оси модуля. Торцовый вид этого разделяющего барьера показан на фиг.4. На фиг.3 корпус-оболочка 42 модуля имеет питающий канал 43 для подачи питающего газа и канал 44 для удаления рафината. Корпус-оболочка 42 охватывает пучки 45 и 46, которые разделены барьерным элементом 47, который является непроницаемым элементом из материала, аналогичного материалу гильз на фиг.1 и 2. Корпус-оболочка 42 и пучки 45 и 46 волокон, разделенные барьером 47, образуют секции I и II, которые образуют две сепарационные стадии модуля. Концы волокон обоих пучков 45 и 46 заделаны в трубном щите 48 корпуса на одном конце и в трубном щите 49 корпуса на противоположном конце. Уплотнительные кольца 50 и 51 между трубными щитами 48 и 49 соответственно, концы оболочки 42 вместе с прокладками 52 и 53, которые параллельны барьеру 47 между трубными щитами 48 и 49 соответственно, и концы оболочки 42 образуют зоны 54 и 55, которые сообщаются с каналами волокон пучка 45 и 46 соответственно, когда они проходят через трубный щит 48 корпуса, и зоны 56 и 57, которые сообщаются с каналами волокон пучков 45 и 46 соответственно, на их противоположных концах, где они проходят через трубный щит 49 корпуса. Канал 58, сообщающийся с зоной 54, и канал 58, сообщающийся с зоной 57, используются для удаления фильтрата из пучков 45 и 46 волокон соответственно.
Функционирование модуля на фиг.3 происходит следующим образом.
Питающий газ поступает в модуль через канал 43 и проходит через каналы (отверстия) 59, расположенные в гильзе 60 смежно с трубным щитом 48 корпуса в объеме модуля, который занят пучком 45 волокон. Питающий газ движется аксиально через пучок 45 волокон в сторону трубного щита 49 корпуса, как показано сплошными стрелками 61, и затем движется через отверстия в барьере 47 по проходам 62 в объем оболочки 42, занимаемый пучком 46. Рафинат пучка 45, который является питающим газом для пучка 46, движется в сторону трубного щита 48 корпуса и выходит из этого объема через проходы 63, которые расположены в гильзе 60 и сообщаются с объемом модуля, который занят пучком 46. Первая стадия сепарирования протекает в пучке 45, и вторая стадия сепарирования происходит в пучке 46. Фильтрат первой стадии движется через каналы волокон пучка 45, как показано пунктирной стрелкой 64, в объем 54 и удаляется по каналу 58. Фильтрат второй стадии движется в объем 57 из каналов волокон пучка 46 и удаляется через канал 58.
Волокна расположены так, что они проходят в целом параллельно оси корпуса-оболочки 42, заполняя объемы для секций I и II (фиг.4). Все волокна пучка 45 полностью находятся в секции I, все волокна пучка 46 полностью находятся в секции II. Волокна расположены параллельно, так что когда фильтрат проходит через каналы волокон пучка 45, он движется к трубному щиту 48 корпуса, а когда фильтрат проходит через каналы волокон пучка 46, он движется к трубному щиту 49 корпуса. В результате этого обеспечивается противоток потоков фильтратов и питающего газа. На фиг.3 сплошная стрелка указывает направление потока питающего газа и питающего фильтрата, пунктирные стрелки указывают направление потока фильтратов.
Может быть предусмотрено множество секций путем создания барьеров, функционирующих аналогично барьеру 47 на фиг.3 и 4, но имеющих конфигурацию, как показано на фиг. 5, 6 и 7. На фиг.5 объем, заключенный в оболочке 65, поделен баpьеpом 66 на секции I, II и III. На фиг.6 объем в оболочке 67 поделен барьером 68 на секции I, II, III и IV. Объем оболочки 69, показанный на фиг. 7, поделен барьером 70 на шесть отдельных сепарационных секций, которые могут использоваться последовательно путем образования соответствующих каналов в барьерных стенках смежно с трубным щитом корпуса из одной секции в другую. Пучки волокон образованы параллельно уложенными волокнами, петляя вперед и назад в каждой секции. Волокна открыты в целях сообщения с коллекторными зонами, после того как они заделаны в одинарные трубные щиты корпуса на каждом конце модуля.
Модуль на фиг.3, а также модули на фиг.5-7 могут быть модифицированы для возможности образования промывочного газа из части фильтрата на второй стадии модуля, пропуская его в зону 56 (фиг.3), которая сообщается с каналами волокон пучка 45.
Модуль согласно изобретению может использоваться в простой двухстадийной сепарации с восстановлением двух отдельных фильтратов и рафината. Альтернативно модуль может функционировать, чтобы снова пустить в цикл часть фильтрата из второй стадии для повторного использования. Это снижает обратное давление фильтрата в каналах волокон на первой стадии. Когда это делается, необходимо рециркулировать фильтрат на вход компрессора для питающего газа, чтобы избежать установки отдельного компрессора для линии рециркуляции. При сепарации воздуха относительно высокое содержание азота в фильтрате на второй стадии дает возможность увеличить производительность модуля, когда по крайней мере часть потока возвращается в цикл для питания.
Другой режим функционирования модуля состоит в использовании фильтрата второй стадии для промывки каналов волокон пучка первой стадии. Это увеличивает эффективность работы модуля. Предпочитаемый режим работы состоит в использовании части фильтрата второй стадии для рециркуляции и части для промывающего газа каналов волокон первой стадии. Конструкция модуля согласно изобретению легко обеспечивает достижение этого результата. Часть фильтрата второй стадии, использованная для промывки, возвращается снова в цикл сепарирования, и выпуск фильтрата выбирается с целью максимализирования производительности.
Модуль согласно изобретению может быть легко адаптирован для функционирования в случае, когда две стадии имеют волокна разных размеров или разные характеристики сепарирования. Предпочтительно размер волокна для первой стадии выбирается с таким расчетом, что промывка фильтратом с второй стадии не вызывает чрезмерного противодавления. В этом случае каналы волокон для первой стадии чуть больше, чем каналы волокон для второй стадии. Модуль позволяет более плотно упаковывать волокна в пучках и обеспечивать более высокую площадь разделения на единицу объема модуля на второй стадии, где используются более тонкие волокна. Путем использования волокон двух разных размеров достигается оптимальное функционирование в каждой из двух стадий модуля.
Двухстадийный модуль с волоконными мембранами, имеющими разные сепарационные свойства, такие как проницаемость и селективность, может быть использован для удовлетворения конкретных эксплуатационных запросов без изменения затрат на его изготовление. Например, необходимо на время иметь более высокую селективную проницаемость на второй стадии работы при сепарировании воздуха. Использование волокон с более высокой селективной проницаемостью на второй стадии обеспечивает более высокую чистоту для более медленного компонента в рафинате. Структурные параметры размера волокна, площади волокна и поперечного сечения пучка, а также волокон с другими сепарационными свойствами могут быть легко включены для оптимизирования процесса сепарирования в одном двухстадийном модуле без увеличения в целом общих производственных затрат на его изготовление.
Модуль может объединяться с вакууминизирующим устройством, таким как эжектор воды или пара или вакуумный насос, чтобы снизить давление и создать парциальный вакуум на стороне каналов волокон на второй стадии модуля. Равномерный умеренный вакуум, например около 5 psia, может обеспечивать достаточное повышение производительности и восстановления. Оба потока фильтрата могут быть образованы с использованием средства вакууминизации в каналах волокон.
Еще одно изменение модуля согласно изобретению состоит в создании средства (канала) для пропускания части рафината с второй стадии модуля обратно в каналы волокон на второй стадии для образования промывающего газа. Используют фиг.3 для описания такого варианта реализации. Канал 44 соединен с проходом (не показан) для сообщения с объемом 55, смежным с трубным щитом 48 корпуса. Объем 55 сообщается с каналами волокон пучка 46, и часть фильтрата из канала 44 промывает эти каналы в направлении к выходу через трубный щит 49 корпуса в зону 57 с фильтратом второй стадии, когда он удаляется через канал 58. В комбинации с таким функционированием часть фильтрата второй стадии может использоваться для промывки каналов волокон пучка первой стадии, как показано на фиг. 1 и 2, и часть этого фильтрата может снова направляться в цикл системы на вход компрессора. Поэтому модуль легко адаптируется для образования промывающего газа для каждого из пучков волокон на стороне каналов волокон для улучшения противотока потоков питающего газа и фильтрата и для рециркулирования части фильтрата второй стадии для питающего состава. Пропорциональные части этих потоков легко подбираются для увеличения производительности, такое функционирование иллюстрирует универсальность модуля согласно изобретению.
Модуль, в частности, выгоден, когда используют полые волокна, которые являются тонкопленочными композитными или асимметричными мембранными структурами. Полые волокна хорошо известны и выпускаются промышленностью. Поперечное сечение каждого пучка модуля может иметь оптимальные размеры для равномерного распределения питающего газа поперек пучка волокон для всего используемого диапазона скоростей потока питающей смеси.
Обычно мембранные модули из полых волокон для сепарирования газов, изготавливаемые промышленностью, имеют следующие размеры: диаметр 1-20 дюймов, отношение длина/диаметр 4-20, наружный диаметр волокна 20-1000 мкм, плотность упаковки волокон 30-60% Скорость потока полезного продукта и его восстановление (соотношение продукт/питающий состав) зависят от имманентных свойств селективной проницаемости мембраны и рабочих условий модуля (давления, температуры, чистоты продукта и т.п.).
П р и м е р. Этот пример относится к модулю, используемому для получения азота из воздуха (см. фиг. 2). Модуль содержит полимерные полые волокна с наружным диаметром 400 мкм и диаметром канала 200 мкм, имеющие свойства селективной проницаемости: проницаемость О2 2,5х10-5 с/см2.с.см рт.ст. селективность О2/N2 5. Волокна равномерно упакованы с плотностью 39% Длина волокон между трубными щитами 17 и 18 корпуса составляет 6 футов. Наружный диаметр модуля (внутренняя кромка гильзы 13) составляет 6 дюймов. Диаметр гильзы 8 между двумя стадиями составляет 3,87 дюйма. Диаметр контрольного канала составляет дюйм. Из вышеприведенных размеров видно, что первая стадия, содержащая пучок 9 волокон, имеет площадь поперечного сечения 16,5 кв.дюймов и площадь мембраны 808 кв.футов, а вторая стадия, содержащая пучок 7 волокон, имеет площадь поперечного сечения 11 кв.дюймов и площадь мембраны 539 кв.футов. В рабочих условиях (давление питающей смеси 150 фунт/дюйм2, давление фильтрата 15 фунт/дюйм2) имитация компьютером эксплуатационных характеристик модуля показала, что он может производить 433 стандарт.куб.футов/ч рафината, содержащего 97,7% азота. Скорость подачи воздуха на первую стадию составляла 1200 стандарт.куб.футов/ч, а скорость подачи на второй стадии (рафинат с первой стадии) составляла 695 стандарт.куб.футов/ч. Вычисления показывают, что поверхностные скорости на входах первой и второй стадии составили 73 стандарт. куб. фут/ч˙дюйм2 и 63 стандарт.куб.фут/ч˙дюйм2 соответственно. Поверхностная скорость на второй стадии аналогична поверхностной скорости на первой стадии.
Другие варианты реализации и преимущества изобретения очевидны.
Реферат
Сепарационный модуль из полых волокон имеет удлиненный корпус высокого давления и по крайней мере две секции пучков полых волокон. Концы каждого пучка секции заделаны в одном трубном щите корпуса на каждом из его концов. Волокна в каждой секции соосно выравнены, так что фильтрат в каналах волокон движется вдоль траекторий, проходящих от одного трубного щита корпуса до другого. Один или больше непроницаемых барьеров образованы в корпусе для изолирования каждой секции и управления проходом питающего газа вдоль внешней поверхности пучков волокон в противотоке к движению фильтрата в каналах волокон. В предпочитаемом варианте реализации кольцевые пучки волокон располагаются соосно вокруг центральной оправки, образованы проходы в непроницаемом перегораживающем барьере для прохождения питающего газа из одной секции пучка волокон в другую. Питающая смесь, подлежащая сепарированию, может вводиться в смежном с трубным щитом корпуса месте, а рафинат удаляется на конце пучка смежно с трубным щитом корпуса, так что поток питающей смеси и поток рафината из каждой предшествующей секции движутся аксиально через пучки по траектории потока в противотоке движению фильтрата через каналы волокон. Предусмотрены средства для рециркуляции фильтрата в питающую смесь и использования фильтрата второй стадии для промывки каналов волокон первой стадии. 2 с. и 21 з. п. ф-лы, 7 ил.
