Объединенная мультимембранная проницаемая ячейка, способ ее изготовления, объединенный мультимембранный проницаемый модуль и способ рекуперации двух различных проходящих потоков от исходного многокомпонентного потока - RU2010592C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к объединенным мультимембранным проницаемым модулям из полых волокон, содержащим по меньшей мере две различные проницаемые мембраны в объединенной мультимембранной проницаемой ячейке. Каждая проницаемая мембрана в объединенной мультимембранной проницаемой ячейке обладает способностью к одновременному выделению различных компонентов из исходной смеси текучих сред для рекуперации индивидуальных проходящих потоков, каждый из которых обогащен идентичными и различными, из исходной смеси текучих материалов и получение непроходящего рафинатного потока, который характеризуется пониженной концентрацией компонента или компонентов, входящих в состав проходящих потоков. Изобретение относится конкретно к способам изготовления объединенных мультимембранных проницаемых модулей и к их применению.

В последние несколько десятилетий в значительной степени развитие получило применение мембран для разделения текучих сред. В этой технологии проницаемые мембраны, которые способны селективно выделять один или несколько компонентов из исходной смеси, по меньшей мере двух материалов, являющихся либо жидкостями, либо газами, получили широкое применение в создании проницаемых устройств или модулей, которые заключают в себе мембраны. Первоначально проницаемые устройства характеризовались относительно простой конструкцией, в соответствии с которой использовали единственную селективную мембрану для рекуперирования двух продуктов, т. е. проходящего продукта и рафинатного продукта из исходной смеси. В качестве проницаемой мембраны выбирают такую, которая позволяет получать продукт, обогащенный желаемым компонентом, тогда как получаемый при этом рафинатный продукт характеризуется пониженным содержанием проходящего компонента. Однако это же позволяет создавать системы, для которых естественным был реверсивный процесс. Эти системы характеризуются наличием единственной проницаемой мембраны, способной к отделению одного компонента от других компонентов исходного материала. Одномембранные проницаемые устройства обеспечивают возможность рекуперирования только двух отдельных продуктов.

В 1970-х годах возникла новая концепция, заключавшаяся в применении двух, обычно различных проницаемых мембран в проницаемой системе, предназначенной для процессов, в ходе проведения которых необходимо рекуперировать более двух компонентов или продуктов. Эта концепция привела к нескольким модификациям. В соответствии с одной модификацией проницаемые устройства соединяли последовательно с различными проницаемыми мембранами в каждом проницаемом устройстве. В соответствии с другой модификацией предусмотрена каскадная система, в которой используют большее число проницаемых устройств и рециркуляций.

Эти модификации привели, тем не менее, к дополнительным модификациям, в которых каждая проницаемая ячейка содержала проницаемые мембраны двух различных типов, причем каждая мембрана со своими характеристиками проницаемости селективно проницаема для своего текучего компонента, который первоначально присутствует в исходной смеси и каждая проницаемая мембрана сконструирована отдельно, как отличный от других элемент. Эти проницаемая ячейки или системы в настоящее время известны как мультимембранные проницаемые устройства. Они представляют собой проницаемые ячейки, которые сконструированы из двух различных проницаемых мембран, каждая из которых способна к выделению из исходной смеси различных компонентов, причем в одной единственной проницаемой ячейке находятся две мембраны. В мультимембранных проницаемых устройствах исходный материал вступает в контакт одновременно с различными мембранами, одна из которых рекуперирует два отдельных проходящих продукта, причем первый продукт обогащен первым компонентом, а второй продукт обогащен вторым компонентом. Так, например, единственную мультимембранную проницаемую ячейку можно использовать для выделения компонентов из исходной смеси или обогащения этими компонентами. В ходе проведения типичных процессов достигается обогащение, а не полное разделение конкретных газов.

Одной из основных проблем, свойственных мультимембранным проницаемым модулям, является промышленное производство удовлетворительных объединенных мультимембранных проницаемых ячеек, изготовление которых сопряжено с затруднениями технологического порядка.

В статье Оно и др. , I. Nucl. Sci. and Tech. , 14, 589, 1977 г. описаны двухмембранные проницаемые устройства, в которых разделительная ячейка содержит проницаемые мембраны двух различных типов. Однако каждый проницаемый мембранный элемент ячейки выполнен отдельно и включает в себя только единственную проницаемую мембрану. Таким образом, предусмотрен один мембранный элемент, который содержит пористую мембрану, и другой мембранный элемент, который содержит непористую мембрану, причем обе мембраны обладают различной газопроницаемостью. Затем оба различных проницаемых мембранных элемента используют для изготовления описанного двухмембранного проницаемого устройства, а в каскадной системе для разделения газовых смесей используют множество двухмембранных проницаемых устройств. Двухмембранные проницаемые устройства или каскады двухмембранных проницаемых устройств обычно использовали для достижения повышенного фактора разделения для единственного компонента, который присутствовал в исходной смеси. В статье не рассматривают рекуперирование двух отдельных обогащенных продуктов, каждый из которых содержит свой компонент, а рассматривают выделение криптона из смеси криптона с азотом. Более того не предполагают и не упоминают о совместной намотке двух или большего числа проницаемых мембран для изготовления объединенной мультимембранной проницаемой ячейки, как это определено ниже, и об использовании такой объединенной мультимембранной проницаемой ячейки для изготовления объединенного мультимембранного проницаемого модуля, как это также определено ниже. Для изготовления двухмембранногоо проницаемого устройства применяли отдельные мембранные элементы, каждый из которых содержал свою проницаемую мембрану и которые после изготовления собирали в комплекты.

Известны разделительные ячейки, содержащие мембраны двух типов. В обоих случаях при ссылке на двухъячейный проницаемый элемент, в котором каждая ячейка содержит единственную отличную от других проницаемую мембрану, используют термин "разделительная ячейка". В многостадийных последовательностях используют множество двухъячейных отдельных элементов и применяют двухъячейный элемент, включающий в себя первую разделительную ячейку, снабженную мембраной, и вторую разделительную ячейку, обычно снабженную другой мембраной. Для разделения газов используют последовательные системы.

В статье Оно и др. "Разделение посредством мембран редких газов", Radiochem. , Radioanal. , Letters, 27, 299, 1976 г. упоминается о новой разделительной ячейке, которая состоит из двух секций, причем эти секции выполняют различные разделительные функции, что достигается применением в них различных мембран. В указанной статье отсутствует какое-либо предположение об объединенной мультимембранной проницаемой ячейке изобретения с двумя различными проницаемыми мембранами из полых волокон, которые намотаны совместно в единственной объединенной мультимембранной проницаемой ячейке.

Сиркар в статье "Асимметрические проницаемые устройства-схематическое изучение", Sp. sci. and Tech. , 15, 1091, 1980 г, исследовал концепцию проницаемого устройства Оно и др. в процессах разделения многокомпонентных газовых смесей и различные области, в которых можно было бы использовать проницаемые устройства Оно и др. Среди систем, на которые имеются ссылки, представлены те, в которых различные мембраны соединены с противоположными трубными решетками. Обсуждены также другие возможности, среди которых имеются полые волокна различных мембран, равномерно диспергированные в каждой другой, а не соединенные в виде отдельных пучков волокон каждого типа. Утверждается, что длину полых волокон одного материала можно сделать такой, что ими обеспечивается герметизация в трубных решетках для другого мембранного материала. Однако не приводится никакого указания на то, каким образом эти устройства могут быть изготовлены. Другая возможная конструкция, описанная Сиркаром, представляет собой систему параллельных мембран различной проницаемости с распорками между ними, вследствие чего образуются камеры.

Стерн и др. в статье "Рециркуляция и мультимембранные проницаемые устройства для разделения газов" в J. Memb. Sci. , 20,25,1984 г. произвел обзор применения различных мембран в проницаемых устройствах различных конфигураций для разделения газов. В исследовании авторов каждая проницаемая ячейка содержала проницаемую мембрану другого типа. Они не применяли проницаемые устройства, в которых две или большее число различных мембран были намотаны в спираль с получением мультимембранной проницаемой ячейки, как это в дальнейшем определено в описании изобретения. Затем проницаемые устройства, которые были обсуждены Стерном и др. , рассмотрели в различных системах при последовательном и параллельном соединении. В соответствии с заключением этих исследователей наилучшие результаты могли быть достигнуты в том случае, когда в одном и том же сосуде или проницаемом модуле содержались две различные проницаемые мембраны. Однако авторы ни в одном из примеров не описали и не предположили возможность применения проницаемого устройства, содержащего две или большее число различных мембран, которые скручены совместно с образованием объединенной мультимембранной проницаемой ячейки изобретения.

Применение мультимембранных проницаемых устройств для разделения многокомпонентных газовых смесей на три потока продукта с помощью двух различных компонентов смеси, было исследовано Сенгуптой и др. и результаты изложены в статье "Разделение многокомпонентных газов асимметричным проницаемым устройством, содержащим две отдельные мембраны", J. Memb. Sci, 21, 73, 1984 г. Это исследование охватывало различные характеристики потоков, были составлены математические уравнения. Однако нигде не обсуждается способ, который сказался бы применим для изготовления мультимембранных проницаемых устройств.

Перрин и др. в статье "Моделирование проницаемых устройств с полимерными мембранами двух различных типов", опубликованной в журнале ALCh E. J. , 31, 1167, 1985 г. , обсуждают характеристики потоков и разработку математических моделей для разделения газов, в которых в одном и том же проницаемом модуле заключены мембраны двух типов. В системах, которые использовали авторы, промежутки между двумя мембранами не заполнялись, поскольку каждая мембрана удерживалась на расстоянии от другой, даже несмотря на то, что два мембранных элемента могли быть заключены в одном и том же сосуде или проницаемом модуле. Перрин и др. нигде не пишут о том, каким образом сконструированы эти элементы.

Сенгупта и др. описывают в статье "Разделение тройной газовой смеси в двухмембранных проницаемых устройствах", опубликованной - в журнале ALCh E. J. , 33, 529, 1987, результаты изучения одностадийного разделения многокомпонентных газовых смесей в проницаемом модуле из полого волокна, который одновременно заключает в себе проницаемые мембраны двух различных типов, т. е. из ацетата целлюлозы и силиконового каучука, в результате чего исходный материал разделяется на три продукта, два из которых проходят, а третий задерживается, причем каждый из потоков обогащен своим компонентом. В описанном проницаемом устройстве две проницаемые мембраны были помещены или заключены совместно внутрь кожуха или модуля с концами, которые были отделены друг от друга таким образом, что благодаря этому проходящие продукты могли быть собраны индивидуально. В ссылке отсутствует предположение или описание элемента, в котором две различные проницаемые мембраны намотаны с образованием объединенной мультимембранной проницаемой ячейки настоящего изобретения.

В статье "Разделение гелий-метановой смеси в проницаемых устройствах с полимерными мембранами двух типов", опубликованной Перрином и др. в журнале ALCh E. J. , 32, 1889, 1986 г. авторы описывают использованные ими двухмембранные проницаемые устройства. Обсуждаются шесть различных проницаемых модулей, которые были оценены, причем три проницаемых модуля были изготовлены только с использованием силиконового каучука, а три других с помощью только триацетата целлюлозы. Обсуждаются также проницаемые модули, которые заключаются в себе проницаемые мембраны двух различных типов, смешанные между собой. Авторы утверждают, что в конструкции двухмембранного проницаемого устройства одна из трубных решеток или коллекторов снабжена двойными выпускными отверстиями для двух проходящих потоков продуктов, а не для одного потока. Авторы считают, что такая конструкция была идентичной конструкции одномембранного проницаемого устройства, однако в ссылке конкретно отсутствует предположение или описание объединенной мультимембранной проницаемой ячейки изобретения с выпускным отверстием для одной мембраны в одной трубной решетке и выпускным отверстием для другой мембраны во второй трубной решетке или метода ее изготовления.

В описании к американскому патенту N 4207192, выданному на имя М. Дж. Коплана и др. 10 июня 1980 г. , предполагаются способы изготовления полых волокнистых разделительных ячеек и модулей с использованием проницаемой мембраны одного типа. В описании к этому патенту говорится, что могут быть изготовлены модули, у которых либо один конец, либо оба конца волокон могут быть открыты. Однако в этом описании отсутствует какое-либо предположение или описание изготовления объединенной мультимембранной проницаемой ячейки или объединенного мультимембранного проницаемого модуля, содержащего две или большее число различных проницаемых мембран в ячейке, как это предусмотрено в изобретении, а также описание какого-либо способа достижения такого эффекта.

Ни в одной из ссылок не приведено никакого предложения или описания объединенной мультимембранной проницаемой ячейки или способа изготовления объединенной мультимембранной проницаемой ячейки или объединенного мультимембранного проницаемого модуля, который определен в дальнейшем, содержащего две или большее число проницаемых мембран в такой объединенной мультимембранной проницаемой ячейки.

Объекты изобретения: объединенная мультимембранная проницаемая ячейка, способ ее изготовления, объединенный мультимембранный проницаемый модуль и способ рекуперации двух различных проходящих потоков из исходного многокомпонентного потока.

Цель изобретения - повышение эффективности разделения.

При осуществлении способа изготовления ячейки две или большее число различных проницаемых мембран используют для изготовления упомянутой объединенной мультимембранной проницаемой ячейки, в которой каждая проницаемая мембрана выделяет отличный от других компонент из многокомпонентной смеси текучих сред с рекуперацией отдельных проходящих текучих потоков из каждой проницаемой мембраны, причем каждый проходящий поток обогащен по меньшей мере одним из материалов, которые первоначально присутствуют в исходном потоке, а непроходящий рафинатный поток характеризуется пониженной концентрацией материалов, входящих в состав проникающих потоков. Объединенные мультимембранные проницаемые ячейки изобретения получают по непрерывному способу, благодаря чему полые волокна различных типов переплетены или перемешаны слоями между собой и эти полые волокна входят между собой в плотный контакт.

На фиг. 1 проиллюстрирован процесс изготовления объединенной мультимембранной проницаемой ячейки, содержащей проницаемые полые волокна двух различных типов, с по мощью одного ведущего червяка (на фиг. 1а, процесс изготовления показан на стадии начала намотки проницаемых мембран из полых волокон, а на фиг. 1б - на стадии завершения процедуры намотки); на фиг. 2 - проиллюстрирован процесс изготовления объединенной мультимембранной проницаемой ячейки, содержащей полые волокна двух различных типов с помощью двух ведущих червяков; на фиг; 3 - механизм, поперечный разрез, один из возможных вариантов размещения ведущих червяков; на фиг. 4 - объединенный мультимембранный проницаемый модуль, изготовленный с использованием объединенной мультимембранной проницаемой ячейки, содержащей полые волокна двух различных типов.

Чертежи выполнены не в одном общем масштабе для них. Кроме того, в пояснительных целях на фиг. 1б, 2и 4 подчеркнуто уменьшение размеров концевых участков. Эти концы не обязательно должны характеризоваться той же формой и могут быть увеличены практически до такого же размера или по размеру могут превосходить корпус объединенной мультимембранной проницаемой ячейки. Это может быть легко достигнуто путем осуществления обычных процедур намотки и наращиванием выступающих концов ячейки нитью и/или другим материалом, например моноволокном, в процессе намотки, благодаря чему диаметр ячейки оказывается одинаковым от одного конца до другого.

В соответствии с изобретением объединенные мультимембранные проницаемые ячейки изготовляют из двух или большего числа проницаемых мембран из полых волокон, предпочтительнее из проницаемых мембран из различных полых волокон, каждая из которых способна выделять из смеси текучих сред отличный от других компонент. Такие объединенные мультимембранные проницаемые ячейки используют для изготовления объединенных мультимембранных модулей, которые применяют для рекуперирования проходящих потоков текучих сред из каждой проницаемой мембраны, причем каждый поток обогащен конкретным материалом из исходного потока, и непроходящего рафинатного потока, характеризующегося пониженной концентрацией тех материалов, которыми обогащены проходящие потоки.

Термин "компонент" служит для обозначения индивидуального соединения или материала, который первоначально входит в состав исходной смеси или смеси соединений или материалов, в которой одно или несколько соединений или материалов, входящих в состав исходной смеси, присутствует в обогащенном состоянии, т. е. он присутствует в проходящем потоке или рафинатном потоке в концентрации, которая превышает его первоначальную концентрацию в исходном потоке.

Термин "объединенная мультимембранная проницаемая ячейка" служит для обозначения проницаемого мембранного элемента, содержащего проницаемые мембраны из двух или большего числа различных полых волокон в практически плотном контакте между собой, например намотанных вперемешку, переплетенных, перемешанных слоями, он также охватывает те элементы, в которых часть проницаемых мембран из полых волокон замещена сплошными волокнами и/или непроницаемыми полыми волокнами или капиллярами для текучих компонентов с целью модификации формы, порядка размещения через интервалы и/или истечения текучей среды. Такие элементы могут быть также названы "мультимембранными ячейками".

Термин "объединенный мультимембранный проницаемый модуль" служит для обозначения элемента, включающего в себя объединенную мультимембранную проницаемую ячейку и кожух, причем этот элемент снабжен всеми требуемыми средствами оборудования и отверстиями для подачи текучей смеси и рекуперирования проницаемых продуктов и рафината. Такие элементы могут также быть названы "мультимембранными проницаемыми устройствами".

По предпочтительному варианту объединенные мультимембранные проницаемые ячейки из полых волокон следует изготовлять путем наматывания двух или большего числа полых волокон на ось с формированием кольцевого мотка. В соответствии с этим вариантом проницаемые мембраны двух различных типов из полого волокна поочередно непрерывно наматывают на вращающуюся ось в форме спирали с формированием кольцевого мотка, содержащего поочередные включения двух проницаемых мембран. Согласно одному конкретному варианту их наматывают одновременно. Спиральную намотку производят так, как это описано более полно в дальнейшем, в результате чего после заделки выступающих концов кольцевой катушки в трубной решетке и обрезки для открывания отверстий полых волокон один герметизированный конец указанной объединенной мультимембранной проницаемой ячейки характеризуется открытыми отверстиями только первой из проницаемых мембран из полых волокон, которую при этом используют, тогда как противоположный или другой герметизированный конец упомянутой объединенной мультимембранной проницаемой ячейки характеризуется наличием открытых отверстий только второй из применяемых проницаемых мембран с полыми отверстиями. Благодаря этому каждый конец объединенной мультимембранной проницаемой ячейки обеспечивает рекуперирование своего проходящего потока из первоначального исходного потока, т. е. первого потока, а второй - другого проходящего потока.

На фиг. 1а проиллюстрировано начало процесса изготовления объединенной мультимембранной проницаемой ячейки, а на фиг. 1б - готовая объединенная мультимембранная ячейка. Оборудование, которое применяют при осуществлении такого способа, является технически доступным и не представлено, однако оно было модифицировано с целью обеспечения наматывания волокон двух или большего числа различных типов. На фиг. 1 представлена только та часть оборудования для намотки, которая была модифицирована, а именно, ведущий червяк и направляющие элементы. При осуществлении способа используют множество направляющих элементов, предпочтительнее по одному для каждого типа подвергаемого наматыванию волокна.

На фиг. 1а показано начало процесса изготовления объединенной мультимембранной проницаемой ячейки. С расходных катушек (непоказаны) к направляющим 1 и 2, которые перемещаются в направляющем червяке 3 вдоль пути 4, (обозначен с помощью направляющих стрелок), подаются проницаемые мембраны 5 и 6 из полых волокон двух различных типов либо в форме индивидуальных пучков, либо в виде комплекта множества пучков таких волокон. Направляющие элементы 1 и 2 размещены в направляющем червяке 3 на заданном расстоянии 7 друг от друга таким образом, что проницаемая мембрана из полого волокна 5 наматывается на вращающуюся оправку 8 в виде спирали до точки, которая на оправке 8 находится слева дальше, чем могла бы быть достигнута проницаемой мембраной из полого волокна 6 на расстоянии 7, проницаемая мембрана из полого волокна 6 на расстоянии 7, проницаемая мембрана из полого волокна 6 наматывается на вращающуюся оправку 8 в точке, которая отстоит вправо на этой оправке 8 относительно проницаемой мембраны из полого волокна 5 на то же самое расстояние 7' , а в промежуточных точках вдоль мотка на дистанции 7" обе проницаемые мембраны из полого волокна наматываются на оправку 8 в виде поочередных спиралей. В указанной ячейке расстояния 7 и 7 ' практически равны. Можно выбрать любую длину, лишь бы она сказалась достаточной, чтобы после герметизации и операции обрезки с каждого конца вдоль трубной решетки не были отрезаны обе проницаемые мембраны. В интересах экономии эта дистанция должна быть минимально возможной. Эту спиральную намотку продолжают возвратно-поступательно, как это обозначено стрелками 4, до достижения нужной степени намотки, в результате чего изготовляют объединенную мультимембранную проницаемую ячейку, содержащую чередующиеся спиральные слои или ряды 5 и 6 вдоль дистанции 7 , причем с левой стороны ячейки имеется спиральная намотка 5 только на расстоянии 7, а с правой стороны ячейки спиральная намотка 6 на расстоянии только 7 . На фиг. 1а показаны только часть левой стороны устройства и объединенная мультимембранная проницаемая ячейка в процессе ее изготовления.

На фиг. 1б схематически изображена иллюстрация формы объединенной мультимембранной проницаемой ячейки при завершении процесса ее спиральной намотки, который описан со ссылкой на фиг. 1а. На фиг. 1б использованы те же самые числовые позиции, причем также показаны выступающий конец 9, содержащий только проницаемую мембрану из полого волокна 5, выступающий конец 10, включающий только проницаемую мембрану из полого волокна 6, и корпус 11, включающий поочередно спирально намотанные слои 5 и 6.

Затем по обычному способу герметизируют оба конца объединенной мультимембранной проницаемой ячейки и трубную решетку отрезают или срезают с целью открыть отверстия. Для герметизации можно выбрать только выступающие концы 9 и 10 или же для создания дополнительной опоры толщину трубной решетки можно увеличить с одного или обоих концов. Однако независимо от осуществляемой процедуры срезание выступающих концов 9 и 10 ни в коем случае не производится внутри корпуса 11. В противном же случае происходит загрязнение происходит загрязнение проходящих потоков, которые рекуперируют совместно с нежелательными компонентами.

На фиг. 2 представлен другой вариант исполнения объединенной мультимембранной проницаемой ячейки, в котором для проведения процесса наматывания используют два ведущих червяка 3 и 3' , причем в каждом ведущем червяке предусмотрено наличие отдельного направляющего элемента 1 и 2 соответственно, которые в осевом направлении отстоят друг от друга на выбранном расстоянии. При этом достигается та же самая цель, что и в первом варианте, но с большей степенью регулирования, поскольку в этом варианте можно индивидуально регулировать для каждой из проницаемых мембран из полого волокна 5 и 6 угол намотки, степень натяжения и другие параметры.

На фиг. 3 проиллюстрированы также возможности размещения ведущих червяков 3 и 3' . Эти ведущие червяки могут быть размещены в любом желаемом положении вокруг периферии оправки 8 и корпуса 11.

На фиг. 4 представлено схематическое изображение одного типа объединенного мультимембранного проницаемого модуля с объединенной мультимембранной проницаемой ячейкой 12, которая опирается на оправку и заключена в цилиндрический кожух 13, снабженный концевыми закрывающими средствами 14, выпускным отверстием 15, средствами для отвода проходящего продукта 16, проницаемой мембраны из полого волокна 5 для проходящего потока продукта, средствами для отвода проходящего продукта 17, проницаемой мембраны из полого волокна 6 для проходящего потока продукта, средствами для отвода рафинатного продукта для непроходящего рафинатного потока 26, трубными решетками 18 и 19, экранной оболочки для газа 20, которая проходит не от одной поверхности уплотнения до другой поверхности уплотнения, а несколько отступает от трубных решеток 18 и 19, что позволяет газу проникать в матрицу мотка и выходить из нее, а также кольцевыми уплотнительными средствами 21, например такими как непроницаемое для кислорода кольцо. Пунктирные линии 22 очерчивают контур мембранной ячейки, которая содержит проницаемую мембрану из полых волокон 5, заделанную в обрезанную трубную решетку 18, а пунктирные линии 23 очерчивают контур мембранной ячейки, которая включает в себя проницаемую мембрану из полых волокон 6, заделанную в обрезанную трубную решетку 19, причем обе эти мембранные ячейки представляют собой отдельные спиральные ячейки, каждая из которых снабжена открытыми отверстиями, и совместно образуют объединенную мультимембранную ячейку 12. Прерывистая линия 24 обозначает спиральный конец проницаемой мембраны из полого волокна 6, который заделан в трубную решетку 18, а прерывистая линия 35 обозначает спиральный конец проницаемой мембраны 5 из полого волокна, заделанный в трубную решетку 19. В этом случае также чрезмерно подчеркнуты выступающие концы в позициях 22 и 23.

Помимо той конструкции объединенного мультимембранного проницаемого модуля, которая проиллюстрирована на фиг. 4, этот модуль может характеризоваться другой конструкцией. Так, например, он может характеризоваться конструкцией, аналогичной той, что проиллюстрирована на фигурах, прилагаемых к описанию к американскому патенту 4676808, но при этом включать в себя объединенную мультимембранную проницаемую ячейку внутри кожуха, сконструированного с учетом возможности рекуперирования отдельных потоков проходящих компонентов и рафинатного потока. Очевидны различные варианты исполнения такого модуля, а также то, каким образом он может быть сконструирован, и принцип его работы, например подача текучей смеси сбоку кожуха или по концам (с торца) кожуха модуля, в котором заключена упомянутая ячейка.

Как указано выше, оборудование для изготовления кольцевых (спиральных) проницаемых мембранных ячеек известно и широко применяется в процессах изготовления кольцевых мембранных ячеек, содержащих проницаемую мембрану из полого волокна единственного типа. Это оборудование может быть модифицировано любым специалистом в данной области с целью обеспечить возможность одновременного наматывания множества полых или сплошных волокон различных типов с целью формирования кольцевого или сферического модуля с помощью соответствующих червяков и направляющих элементов и их применения при изготовлении новых объединенных мультимембранных проницаемых ячеек настоящего изобретения.

В типичном варианте в процессе изготовления упомянутой объединенной мультимембранной ячейки используют проницаемые мембраны из полых волокон двух типов (типа А и В). Проницаемые мембраны обоих типов наматывают, как проиллюстрировано на фиг. 1, с получением кольцевой ячейки, состоящей из чередующихся слоев или рядов проницаемых мембран из полых волокон типа А и В вдоль секции 9 на фиг. 1б, тогда как в секции 7 на фиг. 1б содержатся полые волокна типа А, а в секции 7' на фиг. 1б содержатся полые волокна типа В. После завершения операции наматывания концевые участки объединенной мультимембранной проницаемой ячейки уплотняют с формированием трубных решеток и обе эти трубные решетки обрезают или срезают для открывания отверстий полых волокон типа А с одного конца упомянутой ячейки и отверстий полых волокон типа В с другого конца указанной ячейки.

Трубные решетки могут быть сформированы с заделкой только одного выступающего конца, например конца 9, показанного на фиг. 1б, вследствие чего заделке подвергаются, только полые волокна типа А или же трубная решетка может быть сформирована для заделки выступающего конца, например конца 9, и части секции 7" , в частности с целью заделки полого волокна типа А в выступающем конце 9 плюс секции, содержащей смежные с этим концом волокна как типа А, так и типа В, как это показано, например, на фиг. 4. При этом может быть использована любая техника, но при срезке трубной решетки с целью открывания отверстий полого волокна срез на одном конце не должен включать в себя полые волокна как типа А, так и типа В.

После срезания объединенную мультимембранную проницаемую ячейку заключают в кожух с целью создания объединенного мультимембранного проницаемого модуля, используемого для выделения текучих сред из бинерных (или более сложных) смесей.

Схематическое изображение объединенного мультимембранного проницаемого модуля приведено на фиг. 4. На практике подвергаемую разделению многокомпонентную исходную смесь подают питающему патрубку 15 и вводят в контакт с объединенной мультимембранной проницаемой ячейкой 12. Исходный материал проходит внутри промежуточных полостей вокруг проницаемых мембран 5 и 6, которые спирально намотаны с образованием упомянутой объединенной мультимембранной проницаемой ячейки 12, в результате чего первый компонент селективно проходит через проницаемую мембрану 5 и рекуперируется через выпускные средства 16, а второй компонент селективно проходит через проницаемую мембрану 6 и рекуперируется через выпускные средства 17, тогда как непроходящий рафинатный поток рекуперируют через выпускные средства 26. Благодаря этому одновременно рекуперируют и отделяют от третьего рафинатного потока два определенных проходящих потока.

Процесс изготовления объединенной мультимембранной проницаемой ячейки с использованием единственного ведущего червяка, как это проиллюстрировано на фиг. 1б, всегда требует одновременно подачи двух или большего числа волокон, что позволяет осуществлять лишь незначительные изменения в скорости подачи каждого волокна. Процесс изготовления с применением множества, и частности двух или большего числа, ведущих червяков, как это показано на фиг. 2 (для двух ведущих червяков), дает возможность более широкого выбора условий проведения процесса. Работа ведущих червяков может быть осуществлена таким образом, что направляющие элементы при этом могут совершать перемещения по принципу прямотока или противотока, обеспечивая тем самым возможность производить намотку в более широком диапазоне схем. Наличие отдельных ведущих червяков дает также возможность производить намотку волокна каждого типа под своим углом, при своих натяжениях, скорости и тому подобное. В результате объединенные мультимембранные проницаемые ячейки могут быть выполнены с достижением большей площади мембранной поверхности у одних типов, чем у других. Это имеет большое значение, когда для различных относительных расходов потоков используют проницаемые мембраны различных типов.

Вышеописанные способы намотки являются предпочтительными, поскольку их осуществление позволяет изготовить эффективные объединенные мультимембранные проницаемые ячейки. Однако существуют некоторые примеры, в которых может быть использован принцип поочередной намотки с целью изготовления того, что в данном описании носит название" последовательной мультимембранной ячейки", которая характеризуется слоистой структурой, подобной слоями луковицы, у которой каждый из последующих смежных слоев отличается от любого другого. Эти последовательные ячейки составляют чередующиеся многочисленные слои по меньшей мере двух различных типов волокон. Их изготовляют формированием многослойного кольца желаемой толщины из проницаемой мембраны на основе полого волокна первого типа с применением одного из направляющих элементов, показанных на фиг. 1 или 2, а затем на упомянутый первоначальный мультислой желаемой толщины наматывают слой желаемой толщины проницаемой мембраны из полого волокна второго типа с помощью направляющих элементов, показанных на фиг. 1 или 2. Это поочередное или последовательное наматывание слоев можно продолжать до тех пор, пока не будет получен модуль желаемого диаметра, причем каждый из концевых выступов 9 и 10 содержит проницаемую мембрану из полого волокна только одного типа. Этот способ последовательного изготовления не рассматривается как более совершенный, чем вышеописанный способ изготовления, однако изготовляемые по нему мембранные ячейки рассматривают как охватываемые рамками изобретения и могут быть рассмотрены как модифицированные объединенные мультимембранные проницаемые ячейки.

При изготовлении мембранной ячейки, содержащей единственную проницаемую мембрану в сочетании со сплошным волокном или полым волокном, которое практически непроницаемо в отношении материалов в исходной смеси могут быть использованы как указанный способ, так и последовательный способ.

В некоторых примерах используемые проницаемые мембраны из полых волокон могут состоять из материалов, которые обеспечивают прохождение одних и тех же соединений, но с различной селективностью, что позволяет рекуперировать из текучей исходной смеси различные "компоненты", включающие в себя одно и тоже соединение в каждом из проходящих или рафинатном компоненте в различных концентрациях. Так, в процессе рекупекрации гелия из смеси 10% гелия с 90% метана можно использовать объединенный мультимембранный проницаемый модуль, включающий в себя объединенную мультимембранную проницаемую ячейку, выполненную из двух различных проницаемых мембран из полого волокна с рекуперированием двух отдельных потоков компонентов, каждый из которых обогащен гелием, и рафинатного потока содержащего уменьшенное количество гелия. Например, первого потока проходящего компонента, содержащего 50% гелия и 50% метана, и второго проходящего потока компонента, содержащего 90% гелия и 10% метана, а также рафинатного потока, содержащего остальное.

Хотя предпочтительные мультимембранные проницаемые ячейки представляют собой те, которые изготовляют вышеописанной технологией спиральной намотки, для их изготовления могут быть использованы другие методы. Так, проницаемые полые волокна могут быть размещены в плоскостном положении, как это изложено в известных описаниях и в виде чередующихся слоев различных полых волокон с формированием объединенной мультимембраной проницаемой ячейки изобретения.

Иллюстрацией сочетаний различных типов проницаемых мембран, которые могут быть использованы для изготовления мультимембранных проницаемых ячеек могут служить силиконовый каучук (полисульфон, силиконовый каучук, ацетат целлюлозы, полисульфон) полиамид и тому подобное, включая сочетание каучукоподобных полимеров со стеклообразными полимерами, каучукоподобных полимеров или стеклоподобных полимеров с ионообменными мембранами, двумя различными мембранами характерного типа, каждая из которых обладает различными свойствами проницаемости, мембранами (молекулярными ситами, жидкими мембранами с уменьшенной подвижностью, активными транспортировочными мембранами.

Объединенные мультимембранные ячейки могут быть использованы для рекуперации проходящих исходных материалов или компонентов из смесей, содержащих два или большее число текучих компонентов, в частности из нижеследующих смесей: природный газ Н₂-СО₂-СО-СН₄-N₂;
генераторный газ Н₂-СО₂-СО-N₂;
отходящий газ Н₂-СО-СО₂;
высокосернистый природный газ CН₄-СО₂-H₂S;
конвертированный выхлопной газ Н₂-СО-СО₂-N₂;
аммиачный продувочный поток H₂-N₂-CH₄-Ar;
природный газ, содержащий гелий и азот Не-СН₄-N₂;
газ для глубоководного морского погружения водолазов Не-О₂-N₂; а также N₂ -CH₄; Не-СН₄; Н₂-СН₄; СО₂-СН₄; О₂-N₂ и тому подобное.

Производство проницаемых полых волокон и материалов, которые используют для их изготовления, хорошо известно. Полые волокна являются полупроницаемыми и могут характеризоваться плотной стенкой, пористостью, асимметричностью или являются составными.

Известно, что многие полые мембраны являются пористыми с каналами для текучего потока, проходящими между внешними и внутренними поверхностями полых волокон. Средний диаметр поперечного сечения пор обычно составляет приблизительно 200000 А, а средний диаметр поперечного сечения некоторых пористых полых волокон составляет менее 50000 или около 10000 А, в некоторых случаях средний диаметр поперечного сечения пор может составлять от 5 до 200 А. В зависимости от цели применения (например, разделение систем газ- газ, жидкость-жидкость, микрофильтрация, ультрафильтрация и тому подобное) выбирают полые волокна, которые характеризуются соответствующим диаметром пор.

По предпочтительному варианту стенки полых волокон должны быть достаточно толстыми, чтобы для манипуляций с ними не требовалось наличие специально предусмотренных приспособлений. Внешний диаметр полого волокна может изменяться в интервале приблизительно от 1 мила (0,0254 мм) до 100 мил (2,54 мм) или больше, предпочтительное приблизительно от 2 мил (0,0508 мм) до 80 мил (2,032 мм). Толщина стенки полого волокна может изменяться в интервале приблизительно от 0,1 до 12 мил (0,00254-0,3048 мм), предпочтительнее приблизительно от 0,2 до 20 мил (0,00508-0,508 мм).

Для изготовления полых волокон могут быть использованы любые известные органические материалы, в частности природные и синтетические полимеры, включая сюда смеси и сплавы, термопластичные или термореактивные. Типичные полимеры могут представлять собой замещенные или незамещенные полимеры и их можно выбирать из полисульфонов, полистиролов, включая стиролзамещенные сополимеры, в частности акрилонитрилстирольные сополимеры, стирол-бутадиеновые сополимеры и стирол-винилбензилгалогенидные сополимеры; поликарбонатов целлюлозных полимеров, в частности этилцеллюлозы, ацетата целлюлозы, ацетата целлюлозы-бутирата, пропионата целлюлозы, метилцеллюлозы и тому подобного; полиамидов и полиимидов, включая арилполиамиды и арилполиимиды простых полиэфиров; полиариленоксидов, в частности полифениленоксида; полиуретанов, сложных полиэфиров (включая полиакрилаты), в частности полиэтилентерефталата, полиалкилметакрилатов, полиалкилакрилатов и тому подобного; полисульфидов; полимеров из мономеров, содержащих α -олефиновые ненасыщенные связи, отличные от вышеупомянутых, в частности полиэтилена, полипропилена, полибутена-1, поли-4-метилпентена41; поливинилов, например поливинилхлорида, поливинилфторида, поливинилиденхлорида, поливинилденфторида; поливиниловых сложных эфиров, в частности поливинилацетата и поливинилпропионата; полифосфазинов и тому подобного. Известны также полые волокна, получаемые из неорганических материалов, например керамики, стекла и тому подобного. Для производства полых волокон используют как органические, так и неорганические материалы, которые известны в технике.

Во многих примерах полое волокно находится в форме составной мембраны с тонким мембранообразующим материалом, которое нанесено на поверхность полого волокна. Это волокно может быть получено в соответствии с известными процедурами например такими, где раствор мембранообразующего материала наносят с целью получения готового сухого покрытия толщиной приблизительно до 7000 А, предпочтительнее примерно от 500 до 2000 А, склеенного с внешней поверхностью пористого полого волокна. В некоторых примерах, как отмечено выше, адгезию усиливают с помощью связующего вещества и/или химической обработкой.

Типичными используемыми мембраноформирующими материалами являются полимеры, которые могут быть замещенными или незамещенными. Эти материалы включают в себя синтетические каучуки, натуральные каучуки, относительно высокомолекулярные и/или высококипящие жидкости, органические форполимеры, полисилоксаны, полисилазаны, полиуретаны, полиэпихлоргидрин, полиамины, полиамиды, акрилонитрилсодержащие сополимеры, в частности поли α - хлоракрилонитрильные сополимеры, сложные полиэфиры, к которым относятся также полилактамы и полиарилаты, например полиалкилакрилаты и полиалкилметакрилаты, полисукцинаты и алкидные смолы, целлюлозные полимеры, полисульфоны, полиалкиленгликоли, в частности полиэтиленгликоль, полипропиленгликоль и тому подобное, полимеры, получаемые из мономеров с α -олефиновыми ненасыщенными связями, в частности полиолефины, например, полиэтилен, полипропилен, полибутадиен, поли-(2, 3-дихлорбутадиен), полихлоропрен, полистирол, включая сюда полистирольные сополимеры, например, стиролбутадиеновый сополимер, поливинилы, в частности поливиниловые спирты, поливинилальдегиды, например, полиметилвинилкетон, поливиниловые сложные эфиры, например поливинилбензоат, поливинилгалогениды, поливинилиденгалогениды, фторированные этиленовые сополимеры, полиариленоксиды, поликарбонаты, транспортировочные и жидкие мембраны и тому подобное, а также любые другие полимеры, включая блоксополимеры, содержащие повторяющиеся звенья вышеуказанных мономеров, графитполимеры и смеси, содержащие любые вышеупомянутые полимеры и мономеры, из которых состоят вышеперечисленные полимеры.

Трубные решетки представляют собой концевые участки пучков полых волокон, которые заделаны в твердый уплотняющий материал. Процесс формования трубной решетки можно проводить любым подходящим путем и такие процедуры хорошо известны в технике. Обычно уплотняющий материал при формовании трубной решетки находится в жидкой форме, а затем затвердевает, приобретая стойкую к давлению и не дающую утечек структуру.

В качестве уплотняющего материала может быть использован неорганический или органический продукт, а также их смесь. Обычно применяют органические смолы, которые затвердевают при охлаждении или отверждаются, в частности такие, которые образуют прочное клеевое соединение с внешними стенками проницаемых полых волокон и характеризуются незначительной усадкой. Эти материалы хорошо известны.

Объединенные мультимембранные проницаемые ячейки могут быть использованы с целью разделения любой текучей смеси, например газ/газ, газ/жидкость, жидкость/жидкость, которые способны разделяться полупроницаемыми мембранами. Их обычно производят в виде элементов, которые в данном описании носят название объединенных мультимембранных проницаемых модулей, причем проектирование и конструирование таких проницаемых элементов не сопряжены с какими-либо проблемами для любого специалиста в данной области, принимая во внимание приведенные здесь подробные пояснения. Как известно, модули могут быть как одноконцовыми, так и двухконцовыми.

Объединенная мультимембранная проницаемая ячейка из полого волокна включает спирально намотанные полые волокна, которые уплотнены в соответствующем держателе, а концы полых волокон инкапсулированы в трубной решетке. После инкапсулирования, которое обычно известно как уплотнение, трубную решетку обрезают, что позволяет открыть отверстия различных полых волокон для беспрепятственного движения по ним потока. Объединенные мультимембранные проницаемые модули конструируют с учетом возможности отделения потока исходного материала через внешнюю поверхность полых волокон от любого потока проходящих продуктов внутри отверстий различных полых волокон, составляющих объединенную мультимембраннрую проницаемую ячейку, обеспечивая тем самым отделение и рекуперирование отдельных многочисленных проходящих потоков от рафинатного потока.

Известно множество процедур изготовления трубной решетки. В ходе осуществления типичной процедуры выступающий конец объединенной мультимембраннрой проницаемой ячейки, показанной на чертежах, помещают в форму, форму заполняют уплотнительной полимерной композицией до желаемой глубины и пучок волокон удерживают в заполненной смолой форме до затвердевания смолы. Можно при этом подводить тепло, если оно желательно, с целью отверждения. После отверждения смолы собранную трубную решетку отверждают при комнатной температуре или при повышенной температуре. После ее отверждения решетку обрезают, срезают или отрезают с помощью обычных средств, открывая отверстия по концам полых волокон. Эту же процедуру повторяют на другом выступающем конце, получая объединенную мультимембранную проницаемую ячейку, которая включает по меньшей мере два различных проницаемых полых волокна, способных разделять по меньшей мере два различных проходящих потока и рафинатный поток из многокомпонентной исходной смеси.

(56) J. E. Perrtn, S. A. Stern "Separafion of a Helcum-Methane Mexture in Permeators with Two Types of Polymer Membranes", - AlCh F. J. , 1986, 32, р. р. 1891-1892.

Sengupta et al. "Ternary Gas Mexture Separation in Two-Membrane Permeator", - AlCh E. J. , 1987, 33, р. 529.

Реферат

Сущность изобретения: объединенную мультимембранную проницаемую ячейку изготавливают путем наматывания вплотную друг к другу проницаемых волокон из полого волокна двух типов при помощи направляющих средств для каждого типа волокна, расположенных вдоль оси намотки на заданном расстоянии друг от друга. При этом в средней части мотка наматывают чередующиеся между собой полые волокна двух типов, а на концевые участки мотка наматывают полые волокна только одного типа. Каждый концевой участок герметизируют, формируют трубную решетку, которую обрезают с открытием отверстий в полых волокнах. Объединенный мультимембранный проницаемый модуль содержит кожух, объединенную мультимембранную ячейку и средства для подвода разделяемой смеси и отвода задержанного и прошедших потоков. 4 с. и 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

Формула