Способ разделения газовых смесей

 

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

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 В 01 D 61/00

ГОСУДАРСТВЕ ННЫ Й КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

, l

О

Ql р (21) 4657752/26 (22) 01.03.89 (46) 15.10.92. Бюл. N 38 (71) Московский инженерно-физический институт (72) Е. B. Косых, Н, И. Лагунцов, Е. В. Левин и А, М, Харитонов (56) Патент США ¹ 4119417, кл, 55 — 158, 1978.

Нwàrinа S. т. Кàmmermеуеr К.

Membranes in separations. М. Y.: J. Wiley, 1975, р, 33 — 34. (54) СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ

СМЕСЕЙ (57) Использование: в технологических циклах с применением мембран. Сущность изобретения: давления и температуры исходной разделяемой и проникшей через мембрану газовых смесей выбирают исходя из условий; y < Х1;

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

Известен способ разделения газовых смесей на пористых мембранах, когда поток разделяемой смеси высокого давления подают с одной стороны пористой мембраны, проникший через поры мембраны поток смеси низкого давления отводят в качестве потока отбора, обогащенного легкими компонентами газовой смеси, а непроникший через мембрану поток высокого давления отводят в качестве потока отбора, обогащенного тяжелыми компонентами смеси, . Ы 1 768253 А1

N у* т, ; тех!0;1+Kт

i =1 m;Imi ТT1i, Тг 1 1) 1 t

+ K (i/ т1бт2 — 1 ) < / гп1, гп1 X

i =1

Х К; тТТ,тТ и 1 ——

1 2

iде ) = Pz! у т, -)- - K (у 1.:т, -"i))/Р« - К (у т, т- -1)))

Р2 — давление проникшей через мембрану смеси (Па);

T2 — температура мембраны со стороны итси смеси Гк), к = 10 !d и m;!mq

N — числа компонентов смеси;

m — малярная масса(г/моль) i-га компонента смеси (i = 1.... N. m1 < mz <... mN);

Х; — малярная концентрация i-го компонента смеси в исходной разделяемой смеси, а при этом средний диаметр пор в мембране не превышает 10 " м. 4 з,п. ф-лы. 1 1абл.

Разделение газовой смеси на пористой мембране происходит за счет различия -епловых скоростей молекул компонентов смеси при течении газа в свободномолекулярнам режиме в порах мембраны.

Наиболее близким к заявляемому является способ разделения газовь!х смесей, включающий подачу исходной разделяемой смеси с одной стороны пористой мембраны, отбор проникшей через мембрану газовой смеси, обогащенной легкими компонентами, с другой стороны мембраны, создание перепада температуры поперек мембраны с более высокой температурой со стороны отбора проникшего потока, выбор давления исходной разделяемой смеси, обе=лечива )768253 ющего свободномолекулярное течение газа в порах, из условия

Р1 > 10 T1/d, (1) где Р1 — давление исходной разделяемой смеси (Па); Т! — температура разделяемой 5 смеси (К); d — средний диаметр пор мембраныы (м) (2).

Недостатками известного способа является невозможность получения коэффициента разделения смеси, превышающего 10 значение равное квадратному корню из отношения молярных масс компонентов GMecu.

Цель настоящего изобретения заключается в увеличении коэффициента разделе- 15 ния газовой смеси на пористой мембране.

Для достижения указанной цели давления и температуры исходной разделяемой и проникаемой через мембрану газовых смесей выбирают из условий 20

y" <Х1, N у*+Х б 7

i =!

max d;1+k Ч °,/, Чт /т

F (2)

1+k <чт,,тг ) — 1) м .Y d-| -, i =1

Т тг г к

k багге = Рг чт,/тг — к )чт тг г)))/(Рг)г

+ K ()1 Т2 — ")))

Р2 — давление в отборе проникшей газовой смеси (Пэ); 35

Тг — температура мембраны со стороны отбора (К); к = 10 !d ч щг,гт, N — число компонентов смеси; гп! — малярная масса i-ro компонента 40 (г/моль) смеси (i = 1,...,N, m) < mz « ... и)!!), Х) — молярная концентрация i-го компонента исходной разделяемой смеси.

При этом используют мембрану со средним диаметром пор не превышающим 45

10 м.

Увеличение коэффициента разделения смеси происходит за счет одновременного уменьшения всех усредненных по поперечному сечению поры скоростей течения ком- 50 понентов смеси на одну и ту же величину, обусловленную межфазным эффектом взаимодействия потока фононов в материале мембраны и потока молекул смеси в газовой фазе, не зависящую от молярных масс компонентов разделяемой смеси.

Способ разделения может отличаться тем, что со стороны отбора проникшей газовой смеси осуществляют нагрев поверхности мембраны с помощью токопроводящей подложки. Это позволяет поддерживать температуру поверхности мембраны со стороны отбора проникших компонентов газовой смеси постоянной по величине вдоль всей поверхности пористой мембраны.

Способ разделения может отличаться тем, что перепад температуры на мембране создают с помощью охлаждающих элементов, расположенных со стороны исходной разделяемой смеси. Это позволяет поддерживать равномерное распределение температуры на всей поверхности мембраны со стороны разделяемой смеси, Способ разделения может отличаться тем, что исходную газовую смесь предварительно охлаждают. Это позволяет создавать большие перепады температур на мембране.

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

Способ разделения газовых смесей осуществляется следующим образом.

В качестве мембраны используют пористую полимерную мембрану, например типа ядерный фильтр, со средним диаметром пор не превышающим 10 м. Пористую мембрану помещают в замкнутый объем так, чтобы мембрана разделила этот объем на две не пересекающиеся между собой области, На мембране создают перепад давления, причем более высокое давление должно быть таким, чтобы течение молекул разделяемой смеси в порах мембраны происходило в свободномолекулярном режиме, т. е. должно удовлетворять условию (1)

Р! < 10 Т1/d.

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

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

Р < Х1, 1768253

y m + g «2 m 1/;

I =1

/

1+k (» т1/тг — 1)

N (Х« /+ °

I=1

12 2/d V т01/21

«/т/т, >2- —, 1

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

Использование пористых мембран со средним диаметром пор не превышающим

10 м и выполнение условий (2) позволяет с увеличением перепада температуры на мембране увеличить коэффициент разделения газовой смеси так, что его значение будет больше корня квадратного из отношения молярных масс компонентов смеси.

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

Реализация способа иллюструется на примере разделения бинарной газовой смеси гелий-азот с концентрацией гелия со стороны исходной смеси равной 0,3.

Использовалась мембрана из лавсана с диаметром пор 10 м, проницаемостями компонентов смеси равными 1,0 101 моль/(м с Па) для гелия и 3,7 10 моль/(м с Па) для азота, с площадью рабочей поверхности равной 0,1 м, Значение К для данной мембраны равно 3,7. Давления со стороны исходной смеси и со стороны отбора проникших компонентов смеси поддерживались равными P1 = 10 Па и Pz = 10 Па, 4 соответственно. Температура со стороны

1Д

1 + k («т1/тг - )

N (g «щ,/m; х, i =1

« 1/тг > 2- —, 1

Гав у (р2(к (т1/тг

1)))/(Рг(1 + K (Т1/Т вЂ” 1И;

Рг — давление проникшей через мембРану смеси, Па;

Т вЂ” температура мембраны со тороны этой смеси. к = 10 т (г «01 7

N — число компонентов смеси; исходной смеси поддерживалась равной

Т1=293 К, Полученные значения концентрации гелия со стороны отбора и коэффициента раз5 деления смеси при различных значениях температуры Т приведены в таблице.

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

10 с известным способом (2) увеличивается при

Тг >318 К, В случаях, когда не удовлетворялись первое и третье неравенство в условиях (2) газовая смесь не проникала через мембра15 ну.

Вывод о возможности увеличения коэффициента разделения является достаточно общим и не зависит от состава и количества компонентов в исходной смеси, 20 Формула изобретения

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

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

30 исходной разделяемой смеси исходя из условия свободно молекулярного течения P1 <

<10 Т1/d, где Т1 — температура разделяемой смеси, Ко; d — средний диаметр пор мембраны, м; Р1 — давление исходной раз35 деляемойсмеси Па,отличающийся тем, что, с целью повышения селективности разделения, давления и температуры исходной разделяемой и проникшей через мембрану газовых смесей выбирают, исходя из

40 условий

*< Х1;

y" Х « .i/., i =1

1768253

3. Способ по и. 1, о тл и ч а ю щи и с я тем, что перепад температуры на мембране создают с помощью охлаждающих элементов, расположенных со стороны исходной разделяемой смеси.

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

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

mi — молярная масса i-lo компонента, (г/моль) смеси (i =- 1„...N, m< < m2 « „, mN);

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

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

Составитель Е. Косых

Техред М,Моргентал Корректор Л, Ливринц

Редактор Н. Соколова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ Зб03 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5