Мембранный аппарат для разделения газовых смесей

 

Изобретение относится к устройству для разделения газовых смесей методом диффузии газов через полупроницаемые мембраны и может найти применение в химическом производстве, медицине и других областях техники, где необходимо производить разделение газовых смесей. Мембранный аппарат для разделения газовых смесей содержит цилиндрический корпус 1 с установленными в нем на кольцевых посадочных поверхностях 2 съемными фланцами 3,4,5, из которых фланец 4 применяется только для соединения в единый комплект двух или более частей аппарата. Фланец 3 снабжен центральным отверстием 6 и отверстием 7 для ввода разделяемой среды, фланец 4 снабжен центральным отверстием 6 и отверстием 8 для вывода проникшего потока из первой части мембранного аппарата во вторую часть. Фланец 5 снабжен отверстием 9 для вывода потока из второй части аппарата и т. д. , а размещенный в корпусе 1 набор диффузионных элементов 10, склеенных между собой герметизирующей массой 11, разделен кольцевыми проставками 12, выполненными из проницаемого для разделяемой смеси материала, например из сетки простого плетения. Набор диффузионных элементов 10 совместно с герметизирующей массой 11 образуют общий коллектор 13 с внутренним диаметром, равным диаметру центрального отверстия 6. При этом каждый диффузионный элемент 10 выполнен в виде плоского диска с центральным отверстием, равным по диаметру центральному отверстию 6 и двумя противоположными сегментными срезами, состоящего из дренажной опоры и размещенных с обеих ее сторон полупроницаемых мембран, а дренажная опора выполнена из центральной сетки и размещенных по обе от нее стороны сеток простого плетения, склеенных между собой и с полупроницаемыми мембранами по краю сегментных срезов и наружному диаметру, равному диаметру внутренней поверхности корпуса, герметизирующей массой. Варьируя количеством последовательно соединенных частей мембранного аппарата, можно получить оптимальный режим работы при различных давлениях и концентрации потока разделяемой газовой смеси с максимальной производительностью,1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к устройству для разделения газовых смесей методом диффузии газов через полупроницаемые мембраны и может найти применение в химическом производстве, медицине и других областях техники, где необходимо производить разделение газовых смесей.

Известен аппарат для разделения газовой смеси, содержащий цилиндрический корпус с размещенным в нем пакетом из плоских прямоугольных мембранных элементов, заключенных между двумя коллекторами, при этом мембранный аппарат выполнен из металлической сетки, металлических полос и селективных мембран, размещенных по обе стороны сетки поверх полос [1] Недостатком вышеуказанного аппарата является низкая плотность упаковки мембранных элементов в объеме корпуса, так как поперечная форма сечения пакета мембранных элементов предопределяет наличие пустых, незаполненных сегментов поперечного сечения корпуса. Кроме того, поверхность мембранного элемента, перекрытая металлической полосой, не используется при газораспределении, что снижает производительность аппарата.

Известен аппарат для разделения газовой смеси, состоящий из корпуса со штуцерами ввода и вывода разделяемой смеси, расположенных внутри него диффузионных элементов, выполненных в виде дренажной опоры и помещенных с обеих ее сторон полупроницаемых мембран и прокладок, а также общего коллектора для отвода проникающих через полупроницаемые мембраны компонентов, проходящего через отверстия в диффузионных элементах, при этом прокладки имеют Т-образную форму, в верхней их части выполнено центральное отверстие с фигурными стенками, а нижняя часть выполнена в виде полого цилиндра с фигурными наружными стенками и каналами отвода проникающих через полупроницаемые мембраны компонентов в коллектор [2] Недостатком вышеуказанного аппарата является невысокая надежность соединения диффузионных элементов, возможность их разрушения при сборке вследствие большого разброса нагрузок по преодолению упругой деформации. или наоборот потеря плотности посадки при их соединении. Кроме того, наличие опоры диффузионных элементов на прокладки только в зоне коллектора не обеспечивает их жесткости в периферийной части.

Известен также мембранный аппарат для разделения газовых смесей, включающий цилиндрический корпус с установленными с двух сторон на кольцевых посадочных поверхностях съемными фланцами, в одном из которых выполнены отверстие для ввода разделяемой среды и центральное отверстие для вывода проникшего потока, а в другом выполнено отверстие для вывода остаточного потока, соединенный с центральным отверстием первого фланца расположенный по оси корпуса общий коллектор и размещенный на нем пакет выполненных в виде дисков с центральным отверстием и сегментными срезами чередующихся проставок и диффузионных элементов, последние из которых содержат дренажную опору и размещенные с двух сторон полупроницаемые мембраны. При этом дисковые диффузионные элементы имеют утолщения по периметру и состоят из дренажной однослойной пористой опоры, кольцевая поверхность которой в зоне центрального отверстия совмещена с перфорацией общего коллектора и размещенных с обеих ее сторон полупроницаемых мембран, соединенных между собой и опорой ободом, охватывающим торцевую и сжимающего буртиками боковые поверхности диффузионного элемента. Кроме того, для предотвращения деформации диффузионного элемента его наружная кольцевая поверхность и примыкающие к ней края боковых поверхностей утоплены в слое полимеризующейся смолы, нанесенной на внутреннюю поверхность корпуса аппарата. Внутри корпуса также установлена пластина для изменения направления вводимого в аппарат потока газовой смеси, а центровку диффузионных элементов и разделяющих их проставок производят по соосному с осью цилиндрического корпуса перфорированному коллектору [3] Данный мембранный аппарат для разделения газовых смесей принят в качестве прототипа.

Недостатком этого аппарата является сложность технологии сборки, так как диффузионный элемент одновременно устанавливается на две опоры. При этом в центральной части он опирается на кольцевую проставку, а в периферийной части заделывается в слой полимеризующейся смолы, вследствие чего возможно частичное несовпадение перфорации коллектора с кольцевой поверхностью пористой опоры и как следствие возможно повышение сопротивления проникаемому через полупроницаемые мембраны потоку в зоне центрального отверстия диффузионного элемента, вызывающее снижение производительности аппарата.Кроме того, снижение производительности аппарата обусловлено заделкой рабочих поверхностей полупроницаемых мембран в нанесенный на корпус слой полимеризующейся смолы и недостаточная плотность упаковки диффузионных элементов в корпусе из-за наличия утолщений,образованных по периметрам буртиками скрепляющих их ободов, а также наличие занимающей дополнительное место в корпусе пластины, отклоняющей поток газовой смеси при вводе ее в корпус.

Заявленная совокупность существенных признаков направлена на устранение указанных недостатков и позволяет решить задачу получения более простой и компактной конструкции мембранного аппарата и упрощения технологии сборки, а также производить набор диффузионных элементов, необходимый для решения конкретных задач по разделению газовой смеси путем возможности соединения нескольких одинаковых мембранных аппаратов в единый комплект с общим корпусом.

Это достигается тем, что в заявляемом мембранном аппарате для разделения газовых смесей, аналогичном прототипу, включающем цилиндрический корпус с установленными с двух сторон на кольцевых посадочных поверхностях съемными фланцами, в одном из которых выполнены отверстие для ввода разделяемой среды и центральное отверстие для вывода проникшего потока, а в другом выполнено отверстие для вывода остаточного потока, соединенный с центральным отверстием первого фланца, расположенный по оси корпуса общий коллектор и размещенный на нем пакет выполненных в виде дисков с центральным отверстием и сегментными срезами чередующихся проставок и диффузионных элементов, последние из которых содержат дренажную опору и размещенные с двух сторон полупроницаемые мембраны, отверстия для ввода разделяемой среды и вывода остаточного потока расположены на фланцах диаметрально противоположно друг другу напротив сегментных срезов диффузионных элементов, последние выполнены с внешним диаметром, равным диаметру проставок и внутреннему диаметру корпуса, и с диаметром центрального отверстия меньшим диаметра центрального отверстия проставок, при этом проставки выполнены из проницаемого для разделяемой среды материала, а край их центрального отверстия заполнен герметизирующей массой в форме кольца с внутренним диаметром,равным диаметру центрального отверстия диффузионных элементов, причем дренажная опора последних выполнена, по крайней мере, из двух сеток простого плетения, склеенных по периферии между собой и с полупроницаемыми мембранами герметизирующей массой, а общий коллектор образован открытыми торцами центральных отверстий диффузионных элементов и закрытыми торцами центральных отверстий проставок. Кроме того корпус мембранного аппарата выполнен из двух или более частей, соединенных между собой непроницаемой перегородкой, зажатой между двумя кольцевыми посадочными поверхностями и имеющей отверстие для ввода разделяемой среды и центральное отверстие для вывода проникшего потока.

На фиг. 1 дан продольный разрез состоящего из двух частей мембранного аппарата; на фиг.2-продольный разрез диффузионного элемента; на фиг.3-поперечный разрез мембранного аппарата.

Мембранный аппарат содержит цилиндрический корпус 1 с установленными в нем на кольцевых посадочных поверхностях 2 съемными фланцами 3,4,5, из которых фланец 4 применяется только для соединения в единый комплект двух или более частей. При этом фланец 3 снабжен центральным отверстием 6 и отверстием 7 для ввода разделяемой среды, фланец 4 снабжен центральным отверстием 6 и отверстием 8 для вывода проникшего потока из первой части мембранного аппарата во вторую часть. Фланец 5 снабжен отверстием 9 для вывода потока из второй части аппарата и т.д. а размещенный в корпусе 1 набор диффузионных элементов 10, склеенных между собой герметизирующей массой 11, разделен кольцевыми проставками 12, выполненными из проницаемого для разделяемой среды материала, например из сетки простого плетения. Набор диффузионных элементов 10 совместно с герметизирующей массой образуют общий коллектор 13 с внутренним диаметром, равным диаметру центрального отверстия 6. При этом каждый диффузионный элемент 10 выполнен в виде плоского диска с центральным отверстием, равным по диаметру центральному отверстию 6, и двумя противоположными сегментными срезами 14, состоящего из дренажной опоры и размещенных с обеих ее сторон полупроницаемых мембран 15, а дренажная опора выполнена из центральной сетки 16 и размещенных по обе от нее стороны сеток 17 простого плетения, склеенных между собой изнутри через ячейки сетки с полупроницаемыми мембранами 15 по краю сегментных срезов и наружному диаметру, равному диаметру внутренней поверхности корпуса, герметизирующей массой 18. Мембранный аппарат для разделения газовых смесей работает следующим образом.

Разделяемая газовая смесь под необходимым избыточным давлением через отверстие ввода 7 подается вовнутрь корпуса 1, распространяясь равномерно в сегментной нижней полости корпуса 1, образованной сегментными срезами дисков диффузионных элементов 10, а затем разделяется посредством проставок 12, выполненных из проницаемого для разделяемой газовой смеси материала, например из сетки простого плетения.Проходя вдоль полупроницаемых мембран 15, исходный поток газовой смеси под действием перепада давления на мембране 15 делится на проникший поток(пенетрат) и остаточный поток (апенетрат). Проникший через мембрану 15 поток проходит через перфорацию сеток 16, 17, составляющих дренажную опору ( может быть выполнена без центральной сетки 16), к центральному отверстию 6 и диффузионного элемента 10 и далее по общему для всех диффузионных элементов 10 коллектору 13 к отверстию 6 в центре фланца 3. Остаточный поток проходит вдоль диффузионных элементов 10 в верхнюю сегментную полость и через отверстие вывода 8 или выводится наружу, или, как показано на фиг.1, поступает во вторую часть мембранного аппарата. В этом случае отверстие вывода 8 первой части мембранного аппарата будет являться отверстием ввода для второй части аппарата. Диаметрально противоположное расположение отверстий ввода и вывода 7,8,9 потока газовой смеси в каждой части аппарата обеспечивает вывод потока после полного обтекания им мембран 15 диффузионных элементов 10, делает ненужным установку занимающих дополнительное место пластин для изменения направления потока, как это имеет место в аппарате, принятом за прототип, при соосном расположении входного и выходного отверстий. Поступивший во вторую часть аппарата остаточный поток, двигаясь сверху вниз, омывает мембранные диффузионные элементы 10, где повторяется описанный выше процесс. Во второй части аппарата продолжается обедненение потока компонентами смеси, проникающими через мембраны 16, а сам поток, пройдя в нижнюю полость, выходит из аппарата через отверстие вывода 9, диаметрально противоположно расположенное относительно отверстия, являющегося отверстием ввода 8 для второй части аппарата. Варьируя количеством последовательно расположенных частей мембранного аппарата, можно получить оптимальный режим работы при различных давлениях и концентрациях потока газовой смеси с максимальной производительностью.

Формула изобретения

1. Мембранный аппарат для разделения газовых смесей, включающий цилиндрический корпус с установленными с двух сторон на кольцевых посадочных поверхностях съемными фланцами, в одном из которых выполнены отверстие для ввода разделяемой среды и центральное отверстие для вывода проникшего потока, а в другом выполнено отверстие для вывода остаточного потока, соединенный с центральным отверстием первого фланца, расположенный по оси корпуса общий коллектор и размещенный на нем пакет выполненных в виде дисков с центральным отверстием и сегментными срезами чередующихся проставок и диффузионных элементов, последние из которых содержат дренажную опору, и размещенные с двух сторон полупроницаемые мембраны, отличающийся тем, что отверстия для ввода разделяемой среды и вывода остаточного потока расположены на фланцах диаметрально противоположно друг другу напротив сегментных срезов диффузионных элементов, последние выполнены с внешним диаметром, равным диаметру проставок и внутреннему диаметру корпуса, и с диаметром центрального отверстия, меньшим диаметра центрального отверстия проставок, при этом проставки выполнены из проницаемого для разделяемой среды материала, а край их центрального отверстия заполнен герметизирующей массой в форме кольца с внутренним диаметром, равным диаметру центрального отверстия диффузионных элементов, причем дренажная опора последних выполнена по крайней мере из двух сеток простого плетения, склеенных по периферии между собой и с полупроницаемыми мембранами герметизирующей массой, а общий коллектор образован открытыми торцами центральных отверстий диффузионных элементов и закрытыми торцами центральных отверстий проставок.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус мембранного аппарата выполнен из двух или более частей, соединенных между собой непроницаемой перегородкой, зажатой между двумя кольцевыми посадочными поверхностями и имеющей отверстие для ввода разделяемой среды и центральное отверстие для вывода проникшего потока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3