Сушка газопроницаемых мембран
Настоящее изобретение относится к способу сушки и остановки, по меньшей мере, одного мембранного модуля, расположенного за источником давления и связанного с подводящим газопроводом, отводящим трубопроводом для удержанного газа и пермеат отводящим трубопроводом, который отличается тем, что перед остановкой мембранного модуля газ, поступающий в мембранный модуль по подводящему газопроводу, расширяется до уровня давления, лежащего между давлением окружающей среды и давлением газа источника давления, и тем, что газ при сниженном давлении далее поступает в мембранный модуль. Изобретение должно обеспечить надежность работы и увеличить срок службы мембранного модуля. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение относится к способу сушки и остановки, по меньшей мере, одного мембранного модуля, расположенного за источником давления, предназначенного для газопермеата и имеющего подводящий газопровод, отводящий трубопровод для удержанного газа и отводящий пермеат трубопровод.
Способы и устройства для газопроницания с использованием мембранных модулей сами по себе известны и применяются, в частности, при получении азота из воздуха. Поэтому предназначенный для проницания газ (питающий газ) содержит в большинстве случаев значительную долю водяного пара, сохраняющегося внутри мембранного модуля после простой остановки устройства или после окончании процесса. Вследствие накопления такого водяного пара при остановке устройства в условиях, когда наружная температура падает до отметки ниже 0°С, происходят повреждения мембранного модуля из-за образования микрокристаллов в мембране и замерзания в ней небольших капель воды. Подобные повреждения способны полностью нарушить разделительную способность мембраны, в результате чего возникает необходимость в дорогостоящей, продолжительной и трудоемкой замене мембранного модуля.
Для решения этой проблемы в настоящее время предложено продолжать нагрев мембранного модуля после его остановки посредством стационарного подогревателя, в результате чего температура мембранного модуля не опускается ниже около 4°С. Однако такие подходы к решению являются в отношении оборудования для газопроницания, применяемого в очень холодных регионах и отключаемых на длительное время, дорогостоящими, трудоемкими и ненадежными.
Задачей изобретения является создание способа сушки и остановки, по меньшей мере, одного мембранного модуля, который после своего простоя мог бы снова запускаться без промедления и потери работоспособности в районах с очень низкой окружающей температурой, в частности, при температуре ниже -20°С.
Поставленная задача решается тем, что в способе сушки и остановки, по меньшей мере, одного мембранного модуля, расположенного за источником давления, предназначенного для газопроницания и связанного с подводящим газопроводом, отводящим трубопроводом для удержанного газа и отводящим пермеат трубопроводом, согласно изобретению, перед остановкой мембранного модуля газ, поступающий по подводящему газопроводу в мембранный модуль, расширяется до уровня давления, лежащего между давлением окружающей среды и давлением газа, поступающего из источника давления, и тем, что при таком пониженном давлении газ подается в мембранный модуль.
В результате снижения давления питающего газа перед его подачей в мембранный модуль снижается также парциальное давление содержащегося в нем водяного пара, а именно в зависимости от величины снижения давления. С учетом желаемой или требуемой степени сушки можно легко задавать коэффициент редуцирования (т.е. давление до и после) либо посредством редукционного клапана в подводящем, направленному к мембранному модулю газопроводе, либо за счет соответствующего управления или регулирования источника давления, при необходимости, за счет применения соответствующей буферной емкости.
Для дополнительного снижения концентрации водяного пара со стороны впуска газа в мембранный модуль целесообразно осуществлять сушку газа, поступающего от источника давления перед его расширением. Для этого могут применяться один или несколько низкотемпературных сушильных аппаратов, причем для большей части установок для газопроницания низкотемпературный сушильный аппарат для отделения масла и воды расположен за источником давления. Такие низкотемпературные сушильные аппараты работают при температуре, например, около 2°С, для улучшения водоотделения может быть предусмотрен дополнительный низкотемпературный сушильный аппарат, последний может применяться при температуре, например, -25°С. Водоотделение при использовании такого дополнительного низкотемпературного сушильного аппарата повышается существенно, в данном случае, в зависимости от типа низкотемпературных сушильных аппаратов, в десять раз. Кроме того, содержащийся в газе водяной пар может ад- или абсорбироваться, также возможны любые комбинации видов сушки, например сначала низкотемпературная сушка, затем адсорбционная. Учитывая, что на последующей стадии расширения парциальное давление водяного пара, сохранившегося в газе после сушки, снова понижается в зависимости от коэффициента редуцирования, то в результате эффективность сушки повышается.
Далее является благоприятным, когда газ подогревают после его расширения и перед подачей в мембранный модуль. Удельная температура зависит при этом от применяемой мембраны, как правило, используемые для газопроницания мембраны стабильны в диапазоне температур от около 50 до максимально 60°С. В соответствии с этим газ после своего расширения может нагреваться до температуры не более около 50°С с тем, чтобы предупредить термические повреждения мембраны. Если требуется просушить специальную теплостойкую мембрану, то специалист легко может определить максимально допустимую температуру газа (которая в этом случае даже может превысить 50°С).
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, отводимый из мембранного модуля удержанный газ дросселируют. Предпочтительно, чтобы соотношение между пермеатом и питающим газом составляло более чем около 0,9.
Дополнительная сушка может проводиться в том случае, когда по истечении заданного времени инерционности, в течение которого в мембранный модуль продолжает поступать газ с пониженным давлением, перекрываются подводящий газопровод и отводящий трубопровод для удержанного газа. В результате перекрытия этих трубопроводов на участке между обеими точками перекрытия образуется мертвый объем, в котором в начале еще присутствует пониженное давление газа, поступившего от источника давления, который стремится вытечь через отводящий пермеат трубопровод, в результате чего происходит дополнительная сушка мембранного модуля и, в частности, удаляется остаточная повышенная концентрация водяного пара с впускной стороны газа мембранного модуля.
В зависимости от вида применяемой мембраны и условий окружающей среды предпочтительно, чтобы в течение времени инерционности, в течение которого газ продолжает поступать в мембранный модуль, и в зависимости от требуемой точки росы сохранившегося в мембранном модуле газа количество поступающего в мембранный модуль газа превысило мертвый объем мембранного модуля в 1-1000 раз, предпочтительно в 10-200 раз.
В зависимости от требований, предъявляемых к мембранному модулю после его остановки и касающихся, в частности, ожидаемой температуры окружающей среды, целесообразно, чтобы время инерционности выбиралось с таким расчетом, чтобы точка росы оставшегося в мембранном модуле газа составляла ниже -30°С, предпочтительно ниже -50°С.
Ниже изобретение подробнее поясняется с помощью представленных на чертеже предпочтительных примеров осуществления, которыми оно не ограничивается. В частности на чертежах представлены:
фиг.1 - блок-схема осуществления способа, согласно изобретению, с использованием мембранного модуля, питаемого от источника давления (компрессора);
фиг.2 - диаграмма сорбции воды из паровой фазы при разных температурах и парциальных давлениях воды в паровой фазе;
фиг.3 - следующая диаграмма концентрации воды в полимере мембраны в зависимости от положения в ней (удаленности) точки впуска.
На фиг.1 показана схема проведения способа, согласно изобретению, питающий газ сжимается в компрессоре и затем подвергается первой сушке в сушильном аппарате А (который может быть, например, сушильный аппарат для отделения масла и воды в установке газопроницания). При нормальной работе установки газопроницания сжатый питающий газ через трехходовой клапан направляется в сушильный аппарат В и затем поступает в мембранный модуль. При проведении способа, согласно изобретению, сжатый питающий газ, уже подвергшийся предварительной сушке в сушильном аппарате А, подвергается повторной сушке в сушильном аппарате В, после чего он расширяется в последующем редукционном клапане от давления, заданного компрессором, до заданного среднего давления, превышающего давление окружающей среды. Затем расширенный питающий газ поступает в теплообменник, в котором нагревается до температуры, например, 20°С. Таким образом нагретый расширенный питающий газ направляется затем в мембранный модуль, в котором под действием интенсивного дросселирования запорного клапана, установленного в отводящем трубопроводе для удержанного газа, он проходит, преимущественно, через мембрану, просушивает последнюю и уходит через пермеат отводящий трубопровод. Как только мембранный модуль будет просушен в достаточной степени для предусмотренной остановки, т.е. по истечении заданного времени инерционности, подводящий газопровод и отводящий трубопровод для удержанного газа полностью перекрываются предусмотренными для этого запорными клапанами. Потом закрывается клапан в пермеат отводящем трубопроводе, причем в мембранном модуле должно сохраняться несколько повышенное давление.
На фиг.2 показана диаграмма сорбции воды в кг/кг мембаранного полимера при разной температуре и парциальном давлении водяного пара в питающем газе. Как легко заметить из диаграммы, повышение температуры питающего газа существенно способствует сорбции в полимере, повышение температуры питающего газа до около 50°С может обеспечить значительную сушку, более высокие температуры следует избегать из-за связанного с этим затратами энергии и возможного повреждения полимера.
На фиг.3 снова показана диаграмма концентрации воды в полимере в зависимости от соответствующей точки замера в самом модуле. Другими словами это означает, что в позиции "0" показана концентрация на входе (концентрация воды в питающем газе), а в позиции "1" - концентрация воды в полимере на участке отвода пермеата. Построена кривая концентрации воды, характерная для промышленного процесса получения азота и для сушки, при условии, что закрыт клапан для удержанного газа. Как легко можно видеть, в результате обычного перекрытия клапана для удержанного газа уже может быть обеспечена значительная сушка. Обе самые нижние кривые представляют собой концентрацию воды в полимере при способе закрытия согласно изобретению, причем на диаграмме показано расширение питающего газа на одну пятую от рабочего давления. Соответственно этому с впускной стороны концентрация воды в полимере уменьшилась на одну пятую от начальной концентрации, причем уже на расстоянии около одной десятой части от общей длины мембраны в модуле исходное значение упало до около одной трети. Как легко видно из диаграммы, уже на отрезке около одной трети от длины мембраны концентрация воды в модуле упала практически до нуля. Дальнейшее усовершенствование способа закрытия, согласно изобретению, состоит в нагреве расширенного газа (в данном случае от температуры от около 25 до около 45°С). В этом случае уже начальная концентрация воды в полимере снижается до около 0,04, на расстоянии около одной десятой части от длины мембраны модуля мембрана оказывается практически сухой. Еще присутствующая вблизи места впуска питающего газа остаточная влага, если вообще можно говорить о таковой, после остановки мембранного модуля в результате диффузии распределяется по всей мембране, в результате чего полностью исключаются повреждения мембраны вследствие образования микрокристаллов или замерзания малых водяных капель.
1. Способ сушки и остановки, по меньшей мере, одного мембранного модуля, расположенного за источником давления, предназначенного для газопроницания и связанного с подводящим газопроводом, отводящим трубопроводом для удержанного газа и отводящим пермеат трубопроводом, отличающийся тем, что перед остановкой мембранного модуля газ, поступающий по подводящему газопроводу в мембранный модуль, расширяется до уровня давления, лежащего между давлением окружающей среды и давлением газа, поступающего из источника давления, и при таком пониженном давлении газ подается в мембранный модуль.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газ, поступающий из источника давления, подвергается сушке перед своим расширением.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что применяется один или несколько низкотемпературных сушильных аппаратов.
4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что газ нагревают после его расширения и перед подачей в мембранный модуль.
5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что дросселируют удержанный газ при выпуске из мембранного модуля.
6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что по истечении заданного времени инерционности, в течение которого газ с пониженным давлением продолжает поступать в мембранный модуль, перекрывают подводящий газопровод и отводящий трубопровод для удержанного газа.
7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что в течение заданного времени инерционности, при котором газ с пониженным давлением продолжает поступать в мембранный модуль, в зависимости от требуемой точки росы газа, оставшегося в мембранном модуле, в мембранный модуль подают газ в количестве, превышающем мертвый объем мембранного модуля в 1-1000 раз, предпочтительно в 10-200 раз.
8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что время инерционности выбирается таким образом, чтобы точка росы оставшегося в мембранном модуле газа составляла ниже -30°С, предпочтительно ниже -50°С.
