Способ разделения смеси газов — SU 1811415 (original) (raw)

(5)5В ТЕНТНОЕ ГОСУДАРСТ 8 ЕННО ВЕДОМСТ 80 ССС (ГОСПАТЕНТ СССР у.,ЛейлЕ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТАТЕИТУ еаааЪ шенст 1 ол ыхщества раэво ле(71) Юнион Карбид Корпорейшн (ОЯ). Патент США % 4631128,кл, В 01 О 53/22, 1986.Патент США М 4374106,кл, В 01 О 53/22, 1988,Заявка Великобритании М 2022457кл. В 01 О 13/00, 1979,Заявка Великобритании М. 2122103кл. В 01 О 13/00, 1984.Патент США М 4631128,кл, В 01 О 53/22, 1986.Патент США М 4207192,кл. В 01 О 53/22, 1980,Изобретение относится к усове нной гильзе с мембраной из кон и к ее применение при ос и усовершенствованного спос(54) СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ ГАЗОВ (57) Использование: разделение газов в гильзе с мембраной из полых волокон, Существо изобретения: смесь газов под повышенным давлением вводят со стороныотверстий в гильзу с проницаемой мембраной из спирально намотанных полых волокон, практически все полые волокна которой обладают практически одинаковой длиной по всей ее структуре, Истечение проходящего потока в проницаемом модуле с использованием упомянутой гильзы поддерживают в направлении, которое является противотоком относительно направления подачи исходного материала и отвода рафинатного газа, В ходе проведения процесса разделения за счет проницания поддерживают практически полное ф радиальноесмешение в проходящем потоке со стороны отвода проходящего продукта и практически полное отсутствие осевого смешения либо со стороны отвода проходящего продукта, либо со стороны отвода рафината.Я из гильзы с проницаемой мембраной из полых волокон, 2 з.п.ф-лы, 3 табл.евай 00 деления газов эа счет проницания, Настоящее изобретение относится к применению ильэ со спирально намотанными проницамыми мембранами из полых волокон, в ко20 1811415 19 Таблица 1 Таб понента, обладающих различной проникающей способностью, на мембранном модуле, выполненном на размещенных в гильзе спирально намотанных проницаемых полых волокон практически одинаковой длины, 5 отверстия каналов которых открыты с противоположных сторон гильзы, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью интенсификации процесса, смесь газов вводят в отверстия каналов волокон с одной стороны гильзы, 10 рафинатный поток удаляют иэ отверстий каналов полых волокон с противоположной стороны гильзь 1, при этом разделяемый поток движется в каналах волокон прямотоком от входного конца к выходному, а поток, содержащий более подвижный компонент, прошедший с внутренней стороны стенки канала полого волокна на наружную, удаляют в направлении, противоположном направлению движения разделяемого потока.2.Способ по п,1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что полые волокна мембранного модуля выполнены из полисульфона, покрытого этилцеллюлозой,3 Способ по п 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что более подвижный компонент отводят под пониженным давлением.оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 1 каз 1457 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5торьх активная длина полых волокон, использованная при конструировании гильз, является по существу одинаковой по всей проницаемой гильзе. В процессе разделения газовуо смесь подают в отвеостия полых волокон и истечение проходящего потока по предпочтительному варианту годдерживают по принципу противотока относительно направления истечения рафинатного потока, исходящего из отверстий полых волокон в ходе проведения этого процесса разделения газов, В процессе разделения газов происходит существенное радиальное смешение проходящего потока на проницаемой стороне и исходного потока на стороне этого исходного потока, в то время как никакого осевого смещения ни с проницаемой стороны, ни со стороны подачи исходного потока гильзы с проницаемыгли мембранами из полых волокон не 5 10 15 20 происходит,Способ разделения газовой смеси, приосуществлении которого обеспечиваетсявысокоэффективное разделение, описанЧГдля выделения по меньшей мере одного лег-че проходящего компонента из смеси компонентов, Практическое осуществлениетакого способа обычно позволяет достичьвысокой эффективности разделения или более высокой производительности при за- З 0данной степени чистоть в сравнении с тем,что достигается при осуществлении способов, согласно которым используют модулиобычной конструкции, известные в технике.В соответствии со способом настоящего З 5изобретения исходную газовую смесь подают в первый впускной конец, в отверстияполых волокон гильзы со спирально намотанной проницаемой мембраной из полыхволокон при положительном давлении, причем гильза с проницаемой мембраной изполых волокон размещена в сосуде с приемлемыми впускнымл средствами и выпускными средствами для исходной смеси,подвижногот потока проходящего газа и рафинатного потокаа такке средствами длярегулирования давления, температуры ирасхода потоков, Общее направление отвода подвижного потока проходящего газавнутри модуля поддерживают противоточным относительно направления осевой линии, формируемой каналами длявьода-вывода рафината, в то время как исте:ениа исходной газовой смеси в отверстияхволокон может действительно происходить 55под сугцественным углом к направлению истечения проходящего потока.Проходящий поток в модуле также движется под существенным углом к поверхности мембраны и не в тангенциальном направлении, Рафинзтный поток рекуперируот на выпускном конце отверстий полых волокон, противоположных первому впускному концу для исходной газовой смеси этих отверстий и направлению истечения рафинатного потока в модуле, Совершенно неожиданно было установлено, что в ходе проведения упомянутого процесса разделения газов сохраняются практически полное или значительное радиальное смешение проходящего потока.с проницаемой стороны и практически полное отсутствие осевого смешения либо с проницаемой стороны, либо с рафинатной стороны гильзы с проницаемой мембраной из полых волокон, Активная длина практически всех полых волокон, которые используют для конструирования гильзы с мембраной, по существу одинакова по всей ее конструкции.При осуществлении усовершенствованного способа разделения газов со стороны отверстий по настоящему изобретению совершенно неожиданно было установлено, что в спирально намотанных проницаемых устройствах поддерживаотсяусловия противоточного истечения; при этом практически отсутствует осевое смещение и достигается высокая степень радиального смешения, Результатом является создание разделительной гильзы с почти идеальными динамикой истечения и характеристиками разделения, Было также установлено, что степень чистоты подвижного компонента неожиданно повысилась в сравнении с той, что достигается в гильзах, сконструированных обычным образом. Улучшенная работоспособность была достигнута, когда процесс разделения проводили в определенных операционных условиях с применением гильз со спирально намотанными пронлцаеллымл мембранами из полых волокон определенной конструкции в проницае мом модуле, Основное требование к полым волокнам, которье предусмотрены для использования при осуществлении способа настоящего изобретения, состоит в способности выделять из газового потока по меньшей мере один дополнительный проходящий компонент. Можно применять пористуо, плотнуо стенку, асимметричное или составное полое волокно с разделительным барьером на любой стороне стенки волокна.Полые волокна в гильзе со спирально намотанной проницаемой мембраной из полых волокон должны характеризоваться практически одинаковой длиной по всей гильзе, Затем гильзу с проницаемой мембраной из полого волокна заключают в модуль; этот модуль снабжен соответствующими впускными средствами и выпускными1811415 30 35 40 дят эксплуатационные качества известных 50 средствами для исходной смеси, для проходящего подвижного газового компонента и средствами для регулирования давления, температуры и расхода потоков, Устройство и конструкция проницаемых модулей для газовой смеси хорошо известны любому специалисту в данной области, поэтому здесь нет необходимости в их дальнейшем описании для понимания различных известных конфигураций.В ходе осуществления усовершенствованного способа настоящего изобретения используют подачу со стороны отверстий и газовую смесь вводят во впускной конец отверстия гильзы со спирально намотаннойпооницаемой мембраной из полых волоконпод избыточным давлением.Проходящий компонент потока удаляют со стороны кожуха гильзы, которая заключена в модуль, и направление истечения проходящего продукта противоположно направлению истечения исходной смеси, входящей в отверстия, и противоположно направлению истечения рафината, отводимого из отверстий, Степень чистоты продукта или рекуперации продукта обычно регулируют путем поддержания конкретного стадийного градиента процесса, Модуль помещают в кожух и напротив каждой трубной решетки предусматривают наличие О- образной кольцевой уплотнительной прокладки для текучих сред. Исходный газ входит со.стороны отверстий полого волокна вблизи отверстий полого волокна в трубной решетке. Подаваемый сбоку исходный газ проходит продольно по всей длине полого волокна в то время, как проходящий газ(обогащенный более быстро движущимся газом) движется через стенку волокна и удаляется из кожуха. Задерживаемый гаэ (отделяемый от более быстро движущегося проходящего газа) выход из конца, противоположного концу, в который входит исходный газ,Непроницаемый барьер (непроницаемая пленка, например такая; как поливинилхлоридная), охватывающая гильзу с отверстием в барьере после впускного отверстия трубной решетки заставляет проходящий газ двигаться в направлении, противоположном направлению истечения основной массы исходного бокового газа. Режим истечения можно изменить на прямоточный путем простой обратной подачи потока за счет введения исходного газа, где задерживаемый продукт рекуперируют, и рекуперирования задерживаемого продукта, где подают исходный газ, Необходимо отметить, что отверстие для отвода проходящего продукта может быть расположено 5 10 15 20 25 в любой точке по всей длине кожуха (сторона для проходящего продукта) без влияния на режим истечения исходного - проходящего материала, поскольку кольцевое пространство позволяет газу истекать эа пределы гильзы с волокнами, Это кольцевое пространство может оказаться не всегда необходимым, например, тогда, когда гильза с волокнами прижата к стенкам кожуха, В этом случае отверстие для отвода проходящего продукта следует поместить вблизи одной из трубных решеток с целью обеспечить противоточное или прямоточное исте-. чение.Процесс разделения можно проводить путем подачи исходного газа при повышенном давлении и удалении проходящего продукта под пониженным давлением, а по другому варианту проходящий продукт можно отводить в вакууме. В ходе проведения процесса разделения газов происходит практически полное радиальное смешение быстро движущегося проходящего газового потока с проницаемой стороны гильзы с проницаемой мембраной из полых волокон . и практически полностью предотвращается осевое смешение либо с проницаемой стороны, либо с рафинатной стороны гильзы с проницаемой стороны, либо с рафинатной стороны гильзы с проницаемой мембраной из полых волокон. В некоторых конкретных случаях может не быть достигнуто полное радиальное смешение, в особенности тогда, когда используют мембраны из полых волокон с высокой степенью проницаемости. Однако все еще можно ожидать, что осуществление способа настоящего изобретения позволит обеспечить рабочие характеристики при разделении газов, которые превосхоконструкций. Было установлено, что обычно. осуществление способа настоящего изобретения позволяет повысить рост прохождения быстрого газа, а степень частоты быстрого газа в проходящем потоке повышается в сравнении с достигаемыми при осущеа влении способов разделения газов с использованием других модулей, извест ных в технике,Это особенно справедливо для выделения азота из воздуха. Осуществление способа настоящего изобретения позволяет также получать газовые потоки повышенной однородности, избегая, таким образом, каналового эффекта или проскока в обход мембраны, что приводит к снижению разделительной эффективности, что часто встречается в случаях применения модулей,сконструированных ранее и выполненныхпо обычным способам.Хорошо известно, что в технике динамика истечения в мембранном модуле имеет очень важное значение для рабочих характеристик готового модуля, Известно также, что противоточное истечение представляет собой оптимальнуо схему истечения для большинства областей применения процессов разделения газов, тогда как прямоточная схема истечения является оптимальной для ограниченного числа областей применения процессов разделения газов, В противоточной схеме истечения исходньгй материал после ввода истекает вдоль поверхности мембраны и рафинат отводится в конце мембранного модуля, тогда как проходящий продукт, обогащенньгй, по меньшей мере, еще одним проходящим газовым компонентом, истекает по принципу противотока относительно направления истечения исходного материала и рафината, Для осуществления противоточного истечения в модульных проницаемых устройствах из полого волокна эти полые волокна обычно размещают параллельно, прицем исходньгй газ движется тангенциально вдоль и вне полых волокон, тогда как проходящий продукт отводят из отверстий полого волокна по принципу противотока. По другоглу варианту исходный газ вводят в отверстия полого волокна, а проходящий продукт отводят со стороны кожуха по принципу противотака, причегл проходящий продукт истекает тангенциально мембранной поверхности,Широко признано, что противатачная схема истечения представляет собой идеальную конфигурацию истечения, и любое нарушение распределения в схеме истечения, например, вследствие неравномерности истецения через гильзу, в частности в результате канального эффекта, резко снижаетэксплуатационные характеристики модуля. Обыцно для создания противаточных условий истечения существенным считается размещение волокон параллельно направленио движения потоков исходного материала, рафината, проходящего продукта при практическом проведении процессов,Совершеннот неожлданно авторами настоящего изобретения было установлена, что модули из полых волокон могут быть выполнены спиральной намоткой мембраной из полого волокна и работать с введением исходного газа в отверстия полых волокон, полностью обеспечивая при этом создание условий противоточнаго истечения, причем волокно в таком модуле размещено не тангенциально, а под существенным углом, а иногда почти перпендикулярно направлению истечения проходящего продукта, 10 15 мента из проницаемай глембраны из полыхволокон, причем практически все полые во 20 25 70 35 40 45 50 55 Во всех материалах данной заявки на патент нижеследугащие термины илиих варианты имеют те значения, которые указаны в приведенной ниже части полного описания настоящего изобретения. Термин "практически по всей равномерной длине" служит для обозначения активных длин палых волокон праницэемой ячейки, которые при переходе от одного волокна к другому варьируются менее чем приблизительно на 20;4, предпочтительнее менее цем примерно на 10;ь, Термин "гильза с проницаемой меглбраной из полых волокон" служит для обозначения спирально намотанного злелокна в таком элементе характеризуются одинаковой длиной, такие элементы могут быть выполнены с использованием известных средств, например, согласно способу спиральной намотки, известному из описания к американскому патенту 4631128. Термин "проницаемый модуль" служит для обозначения элемента, включающего в себя гильзу с проницаемой мембранойиз полого волокна и кожух или мом сосуд, причем такой элемент снабжен всеми необходимыми при этом средствами, клапанами и отверстиями для подачи потока лсходной газовой смеси и рекуперирования проходящего продукта и рафината. Уеханическая конструкция модуля известна любому специалисту в данной области и полностью проиллгастрирована в опубликованной литературе, например в описании к американскому патенту 4207192.Термин "угол намотки" определяат следующим образом; при ориентировании пучка в горизонтальном положении угол намотки представляет собой угол, под которым волокно укладывают по всему пучку относительно вертикальной оси. Так, например, волокна, намотанные под углом намотки 90, были бы параллельными и прямыми от одного конца пучка до другога. Волокна, намотанные в модуле под одним и тем же углом намотки, характеризугатся одной и той же длиной, Термин "радиальное смешение" определяют следующим образом; проходящий продукт/исходный газ в модуле из попого волокна счита отся полностью радиально г 1 ереглешеннгягли, если состав газа па всему поперечному сечению, которое перпендикулярно направлению истечения потока проходящего газа, однороден и гомогенен. Необходимо отметить, что радиальное смешение проходящего продукта не является необходимым в направлении, перпендикулярном стенке волокна, В том случае, когда волокно в модуле намотано10 15 20 25 30 модуля из-за снижения эффективности разде 40 50 Как известно, в большинстве процессов разделения за счет проницэния достигается не под углом намотки 45 О, газ со стороны кожуха относительно волокна (проходящий газ в случае подачи исходного газа в отверстия) радиально смешивается подуглом 45 относительно волокна, Одновременно с этим не должно происходить никакого смешения в осевом направлении. Беэ радикального смешения со стороны проходящего продукта прохождение поперечного типа будет иметь место независимо от истечения исходного потока и массы проходящего продукта,Для большинства областей применения противоточное(а в некоторых случаях и прямоточное) проницэние оказывается более эффективным, чем проницание с поперечным истечением, Таким образом, почтивсегда желательно радикально смешениепроходящего газа. Термин "осевое смешение" служит для обозначения перемешивания вдоль направления истечения. Оно происходит почти параллельно направлению волокна для исходного газа, а для истечения проходящего потока параллельно оси, которая проходит от входа исходного газа до отверстий выхода рафината. "Канальный эффект" служит для обозначения обходного проскока через частичное сечение поверхности мембраны текучей среды, то есть эта текучая среда истекает через проницаемый модуль в виде неоднородного потока, обуславливая случаи высоких или низких линейных скоростей и снижения эксплуатационных качеств ления. Термин "стадийный градиент" служит для обозначения количества в процентах проходящего газа, первоначально присутствующего в исходной смеси, который имеет возможность проходить через проницаемую мембрану. Термин "компонент" либо индивидуально, либо в таком сочетании, как "проходящий компонент потока", тлт в сочетании с другими словами, относящимися к газу или газовой смеси, служит для обозначения индивидуального газа или соединения, которое первоначально присутствует в исходных смесях или смеси газов или соединений, в которых концентрация одного или нескольких газов или соединений, первоначально присутствующих в исходной смеси, в рафинатном потоке понижается. полное разделение, а обогащение, В соответствии с настоящим изобретением предлагаются значительные и неожиданные усовершенствования в скорости приницания компонента и повышения степени чистоты компоненты.. Хотя выделение газа или соединенияпутем подачи смеси газов либо со стороныкожуха в проницаемый модуль из полых волокон с введением исходного газа в плотный контакт с внешней поверхностью полыхволокон, либо со стороны отверстий полыхволокон для введения этого исходного газа в плотный контакт с внутренней поверхностью отверстий полых волокон хорошоизвестно, для усовершенствования существующих технологий все еще предпринимаются многочисленные усилия.Способ настоящего изобретения является одним из результатов неожиданного инепредсказуемого повышения характеристик разделения в целом,Избыточное давление исходного потокагазов может составлять приблизительно от50 фунтов/дюйм 2, 3,53 кг/см или меньше400 фунтов/дюйм, 28;12 кг/см, илибольше, предпочтительные в интервалеприблизительно 100 - 200 фунтов/дюйм,27,03 - 14,0 б кг/см, Как известно, наиболее2предпочтительные условия избыточногодавления в конкретных примерах зависят отмногих переменных, включая сюда состависходной смеси, тип используемых полыхволокон, характеристики проницаемого материала полого волокна, размеры гильзы ипроницаемого модуля, температура и томуподобное, однако их можно определить поизвестным процедурам технологическихрасчетов, Однако перепад давлений, который используют в процессе, не должен превышать разрушающего давления длямембраны из полых волокон или давлений,которые ухудшают раздел ител ьн ые характеристики мембраны вследствие образованиядефектов.Важная характеристика настоящегоизобретения состоит в использовании скорее не параллельной ячейки, э гильзы соспирально намотанной проницаемой мембраной из полого волокна. Применениегильзы со спирально намотанной проницаемой мембраной из полого волокна позвсляет повысить скорость прохождения газа,равномерность распределения, снизить ка. нальный.эффект, обеспечить улучшеннуюдинамику истечения и в результате улучшить процесс разделения с достикениемболее высокой степени чистоты при заданном стадийном градиенте или скорости рекуперации при заданной степени чистоты, Входе осуществления данного способа разделения существенное значение имеет полнота радиального смешения проходящегопотока с проницаемой стороны гильзы с10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 проницаемой мембраной из полых волокон и практически полное отсутствие осевого смешения как с проницаемой стороны, так и рафинэтной стороны гильзы с проницаемой мембраной из полых волокон, По экономическим соображениям в ходе проведения процесса разделения . газов требуются не. только хорошая селективность, но и высокие производительность и степень чистоты продукта, причем скорость прохождения является показателем производительности. В случае наличия хорошей селективности и низкой скорости прохождения экономическая жизнеспособность процесса нэходится под большим вопросом,То же сэмое можно сказать и в случае низкой селективности при высокой производительности. Осуществление способа настоящего изобретения позволяет достичь хорошей селективности при повышенных скорости прохождения газов и степени чистоты продукта, что и является непредсказуемым,В типичном варианте осуществления способа настоящего изобретения азот рекуперируют с хорошеи производительностью и повышенной степенью чистоты путем подачи воздуха под избыточным давлением 100 фунтов/дюйм, 7,03 кг/см, в отверстия составной мембраны, изготовленной нанесением нэ пористые полисульфоновые полые волокна слоя покрытия из этилцеллюлозы, заключением мотка в гильзу и помещением в сосуд. Проницаемый модуль был сконструирован с воэможностью обеспечить рекуперировэние проходящего потока из выпускных средств, размещенных на том же самом конце модульной структуры, через который в проницаемый модуль вводили исходный воздух, поддерживая таким образом противоточное истечение междупотоками обогащенного кислородом проходящего продукта с внешней, проницаемой стороны упомянутой гильзы и воздуха, подаваемого в отверстия пористых полисульфоновых полых волокон с покрытием проницэемой гильзы, и рекуперируя рафинатный поток с конца модульной структуры, противоположного концу, через который в этот модуль вводили воздух.Гильзы со спиральной намоткой проницаемых мембран из пористых полых волокон, которые могут быть использованы при осуществлении способа настоящего изобретения, изготавливают по обычным известным процедурам, которые применяет любой специалист в данной области, причем в процессе изготовления осуществляют необходимые стадии, позволяющие достичь того, что практически все полые волокна в проницаемой ячейке обладают практически одинаковой длиной, Длины полых волокон должны изменяться при переходе от одного волокна к другому в интервале менее, приблизительно 15-20;ь, предпочтительнее в интервале менее примерно 5-10 О. Совершенно неожиданно было установлено, что углы намотки можно варьировать в широком диапазоне, не оказывая нежелательного воздействия нэ динамику истечения в модуле, Однако при очень малых углах могут получиться полые волокна очень большой длины, что может привести к чрезмерному пэдению давления в модуле, Падение давления легко рассчитать с помощью известных в проектировании формул, и полые волокна наматывают под углами, которые позволяют не превышать желаемых величин падения давления. Изготовление гильз с проницаемыми мембрэнэми из таких полых волокон не охватывается рамками настоящего изобретения, поэтому при их изготовлении можно применять любые процедуры, Особенно приемлемый псособ подробно изложен в описании к американскому патенту 4207192.Затем гильзу с проницэемой мембраной из спирэльно намотанного пористого полого волокна заключают в сосуд, получая проницаемый модуль. Проницаемый модуль конструируют таким образом, чтобы исходная газовая смесь под избыточным давлением поступала в первый конец упомянутого модуля, а затем в отверстия в зоне впускных отверстий полых мембран, быстрый газовый компонент проникал через стенки проницэемых пористых полых волокон и истекал в пространство между внешними поверхностями полых волокон,Такие полые волокна могут быть составными, пористыми, ассиметричными или плотными (непористыми), а тонкая разделительная оболочка может находиться как нэ внешней, тэк и на внутренней стенке полого волокна. Проходящий поток рекуперируют средствами для рекуперирования проходящего продукта, которые предусмотрены вблизи упомянутого первого конца вышеуказанного модуля, э непроходящий газ или рэфинэтный поток продолжает истекать по отверстиям в полых волокнах вышеупомянутой гильзы, после чего его удаляют со второго концэ вышеуказанного модуля, расположенного напротив указанного первого конца. В процессе разделения газов за счет проницаемости проходящий поток истекает по принципу противотока относительно истечения исходного потока, входящего в полые волокна, и рэфинатного потока, которые отводят из полых волокон,в сочетании с практически полным радиальным смешением проходящего потока на проницаемой сторону проницаемой ячейки и почти полным отсутствием осевого смешения либо ча проницаемой стороне, либо на рафинатной стороне проницаемой ячейки,В ограниченном числе случаев может оказаться более желательной противоточная схема проведения процесса, В таких случаях отверстие для отвода проходящего потока сконструировано с целью обеспечить условия для прямотока, однако, обычно противоточное истечение является предпочтительным;По предпочтительному варианту стенки полых волокон должны быть достаточно толстыми, чтобы для манипуляций с ними не требовалось наличие специально предусмотренных приспособлений и их было удобно наматывать с изготовлением гильз, Внешний диаметр полого волокна может изменяться в интервале приблизительно 1 - 100 мил .0,0254 - 2,54 мм) или больше, предпочтительнее приблизительно 2 - 80 мил (0,508 - 2,032 мм). Толщина стенки полого волокна может изменяться в интервале приблизительно 0,1 - 12 мил (0,00254 - 0,3048 мм), предпочтительнее примерно 0,2-20 мил (0,00508 - 0,508 мм),С целью обеспечить желаемый расход потока стенки ассиметричных, составных и пористых полых волокон делают такими, чтобы объем полостей волокон был достаточным, в частности тех полых волокон, толщина стенок которых составляет, по меньшей мере, приблизительно 2 мила (0,0508 мм). Эти полости представляют собой регионы внутри полых волокон, которые свободны от материала полых волокон, Таким образом, когда имеются указанные полости, плотность полых волокон меньше плотности сплошного материала этих же полых волокон, Объем полостей полого волокна может составлять 90 или приблизительно 10 - 80 , а иногда примерно 20 - 70 в пересчете на поверхностный объем, т.е. объем, который заключается в габаритах полого волокна, включая объем его отверстия.Во многих примерах пористое полое волокно покрывают слоем материала для нанесения покрытия и оно представляет собой составную мембрану с тонким слоем мембранообразующего материала, который нанесен на поверхность пористого полого волокна, Это может быть осуществлено по любой иэ известных процедур, например, раствор мембранообразующего материала наносят с расчетом получить готовое сухое покрытие толщиной приблизительно до о7000 А, предпочтительнее примерно 500 о2000 А, склееное с внешней поверхностью5пористого полого волокна, В некоторых случаях адгезию мембранообразующего материала к поверхности пористого волокнаусиливают с помощью связующих веществи/или химической обработкой.10Трубные решетки представляют собойконцевые участки пучка полых волокон, заделанных в твердый уплотняющий материал. Операцию формования трубной решеткиможно проводить по любому приемлемомуспособу. Обычно уплотняющий материалпри формовании трубной решетки находится в жидкой форме, а затем затвердевает,приобретая стойкую к давлению и не дающую утечек структуру.В качестве уплотняющего материаламожет быть использован неорганическийили органический продукт, а также их смесь.Обычно применяют органические смолы,которые при охлаждении затвердевают или25 отверждаются в частности такие которыеобразуют прочное клеевое соединение свнешними стенками проницаемых полыхволокон и характеризуется незначительнойусадкой. Трубные решетки закрепляют пообычной технологии таким образом, чтоконцы полых волокон обнажены и полностью открыты в гильзе для неограниченногодоступа в них исходного потока и отводарафинатного потока.Для удобства изложения существа настоящего изобретения в нижеследующейчасти полного описания обычно упоминается использование полисульфонового пологопористого волокна, Однако, существо изобретения только такими волокнами не ограничивается,Пористые полисульфоновые полые волокна, которые были использованы в эксперименте примера, изготовляли прядением4 из тройного раствора полисульфона в смесирастворителя с нерастворителем, котораяхорошо известна в технике. В ходе осуществления процедуры прядения была использована хорошо известная струйнаятехнология труба в трубе с использованием.воды при температуре приблизительно21 С в качестве внешней охлаждающей среды для волокон. В центральном отверстии вкачестве охлаждающей среды для волокнаиспольэовали воздух. После охлаждения волокна промывали водой.После промывки полые волокна сушилипри 30 С путем их пропускания через колонку для сушки горячим воздухом. Высушенное полое волокно немедленно после этогов той же технологической линии обработали для нанесения г 1 окрцтия из раствора этил. целлюлозного полимера, Этилцеллюлознцй полимерный раствор готовили растворением, приблизительно, 10/О этилцеллюлозц в 5 изопропаноле с последующим фильтрованием через стеклянный фильтр с размерами отверстий 1,5 мкм, а затем его наносили на полисульфон, Для этого высушенное полое волокно пропускали через профильтрован- "О нцй раствор для нанесения покрытия,:одержащийся в сосуде для нанесения покрытия, и после этого волокно с покрытием высушили в сушильном шкафу. откуда Оио поступало иа наматывдюшее устройст- "5 во. Полученное полисульфоиовое полое во- . локно в качестве, составной мембраны было снабжено этилцеллюлозным мембранным материалом покрытия толщиной, приблизительно 0,2 мк, КоэФфициент разделения на 20 кислород и азот изготовленных таким образом составных мембран составлял 3,85, а их проницаемость была рдвид приблизительно 0.65 куб,фут/кв.фут.фунт/кв.дойм, день (1 куб.фут, = 0,028 куб,м., 1 кв,фут, = 0,093 25 кв.м., 1 фунт,/кв.дюйм = 0,703 кг/кв,см.). Эти поль;е волокна использовали для конструирования проницаемых гильз.Гильзы с проиицаемыми мембранами из полых волокон со спиральной конфигура цией намотки, приблизительно 2 дюйма (50,8 мм) диаметром и длиной, примеоно 9 дюймов (229 мм), исключая трубную решетку, были изготовлены в соответствии со способом, изложенным в описании к 35 американскому патенту 4207192, В указанных гильзах угол намотки каждой гильзы меняли таким образом, что Он составлял ,17,25 и 33. Почти все полые волокна в конкретной гильзе с проницаемой мембраной 40 из спирально намотанного полого волокна характеризовались практически одинаковой длиной, Оба конца каждой из упомянутых гильз были заделаны в трубнуо решетку из эпоксидной смолы по обычным спосо бдм, которые известны любому специалисту в данной Области,Для сравнения изготовили проницаемую гильзу с параллельной конфигурацией 50 укладки прямых волокон диаметром приблизительно 1 дюйм (25,4 мм) идлиной примерно 12 дюймов (304,8 мм), причем оба конца гильзы были заделаны ь трубную рсшетку из эпоксидной смоли согласно обыч иым способам, После Обрезания трубной решетки активная длина составилд. приблизительно 9 дюймов (229 мм), что было иден- ТИЧНЫМ ДЛИНЕ ГИЛЬЗ Ео СОИРДлЬИОЙ намоткой. Проницдемые модули были изготовлены с использованием как спирально намотанных, так и параллельных волокнистыхпроницаемых гильз, Они были выполнены свозмокностью введения газовой смеси водин конец модульного кожуха и внутрь отверстий полых волокон для питания газовойсмесью проницаемой гильзы со стороны отверстий, Рафинатный поток отводили с противоположного конца отверстий и удалялис другого конца проницаемого модуля,Проходящий поток компонента, которыйпроходил через стенки полых волокон, рекуперировали с помощью средств, предусмотренных со стороны боковой стенкикожуха проницаемого модуля. При изготовлении проницаемого глодуля сцелью отделения исходного потока и рафинатногопотока от проходящего потока использовали соответствующие уплотнительные средства,Каждый модуль бцл испытан иа разделение воздуха при температуре 23 С со стадийными градиентами 9 - 90%, Со стороныотверстий давление исходной смеси составляло 115 фунтов/дюйм (8,09 кг/см ), а дав- .ление на выходе проходящего компонентаподдерживали иа уровне 16 фунтов/дюйм,1,125 кг/см(атмосферное давление),2П р и м е р 1. Эксперимент А, - В ходеэксперимента данного примера спиральнонамотанную (угол намотки 33") гильзу с площадью поверхности мембраны 25 футов2(2,32 м ), изготовленную из полисульфонового полого волокна, покрытого этилцеллюлозной, использовали для рекуперациипотока азотного компонента повышеннойстепени чистоты из воздуха, вводимого поддавлением 115 фунтов/дюйм, 8,09 кг/см всоответствии с процедурой, описанной выше. Пракгически все полые волокна в гильзеобладали одинаковой длиной, причем припереходе от одного волокна к другому ихдли а не варьировалась более чем приблизительно нд 8. Эта проницаемая гильзабыла использовдна для изготовления проницаеглого модуля с подачей воздуха со стороны отверстий, отводом кислородногопроходящего потока сбоку кожуха и рекуперированием рафинатного потока с азотнымкомпонентом повышенной степени чистотыс другого конца гильзового элемента, Кожухмодуля бцл снабжен средствами для рекуперации проходящего компонента либо ввиде противоточного потока относительноистечения исходной смеси, либо прямоточного потока относительно истечения этойсмеси.Р данном эксперименте кислородныйпроходящий компонент рекуперировалис55 боковой стороны кожуха по принципу противотока истечению исходного потока воздуха, а азотный рафинатный компонентрекуперировали из отверстий с противоположного конца относительно отверстия для впуска исходной смеси, Рафинатный поток характеризовался повышенной степеньючистоты азота, а проходящий поток обладал повышенной степень 1 о чистоты кислорода, когда процесс проводили по настоящемуизобретению. В табл.1 суммированы данные о степени чистоты азота в рафинате или в задерживаемом потоке при различныхстадийных градиентах или в задерживаемом потоке при различных стадийных градиентах и при сатлом низком стадийном процентном градиенте, при котором конкретная степень чистоты азота могла быть достигнута с применением этой гильзы, Эти данные такке показывают процентное количество азота, рекуперированного из исходного потока при конкретных степеничистоты и стадийном градиенте. В ходе проведения процесса по противоточной схеме в соответствии с настоящим изобретением в задерживаемом потоке компонента легко достигалась степень чистоты азота превышавшая 95 О, Однако в том случае когда процесс проводили по принципу прямотока, максимально достигаемая в потоке задерживаемого компонента степень чистоты азота не превышала приблизительно 95 О.Данные, приведенные втабл.1, соответствуют теоретически возможным эксплуатационным характеристикам модульнойконструкции из полых волокон с коэффициентом разделения смеси кислорода с азотом 3,85, когда процесс проводят в условияхпротивоточно-прямоточного истечения. Таким образом, эти данные показывают, что вмодуле с подачей исходной смеси в отверстия по принципу противотока происходитпрактически полное радиальное смешение в проходящем потоке и предотвращается практически полностью осевое смешение либо с проницаемой стороны, либо с рафинатной стороны гильзы с проницаемой мембраны из полых волокон, в результате его при пониженном стадийном градиенте рекуперируется азот повышегпюй степени чистоты, причем азот повышенной степени чистоты может быть выделен с прямоточным истечением. Эксперимент В. - В сравнительных целях способность выделять азот в идентичных условиях определяли также у гильзы, которая состояла из полых волокон, улокенных параллельными прямыми рядами, Волокна в гильзе были распределены 1015 2025 30 354045 50 равномерно, а упаковочная плотность таких полых волокон в гильзе со спиральной намоткой по настоящему изобретению несколько выше 50. Количество азота, которое рекуперировали с той же степени чистоты, оказалось значительно меньшим, Это уменьшение степени рекуперирования на обязательно было обусловлено низким уровнем радиального смешения, а с большей вероятностью, канальным эффектом в модуле с параллельным расположением волокон, Столь пониженная степень рекуперирования азота могла бы оказаться экономически невыгодной, поскольку потребовала бы более высокого давления и/или большего объема исходной смеси и/или дополнительной рабочей площади поверхности гильзы с целью рекуперирования того же самого количества азота заданной степени чистоты в течение заданного промежутка времени. Полученные данные суммированы в табл.2. Эти данные показывают, что для достижения степени чистоты азота, которая возможна с применением гильзы со спирально намотанной мембраной из проницаемых полых волокон, как в эксперименте А, былс необходимо создать более высокий стадийный градиент, и что при той же степени чистоты следует ожидать меньшего количества рекуперированного азота. П р и м е р 2. В ходе эксперимента исследовали влияние угла намотки в гильзе со спирально намотанной проницаемой мембраной из полых волокон на количество рекуперируемого из воздуха азота. С этой целью использовали три гильзы, в которых угол намотки был равен 17 (эксперимент А), 25 (эксперимент В) и 33 (эксперимент С); они были опиСаны выше. Процесс разделения провели в услов ях, которые описаны выше, причем площадь мембранной поверхности каждой гильзы составляла приблизительно 35 футов (3,25 м ), Данные, сведенные в табл.3, показывают, что в указанном широком диапазоне исследованных углов намотки собственно угол намотки по существу влияния на эффективность разделения воздуха или степень чистоты рекуперированного азота не оказывает, Было также отмечено, что этот угол намотки оказывает, по-видимому, если и оказывает вообще, очень небольшое влияние на эксплуатационные характеристики модуля,Оормула изобретения 1.Способ разделения слеси газов, включа;ощий отделение оолее подвижного компонента из газового потока, содержащего па крайней мере два газообразных ком

Смотреть

Способ разделения смеси газов