CN107206310A - 气体膜分离模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于使用中空纤维膜分离气体混合物的装置，并且可用于化学、石油、燃气及其他工业。更具体地，本发明涉及气体膜分离模块的结构，例如，其可应用在用于氦浓缩的膜分离装置中。气体膜分离模块包括具有端盖的水平主体以及膜筒，膜筒由成束的中空纤维制成并且相对于中心以颠倒的方式定位。主体包括大直径的对称端部段，其与小直径的中心段通过锥形过渡段相连。在这种情况下，端部段的长度与通过主体端部和膜筒的输入区域限定的长度对应，并且中心段的内径被配置为提供膜筒的自由安装/拆卸以及其在密封点处与环形垫片的紧密配合。原料气输入喷嘴在膜筒的输入区域的前部垂直于主体的纵轴线定位在主体的端部段上，渗透气输出喷嘴垂直于主体纵轴线定位在端盖附近的主体的端部段上。技术效果是总体上减小了膜模块和整个气体分离装置的重量和尺寸特性以及降低了安装/拆卸膜模块的主体端盖期间操作的劳动强度。

Description

气体膜分离模块
技术领域
本发明涉及用于使用中空纤维膜分离气体混合物的装置，并且可用于化学、石油、燃气及其他工业。更具体地，本发明涉及气体膜分离模块的结构，例如，其可应用在用于氦浓缩的膜分离装置中。
背景技术
如今特别注意自然资源的可持续利用，包括它们的提取、加工和运输。氦是各个工业部门所需的原料组分，并且出于这个原因，应用为可以更有效地处理天然气以从中最大限度地提取氦的技术方案的发展仍然是当前的问题。
气体膜分离装置的技术和结构可以成功地用于解决这一问题。
这些模块化的装置包括膜架、阀组件、维护区域以及组间管道。膜架是若干平行的膜模块与分离的气体混合物输入(原料气)、处理后的气体输出(渗余气)以及富氦气体的输出(渗透气)的管道和歧管组合的组件。气体膜分离模块包括垂直或水平的柱状主体、端盖、膜筒，膜筒位于主体内并且被制成为在直的壳体内围绕轴向多孔管的中空聚合物纤维束，支撑元件安装在筒与盖之间。原料气输入与渗透气输出通常通过与端盖结合的支管通道进行，渗余气输出通过与主体的纵轴线垂直定位的支管进行。
这些结构要求不断改进，以确保设备操作的可靠性、重量的降低以及尺寸特性，在进行常规操作时总体上迅速和安全地安装/拆卸单独的结构元件与装置。
存在使用并联的气体膜分离器来纯化气体混合物的现有装置(2015年1月27日的第RU149982号实用新型专利)，其被申请人选为最接近的类似物。每个气体膜分离器都包括主体、与对应的支管连接的喷嘴以及至少两个气体膜分离筒，这些气体膜分离筒相对于中心以颠倒的方式安装。每个筒都包括柱状的中空纤维束和两个前部加料器，其中中空纤维的端部被密封。中空纤维在位于模块端盖附近的加料器的端面上的端部是打开的，以用于将渗透气从内部纤维空间自由地排出，而中空纤维的端部在模块中心附近的相对的筒端部上的前部加料器上完全被密封。输出流喷嘴与渗余气流喷嘴垂直于主体的轴线定位在主体的中心部分中，而渗透气喷嘴定位在主体端盖上。
该装置的缺点是渗透气输出喷嘴在主体端盖上的定位。该喷嘴与相关管道连接，该相关管道在安装/拆卸主体端盖时也必须安装/拆卸，这样导致这些操作的劳动强度增加。此外，在主体端盖上的渗透气输出喷嘴和与之连接的管道总体上增加了膜模块与整个气体分离装置的总长度。
该装置的另一个缺点是原料气输入喷嘴在主体中心部分中的定位。主体内在主体的内表面与位于模块中心附近的筒屏蔽区域的外表面之间呈环形间隙形式的通道被制造为用于使原料气从输入喷嘴流到位于模块端部附近的筒输入区域。该环形通道的存在决定了在筒屏蔽区域的位置处主体直径相对于筒直径增加，由此增加了膜模块的重量并且总体上增加了整个气体分离装置的重量。除此之外，在膜筒中的渗余气输出喷嘴借助于衬套连接，而衬套的存在使结构变复杂并且增大膜模块的长度。
作为申请人进行信息检索的结果，没有发现以所要求保护的技术方案的整套必要特征为特点的气体膜分离模块的结构。
发明内容
本发明要解决的技术目标是改进单个膜模块的结构，其作为模块化的气体分离装置的一部分提供有效和可靠的操作。
所设定的目标通过提出的发明解决，据此，气体膜分离模块的已知特征具有下述独特的方面，所述已知特征例如水平柱状主体；端盖；具有输入和屏蔽区域的至少两个膜筒，它们相对于中心横轴线以颠倒的方式定位在主体内并且包括柱状的、成束的中空纤维，中空纤维的端部密封在前部加料器上，使得经密封的中空纤维在位于模块端盖附近的加料器的端表面上的端部是打开的，而中空纤维的端部在主体中心附近的膜筒的相对的端部上的前部加料器上完全被密封；原料气输入喷嘴；渗余气输出喷嘴；以及渗透气输出喷嘴。主体包括大直径的对称端部段，其与小直径的中心段通过锥形过渡段相连。在这种情况下，端部段的长度与通过主体端部和膜筒的输入区域限定的长度对应，并且中心段的内径被配置为提供膜筒通过环形垫片与密封点的自由安装/拆卸，在环形垫片后部，中心段的内径被减小到确保膜筒在主体中紧密配合的尺寸。原料气输入喷嘴在膜筒的输入区域的前部垂直于主体的纵轴线定位在主体的端部段上，渗透气输出喷嘴垂直于主体纵轴线定位在端盖附近的主体的端部段上。
由本发明得到的技术效果是总体上减小了膜模块和整个气体分离装置的重量和尺寸特性以及降低了安装/拆卸膜模块的主体端盖期间作业的劳动强度。
附图说明
通过附图(图1)更详细地说明了本发明，在附图中，图示了气体膜分离模块的总体视图(侧视图)。
具体实施方式
膜模块包括柱状主体1、端盖2、原料气输入喷嘴3、渗透气输出喷嘴4和渗余气输出喷嘴5。至少两个膜筒6相对于中心横轴线以颠倒的方式定位在主体内。主体包括大直径的对称端部段7，其与小直径的中心段9通过锥形过渡段8相连。大直径的端部段的长度与通过主体端部和膜筒6的输入区域14限定的长度对应。主体的中心段9的内径与膜筒6的屏蔽区域的外径对应，并且被配置为提供膜筒通过环形垫片16与密封点的自由安装/拆卸，在环形垫片后部，主体中心部分的内径被减小到确保膜筒在主体中紧密配合的最佳尺寸。
膜筒被制成为围绕轴向多孔管10的成束的中空聚合物纤维11，并且它们的端部在前部加料器12和13中被密封。经密封的中空纤维的端部在位于模块端盖附近的加料器12的端表面上是打开的，而中空纤维的端部在模块中心附近的筒的相对的端部上的前部加料器13上完全被密封。膜筒具有位于主体端部段上的输入区域14以及位于主体中心端上的屏蔽区域15。膜筒屏蔽区域的特征在于存在由不可渗透材料制成并且被用于机械集尘的过滤布包围的外屏蔽件。
主体还包括原料气输入区域、渗余气收集区域和渗透气收集区域。原料气输入区域由端部部分上的主体内表面和从喷嘴3输入原料气的通道形成。渗透气收集区域由端部部分上的主体内表面、筒的加料器12的具有中空纤维的打开端部的端表面以及渗透气输出到喷嘴4的通道形成。渗余气收集区域由中心部分中的主体内腔、加料器13的具有中空纤维的封闭端部的端表面以及渗余气输出到喷嘴5的通道形成。
原料气输出喷嘴3在膜筒6的输入区域14的前部垂直于主体的纵轴线定位。渗透气输出喷嘴4定位在主体端部段上、垂直于其纵轴线。渗余气输出喷嘴5定位在主体中心部分的中部、垂直于其纵轴线。
膜筒6与主体1在中心段上的密封借助于环形垫片16进行，并且在端部段上的密封借助于环形垫片17进行。在膜筒6的前部加料器12和13上制造用于在其中分配环形垫片16和17的凹槽，该凹槽具有与密封点处的主体内径段对应的加工尺寸。
位于膜筒的前部加料器12和端盖2之间的支撑元件18放置在主体中。例如，支撑元件可以制成为柱状衬套，其具有用于喷嘴4中的渗透气输出通道的相关的孔。
装置的操作如下。
原料气通过位于膜筒6的输入区域14前部的主体端部段7上的喷嘴3进入膜模块到达原料气输入区域，并且分布在主体内表面与膜筒6的输入区域外表面之间的环形空间中。然后，原料气穿过膜纤维11之间的筒，并沿着膜纤维流到相对的筒端部，这通过设置外屏蔽件来实现。只要原料气从其中流出，一部分流(渗透气)就通过膜穿过纤维。不穿过膜的气体(渗余气)通过中心管10中的孔从筒的中心支管排放到位于主体中心的收集区域，并通过渗余气输出喷嘴5的通道从膜模块中排出。渗透气通过膜纤维11的内开孔自由地流出到收集区域，并且通过定位在主体端部部分上、垂直于主体的纵轴线的喷嘴4的对应通道从膜模块中移出。
除了密封之外，环形垫片16和17实现了气体流动区域的界定功能。环形垫片16的存在排除了不允许的原料气溢出到中空纤维膜旁路的渗余气收集区域的情况，并且环形垫片17防止原料气进入中空纤维膜旁路的渗透气收集区域。
在模块操作期间，在原料气输入区域与渗透气收集区域之间的主体中出现大的压差(高达10MPa)，这可能造成膜筒6朝着端盖2移位，由此原料气将进入中空纤维膜旁路的喷嘴4的通道。支撑元件18阻止了筒移位的可能性，允许承受因压差作用造成的负荷并且不妨碍渗透气从收集区域自由地流向喷嘴4的通道。
渗透气输出喷嘴在主体端部段上的定位排除了在主体端盖的安装/拆卸期间进行连接到主体端盖的管道的安装/拆卸的劳动密集型操作作业。
根据本发明的原料气输入喷嘴的定位提供了原始流直接向每个膜筒的输入区域的供应，这样显著减小了原料气输入区域的体积并且避免了在筒的屏蔽区域和主体内表面之间存在大环形通道(如现有技术中的一样)的必要性。这样能够减小主体中心部分的直径，其中筒的屏蔽区域定位为需要的尺寸，这同时确保了膜筒的自由安装/拆卸以及其在密封点处的紧密配合，这反过来又使得重量和尺寸参数的减小。
使用环形垫片进行膜筒与主体的密封具有下述优点。环形垫片16大大简化了膜模块的结构(与现有技术相比)，因为它们在结构和组装方面排除了更复杂零件的使用，例如衬套，这样允许使膜筒中的输出渗余气支管与筒的端表面齐平。结果是，渗余气收集区域被减小，这还使得模块长度被减小。
此外，积极的方面还应包括的事实是，具有根据本发明的结构元件定位的气体膜分离模块的实施方式允许气流分布的合理布局，这样有利于最大限度地使用膜筒的工作表面。这提高了装置操作的效率。
本发明的所有特征都可以使用用于制造管道和装置的常规技术被实施为气体膜分离模块的特定结构元件(零件、组装装置)。
所提出的膜模块结构简单、容易制造并且允许提供从天然气中提取氦的效率而没有显著的额外成本。
这种技术方案可以实施在模块结构中，作为用于在石油、燃气和冷凝领域中氦浓缩物的膜分离的装置的撬装设备的一部分操作。
然而，应提到的是，本发明不被限制为仅用于从天然气中提取氦的应用，而是可以成功地用于需要从任何其他共混组合物中分离气体混合物的装备和工业工艺。
到目前为止已经详细说明了设计文件，并且已经针对提出的膜模块的技术方案进行了基本几何和工艺参数的计算。
因此，本发明解决了所设定的单个气体膜分离模块的结构改进的目标，并且提供了最终允许大大降低用于装置制造的金属消耗、材料成本以及操作花费的特定技术效果。

Claims (1)

1.一种气体膜分离模块，其包括：水平柱状的主体；端盖；具有输入区域和屏蔽区域的至少两个膜筒，所述至少两个膜筒相对于中心横轴线以颠倒的方式定位在主体内并且包括柱状的、成束的中空纤维，中空纤维的端部密封在前部加料器上，使得经密封的中空纤维在位于模块端盖附近的加料器的端表面上的端部是打开的，而中空纤维的端部在主体中心附近的膜筒的相对的端部上的前部加料器上完全被密封；原料气输入喷嘴；渗余气输出喷嘴；以及渗透气输出喷嘴，所述气体膜分离模块的特征在于，主体包括大直径的对称端部段，其与小直径的中心段通过锥形过渡段相连，由此端部段的长度与通过主体端部和膜筒的输入区域限定的长度对应，中心段的内径被配置为提供膜筒通过环形垫片与密封点的自由安装/拆卸，在环形垫片后部，中心段的内径被减小到确保膜筒在主体中紧密配合的尺寸，原料气输入喷嘴在膜筒的输入区域的前部垂直于主体的纵轴线定位在主体的端部段上，渗透气输出喷嘴垂直于主体的纵轴线定位在端盖附近的主体的端部段上。
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