CZ308128B6

CZ308128B6 - Zařízení pro separaci plynů a způsob separace směsi plynů

Info

Publication number: CZ308128B6
Application number: CZ2018-544A
Authority: CZ
Inventors: Petr Uchytil; Vladimír Šíma; Roman Petrychkovych; Kateřina Setničková; Hui-Hsin Tseng
Original assignee: Ústav Chemických Procesů Av Čr, V. V. I.; Chung Shan Medical University, Department of Occupational Safety and Health
Priority date: 2018-07-13
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2020-01-15
Also published as: TW202005702A; TWI656906B

Abstract

Zařízení pro separaci plynů, které obsahuje hlavu (2) zařízení, opatřenou vstupem (1) pro separovanou plynnou směs a výstupem pro bubliny, k hlavě (2) zařízení je jedním svým koncem připojena deska (3), připojená svým druhým koncem ke sběrné nádobě (5); a přičemž sběrná nádoba (5) je uvnitř opatřena vrtulí (6) a dále obsahuje výstup pro separovaný plyn. Způsob separace směsi plynů pomocí tohoto zařízení a jeho použití.

Description

Oblast techniky

Předkládaný vynález se týká zařízení pro separaci plynů, které je založené na tvorbě souvislého toku bublin separační kapaliny, naplněných separovanou plynnou směsí. Separace je dosaženo rozdílným tokem dělených plynů při jejich průchodu stěnou bublin tvořených separační kapalinou. Předkládaný vynález se dále týká způsobu separace směsi plynů pomocí tohoto zařízení a jeho použití.

Dosavadní stav techniky

Separace plynných směsí je realizována několika způsoby. Tyto způsoby zahrnují membránové procesy, absorpční a adsorpční techniky, destilace za nízkých teplot. V současné době se řeší problém vyčerpání přírodních zdrojů energie, tj. fosilních paliv, jako je uhlí, ropa, zemní plyn. Jednou z dalších možností získání zdroje energie je obohacování produktu získaného z menších zdrojů odpadních plynů o spalitelnou složku, to znamená zejména odstranění oxidu uhličitého z produktu. Při spalování další oxid uhličitý ještě vznikne, a nedá se tomu při výrobě energie z fosilních paliv zabránit. Jeho následná absorpce do aminů a chemické vázání ve formě uhličitanů, je jednou z nejčastěji používaných možností, jak oxid uhličitý udržet mimo atmosféru. Vývoj účinných metod odstranění balastních složek ze vznikajících průmyslových plynů obsahujících metan či jiné uhlovodíky tak, aby je bylo možno efektivně využít, je proto zásadním úkolem akademického i průmyslového výzkumu.

Membránový proces se jeví jako perspektivní metoda díky nízkým provozním nákladům a vysoké účinnosti. Průchod jednotlivých složek je ovlivněn jejich chemicko-fyzikálními vlastnostmi a jejich interakcí s membránou. Ve vztahu k použitému materiálu lze v současné době membrány vyráběné pro separaci plynů rozdělit do třech základních skupin: polymemí, anorganické a polymemí s určitým přídavkem vhodného anorganického materiálu.

V patentu CZ 306331 B6 je navržen způsob separace plynných směsí ve velmi tenké stěně bubliny. Způsob využívá toho, že jeden z dělených plynů se podstatně více rozpouští v kapalině, která tvoří bubliny. Tento plyn poté difunduje stěnou bublin a desorbuje se do okolního prostoru a je nosným plynem (vzduchem) odváděn pryč. V bublině pak zůstává prakticky čistá druhá složka směsi. Po destrukci bublin je tato složka uvolněna a odváděna.

V patentu CZ 305505 B6 je popsáno zařízení k separaci plynů, založené na výše popsaném principu separace plynů ve stěně bubliny. Zařízení vytváří souvislý kapalný film, který má funkci separační membrány. Na jednu stranu plochy membrány je připojen vstup směsi plynů určených k separaci a z druhé strany membrány je odváděn výstup koncentrované směsi plynů (retentát). Hlavní nevýhodou tohoto zařízení je však potřeba neustálé kontroly celistvosti kapalného filmu, který není dostatečně stabilní. Pokud dojde k jeho porušení, separační proces je přerušen a celé množství přiváděné směsi do doby jejího obnovení uniká do permeátového prostoru a je ztrátou separované směsi.

Podstata vynálezu

Předkládaný vynález se týká zařízení pro separaci plynů ze směsi plynů, které vytváří souvislou vrstvu (tok) bublin, které se tvoří zavedením separované směsi do speciálního roztoku (separační kapaliny). Na rozdíl od zařízení popsaného v CZ 305505 B6, v zařízení podle předkládaného vynálezu dochází k separaci plynů v množství bublin namísto v souvislém kapalném filmu. Speciální roztok je navržen tak, aby bubliny, jejichž stěny mají složení určené složením roztoku,

- 1 CZ 308128 B6 měly vysokou stabilitu a pružnost. Hlavní výhodou předkládaného zařízení jsou zanedbatelné ztráty při protržení membrány (bubliny) ve srovnání se ztrátami, ke kterým dochází při protržení kapalného filmu v CZ 305505 B6. Bublinová membrána je rovněž snazší na vytvoření a stabilnější než membrána tvořená celistvým kapalným filmem.

Zařízení k separaci plynů ze směsi plynů průchodem stěnami bublin tvořených ze separační kapaliny je založené na tvorbě souvislé vrstvy bublin naplněných separovanou plynnou směsí. Tvorba bublin je zajištěna pomocí tzv. hlavy zařízení, která obsahuje separační kapalinu, do které je přiváděna směs plynů určená k separaci. Tím vznikají bubliny, jejichž kontinuální proud stéká po hladkém nakloněném povrchu desky zařízení. Zařízení je konstruováno tak, aby bylo možné jednoduše regulovat tok bublin a množství separované směsi tak, aby docházelo k souvislé tvorbě bublin. Tato vrstva bublin stéká po nakloněné rovině (desce) do nádoby, která je oddělena (uzavřena) od okolního prostředí, aby se do ní nedostával vzduch a aby se zabránilo úniku obohacené směsi plynu. V této nádobě se hromadí retentát, ve kterém je zakoncentrovaná požadovaná složka. Separace je dosažena rozdílným tokem dělených plynů při jejich průchodu stěnou bublin tvořených separační kapalinou. Tloušťka stěny bubliny je s výhodou menší než 5 pm.

V průběhu toku bublin po povrchu desky zařízení prochází přednostně jeden ze separovaných plynů stěnami bublin. Pohyb bublin je, vedle nastavitelného sklonu desky zařízení, po kterém bubliny stékají, řízen pomocí vakuové pumpy, která snižuje tlak v nádobě, která je oddělena od okolního prostředí. V této části zařízení obsahují bubliny vyšší koncentraci toho plynu z původní směsi, který má nižší permeabilitu skrz stěnu bublin. Bubliny jsou v této nádobě kontinuálně rozbíjeny rotující vrtulí. Kapalina získaná destrukcí bublin je čerpána zpět do hlavy zařízení, kde slouží k opětovné tvorbě bublin.

Na jednu stranu rovinné plochy (desky) zařízení je připojen vstup směsi plynů a kapaliny, tzv. hlava zařízení, a na druhé straně plochy je odvod separovaného plynu, který se uvolní po rozbití bublin. K destrukci bublin je použita rotující se vrtulka. Vzniklý produkt (separovaný plyn) je ze zařízení odváděn pomocí podtlaku a separační kapalina získaná destrukcí bublin je přečerpávána do hlavy zařízení a opětovně použita k tvorbě bublin. Tímto jednoduchým způsobem je zaručena kontinuální separace a možnost snadné recyklace separační kapaliny.

Předmětem předkládaného vynálezu je zařízení pro separaci plynů, které obsahuje hlavu zařízení, opatřenou vstupem pro separovanou plynnou směs a výstupem pro bubliny, přičemž k hlavě zařízení je jedním svým koncem připojena deska, připojená svým druhým koncem ke sběrné nádobě; a přičemž sběrná nádoba je uvnitř opatřena vrtulí a dále obsahuje výstup pro separovaný plyn. Výhodou zařízení je, že umožňuje vytvoření souvislého toku bublin požadovaných vlastností pro jeho aplikaci jako membránové separace plynů. Složení separační kapaliny, použitelné pro tvorbu bublin při způsobu separace směsi plynů, prováděném na zařízení podle předkládaného vynálezu, je z 60 až 97 % hmotn. voda, a 3 až 40 % hmotn. imidazolových, fosfoniových nebo pyridiniových iontových kapalin (např. l-methyl-3-butylimidazolium tetrafluoroborát) a/nebo povrchově aktivních látek ze skupiny anion i kation aktivních tenzidů (např. laurylethersulfát sodný, lauryldimethylamin oxid), vícesytných alkoholů, např. glycerin, polypropylenglykol, polyethylenglykol, a popřípadě dále sloučeniny na bázi sacharidů, např. sacharóza, hydroxyethylcelulóza nebo hydroxypropylmethylcelulóza, a/nebo vícesytných karboxylových kyselin, např. kyselina citrónová, kyselina vinná apod. Dalšími složkami mohou být anorganické báze (např. soda) a jako stabilizátor bublin lze použít guar gumu E412. S výhodou je separační kapalina stejná jako je popsaná v CZ 306331 B6 (nároky 4 a 5) a v CZ 305505 B6 (str. 4, odst. 3 a str. 5 poslední odstavec), tedy s výhodou obsahující 60 až 97 % hmotn. vody, 1 až 10 % hmotn. laurylethersulfátu sodného, do 5 % hmotn. lauryldimethylamin oxidu, 1 až 10 % hmotn. glycerolu, 0,5 až 5 % hmotn. sacharózy a do 10 % hmotn. polyethylenglykolu a popřípadě 0,5 až 5 % hmotn. hemoglobinu, výhodněji obsahující 80 až 90 % hmotn. vody, 4 až 6 % hmotn. laurylethersulfátu sodného, do 1 % hmotn. lauryldimethylamin oxidu, 3 až 5 % hmotn. glycerolu, do 0,5 % hmotn. sacharózy a do 6 %

-2CZ 308128 B6 hmotn. PEG a do 0,1 % hmotn. iontových kapalin, např. l-methyl-3-butylimidazolium tetrafluoroborátu. Složení kapaliny ovlivňuje zejména velikost toku plynu skrze stěny bublin a separační faktor. Separační faktor je definován jako poměr složení látek v permeátu (to co projde membránou - v našem případě stěnami bublin) ku poměru složení látek na vstupu do aparatury. Čím vyšší je jeho hodnota, tím efektivnější je rozdělení směsi. Nalezení konkrétního složení separační kapaliny vhodné pro konkrétní separovanou směs plynů je rutinní prací pro odborníka v oboru. Zařízení pro separaci plynů ze směsi plynů na vstupu vytváří souvislou vrstvu bublin separační kapaliny, které jsou naplněny separovanou směsí. Tvorbu bublin zaručuje hlava zařízení, do níž je čerpána separační kapalina a zároveň je tryskami ústícími pod hladinou separační kapaliny přiváděna dělená plynná směs. Vytvořené bubliny následně stékající v souvislém proudu po hladké skloněné desce separačního zařízení. Rychlost posuvu bublin po nakloněné ploše lze regulovat sklonem plochy. Sklon desky tedy určuje rychlost pohybu bublin (tj. čas, během kterého probíhá separace), ale zároveň také ovlivňuje sílu stěny bublin a tím i velikost toku plynu procházejícího skrz stěnu bubliny. Během toku bublin prochází jejich stěnou preferenčně jeden z dělených plynů směsi a uniká ze zařízení do okolného prostředí. Na nižším konci nakloněné plochy bubliny, nyní obsahující separovanou směs obohacenou o plyn, který pomaleji proniká stěnou bublin (má nižší permeabilitu), vtékají do uzavřeného prostoru. Jejich transport je řízen kromě nastavitelného sklonu plochy, po které bubliny stékají, s výhodou pomocí vakuové vývěvy, která v uzavřeném objemu vytváří podtlak. Zde jsou bubliny již izolovány od okolního prostředí (vzduchu). V této části zařízení již bubliny obsahují vysokou koncentraci plynu, který pomaleji permeuje stěnami bublin, na rozdíl od složení plynu v bublinách na vstupu do zařízení. Ve sběrné nádobě jsou bubliny kontinuálně rozbíjeny pomocí rotující vrtule za vzniku plynné složky - separovaného plynu, a kapalné složky - separační kapaliny. Kapalina získaná destrukcí bublin je s výhodou přečerpávána ze sběrné nádoby zpět do hlavy zařízení, kde je znovu použita na tvorbu bublin. Schéma jednoho příkladu aparatury je znázorněno na Obr. 1. Vrtule pro rozbíjení bublin může být s výhodou opatřena motorem.

Ve výhodném provedení je hlava zařízení dále opatřena vstupem pro separační kapalinu a/nebo sběrná nádoba je dále opatřena výstupem pro separační kapalinu. Výhodou těchto vstupů a výstupů je usnadnění plnění hlavy zařízení separační kapalinou.

Výhodněji je výše uvedené provedení opatřeno hadičkou s čerpadlem pro přečerpávání separační kapaliny ze sběrné nádoby do hlavy zařízení, přičemž hadička s čerpadlem spojuje vstup a výstup pro separační kapalinu. Tím je zajištěn uzavřený koloběh separační kapaliny v zařízení, která může být dle potřeby přečerpávána ze sběrné nádoby zpět do hlavy zařízení. Separační proces tak lze snadno regulovat a přečerpávání kapaliny uzpůsobit rychlosti separace plynů.

V ještě výhodnějším provedení může být hadička, spojující vstup a výstup pro separační kapalinu, dále opatřena prvním regulačním ventilem, který, spolu s čerpadlem, usnadňuje regulaci přečerpávání separační kapaliny ze sběrné nádoby zpět do hlavy zařízení.

V jednom výhodném provedení je výstup pro separovaný plyn ze sběrné nádoby připojen k vývěvě. Vývěva odčerpává separovaný plyn ze sběrné nádoby a zároveň vytváří podtlak, který přispívá k regulaci rychlosti stékání bublin po desce od hlavy zařízení ke sběrné nádobě.

S výhodou je mezi výstup pro separovaný plyn ze sběrné nádoby a vývěvu umístěn druhý regulační ventil. Zařízení tak může pracovat v kontinuálním režimu s možností snadné recyklace separační kapaliny.

Při způsobu separace za použití zařízení pro separaci plynů dle předkládaného vynálezu je deska vůči horizontální rovině nakloněna tak, že hlava zařízení je umístěna výš než sběrná nádoba. Sklon desky tak umožňuje posun (stok) bublin po povrchu desky směrem od hlavy zařízení ke sběrné nádobě. Změnou úhlu náklonu desky lze regulovat rychlost stoku bublin po desce a tím i dobu separace. Sklon aparatury (případně spolu s podtlakem vytvořeným vývěvou) určuje rychlost pohybu bublin (tedy dobu, po kterou separace probíhá), ale zároveň má i vliv na tloušťku

-3CZ 308128 B6 stěn bublin a tím i na velikost toku plynů přes stěnu bublin.

S výhodou svírá deska s horizontální rovinou úhel v rozmezí od 1 do 80°, s výhodněji od 5 do 45°.

Výhodným materiálem pro výrobu zařízení podle předkládaného vynálezu je nerezová ocel, ze které může být vyrobena deska, podstatná část hlavy zařízení a sběrné nádoby. Ostatní části hlavy zařízení a sběrné nádoby jsou s výhodou tvořeny plastem. Pro kontrolu destrukce bublin je výhodou, pokud je část sběrné nádoby vyrobena z průhledného plastu. Zařízení lze nicméně vyrobit i z jiných materiálů, které jsou inertní vůči separovaným plynům a separační kapalině, například sklo nebo plast.

Předmětem předkládaného vynálezu je dále způsob separace směsi plynů pomocí zařízení podle předkládaného vynálezu, který obsahuje následující kroky:

i) umístění separační kapaliny do hlavy zařízení tak, aby její hladina přesahovala vstup pro separovanou plynnou směs;

ii) zavedení separované plynné směsi do hlavy zařízení, čímž dojde ke vzniku bublin, jejichž stěny jsou tvořeny separační kapalinou a jejichž obsah je tvořen separovanou plynnou směsí;

iii) tok bublin z hlavy zařízení po povrchu desky směrem ke sběrné nádobě, během něhož dochází k separaci plynů na základě jejich rozdílné permeability stěnami bublin, přičemž plyn s nižší permeabilitou stěnami bublin zůstává uvnitř bublin a plyn s vyšší permeabilitou prochází stěnami bublin ven do okolního prostoru;

iv) vstup bublin do sběrné nádoby a jejich rozbití pomocí vrtule, přičemž je z rozbitých bublin uvolněn separovaný plyn;

v) odvod separovaného plynu, uvolněného z rozbitých bublin, ze sběrné nádoby.

Separovaná plynná směs je směs alespoň dvou plynů, které mají rozdílnou permeabilitu skrz dynamickou pěnovou membránu tvořenou stěnou bublin. S výhodou může být směs plynů vybrána ze skupiny obsahující: CFUCCE, H₂:CO₂, N₂:CO₂, CH₄: SO2, H₂:SO₂, N₂:SO₂, CH^NHs, H₂:NH₃, H₂:NH₃, CH₄:H₂S, H₂:H₂S, N₂:H₂S, N₂:O₂.

Separační kapalina je stejná jako definována výše.

Objasnění výkresu

Obr. 1. Schéma zařízení k separaci plynů na bázi bublin, které obsahuje vstup 1 pro separovanou plynnou směs, hlavu 2 zařízení, desku 3, uzavřený konec 4 desky, sběrnou nádobu 5, vrtuli 6 pro rozbíjení bublin, druhý regulační ventil 7, vývěvu 8, odvod 9 ze zařízení, čerpadlo 10 a první regulační ventil 11.

Příklady uskutečnění vynálezu

Transport látek přes stěnu bubliny lze popsat modelem, který je založen na rozpustnosti adifuzivitě separované látky (plynu) v kapalině z které jsou tvořeny bubliny. Protože hlavní složkou roztoku, z něhož jsou tvořeny bubliny, je voda, je v Tabulce 1 uvedena vypočtená orientační hodnota permeability separovaného plynu a jeho separační faktor k dusíku.

-4CZ 308128 B6

Tabulka 1

Data pro odhad separace plynů jsou převzaty z www.engineeringtoolbox.com/gases-solubilitywater-water-d 1148.html

Plyn Rozpustnost ve	Difuzní koeficient	Permeabilita	Separační faktor
vodě	(20 °C)		kN₂
(20 °C)	(m² s ¹,	(Barrer)	(-)
(mol m³)

n₂	0,64	2,0 x 10⁹	38	1
o₂	1,25	2,4 x 10⁹	89	2,3
ch₄	1,30	1,6 x 10⁹	63	1,7
co₂	39	1,7 x 10⁹	1940	51
Cl₂	100	1,5 x 10⁹	4480	118
h₂s	114	1,2 x 10⁹	4090	108
so₂	1790	1,6 x 10⁹	85500	2250
nh₃	30600	24 x 10⁹	2190000	57700

Z uvedené tabulky je vidět vysoká separační účinnost a vysoká výkonost zařízení podle předkládaného vynálezu.

Vynález je dále blíže popsán, aniž by tím byla omezena jeho podstata, na připojeném výkrese Obr. 1. Na výkrese je schematický pohled na zařízení, kde v horní části aparatury jsou v hlavě 2 napouštěním separované plynné směsi vstupem 1 vytvářeny bubliny. Ty stékají po povrchu nakloněné desky 3 a vytvářejí jednu souvislou vrstvu bublin. Na konci 4 desky 3 vtékají bubliny do sběrné nádoby 5, kde jsou pomocí rotující vrtule 6 rozbíjeny. Obsah rozbitých bublin obohacený o méně permeující složku z dělené směsi je přes druhý regulační ventil 7 za sníženého tlaku vývěvou 8 odváděn ze zařízení. Roztok, vzniklý destrukcí bublin ve sběrné nádobě 5, je přečerpáván čerpadlem 10 přes první regulační ventil 11 zpět do hlavy 2 zařízení. Zařízení bylo převážně vyrobeno z nerezové oceli (deska 3, podstatná část hlavy 2 zařízení a sběrné nádoby 5). Ostatní části hlavy 2 zařízení a sběrné nádoby 5 byly vyrobeny z průhledného plastu. Vyrobený prototyp zařízení měl objem hlavy 2 zařízení cca 100 ml, délka desky 3 byla 25 cm, sklon desky 3 byl 45 ° a objem sběrné nádoby 5 byl 1500 ml.

Dělená plynná směs zavedena do zařízení na Obr. 1 na horní straně, a jejím zavedením do roztoku (separační kapaliny) jsou tvořeny bubliny. Bubliny jsou pomocí výstupu pro bubliny přiváděny na desku 3 tak, aby vytvořily jednovrstvý souvislý proud bublin, stékající (klouzající) po povrchu desky 3. Je důležité nastavit průtok separační kapaliny vzhledem k toku přiváděné separované směsi tak, aby došlo k plynulé tvorbě bublin. Tenké stěny bublin mají separační funkci membrány, která efektivně propouští jeden z plynů z dělené směsi. Jeden z plynů stěnami bublin přednostně prochází do prostoru nad deskou 3 separačního zařízení a tím se obohacuje složení separované směsi v bublinách o druhý plyn (koncentrace plynu, který má vyšší permeability, uvnitř bublin klesá). Bubliny musí na skloněné ploše desky 3 vytvořit souvislý proud, aby se zabránilo průniku vzduchu do sběrné nádoby 5 zařízení, kde jsou bubliny, ochuzené o plyn, který stěnou bubliny prochází přednostně, pomocí rotující vrtule 6 rozbíjeny. Uvolněný plyn je pomocí vývěvy 8 za sníženého tlaku odsáván ze zařízení. Separační kapalina je zachycována ve sběrné nádobě 5 a poté čerpadlem 10 zpět dopravována do hlavy 2 zařízení, kde je znovu využita k tvorbě bublin.

Vhodným složením separační kapaliny lze dosáhnout maximální efektivity pro danou separovanou směs plynů. Složení kapaliny je nutno optimalizovat vzhledem ke stabilitě bublin a stupni požadované separace plynné směsi. K velmi rychlé separaci dochází i za pokojových

-5CZ 308128 B6 teplot kolem 20 °C. Není potřeba zvyšovat tlak separované směsi pomocí kompresorů, k tvorbě bublin postačuje nepatrný přetlak několika desítek Pascalů.

Složení separační kapaliny, použitelné pro tvorbu bublin při způsobu separace směsi plynů, prováděném na zařízení podle předkládaného vynálezu, je z 60 až 97 % hmotn. voda, a 3 až 40 % hmotn. imidazolových, fosfoniových nebo pyridiniových iontových kapalin (např. l-methyl-3butylimidazolium tetrafluoroborát) a/nebo povrchově aktivních látek ze skupiny anion i kation aktivních tenzidů (např. laurylethersulfát sodný, lauryldimethylamin oxid), vícesytných alkoholů, např. glycerin, polypropylenglykol, polyethylenglykol, a popřípadě dále sloučeniny na bázi sacharidů, např. sacharóza, hydroxyethylcelulóza nebo hydroxypropylmethylcelulóza, a/nebo vícesytných karboxylových kyselin, např. kyselina citrónová, kyselina vinná apod. Dalšími složkami mohou být anorganické báze (např. soda) a jako stabilizátor bublin lze použít guar gumu E412. S výhodou je separační kapalina stejná jako je popsaná v CZ 306331 B6 (nároky 4 a 5) a v CZ 305505 B6 (str. 4, odst. 3 a str. 5 poslední odstavec), tedy s výhodou obsahující 60 až 97 % hmotn. vody, 1 až 10 % hmotn. laurylethersulfátu sodného, do 5 % hmotn. lauryldimethylamin oxidu, 1 až 10 % hmotn. glycerolu, 0,5 až 5 % hmotn. sacharózy a do 10 % hmotn. polyethylenglykolu a popřípadě 0,5 až 5 % hmotn. hemoglobinu, výhodněji obsahující 80 až 90 % hmotn. vody, 4 až 6 % hmotn. laurylethersulfátu sodného, do 1 % hmotn. lauryldimethylamin oxidu, 3 až 5 % hmotn. glycerolu, do 0,5 % hmotn. sacharózy a do 6 % hmotn. PEG a do 0,1 % hmotn. iontových kapalin, např. l-methyl-3-butylimidazolium tetrafluoroborátu.

Příklad 1: Separace plynné směsi metan: oxid uhličitý

Jeden z příkladů použití zařízení podle vynálezu, konkrétně pro separaci plynné směsi metan - oxid uhličitý je popsán následovně. Separace plynné směsi různého složení byla prováděna za pokojové teploty 20 °C za použití zařízení vyobrazeném na Obr. 1. Bylo provedeno několik měření, kdy plynná směs (složení od 7 do 93 obj. % metanu a oxidu uhličitého) byla za mírného přetlaku cca 100 Pa zaváděna do hlavy 2 zařízení. Do hlavy 2 zařízení je také přiváděna separační kapalina s následujícím složením: voda 83 % hmotn., laurethsulfát sodný 4,5 % hmotn., lauryldimethylamin oxid 1 % hmotn., glycerol % 5 hmotn., sacharóza 0,5 % hmotn., PEG 6 % hmotn. Za plochu membrány v navrženém zařízení bereme pro výpočty účinnosti separačního zařízení plochu desky 3, po které stékají bubliny před vtokem do sběrné nádoby zařízení (190 cm²). Z výsledků pilotních experimentů shrnutých v níže uvedené Tabulce 2 je patrno, že separace má vysokou selektivitu a vysoký tok odstraňovaného plynu přes stěny bublin.

Tabulka 2: Přehled výsledků analýzy výstupní separované směsi pro různé složení dělené směsi pomocí zařízení využívajícího membránu bublinového filmu zjištěné pomocí plynového chromatografu.

-6CZ 308128 B6

Složení vstupní směsi CH4/CO2 do aparatury (700 ml/min)		Složení dělené směsi na výstupu
Vzduch	ch₄	CO2 Obohacení
CH₄ (% mol)	CH₄ : CO₂ (% mol)	% mol	% mol	% mol
93	93:7	9,0	88,2	2,8	2,4x
87	87:13	10,8	84,1	5,1	2,5x
80	80:20	10,8	82,9	6,3	3,3x
73	73:27	10,6	79,4	10,0	2,9x
66	66:34	6,3	77,9	15,8	2,5 x
59	59:41	9,9	74,9	15,2	3,4x
52	52:48	13,1	70,5	16,5	4,0 x
45	45:55	4,5	65,4	30,1	2,7x
37	37:63	7,4	60,4	32,1	3,2 x
30	30:70	10,1	52,8	37,1	3,3x
23	23:77	11,2	50,1	38,6	4,3 x
15	15:85	20,2	46,7	33,1	8,0 x
7	7:93	9,6	22,7	67,7	4,5x

Tabulka 2 dokládá vysokou separační účinnost v širokém rozsahu koncentrace separované plynné směsi. V posledním sloupci je uvedeno obohacení, což představuje poměr složení metanu a oxidu uhličitého na výstupu ku poměru metanu a oxidu uhličitého na vstupu do aparatury - (CH4 : COzjvýstup /(CH4 : COzjvstupMnožství vzduchu přítomného ve výstupní směsi plynů vzrůstá s dobou prodlení separované směsi v zařízení, ale pokud plyn bude určen ke spálení, není přítomnost vzduchu závadou. Zařízení bylo provozováno v řádu dní, pouze s pravidelným doplňováním odpařené vody.

Průmyslová využitelnost

Zařízení podle předkládaného vynálezu je využitelné všude tam, kde je třeba odstranit a případně separovat balastní složky ze vznikajících průmyslových plynů, zejména při spalování fosilních paliv, zvyšování výtěžnosti bioplynových stanic a čističek odpadních vod.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

1. Zařízení pro separaci plynů, vyznačené tím, že obsahuje hlavu (2) zařízení, opatřenou vstupem (1) pro separovanou plynnou směs a výstupem pro bubliny, přičemž k výstupu pro bubliny je k hlavě (2) zařízení jedním svým koncem připojena deska (3), připojená svým druhým koncem ke sběrné nádobě (5); a přičemž sběrná nádoba (5) je uvnitř opatřena vrtulí (6) a dále obsahuje výstup pro separovaný plyn.

-7CZ 308128 B6

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačené tím, že vrtule (6) je opatřena motorem.

3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačené tím, že hlava (2) zařízení je dále opatřena vstupem pro separační kapalinu a/nebo sběrná nádoba (5) je dále opatřena výstupem pro separační kapalinu.

4. Zařízení podle nároku 3, vyznačené tím, že vstup a výstup pro separační kapalinu jsou navzájem spojeny hadičkou opatřenou čerpadlem (10) pro přečerpávání separační kapaliny ze sběrné nádoby (5) do hlavy (2) zařízení.

5. Zařízení podle nároku 4, vyznačené tím, že hadička je dále opatřena prvním regulačním ventilem (11).

6. Zařízení podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačené tím, že výstup pro separovaný plyn ze sběrné nádoby (5) je připojen k vývěvě (8).

7. Zařízení podle nároku 6, vyznačené tím, že mezi výstup pro separovaný plyn ze sběrné nádoby (5) a vývěvu (8) je umístěn druhý regulační ventil (7).

8. Zařízení podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačené tím, že deska (3) je vůči horizontální rovině nakloněna tak, že hlava (2) zařízení je umístěna vertikálně výš než sběrná nádoba (5).

9. Způsob separace směsi plynů pomocí zařízení podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačený tím, že obsahuje následující kroky:

i) separační kapalina se umístí do hlavy (2) zařízení;

ii) separovaná plynná směs se zavede do separační kapaliny v hlavě (2) zařízení za vzniku bublin;

iii) tok bublin z hlavy (2) zařízení po povrchu desky (3) směrem ke sběrné nádobě (5), během něhož se plyny separují na základě jejich rozdílné permeability stěnami bublin; přičemž plyn s nižší permeabilitou zůstane uvnitř bublin a plyn s vyšší permeabilitou projde skrz stěnu bubliny ven;

iv) vstup bublin do sběrné nádoby (5) a jejich rozbití pomocí vrtule (6) za uvolnění separovaného plynu;

v) separovaný plyn, uvolněný z rozbitých bublin, se odvede ze sběrné nádoby (5).