DE3883360T2

DE3883360T2 - Modularer mantelloser Luftpermeator.

Info

Publication number: DE3883360T2
Application number: DE88107945T
Authority: DE
Inventors: Donald William Edwards
Original assignee: Air Liquide SA; EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: Air Liquide SA; EIDP Inc
Priority date: 1987-12-22
Filing date: 1988-05-18
Publication date: 1994-03-17
Anticipated expiration: 2008-05-19
Also published as: JPH059125B2; EP0321637B1; DE3883360D1; US4871379A; ES2042644T3; TNSN88066A1; DK269488A; PT87509B; KR890009443A; OA08848A; ZA883483B; NO882142L; CN1033572A; BR8802379A; MA21284A1; EP0321637A3; JPH01171618A; DK269488D0; CA1306422C; AU1632588A

Description

Die Erfindung betrifft einen mantellosen Gaspermeator und eine Anordung von solchen Permeatoren.
Bei den meisten Permeatoren nach dem Stand der Technik ist ein Faserbündel in einem Druckkessel oder einem Gehäuse eingeschlossen, das alle Elemente des Moduls enthält und eine Halterung für das Modul schafft, die Elemente des Moduls stützt und Bedienungspersonen gegenüber einem möglichen Versagen der Modulelemente wie den Rohrwänden schützt. Tatsächlich sind die Gehäuse ein integraler Teil der meisten Module nach dem Stand der Technik. Solche Gehäuse erhöhen die Kosten der Module, da sie große, feste Strukturen sein müssen, um all die anderen Elemente aufzunehmen. Auch in den Fällen von Rohrwand-gespeisten Permeatoren, bei denen der Zuführdruck an die Bohrungen der Hohlfasern angelegt wird, ist das Gehäuse, das den Druck an den Rohrwandenden aufnimmt, ausgedehnt, um das gesamte Bündel aufzunehmen.
Bei den meisten Modulen nach dem Stand der Technik sind in dem Gehäuse Fluidverbindungsöffnungen notwendig und ist kein einfacher Weg bekannt, um eine Vielzahl derartiger Module in einem kostengünstigen Behältnis anzuordnen, um eine Permeatoranordnung hoher Kapazität zu schaffen. Es ist auch kein einfacher Weg bekannt, um Module in einer Permeatoranordnung zu ersetzen. Im allgemeinen werden Module als einzelne Einheiten behandelt, die in einem voluminösen Gebilde einfach nebeneinander liegen, und müssen wenigstens drei Fluidverbindungen für jedes Nodul für den Zuführungsstrom, den Restgasstrom und den Permeatstrom eingerichtet werden.
Der mantellose Permeatormodul und die Anordnung solcher Module nach der vorliegenden Erfindung schafft eine wirtschaftliche Modulkonstruktion, ohne daß, wie beim Stand der Technik, ein Gehäuse notwendig ist, und die Permeatormodulanordnung schafft einen kompakten, kostengünstigen Permeator flexibler Kapazität mit wenigen erforderlichen Fluidverbindungen.
US-A-4,568,579 zeigt ein asymmetrisches hohles Rohr zum Abtrennen von Stickstoff und Sauerstoff aus Luft, bei dem die Luft durch die Bohrungen der hohlen Rohre zugeführt wird.
EP-A-0 204 424 zeigt eine Gastrennvorrichtung, bei der das abzutrennende Gas den Bohrungen einer Vielzahl asymmetrischer hohler Fasern zugeführt wird.
Die Erfindung, wie sie in Anspruch 1 beansprucht wird, löst die Aufgabe, einen Gaspermeator geringer Kosten zu schaffen. Die Kosten des Gaspermeators werden hauptsächlich dadurch reduziert, daß die einzelnen Faserbündel nicht in einer Druckkammer, einem Gehäuse, einem Behälter oder dergleichen eingeschlossen sind. Die Rohrwanddruckkammern sind durch die Halterungsstange verbunden, die durch das Zentrum des Bündels geht. Die Halterungsstange ist ein Sicherheitsmerkmal, das die Permeatorteile im Falle eines Versagens der Rohrwände zusammenhält.
Durch die Ausgestaltung nach Anspruch 2 wird der Aufwand an äußeren Rohrleitungen verringert und kann ein Probenöffnungs- und Strömungssteuerungsventil geschaffen werden, das einteilig mit der Kappe am einen Ende ist.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 3 kann das Gehäuse ein kostengünstiges für Umgebungsdruck ausgelegtes Gehäuse sein. Die Module werden einzeln in dem Gehäuse so abgestützt, daß sie zum Austausch leicht entfernt werden können. Die Endkappen können getrennte Öffnungen zur Herstellung externer Fluidverbindungen zu jedem Modul haben. Dies hat den Vorteil, daß ein einzelner Modul ohne Störung eines anderen Moduls abgetrennt und entfernt werden kann. Es ist jedoch eine getrennte äußere Rohrverbindung zu den einzelnen Modulen notwendig. Bei einer anderen Ausgestaltung, die die Endkappen mit Sammelleitungssegmenten verwendet, sind die Module gestapelt und sind die Endkappen miteinander verbunden und abgedichtet, so daß nur eine einzige Fluidverbindung zu jedem Ende der Anordnung erforderlich ist. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß nur ein Minimum an äußeren Rohrverbindungen ohne Rohrverbindung zu den einzelnen Modulen für die Anordnung notwendig ist, wobei jedoch das Entfernen eines Noduls am Boden der Anordnung die Bewegung aller Module, die darüber gestapelt sind erfordert.
Verschiedene Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 in einem Schnitt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 in Draufsicht eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 einen Schnitt nach 1-1 von Fig. 4;
Fig. 4 in einer Endansicht den Permeator von Fig. 2;
Fig. 5 eine Dichtungsplatte, die zwischen zwei Permeatoren der Fig. 2 bis 4 paßt;
Fig. 6 in einem perspektivischen Schnitt die Dichtung der Dichtungsplatte nach Fig. 5;
Fig. 7 in einer perspektivischen Ansicht einer Permeatoranordnung nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 in einer perspektivischen Ansicht eine Permeatoranordnung nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 in einer perspektivischen Ansicht eine andere Permeatoranordnung nach der vorliegenden Erfindung und
Fig. 10 im Schnitt eine Permeatoranordnung nach der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform des einzelnen, Rohrwand-gespeisten Faserbündel-Moduls insgesamt mit 10 bezeichnet. Das Faserbündel 11 ist um eine mittige Halterungsstange 12 herum aufgebaut, die sich teilweise durch die endseitigen Rohrwände 14 und 16 erstreckt. Jede Rohrwand hat eine eigene Druckkammer-Endkappe 18 und 20, die Druckkammern 22 und 24 zwischen der Innenseite der Endkappen und den Stirnseiten der Rohrwände 26 und 28 schafft, an denen sich die Faserbohrungen öffnen. Die Kammern sind durch O-Ringe 27 30 und 29 zwischen den Rohrwänden und den Endkappen abgedichtet. Vorzugsweise ist das Druckkammervolumen so klein wie möglich, so daß das Volumen des komprimierten Gases unterhalb des Wertes gehalten wird, bei dem es notwendig wird, bestimmte von Land zu Land unterschiedliche Druckkessel- Normen zu erfüllen. Zwischen der Endkappenöffnung 30 und der Rohrwand-Stirnseite 26 ist eine Ablenkplatte 34 vorhanden, die anströmendes Fluid in eine Richtung parallel zu der Stirnfläche 26 ausrichtet, um eine Errosion der Stirnfläche durch Strömung hoher Geschwindigkeit zu verhindern. Die Endkappen werden durch eine Befestigung an der mittigen Stange 12 mittels Bolzen 38 und 40 und Hutmutter 42 und 44 an dem Faserbündel gehalten. Distanzstücke 46 und 48 erlauben es, die Endkappen fest gegen die Enden an der Stange 12 zu ziehen und Dichtungen 50 und 52 verhindern jede Fluidleckage um die Bolzen 38 und 40. Das Faserbündel wird vorzugsweise auf einem Teil seiner Länge mit einer Umwicklung oder Hülse 54 bedeckt, die dazu dient, die Permeatströmung zu kanalisieren, wie noch erläutert wird. Die Umwicklung kann ein Band oder eine Folie sein, z.B. eine Polyesterfolie.
Die Endkappe ist in einem Gleiteingriff mit der Rohrwand an jedem Ende des Faserbündels gezeigt. Dies ist für Faserbündel mit einem Durchmesser von weniger als etwa 13 cm (5 Zoll) geeignet. Bei diesem kleinen Durchmesser ist das Faserbündel fest genug, um nicht unter Druck zu versagen, wenn es nur an der mittigen Stange 12 abgestützt wird. Für Faserbündel mit mehr als etwa 13 cm (5 Zoll) Durchmesser kann eine zusätzliche Abstützung für das Faserbündel geschaffen werden, indem das Faserbündel und die Endkappe anstatt des gezeigten Gleiteingriffs im Schraubeingriff stehen. Wie man aus Fig. 1 erkennen kann, könnte im Falle eines strukturellen Versagens einer Rohrwand, wie 16, durch Umfangsabscherung infolge zu hohen Druckes in der Kammer 24 ein toruidaler Abschnitt der Rohrwand sich nach links in der Figur bewegen. Dieser Abschnitt würde jedoch nach der Abtrennung von der Endkappe 20 durch die Stange 12 an dem Modul gehalten und würde nicht zu einem gefährlichen Geschoß.
Im Betrieb als ein Luft-Separationspermeator zur Abtrennung von Stickstoff tritt das Zuführgas, Luft, durch die Öffnung 30 in der Endkappe 18 ein, strömt um die Ablenkplatte 34 und tritt in die Faserbohrungen in der Strinfläche 26 ein. Bei der Luftströmung innerhalb der Faserbündel 10 permeiert der Sauerstoff in der Luft 3-bis 8mal schneller durch die Faserwände als der Stickstoff. So wie der nichtpermiierende Restgasstrom in den Faserbohrungen an Sauerstoff verarmt, so verarmt das Permeat zunehmend an Sauerstoff. Wird das sauerstoffarme Permeat auf der Außenseite der Faser kanalisiert, so daß es nach links entgegen dem Zuführstrom zurückströmt, so hat dies die Wirkung, daß die Differenz im Sauerstoffpartialdruck an den Faserwänden maximiert wird und so die Geschwindigkeit der Sauerstoffpermeation durch die Faserwände maximiert wird. Der Nutzeffekt besteht darin, daß die Leistung des Permeators entweder durch Verbesserung der Stickstoffreinheit in dem Restgasstrom bei einer festen Konversion (Verhältnis von Restgasstrom zu Zuführstrom) oder durch Erhöhung der Konversion bei fester Reinheit verbessert wird. Die Umwicklung 54 dient dazu, solch eine Gegenströmung des Permeats innerhalb des Faserbündels zu fördern.
Die stickstoffreiche Strömung verläßt die Faserbohrungen an der Stirnfläche 28 am rechten Ende des Faserbündelmoduls 10. Dies ist das Restgas, das in diesem Fall das gewünschte Produkt der Separation ist. Das Restgas strömt durch die Kammer 24 und aus der Öffnung 32 in der Endkappe 20 und wird durch ein geeignetes Rohrsystem in einer Produktsammelleitung gesammelt. Das sauerstoffreiche Permeat strömt am linken Ende des Bündels jenseits des Endes der Umwicklung 54 aus und wird zur Umgebung abgezogen. Der Zuführgasdruck kann typischerweise 600 bis 100 kPa (6 bis 10 at), der Restgasdruck bis zu etwa 100 kPa (1 at) weniger als der Zuführdruck und der Permeatdruck etwa 100 kPa absolut (1 at) betragen. Bei dem erläuterten Betrieb ist der Restgasstrom das gewünschte Produkt. Bei anderen Anwendungen kann das Produkt jedoch der Permeatstrom sein, der durch ein Niederdruckbehältnis um den Permeatormodul gesammelt werden kann, wie in Verbindung mit den Fig. 7, 8 und 9 erläutert wird.
In Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform des Faserbündelmoduls gezeigt, bei der jede Endkappe mit einem Fluidsammelleitungssegment versehen ist. Die Endkappe 60 (Fig. 3) hat ein Sammelleitungssegment 62 und die Endkappe 64 hat ein Segment 66, wobei die Segmente in Fluidverbindung mit den Kammern 68 bzw. 70 stehen. Die Endkappen sind so geformt, daß sie das Aufeinanderstapeln der Module ermöglichen, wobei sich das Sammelsegment eines Moduls in Fluidverbindung mit dem Sammelleitungssegment des anderen befindet. Die Abdichtung zwischen Sammelleitungssegmenten wird durch eine in Fig. 5 gezeigte Dichtungsplatte 72 erreicht, die ein in Fig. 6 gezeigtes elastomeres Dichtungselement 74 aufweist. Die Dichtungsplatte wird zwischen Modulen gestapelt, wie in Verbindung mit Fig. 8 beschrieben wird. Die Endkappe 64 hat auch einteilig mit der Kappe ein Strömungssteuerungsventil 76, das die Fluidverbindung zwischen Kammer 70 und Segment 66 begrenzt. Durch Drehen des Schaftes 73 wirkt der Stopfen 75 mit der Öffnung 77 zusammen, um die Strömung aus der Kammer und infolgedessen durch die Faserbohrungen des Bündels 11 zu begrenzen. Dies ermöglicht ein Einstellen der Strömung durch die einzelnen Faserbündel einer Permeatoranordnung mit einer Vielzahl von Bündeln, so daß die Stickstoffreinheit jedes Bündelmoduls in der Anordnung mit den anderen Modulen ausgeglichen werden kann. Gemäß Fig. 3 ist ein Prüfventil 78 in Fluidverbindung mit der Kammer 70 vorhanden, das die Prüfung des Restgases der einzelnen Module ermöglicht. Solche Prüfventile ähneln dem schaftförmigen Aufbau des Druckventils eines Kfz-Reifens. In ähnlicher Weise kann ein Prüfventil auch der Endkappe 20 des Moduls 10 in Fig. 1 hinzugefügt werden.
In Fig. 7 ist ein bevorzugter Permeatoraufbau 81 gezeigt, der eine Mehrzahl von Modulen 10 der Ausführungsform von Fig. 1 enthält. Er besteht aus einem kostengünstigen, im wesentlichen auf Umgebungsdruck ausgelegten Behältnis 80, der Wannen 83 abstützt, in die die Faserbündelmodule 30 eingesetzt werden. Die Nodule werden an den Endkappen 18 und 20 abgestützt und werden durch Ringe 85, die am Außendurchmesser der Kappen 18 und 20 angreifen, gehalten und abgedichtet. Das Behältnis kann aus dünnem Metallblech hergestellt sein. Die zuführseitigen Endkappen 18 befinden sich über Öffnungen 30 und Verbindungen 84, die typisch für alle Module in der Anordnung sind, in Fluidverbindung mit einer Zuführ-Sammelleitung 82. Ähnliche Verbindungen sind mit den Restgas- Endkappen (nicht gezeigt) an der gegenüberleigenden Seite des Behältnisses gemacht. Diese Verbindungen ermöglichen eine Fluidverbindung zwischen den Restgas-Endkappen und einer Restgas-Sammelleitung 86. Das durch die Faserwände jedes Faserbündelmoduls strömende Permeat wird im Inneren des Behältnisses gesammelt und durch einen Abzug 88 in die Umgebung abgeleitet. Als Sicherheitseinrichtung ist eine Druckentlastung 90 an dem Behältnis vorgesehen, um eine zusätzliche Belüftung an dem drucklosen Kessel-Behältnis zu schaffen, falls eine Rohrwand oder ein Faserbündel versagt, was eine starke Strömung und einen Druckanstieg in dem Behälter 80 verursachen kann.
In Fig. 8 ist eine bevorzugte Permeatoranordnung dargestellt, die insgesamt mit 91 bezeichnet ist und eine Mehrzahl der Module 61 der Ausführungsform der Fig. 2 bis 4 enthält. Sie besteht aus einem einzigen vertikalen Stapel von Modulen, die durch Bolzen 92 und Abdichtungsplatten 72, die zwischen den Modulen wie bei 96 angeordnet sind, zusammengehalten sind. Der Stapel ist nach der Darstellung ferner an jedem Ende an einer Stützkonstruktion 94 befestigt. Metalltafeln wie 98 und 100 sind an den Seiten und Enden des Stapels befestigt, um die Faserbündel einzuschließen und das Permeat aufzunehmen. Die obere Abschlußtafel 98 hat einen Abzug 102, um das Permeat aus dem Permeator zu führen. Die Seitentafel 100 hat ein Druckentlastungsventil ähnlich dem in der Permeatoranordnung 81 von Fig. 7. Die einzige externe Rohrleitung, die bei diesem Permeator notwendig ist, ist die Einlaßverbindung 104 zum Einlaßende des Stapels, die Restgas- oder Produkt-Auslaßverbindung 106 zum Restgasende des Stapels und die Permeatauslaßverbindung 102.
In Fig. 9 wird eine andere Variante einer Permeatoranordnung dargestellt, die insgesamt mit 106 bezeichnet ist und Module nach den Fig. 2 bis 4 verwendet. Bei dieser Ausführungsform sind zwei Stapel von Modulen Seite an Seite angeordnet und an Sammelleitungsblöcken 108 und 110 festgeschraubt. Es sind Seiten- und Abschlußbleche ähnlich denen der Anordnung von Fig. 8 vorhanden. Die einzige externe Rohrverbindung, die für diesen Permeator notwendig ist, ist die Einlaßverbindung 112 zu dem Block 108 am Einlaßende des Stapels, die Restgas- oder Produkt-Auslaßverbindung 114 zum Block 110 am Ende des Stapels und die Permeatauslaßverbindung 115.
Anstatt individuelle Behältnistafeln wie in den Fig. 8 und 9 vorzusehen, kann alternativ ein monolithisches Behältnis den Stapel von Permeatormodulen, die auf einer Basisplatte montiert würden, umgeben. Abnehmbare Zugangsöffnungen können vorgesehen werden, um die Strömungs-, Steuerungs- und Prüfventile zu erreichen. Zum Entfernen eines einzelnen Moduls aus der Anordnung kann das monolithische Behältnis schnell entfernt werden, um Zugang zu dem Modulstapel zu haben.
Fig. 10 zeigt eine bevorzugte Permeatoranordnung, die insgesamt mit 120 bezeichnet ist. Bei dieser Ausführungsform sind zwei Stapel von Modulen 121 Seite an Seite in einem Metallblechbehältnis 122 montiert. Das Permeat für die Module 121 ist mittels eines Gebläses 123 oder einer Unterdruckeinrichtung, die in dem Behältnis einen geringen Unterdruck erzeugt, nach oben durch die Permeatoranordnung 120 geführt. Es soll auch Luft in die Permeatoranordnung 120 durch ein Gitter 124 geleitet werden. Diese Anordnung hat verschiedene Vorteile. Erstens ist kein Druckentlastungsventil an dem Metallblechgehäuse 122 notwendig, da eine Seite immer zur Umgebung offen ist. Zweitens wird das Permeat,das sich nahe am Taupunkt befinden kann, durch Umgebungsluft verdünnt, so daß eine mögliche Kondensation verhindert wird. Drittens besteht keine Leckage sauerstoffreicher Luft (eine mögliche Brandgefahr) in dem Raum um die Permeatoranordnung, wenn ein Modul während des Betriebs zum Austausch entfernt wird (durch Verschließen einzelner Verbindungen zu der Sammelleitung) oder wenn die Abdichtung um die Modul-Endkappen oder Behältnisverbindungen fehlerhaft ist. Wenn eine Strömung von Umgebungsluft nicht bestehen soll, kann das Gitter 124 durch eine massive Tafel ersetzt werden. Das Gebläse 123 kann mit Vorteil auch bei den Permeatoranordnungen der Fig. 7, 8 und 9 hinzugefügt werden.
Es ist vorteilhaft, daß eine Modul-Grundgröße mit anderen Modulen in einer einfachen Anordnung verbunden werden kann, um einen Permeator jeder Größe zu schaffen. Es wird nur ein einziges Behältnis für jede Permeatoranordnung benötigt, wodurch die Kosten individueller Modulbehälter eingespart werden. Bei beiden dargestellten Permeator-Ausführungsformen wird das Permeat-Rohrsystem zu einem einzigen Auslaß für jede Anzahl von Modulen in der Permeatoranordnung vereinfacht. Bei den Permeatoranordnungen, die Module mit geformten Endkappen verwenden, die einteilige Sammelleitungssegmente aufweisen, wird die Verrohrung weiter zu drei Verbindungen für jede Anzahl von Modulen in einer Permeatoranordnung vereinfacht.

Claims

1. Mantelloser Gaspermeator (10) mit einem länglichen Bündel von Hohlfasern (11), die eine Rohrwand (14 und 16) an beiden Enden, mit Endkappen (18 und 20), die beide Rohrwände einschließen und in Verbindung mit den Hohlfasern Druckkammern (22 und 24) bilden, wobei die erste Kammer (22) ein Einlaß ist und die zweite Kammer (24) ein Restgas-Auslaß ist, mit einer Halterungsstange (12) in der Mitte des Bündels von Hohlfasern, die sich durch jede Rohrwand und Endkappe erstreckt und starr daran befestigt ist, und mit einem Durchgang (30 und 32), der eine Fluidverbindung zwischen der Außenseite jeder Endkappe und der Kammer innerhalb der Kappe herstellt.

2. Permeator nach Anspruch 1, wobei die Endkappen für die Stapelung mit einem ähnlichen Permeator ausgebildet sind und der Durchlaß in einer Endkappe ein Sammelleitungssegment (62) ist, das für die Verbindung mit einer ähnlichen Sammelleitung (60) in einer benachbarten Endkappe ausgebildet ist.

3. Anordnung von Permeatoren nach Anspruch 1, mit einer Mehrzahl solcher Permeatoren (60) die in einer parallelen Reihe angeordnet sind, wobei die Enden der Pemeatoren in der gleichen Ebene liegen, mit einem Behältnis (80), das die Reihe von Permeatoren enthält, wobei eine Verbindung (Sammelleitung 82) zwischen den Enden der Permeatoren in der selben Ebene hergestellt wird, wodurch ein gemeinsamer Zuführungseinlaß (82) und ein gemeinsamer Restgas-Auslaß (86) hergestellt wird, und mit einer Abzugs- oder Leitungsanordnung (88), die einen Permeat-Auslaß bildet und das Abführen des Permeats aus dem Behältnis ermöglicht.

4. Anordnung von Permeatoren nach Anspruch 3, wobei der Auslaß mit einem Gebläse oder einer Unterdruckeinrichtung (123) versehen ist, um einen Unter-Atmosphärendruck in dem Behältnis zu schaffen.