DK141685B - Apparat til separation af fluida. - Google Patents

Description

OD FREMLÆGGELSESSKRIFT 141685 (m) \Ra/ DANMARK (51) lnt C| 3 8 0 1 0 53/22 (21) Ansøgning nr. 6539/T3 (22) Indleveret den 23· 110V. 1973 f(23) Løbadag 23· noV. 1973 (44) Ansøgningen fremlagt og β

fremlæggelsesskriftet offentliggjort den 2 ' J * yOU

DIREKTORATET FOR

PATENT- OG VAREMÆRKEVÆSENET (30) Prioritet begæret fra den

24. nov. 1972, 7241821, ER

(7i) RHONE-POULENC S.A., 22 avenue Montaigne, Parle 8e, FR.

(72) Opfinder: Alphonse Faure, 30 rue de Mont ferrat, Bran (Rhone), FR:

Jacques Baudet, Les~Bleuete, 13 avenue du Lycee, RousBlllon (leere), FR. ~ (74) Fuldmægtig under sagens behandling:

Ingeniørfirmaet Budde, Schou & Co.

(54) Apparat til separation af fluida.

Den foreliggende opfindelse angår et apparat til separation af fluida, især til gaspermeation, hvilket apparat 1 kombination omfatter a) en kappe, b) en tilgang til tilførsel af et fluidum, som skal behandles, til nævnte kappe, c) en afgang til fjernelse af behandlet fluidum fra kappen, d) en stabel af med mellemrum anbragte elementarceller, der er placeret inden i kappen mellem tilgangen og afgangen, og hvor hver celle omfatter en porøs understøtning, en semipermeabel membranvæg på hver flade af understøtningen og organer, der afgrænser en åbning gennem cellen, e) organer, der afgrænser en strømningspassage for fluidum ved kanten af hver celle, f) mindst én ledeplade i kappen og strækkende sig tværs over denne mellem cellerne, g) mindst én ledning til opsamling af det flui- 2 141685 dum, der har passeret gennem membranvæggene, hvilken ledning er ført gennem åbningerne i cellerne, idet cellerne er fastholdt på tætsluttende og aftagelig måde på ledningen, og ledningen udmunder udenfor kappen, og h) organer, som afgrænser mindst én åbning i hver ledeplade i nærheden af nævnte ledning.

Et kendt apparat af lignende art er omhandlet i fransk patentskrift nr. 1.412.837. Virkningsgraden af dette apparat er imidlertid ikke særlig god.

Formålet for den foreliggende opfindelse er at tilvejebringe et apparat af en enkel konstruktion, som frembyder en forbedret virkningsgrad.

Dette opnås ifølge opfindelsen ved et apparat af den indledningsvis nævnte art, som er ejendommelig ved at hver semipermeabel membranvæg på hver flade af nævnte porøse understøtninger består af et polymert materiale, og at ledepladerne kun er i kontakt med kappens indervæg og på aftagelig måde fastholdes i kappen af stabelen af med mellemrum anbragte elementarceller.

Opfindelsen skal i det følgende beskrives nærmere ud fra udførelsesformer, idet der henvises til den skematiske tegning, på hvilken: fig. 1 viser et aksialsnit gennem et samlet apparat ifølge opfindelsen, fig. 2 en ledeplade set ovenfra, fig. 3 et delsnit i fig. 1 vinkelret på apparatets akse tværs gennem et af de med henvisningstallet 11 betegnede elementer, fig. 4- en elementareelle set ovenfra, fig. 5 et aksialsnit langs linien V-V i fig. 4, fig. 6 en anden udførelsesform for en ledeplade set ovenfra, fig· 7 yderligere en udførelsesform for en ledeplade set ovenfra, fig. 8 et snit langs linien VIII-VIII i fig. 7 °g med supplerende elementer, fig. 9 endnu en udførelsesform for en ledeplade set ovenfra, fig. 10 et aksialsnit langs linien X-X i fig. 9 °g med tætningsskiver, fig. 11 yderligere en udførelsesform for en ledeplade set ovenfra, fig. 12 et aksialsnit langs linien XII-XII i fig. 11, fig. 13 et aksialsnit gennem en anden udførelsesform for et apparat ifølge opfindelsen, 3 141685 fig. l4 endnu en udførelsesform for en ledeplade set ovenfra, og fig. 15 et aksialsnit langs linien XV-XV i fig. 14.

Det i fig. 1 viste apparat ifølge opfindelsen omfatter en indeslutning 1, som f.eks. er dannet af en kappe 2, der fortrinsvis har cylindrisk form, og af to endestykker 5 og 4, af hvilke mindst det ene er aftageligt, og hvor hver af endestykkerne har en kanal 5 og 6, der sætter det indvendige af indeslutningen i forbindelse med dens ydre.

Indvendigt i indeslutningen 1 findes en membranstabel omkring en ledning 7 til opsamling af det fluidum, der er trængt gennem membranerne, og som i det følgende kaldes permeat. Ledningen 7 kan være dannet af en med gevind forsynet stang, der er forsynet med i det mindste kn langsgående kanal 8, gennem hvilken permeatet strømmer. Membranstablen omfatter anbragt på ledningen 7 skiftevis ledeplader 9 for det fluidum, der skal behandles, og elementåreeller 10, hvilke sidste er adskilt fra ledepladerne ved f.eks. tætningsskiver 11.

Elementarcellerne, af hvilke en er vist i fig. 4 og 5* er dannet af en porøs understøtning 12, som har form som indeslutningens tværsnit, og hvor den porøse understøtning på hver side har en membranskillevæg, f.eks. en membran 13, idet de to membraner på tætnende måde er forenet med hinanden ved omkredsen 14 af den porøse understøtning. Hver elementarcelle 10 har en åbning 15 i det indre af membranoverfladen og den porøse understøtning 12, gennem hvilken åbning ledningen 7 er ført. De porøse understøtninger kan være af meget forskellige materialer, især af sintrede materialer såsom rustfrit stål, bronce, po-lyethylen og polyvinylchlorid. De porøse understøtninger kan med fordel være af filtrerpapir, der er imprægneret med phenolharpiks, og deres tykkelse aftager ved periferien. Det skal bemærkes, at elementår-cellernes membranskillevægge ikke nødvendigvis behøver at være over-trukne, plane membraner, men at disse membranskillevægge kan være tilvejebragt ved f.eks. i det mindste et lag af en polymeropløsning, der er aflejret på den porøse understøtning. Den porøse understøtning 12 i hver elementarcelle medfører anbringelse af de to membranelementer over hinanden, således at der mellem dem kan dannes et mellemrum til bortledning af permeat i retning mod den centrale ledning. Man kan ligeledes anbringe et gitterværk, der danner den porøse understøtning, i mellemrummet mellem de to membranelementer.

4 141685

Ledepladerne 9, af hvilke en er vist i fig. 2, omfatter en åbning 16 omkring ledningen 7 samt kanaler 17 til det fluidum, der skal behandles. Ledepladerne 9 har samme form som tværsnittet af kappen 2, med hvilken de er i kontakt. De kan med fordel være udført på en sådan måde, at i det mindste deres ydre kant 18 har en vis blødhed, og således eventuelt kan bøjes let ved kontakt med kappen 2, især under anbringelse på plads i apparatet.

Når ledepladerne 9 er bløde, kan det være fordelagtigt på hver side af membranstabelen at anbringe en beskyttelsesplade. Denne plade kan eventuelt være gennembrudt og f.eks. have form af en skive, når kappen er en omdrejningseylinder. Den ydre diameter af disse skiver kan i så fald være lidt større end diametrene af elementarcellerne 10, men mindre end diametrene af ledepladerne 9. Disse plader 19 kan ligeledes tjene til afbøjning og fordeling af den gasart, der indføres i indeslutningen.

Den foran beskrevne membranstabel er anbragt på ledningen 7 mellem en kapselmøtrik 20 og en møtrik 21. På den med gevind forsynede stang, som er udstyret med kanaler 8 til udledning af permeatet,er ledepladerne ¾ elementarcellerne 10 og tætningsskiverne li ikke påskruet, men simpelt hen opstablede og sammenspændt omkring stangen. Fig. 3 viser tydeligere og i større målestok en skive 11 anbragt omkring den med gevind forsynede stang 7. Membranstabelen anbringes i kappen 2 efter at være fastgjort til endepladen 4 ved hjælp af en møtrik 22, på hvilken der er svejst en rørdel 23 til opsamling af permeatet. De to endeplader 3 og 4 holdes sammen af stagebolte, af hvilke kun en 24 er vist i fig. 1, mens en anden 25 kun er antydet ved dens akse.

Ved et apparat ifølge den foreliggende opfindelse er passage-tværsnittet for fluidum tværs gennem en ledeplade hensigtsmæssigt mellem 0,1 og 1 gange passagetværsnittet mellem en elementarcelle og kappen. På den anden side er afstanden mellem en flade på en ledeplade og den tilsvarende plade på den tilgrænsende celle hensigtsmæssigt mellem 0,25 og 1 gange den afstand, der adskiller cellen fra kappens sidevæg.

5 141686

Et apparat ifølge den foreliggende opfindelse virker på følgende måde:

Med henvisning til fig. 1 kommer det fluidum, der skal behandles, f.eks. en gasart, under tryk ind i indeslutningen 1 gennem kanalen 6 og afbøjes takket være pladen 19 mod den cylindriske sidevæg af kappen 2. Pladen 19 beskytter ligeledes elementarcellerne mod en alt for voldsom indførelse af gas under tryk og desuden beskytter den membranstabelen forud for anbringelsen af denne i indeslutningen. Gassen bevæger sig derpå i radial retning imod apparatets akse, strømmer gennem kanalerne 17 i den første ledeplade 9, hvilke kanaler 17 ligger nær tætningsskiverne 11, derpå vender den igen i radial retning tilbage mod indeslutningens sidevæg. Gassen har således, som det er angivet ved pile, en bane, som fører fra kanalerne 17 i en ledeplade til kanalerne i den følgende ledeplade, efter at den har overskyllet de to modstående membranflader på elementarcellen, som er anbragt mellem de to på hinanden følgende ledeplader. Den behandlede gas forlader indeslut* ningen gennem kanalen 5, idet udstrømningen reguleres af en ikke vist ventil. Det vil forstås, at apparatet virker på nøjagtig samme måde, hv1' s gassen, der skal behandles, indledes i apparatet gennem kanalen 5 og bortledes gennem kanalen 6. Permeatet opsamles af rørledningen 23 ved det ønskede tryk, i almindelighed atmosfæretryk eventuelt vakuum, efter at være trængt gennem membranerne 13 og de porøse understøtninger 12, åbningerne 15 og endelig kanalerne 8 i den med gevind forsynede stang som angivet ved pile.

Ledepladerne ifølge opfindelsen muliggør overskylning af hver elementareelle med den gas, som skal behandles, uden døde områder. En anden fordel er, at den tjener som dæmper i tilfælde af pludselige trykforskelle og bidrager til at beskytte elementarcellerne 10, når i det mindste deres ydre kant 18 er blød.

De talrige, mulige udførelsesformer for apparatet ifølge den foreliggende opfindelse vil være nærliggende for en fagmand, især de, der angår variationer af faconen af kanalerne 17. Fig. 6 viser en lede-plade 9, i hvilken kanalerne 17, der hensigtsmæssigt er regelmæssigt fordelt omkring åbningen 18, er af aflang facon langs to koncentriske cirkler. De perifere kanter kan være tyndere end ledepladens midterparti (se fig. 10) for at frembyde den ønskede elasticitet eller blødhed. Det er ligeledes muligt (se fig. 9 og 10) af tilvejebringe recesser 26 i hver flade af ledepladen, når denne har en tilstrækkelig tyk , 1 Λ 1 685 kelse ved åbningen 16. Inden i disse recesser 26 anbringes tætnings-skiver 11., idet recesserne gør det muligt at undgå deformationskastning af skiverne 11, når disse har en ringe hårdhed, hvilket er fordelagtigt, når de porøse understøtninger er papir og for ikke at beskadige membranerne ved sammenspænding af stabelen.

En anden udførelsesform er vist i fig. 7 og 8; ved hvilken en mellemliggende krave 27 er befæstet til selve ledepladen 9 på grund af dennes ringe tykkelse, som forlener den med en vis blødhed. På begge sider af kraven 27 er anbragt tætningsskiver 11.

Det er ligeledes muligt at undvære tætningsskiverne 11, og at tilvejebringe fortykkelser 28 langs kontinuerte linier på hver side af ledepladerne 9, som det er vist i fig. 11 og 12. Disse fortykkelser 28 kan f.eks. være opnået ved serigrafi. I visse tilfælde, især når den porøse understøtning er mekanisk meget modstandsdygtig, er det muligt at bringe ledepladerne 9 i kontakt med den indvendige sidevæg af kappen 2 ved hjælp af en forbindelsesdel 29., som er anbragt på omkredsen af hver ledeplade 9.

Fig. 13 viser en anden udførelsesform for apparatet ifølge opfindelsen. I dette apparat holdes ledepladerne 30 på plads i membranstabelen ved afstandsstykker 31, der er i kontakt med den indvendige sidevæg i kappen 2, idet det første og det sidste af disse forbindelsesstykker f.eks. fastholdes af ydre plader 36, der har huller 37 til passage af det fluidum, der skal behandles. Ledepladerne 30 har kun en enkelt, cirkulær åbning 32 til det fluidum, som skal behandles, hvilken passage 32 er anbragt nær de skiver 33, der adskiller to på hinanden følgende elementareeller. Dette apparat virker på samme måde, som det i fig. 1 viste, og man genfinder specielt den i det væsentlige radiale cirkulation af det fluidum, der skal behandles, og som bevæger sig fra nærheden af apparatets aksiale ledning mod kappens indvendige sidevæg og omvendt, idet det følger konturen af hver elementarmembran-celle. i det i fig. 13 viste apparat har indeslutningen en aftagelig endeplade, der ved bolte (af hvilke kun symmetriakserne er vist) er fastskruet til en flange, som er i ét stykke med indeslutningens kappe. Eventuelt kunne apparatet have en påskruet endeplade eller to aftagelige endeplader som det i fig. 1 viste apparat.

Ved det i fig. 13 viste apparat kan man direkte fremstille ledeplader med den endelige form for den i fig. 13 viste ledeplade 30 η 141685 og afstandsstykket 31. Sådanne ledeplader kan f.eks. opnås ved støbning af plastmaterialer eller ved varme formgivning. Ledeplademe 3k kan ligeledes have en ydre kant 3b* som er tilspidset og blød, i kontakt med kappens indvendige sidevæg (fig. 14 og 15).

Et apparat ifølge opfindelsen, der f.eks. er anvendeligt under tryk på 25 bar, er specielt egnet til gaspermeation, især til berigelse af luft med oxygen, til genvinding af hydrogen, som er indeholdt i spildgas, til adskillelse af hydrogen og methan i krakningsgas, til rensning af luft, som er forurenet med carbonmonoxid, til genvinding af helium, der er blandet med luft i ballonsonder og styrbare balloner, til fraskillelse af helium fra naturgas osv.

Apparatet ifølge opfindelsen er ligeledes anvendelig til per- vaporation, en behandling, der består i i dampform at lade i det mindste en komponent af en flydende fase passere gennem en membran, idet den flydende fase er opvarmet til en temperatur, som er lavere end dens kogepunkt ved det tryk, den er underkastet.

Apparatet ifølge opfindelsen kan ligeledes anvendes til behandling af opløsninger, især til ultrafiltrering og omvendt osmose.

Eksempel

Der konstrueredes et apparat svarende til det i fig. 1 viste. Indeslutningen 1 omfattede en cylindrisk kappe 2 af stål med en totallængde på 300 mm og en indvendig diameter på 150 mm. Apparatet havde 30 elementarceller 10 med en porøs understøtning 12 af bakelitbehandlet papir (fillow 135/35 fra Papeteries de Nanterre) med en tykkelse på 0,45 mm, og hvis ydre og indre diametre var henholdsvis 120 og 21,5 mm. De porøse understøtninger 12 var dækket med to anisotrope membraner 13 af trimethylvinylsilanpolymer med en tykkelse på 200 mikron, idet de frembød en ækvivalent separationstykkelse på 0,2 mikron. Disse to membraner (der er nærmere beskrevet i fransk patentskrift nr. 7.007.570) havde udvendige og indvendige diametre på henholdsvis 140 og 21,5 mm og var varmeforseglede ved l60,5°C i nærheden af den tilspidsede omkreds 14 af den porøse understøtning 12.

8 1A1685

Apparatet omfattede 31 ledeplader 9 svarende til den i flg. 7 og 8 viste af polyvinylchlorid med en tykkelse på 0,4 mm. Ledepladernes udvendige diametre var 150 mm, og de havde hver en mellemkrave 27 af polyamid 6-6, hvis indvendige diameter var 21,5 ram. Ledepladerne 9 havde 8 kanaler 17 med en diameter på 8 mm, som var placeret langs en cirkel med en diameter på 42 mm og koncentrisk med ledepladen.

Skiverne 11, der fastholdtes af kanten i kraven 27, var af -v, elastomer silloone med en shore hårdhed på 70 og havde en tykkelse på 1,5 ram, idet deres indre og ydre diametre var henholdsvis 21 mm og 53nm.

Beskyttelsespladerne 19 var af aluminium og havde en tykkelse på 1,5 mm, deres indvendige diameter var 21,5 ram og den udvendige 145 mm

Apparatet anvendtes ved rumtemperatur til berigelse af luft med oxygen. Med en afgangsudstrømning på 6 m^/h (henført til normalbetingelserne o°C, 760 mm Hg) og under et tryk på 10 bar hos trykluften var ydelsen af permeat 1,1 m^/h (ved normalbetingelserne) med et indhold på 38$ oxygen.

Sammenligningsvis gav et forsøg med det samme apparat uden ledeplader, men i øvrigt under samme betingelser, praktisk talt samme permeatydelse, raen oxygenindholdet var kun 31,7$·

Let fremgår af denne sammenligning, at ledepladerne medførte en forøgelse af berigelsen på mere end 59$ i forhold til, hvad der opnåedes med det kendte apparat.