ITUA20163761A1 - Essicatore per gas - Google Patents

Description

“Essicatore per gas”

DESCRIZIONE

L'invenzione si riferisce ad un apparato per separare selettivamente un componente da un gas, in particolare un essiccatore per rimuovere acqua o vapor acqueo da un gas.

Nel campo dei generatori di idrogeno, qui preso come esempio preferito, è fondamentale che l’idrogeno generato sia il meno possibile contaminato da altri gas, soprattutto molecole di acqua. L’idrogeno puro (H2) ottenuto dai generatori da laboratorio (come ad es. quello in EP2371438) è spesso usato come gas di trasporto in gas-cromatografia. Purtroppo la pneumatica e i rivelatori dei Gas Cromatografi sono molto sensibili all'acqua, che li può danneggiare seriamente.

Per rimuovere l’acqua dal gas si usano ad es. dei tubetti di essiccazione, vedi US 4808 201. Sono membrane tubolari in Nafion® che bilanciano l’umidità del gas che le percorre internamente con l’umidità esterna. Anche se per aumentare le pressioni di lavoro le membrane sono rinforzate esternamente da una calza, non si riesce a superare la decina di bar.

US 3735558 impiega vari tubetti in parallelo e aumenta l’efficienza di estrazione facendo circolare all’esterno dei tubetti una controcorrente di gas già secco (purge). Tuttavia le pressioni di lavoro del gas hanno sempre un limite dettato dalla cedevolezza dei tubetti. Inoltre, l’assieme di tubetti in US 3735558 crea un oggetto ingombrante e per nulla modulare nel numero dei tubetti.

Scopo principale dell'invenzione è migliorare questo stato dell’arte.

Altro scopo dell'invenzione è fornire un apparato e un metodo per separare selettivamente un componente da un gas. In particolare si vuole realizzare un essiccatore, per rimuovere acqua o vapor acqueo da un gas, che sia semplice da costruire, robusto, modulare e consenta maggiori pressioni di lavoro.

L'invenzione è definita nelle allegate rivendicazioni, in cui quelle dipendenti definiscono varianti vantaggiose.

Un primo aspetto dell’invenzione è costituito da un metodo per separare selettivamente un componente da un gas, in particolare per rimuovere acqua o vapor acqueo da un gas, comprendente le fasi di:

− far scorrere il gas a contatto con una striscia di membrana che è permeabile al componente, − prelevare una frazione del gas dopo che ha percorso la lunghezza della striscia e inviare la frazione di gas lungo e a contatto con la faccia opposta della striscia,

in modo che sulle facce opposte della striscia vi siano due flussi di gas in controcorrente. Per striscia si intende un pezzo di membrana che ha sviluppo in lunghezza superiore a quello in larghezza e allo spessore. La striscia comprende quindi due superfici di area preponderante, dette qui facce.

Preferibilmente la striscia è piatta, ma non necessariamente, potendo essere ad es. concava o corrugata. Se la striscia è piatta essa può avere varie forme, ad ed. quadrata, rettangolare, in generalo poligonale o anche circolare.

Secondo il metodo si modifica la membrana, che non ha più la svantaggiosa nota forma tubolare ma ha forma planare, la quale consente di

- aumentare la pressione di lavoro del gas;

- utilizzare fogli di Nafion®, che sono di facile reperibilità nel mercato e non obbligano ad estruderlo per creare tubetti.

Una variante del metodo consente modularità e compattezza costruttiva dell’apparato, e prevede le fasi di

collocare varie strisce in modo che siano parallele e ad una certa distanza tra loro, e su una faccia di ogni striscia far fluire del gas da purificare e sulla faccia opposta far fluire in senso opposto gas già o più purificato.

Preferibilmente le varie strisce sono collocate in modo da intersecare tutte uno stesso asse immaginario, allo scopo di compattare il sistema in un “pacchetto” di strisce.

Per migliorare l’efficienza dell’apparato e del metodo, è preferibile racchiudere ogni striscia di membrana tra due elementi (ad es. piastre o blocchetti) solidi e impermeabili ai gas. Le piastre o blocchetti possono essere ad es. in metallo o materiale plastico.

Essendo il nafion® racchiuso tra le piastre o blocchetti, esso non è esposto all’aria e quindi si riduce notevolmente la contaminazione da parte di altri gas (ossigeno e azoto) che diminuirebbero la purezza del gas.

Un secondo aspetto dell’invenzione è costituito da un apparato per separare selettivamente un componente da un gas, in particolare un essiccatore per rimuovere acqua o vapor acqueo da un gas, comprendente:

una striscia di membrana che è permeabile al componente,

un primo condotto per far scorrere il gas a contatto con una faccia della striscia lungo la lunghezza della striscia;

un secondo condotto per prelevare una frazione del gas dal primo condotto e inviarla lungo e a contatto con la faccia opposta della striscia,

in modo che sulle facce opposte della striscia vi siano due flussi di gas in controcorrente. Si riconosce che l’apparato ha gli stessi vantaggi descritti per il metodo. L’apparato è aperto a molte vantaggiose varianti, sfruttabili da sole o in combinazione.

Ad es. può comprendere una pluralità di strisce di membrana che sono caratterizzate come sopra definito e inoltre disposte in modo da intersecare tutte uno stesso asse immaginario stando ad una certa distanza tra loro, e un insieme di condotti per convogliare gas da purificare su una faccia di ogni striscia e convogliare sulla faccia opposta della stessa striscia gas già o più purificato fluente in senso opposto. I vantaggi di questa variante sono la modularità, la facilita di poter aggiungere strisce al sistema per potenziare l’azione filtrante, e la compattezza (cioè il piccolo ingombro dell’assieme risultante).

Per massimizzare la riduzione degli ingombri e ottimizzare i percorsi dei condotti, è preferibile che le strisce giacciano su piani ortogonali all’asse immaginario. In questo modo le strisce formano un pacchetto o una sorta di pettine dentro cui può scorrere gas in due sensi opposti.

Come variante costruttiva preferita, l’apparato può comprendere una coppia di elementi (ad es. piastre o blocchetti) tra i quali sono serrati completamente e a tenuta i margini di una o ciascuna striscia, ove ciascun elemento comprende delle cavità attraverso cui del gas può fluire da e verso le due facce della striscia. La detta struttura a elementi è robusta, facile da assemblare in moduli e assicura costante planarità e tensione per la membrana, quindi massima superficie di interazione col gas. Si noti che l’assieme di due elementi con una membrana in mezzo costituisce un modulo funzionante di filtraggio gas, ed è sufficiente impilare o giustapporre vari moduli raccordando i flussi di gas per aumentare in modo semplice l’efficienza filtrante dell’apparato.

Ci sono diversi metodi per montare la membrana dentro i due elementi. In una variante, che ha il vantaggio di richiedere solo una lavorazione superficiale dell’elemento senza richiedere altro, ogni elemento della coppia comprende

un incavo superficiale, sopra il quale è distesa la striscia e dentro il quale del gas può fluire da un capo all’altro della striscia stando a contatto con essa, e

due condotti che mettono in comunicazione rispettivamente due estremità dell’incavo con l’esterno dell’elemento, onde far entrare o uscire gas dall’elemento.

In un’altra variante, che ha il vantaggio che l’elemento può essere prodotto col minimo di lavorazione, ogni elemento della coppia comprende una superficie piatta sopra la quale è posto uno spessore anulare (ad es. una guarnizione). Una striscia di membrana è distesa tra e al centro dei due spessori anulari posti sui due elementi, in modo che tra ogni detta superficie piatta e ogni faccia della striscia si formi un canale o interstizio dentro il quale del gas può fluire da un capo all’altro della striscia stando a contatto con essa, e ogni elemento della coppia comprende due condotti che mettono in comunicazione rispettivamente due estremità del canale o interstizio con l’esterno dell’elemento, onde far entrare o uscire gas dall’elemento e/o dal canale o interstizio.

Ogni coppia di elementi può ad es. formare con una striscia di membrana una struttura a panino, ove la striscia è lo strato centrale. Quindi una coppia elementi consente di tenere stesa la striscia in mezzo a due canali tra loro separati e stagni (gli incavi o gli interstizi generati dagli spessori) in cui può scorrere gas. Ogni canale ha come parete una faccia opposta della striscia, e in un canale scorre gas da purificare, nell’altro gas purificato.

Preferibilmente, ma non necessariamente, la forma degli elementi corrisponde in pianta a quella della membrana che racchiudono, per maggiore compattezza e facilità di accoppiamento. Vale a dire che gli elementi sono preferibilmente dei solidi sostanzialmente regolari la cui base ha la stessa geometria della membrana racchiusa. Si noti comunque che sia la forma degli elementi che quella della membrana non sono da considerarsi limitate agli esempi descritti.

La modularità e compattezza della struttura fatta con elementi messi “a panino” permette di realizzare un apparato avente N strisce filtranti con solo N+1 elementi. E’ sufficiente accoppiare ciascuna striscia a due elementi adiacenti.

Per semplificare la costruzione e soprattutto la rete di convogliamento del gas, in una struttura “a panino” di N elementi ove N>=3, gli N-2 elementi interni alla struttura preferibilmente comprendono per ogni loro superficie affacciata ad una striscia di membrana due condotti che mettono in comunicazione rispettivamente due estremità di un canale o interstizio con l’esterno dell’elemento, onde far entrare o uscire gas dall’elemento e/o dal canale o interstizio. Per semplificare ulteriormente la costruzione e la rete di convogliamento del gas, gli N-2 elementi interni alla struttura preferibilmente comprendono almeno un’apertura passante, isolata dai detti condotti, che attraversa lo spessore dell’elemento (ad es. parallelamente a detto asse immaginario) e mette in comunicazione due superfici opposte dell’elemento. L’apertura passante viene sfruttata nell’apparato o “panino” complessivo per trasferire gas tra elementi non adiacenti internamente all’apparato, risparmiando cioè parti esterne agli elementi per raccordare i condotti. È sufficiente ad es. raccordare l’apertura passante di un elemento con condotti di elementi adiacenti.

Un terzo aspetto dell’invenzione è costituito dall’uso di una striscia di membrana permeabile ad un gas, in particolare costituita da materiale catalogato come Nafion®, in un apparato per separare selettivamente un componente da un gas, in particolare un essiccatore per rimuovere acqua o vapor acqueo dal gas. L’uso secondo l’invenzione gode di tutte le varianti descritte per il metodo e l’apparato.

I vantaggi dell’invenzione saranno più chiari dalla seguente descrizione di una preferita forma realizzativa di apparato, riferimento facendo all’allegato disegno in cui

Fig.1 e 2 mostrano uno schema di principio dell’invenzione;

Fig. 3 mostra in sezione verticale uno schema di apparato secondo l’invenzione (le dimensioni relative tra i pezzi sono esagerate per illustrare i dettagli).

Nelle figure numeri uguali indicano parti uguali.

Uno schema di principio dell’invenzione è mostrato in fig.1. Una membrana 10 permeabile a molecole d’acqua è usata per filtrare un flusso di gas 12. La membrana 10 è piatta e in forma di striscia (ad es. con pianta rettangolare), e il gas 12 in ingresso ne percorre una faccia F1 standoci a contatto. Dopo che il gas 12 ha percorso la lunghezza della striscia viene frazionato in un flusso di uscita 16 e in un flusso 14 di ricircolo, che viene inviato sull’altra faccia F2 della membrana 10 in senso opposto al gas 12.

L’efficienza di separazione della membrana 10 aumenta all’aumentare della differenza di concentrazione tra le sue facce opposte. Il flusso 14 fa aumentare tale differenza e quindi maggiore è il filtraggio sul gas 12.

La membrana 10 non ha forma tubolare come in US 3735558 ma di strato piatto. Pertanto la pressione di lavoro del gas 12 non è limitata dalla resistenza strutturale della membrana 10. Un altro vantaggio del sistema di fig. 1 è la modularità e la compattezza. Ad es. per aumentare il grado di filtraggio per il gas 12 si possono aggiungere altre membrane filtranti 10 (fig.2). Ogni membrana 10 viene lambita su una faccia dal gas da filtrare 12 e sull’altra faccia dal gas filtrato 14. In generale, alla fine del suo percorso, il gas filtrato 14 può essere riversato nel flusso 12 e/o nel flusso 16.

Le varie strisce possono essere collocate relativamente una all’altra in modi diversi. Una variante preferita, perché particolarmente compatta e resistente, è mostrata in fig.2 e 3, in cui tutte le strisce sono tra loro parallele e distanziate e tutte intersecano uno stesso asse immaginario Y.

Fig.3 mostra una pratica e vantaggiosa forma di realizzazione dello schema di fig.2. Le due membrane piatte 10 sono racchiuse tra tre elementi in forma di blocchetti 20, 40, 60 (ad es. metallici), formando una struttura a panino. Ogni membrana 10 è tenuta stesa e di poco sollevata dalla superficie liscia di un blocchetto tramite una guarnizione anulare 70. Ne risulta che tra ogni faccia F1, F2 di ogni membrana 10 e un blocchetto adiacente si forma un interstizio C che funge da canale stagno per il gas.

Si noti che la forma membrana 10 nell’esempio è piatta e in forma di striscia con pianta rettangolare, ma potrebbe variare. Ad es. potrebbe avere pianta circolare e i blocchetti potrebbero essere corrispondentemente blocchetti a forma di disco.

Ogni blocchetto 20, 40, 60, associato a ciascun proprio canale C, comprende

un condotto 80 che mette in comunicazione un primo estremo del canale C con l’esterno del blocchetto, e

un condotto 82 che mette in comunicazione un secondo estremo del canale C (opposto al primo estremo) con l’esterno del blocchetto.

Il blocchetto 40, quello centrale, è affacciato a due membrane 10, pertanto forma due canali C con le due membrane 10 e ha un numero doppio di condotti 80.

In particolare, i condotti 80, 82 hanno un primo sbocco sulla superficie maggiore dei blocchetti, cioè la superficie affacciata alla membrana 10. In questo modo il gas può entrare e uscire in un canale C. I condotti 80 hanno un secondo sbocco sulla superficie laterale dei blocchetti, cioè la superficie associata al loro spessore. Così è facile congiungere tra loro i condotti 80 esternamente ai blocchetti con ad es. raccordi a U. I condotti 82 hanno un secondo sbocco sulla superficie maggiore dei blocchetti, cioè la superficie affacciata alla membrana 10. Tale secondo sbocco può essere sulla stessa superficie del primo sbocco, o sulla superficie opposta. Per semplificare la costruzione dell’apparato, il blocchetto 40 comprende un canale 82 sotto forma di foro passante che fa comunicare due superfici maggiori opposte del blocchetto 40.

Per evitare fughe di gas dall’apparato, la guarnizione 70 ha una o più aperture passanti 72 coincidenti con i secondi sbocchi dei condotti 82, in modo da isolarli dall’ambiente. Per consentire al gas che scorre in un condotto 82 di raggiungere l’altro, in corrispondenza di una o ciascuna apertura 72 il blocchetto 40 comprende un canale 84 sotto forma di foro passante che fa comunicare due superfici maggiori opposte del blocchetto 40.

Ad es. il condotto 82 del blocchetto 60 e il condotto 82 del blocchetto 20 hanno un’apertura coassiale sulla superficie piatta del blocchetto a contatto con l’altro blocchetto. Essi sono raccordati dal foro passante 84 presente nel blocchetto 40.

In fig.3 il percorso del gas 12 da filtrare può essere:

ingresso nel canale 80 del blocchetto 20;

arrivo nel canale C del blocchetto 20,

uscita dal canale C tramite il canale 82 del blocchetto 20;

attraversamento del canale 84 del blocchetto 40;

ingresso nel canale 82 del blocchetto 60;

arrivo nel canale C del blocchetto 60,

uscita dal canale C tramite il canale 80 del blocchetto 60.

Per quanto riguarda il percorso del gas 14 filtrato, prelevabile ad es. dal condotto 80 del blocchetto 60, esso può essere:

ingresso nel canale 80 del blocchetto 40;

arrivo nel primo canale C (superiore) del blocchetto 40,

uscita da quel canale C tramite il canale passante 82 del blocchetto 40;

ingresso nel secondo canale C (inferiore) del blocchetto 40,

uscita dal canale C tramite il canale 80 del blocchetto 40.

I raccordi tra i canali di blocchetti adiacenti o non adiacenti si possono realizzare con tubetti esterni di by-pass (non mostrati) oppure in modo integrato prevedendo nei blocchetti stessi dei canali di raccordo.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per separare selettivamente un componente da un gas, in particolare per rimuovere acqua o vapor acqueo da un gas, comprendente le fasi di: - far scorrere il gas (112) a contatto con una striscia di membrana (10) che è permeabile al componente, - prelevare una frazione del gas dopo che ha percorso la lunghezza della striscia e inviare la frazione di gas (14) lungo e a contatto con la faccia opposta della striscia, in modo che sulle facce opposte della striscia vi siano due flussi di gas (12, 14) in controcorrente.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, con le fasi ulteriori di: - collocare varie strisce (10) in modo che siano parallele e ad una certa distanza tra loro, e - su una faccia (F1) di ogni striscia far fluire del gas da purificare (12) e sulla faccia opposta (F2) far fluire in senso opposto gas già o più purificato (14).
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, con la fase ulteriore di: collocare le strisce in modo che tutte intersechino uno stesso asse immaginario (Y).
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2 o 3, con la fase ulteriore di: racchiudere ogni striscia di membrana (10) tra due elementi (20, 40, 60) solidi e impermeabili ai gas.
5. 5. Apparato per separare selettivamente un componente da un gas, in particolare un essiccatore per rimuovere acqua o vapor acqueo da un gas, comprendente: una striscia di membrana (10) che è permeabile al componente, un primo condotto (80) per far scorrere il gas a contatto con una faccia della striscia lungo la lunghezza della striscia; un secondo condotto (80) per prelevare una frazione del gas dal primo condotto e inviarla lungo e a contatto con la faccia opposta della striscia, in modo che sulle facce opposte della striscia vi siano due flussi di gas in controcorrente.
6. 6. Apparato secondo la rivendicazione 5, comprendente: una pluralità di strisce di membrana (10) caratterizzate come alla rivendicazione 5 e disposte in modo da intersecare tutte uno stesso asse immaginario (Y) stando ad una certa distanza tra loro, e un insieme di condotti (80, 82, 84) per convogliare gas da purificare su una faccia di ogni striscia e convogliare sulla faccia opposta della stessa striscia gas già o più purificato fluente in senso opposto.
7. 7. Apparato secondo la rivendicazione 6, in cui le strisce giacciano su piani ortogonali all’asse immaginario (Y).
8. 8. Apparato secondo la rivendicazione 5 o 6 o 7, comprendente una coppia di elementi (20, 40, 60) tra i quali sono serrati completamente e a tenuta i margini di una striscia (10), ove ciascun elemento comprende delle cavità (C) attraverso cui del gas può fluire da e verso le due facce della striscia.
9. 9. Apparato secondo la rivendicazione 8, in cui ogni elemento della coppia comprende una superficie piatta sopra la quale è posto uno spessore anulare (70); una striscia di membrana (10) essendo distesa tra e al centro dei due spessori anulari posti sui due elementi, in modo che tra ogni detta superficie piatta e ogni faccia della striscia si formi un canale o interstizio (C) dentro il quale del gas può fluire da un capo all’altro della striscia stando a contatto con essa, e ogni elemento della coppia comprendendo due condotti (80, 82) che mettono in comunicazione rispettivamente due estremità del canale o interstizio (C) con l’esterno dell’elemento, onde far entrare o uscire gas dall’elemento.
10. 10. Uso di una striscia di membrana (10) permeabile ad un gas, in particolare costituita da materiale catalogato come Nafion®, in un apparato per separare selettivamente un componente da un gas, in particolare un essiccatore per rimuovere acqua o vapor acqueo dal gas.