JP6467518B2 - 膜ガス分離モジュール - Google Patents

Description

本発明は、中空繊維膜を用いたガス混合物分離装置に関し、化学産業、石油産業、ガス産業等において使用可能である。 より具体的には、本発明は、例えば、ヘリウム濃縮物用の膜分離ユニットに適用可能な膜ガス分離モジュールの構造に関する。

今日では、天然資源の抽出、加工、輸送などを含め、天然資源の持続可能な利用が特に注目されている。 ヘリウムは、様々な産業部門で必要とされる原料成分であり、このような理由から、ヘリウムの最大抽出を目的として天然ガスのより効率的な処理を可能とする技術的解決策の開発とその応用が現在の課題になっている。

ロシア実用新案特許第１４９９８２号

このような課題を解決するために、膜ガス分離ユニットの技術および構造を成功裡に使用することができる。

これらのモジュール式ユニットは、膜スタンド、弁体、メンテナンス領域およびブロック間パイプラインを備える。 膜スタンドは、分離されたガス混合物の注入（供給ガス）、処理ガスの排出（残留物）、及びヘリウムに富むガス（浸透物）の排出のパイプラインおよびマニホールドと組み合わされた複数の平行膜モジュールのアセンブリである。膜ガス分離モジュールは、垂直または水平円筒状本体と、端部カバーと、本体の内側に位置し直線状ケース内の軸方向多孔管の周りに中空ポリマー繊維の束として作成された膜カートリッジとを備え、その膜カートリッジとカバーの間に支持要素が取り付けられている。供給ガスの注入および浸透物の排出は、一般に、端部カバーと組み合わされた分岐管水路を介して行われ、残留物の排出は、本体の長手方向軸に対して垂直に配置された分岐管を介して行われる。

これらの構造は、設備操作の信頼性、重量および寸法特性の低減、通常の操作を実行する際に別個の複数の構造要素およびユニット全体の双方ともに迅速かつ安全に取り付け/取り外しができることを保証するために、絶え間ない改善を必要とする。出願人により最も類似したものとして選択された、平行型膜ガス分離器（ロシア実用新案特許第１４９９８２号、2015年1月27日公開）を使用するガス混合物精製用の公知の装置がある。 各膜ガス分離器は、本体と、対応する分岐管に接続されたノズルと、中心に対しお互いに反対側に設置された少なくとも2つの膜ガス分離カートリッジとを備える。各カートリッジは、中空繊維の円筒状の束と、中空繊維の端部が封止された２つの前方充填材とを含む。モジュール端部カバーの近くに位置する充填材の端面の中空繊維の端部は、内部繊維空間からの透過物の自由放出のために開放されているが、中空繊維の端部は、モジュール中心に近い反対側のカートリッジ端部の前面充填材上に完全に封止されている。流出流および残留物ノズルは、本体の中心部分に軸方向垂直に配置され、透過物ノズルは本体端部カバーに配置される。

このユニットの欠点は、本体の端部カバー上の透過物排出ノズルの位置にある。前記ノズルは、関連するパイプラインに接続されており、これらのパイプラインもまた、本体端部カバーの取り付け／取り外し時に取り付け/取り外しをする必要があり、結果的にこれらの作業の労力を増大させる。 さらに、本体端部カバー上の透過物排出ノズルおよびそれに接続されたパイプラインは、一般に膜モジュールおよびガス分離ユニット全体の全長を増加させる。

このユニットの別の欠点は、本体の中央部分における供給ガス注入ノズルの位置にある。 本体の内面とモジュール中心付近に位置するカートリッジ遮蔽領域の外面との間の環状間隙形状の本体内部の流路は、供給ガスを注入ノズルからモジュールの末端近くに位置するカートリッジ注入領域まで通過させるために作られている。 この環状流路の存在が、カートリッジ遮蔽領域の位置でのカートリッジの直径に対する本体の直径を増加させ、ひいては膜モジュールの重量の増加、並びにガス分離ユニット全体の重量を増加させる。それとは別に、膜カートリッジ内の残留物排出ノズルはブッシュによって接続されており、その存在が構造を複雑にし、膜モジュールの長さを増加させる。

出願人による情報検索の実施の結果として、請求された技術的解決策の本質的な特徴のセット全体によって特徴付けられる膜ガス分離モジュールの構造は発見されなかった。

本発明によって解決されるべき技術課題は、モジュール式ガス分離ユニットの一部として効率的かつ信頼性の高い操作を提供する単一膜モジュールの構造の改良である。

設定された課題は、ここに提案された発明により解決される。それによれば、例えば水平円筒形本体、端部カバー、本体内側に配置されて、注入領域および遮蔽領域を有し中央横軸に対し互いに反対側に位置する少なくとも2つの膜カートリッジなどの膜ガス分離モジュールの既知の特徴に従い、軸方向多孔管の周りに形成された中空繊維の円筒状の束と、端部と、供給ガス注入ノズルと、残留物排出ノズルと、透過物排出ノズルと、を備え、前記端部は、前記モジュールの端部カバー近傍に配置された充填材の端面で封止された、中空繊維の端部が開口するような方法で、前面充填材上に封止され、その一方で、中空繊維の端部は、前記本体の中央部近傍の、前記カートリッジの反対側の端部で、前面充填材上に完全に封止され、前記残留物排出ノズルは、前記本体の中心部分に前記本体の長手軸方向に垂直に配置され、残留物が前記軸方向多孔管から、前記本体の中央に配置される残留物回収領域を通って、前記残留物排出ノズルから排出されるように構成される発明が、以下のような独自の態様を有する。本体は、円錐形の移行部分によって径小の中央部と結合される径大で対称的な本体端部と、前記膜カートリッジと前記端部カバーの間にそれぞれ配置され、前記透過物排出ノズルの透過物排出流路に関連する孔を有する支持要素とを備える。この場合、中央部の内径は、前記膜カートリッジの前記遮蔽領域の外径に対応しており、リングガスケットでシールポイントへ膜カートリッジを自由に取り付け/取り外しできるように形成される一方で、前記本体の前記中央部内に膜カートリッジを確実に装着できる寸法まで縮小される。供給ガス注入ノズルは、膜カートリッジの注入領域の外周の位置の本体端部に、本体の長手方向軸に垂直に配置され、透過物排出ノズルは、端部カバーに近い位置の本体端部に配置される。供給ガス注入ノズルは、膜カートリッジの注入領域の前に長手方向軸に垂直に本体端部に配置され、透過物排出ノズルは、端部カバーに近い本体端部に、本体の長手方向軸に垂直に配置される。

本発明により得られる技術的な効果は、膜モジュールの本体端部カバーの取り付け/取り外し中の作業の労力を軽減するだけでなく、膜モジュール及びガス分離ユニット全体の重量及び寸法特性の低下である。

本発明は、膜ガス分離モジュールの概略図（側面図）である図面（図１）によって、より詳細に説明される。
本発明に従った、膜ガス分離モジュールの概略図（側面図）である。

膜モジュールは、円筒形本体１、端部カバー２、供給ガス注入ノズル３、透過物排出ノズル４および残留物排出ノズル５を備える。少なくとも2つの膜カートリッジ６が、本体１の内側に、中心の左右方向軸に対しお互いに反対側に位置している。本体１は、円錐形の移行部８を介して径小な中央部９と結合された径大で対称的な端部７を備える。本体中央部９の内径は、膜カートリッジ６の遮蔽領域の外径に対応しており、リングガスケット１６を用いてシールポイントに自由に着脱できるように構成されており、一方で、前記本体中央部の内径は、本体内に膜カートリッジを確実に装着する最適なサイズに径小化される。

膜カートリッジは、中空のポリマー繊維１１の束として軸方向多孔管１０の周りに形成され、この膜カートリッジの端部は前面充填材１２および１３で封止されている。モジュール端部カバーの近くに位置する充填材１２の端面で封止された、中空繊維の端部は開口し、一方、カートリッジのモジュール中心付近の反対側の端部では、中空繊維の端部は前面充填材１３で完全に封止されている。膜カートリッジは、本体端部に配置される注入領域１４と、本体中央部に配置される遮蔽領域１５とを有する。この膜カートリッジの遮蔽領域は、機械的集塵用の濾布に包まれた、不浸透性材料製の外側シールドの存在により特徴付けられる。

本体はさらに、供給ガス注入領域、残留物回収領域および透過物回収領域を備える。供給ガス注入領域は、本体端部内面と、ノズル３から注入される供給ガスの流路とにより形成される。透過物回収領域は、本体端部内面と、中空繊維の開口端を有する、カートリッジの充填材１２と、ノズル４へ排出する透過物の流路とにより形成される。残留物回収領域は、本体中央部の内部空洞と、中空繊維の閉口端を有する、充填材１３の端面と、ノズル５へ排出する残留物の流路とにより形成される。

供給ガス注入ノズル３は、膜カートリッジ６の注入領域１４の前に、本体の長手軸と垂直に配置される。透過物排出ノズル４は、本体端部に、本体の長手軸と垂直に配置される。残留物排出ノズル５は、本体中央部の中央に、本体の長手軸と垂直に配置される。

本体１の中央部での膜カートリッジ６のシールは、端部においてリングガスケット１７を使用する方法と同様に、リングガスケット１６を使用して行なわれる。中にリングガスケット１６および１７を配置するための溝は、そのシールポイントにおける本体内径部分に対応する加工寸法を有し、膜カートリッジ６の前面充填材１２および１３上に作成される。

膜カートリッジ６の前面充填材１２と端部カバー２の間に配置される支持要素１８が本体に設置される。支持要素１８は、例えば、ノズル４の透過物排出流路に関連する孔を有する円筒形状のブッシュとして作成できる。

このユニットは、以下のように動作する。

供給ガスは、膜モジュールから、膜カートリッジ６の注入領域１４の前の本体端部７に配置されるノズル３の流路を通って、供給ガス注入領域に入り、本体内面と膜カートリッジ６外面の間の環状空間に分配される。その時、供給ガスは、膜繊維１１間のカートリッジに浸透し、反対側のカートリッジの端部へと膜繊維１１に沿って流れる。当該カートリッジの端部は、外側シールドの存在により確保される。そこから供給ガスが流れる限り、供給ガスの流れの一部（透過物）が膜を通って繊維に浸透する。膜に浸透しないガス（残留物）は、カートリッジの中央分岐管から、中央の管１０の孔を通って、本体中央に配置される回収領域へと排出され、また膜モジュールから残留物排出ノズル５の流路を通って排出される。透過物は、膜繊維１１の内部開口孔を通って、回収領域へと制限されずに流れ出て、本体端部において本体の長手軸と垂直に配置されたノズル４の流路を通って、膜モジュールから取り除かれる。

シールは別に、リングガスケット１６および１７は、ガスの流れの領域の境界の役割を果たす。リングガスケット１６の存在は、許容されない供給ガスのオーバーフローの、中空繊維膜を迂回した残留物回収領域への流入を排除し、またリングガスケット１７は、中空繊維膜を迂回して残留物回収領域へ供給ガスが入ることを防止する。

モジュールの稼働中、本体において供給ガス注入領域と透過物回収領域の間に大きな差圧（最大10MPa）が現れ、当該差圧は端部カバー２の方への膜カートリッジ６の移動を引き起こす可能性があり、それにより、供給ガスが、中空繊維膜を迂回してノズル４の流路に入ってしまうだろう。支持要素１８は、カートリッジ移動の可能性を防止し、差圧の作用による負荷に耐え、回収領域からノズル４の流路まで透過物の自由な流れを妨げない。

本体端部上の透過物排出ノズルの位置は、本体端部カバーに接続されたパイプラインの着脱操作中に、その着脱操作の労働集約的な着脱操作のパフォーマンスを阻害する。

本発明による供給ガス注入ノズルの位置は、各膜カートリッジの注入領域に、直接、ガスの原流を供給し、供給ガス注入領域の容積を著しく減少させ、カートリッジの遮蔽領域と本体内面との間の（従来技術のそれのような）大型の環状流路の存在の必要性を回避することができる。これにより、カートリッジの遮蔽領域が位置する本体中央部の直径を要求された寸法に減少させることを可能にし、同時に、膜カートリッジの自由な着脱とシールポイントでのタイトフィットを保証し、結果的に重量および寸法パラメータの減縮につながる。

リングガスケットを用いた本体と膜カートリッジのシールは、以下の利点を有する。リングガスケット16は、（従来技術と比較して）膜モジュールの構造を、大幅に簡素化するが、それは、膜カートリッジ内の残留物排出分枝管をカートリッジの端面と面一にするブッシュ等の、構造および組立上、より複雑な部品の適用を排除するからである。その結果、残留物回収領域が減少し、モジュール長の短縮にもつながる。

さらに、本発明の利点には、本発明の構造要素の配置を有する膜ガス分離モジュールの実施形態によれば、膜カートリッジの作用面の最大限の活用に寄与するガス流分布の合理的な配置を可能にするという事実も含まれるべきである。これにより、ユニットの動作効率が向上する。

本発明の全ての特徴は、パイプラインおよび装置の製造のための従来技術を用い、膜ガス分離モジュールの特定の構造要素（部品、組立ユニット）として実施できる。

本発明で提案された膜モジュールは、構造的に単純で、製造が容易であり、大幅な追加費用なしに天然ガスからヘリウムを効率よく抽出することを可能にする。

この技術的解決策は、石油、ガスおよび凝縮物の分野におけるヘリウム濃縮物の膜分離用プラントのスキッド搭載装置の一部として作動するモジュールの構造において実施することができる。

しかしながら、本発明は、天然ガスからのヘリウム抽出に適用することに限定されず、ガス混合物を他の混合組成物から分離する必要がある装置および工業プロセスにおいて首尾よく使用され得る。

現時点までに、前記膜モジュールの提案された技術的解決策のために、詳細な設計書類が作成され、基本的な幾何学的およびプロセスパラメータの計算が行われている。

これにより、本発明は、単一膜ガス分離モジュールを構造的に改善するという課題を解決し、結果的に、金属消費、ユニット製造のための材料費および操作上の費用を大幅に削減することができる特定の技術的結果を提供するものである。

Claims (1)

1. 水平円筒状本体と、端部カバーと、少なくとも2つの膜カートリッジと、供給ガス注入ノズルと、残留物排出ノズルと、透過物排出ノズル、とを備え、前記膜カートリッジは、前記本体の内側に配置されて、注入領域と遮蔽領域を有し、中心の左右方向軸に対し互いに反対側に位置し、軸方向多孔管の周りに形成された中空繊維の円筒状の束を備え、その中空繊維の端部が、前記端部カバーの近くに位置する前面充填材の端面で封止された中空繊維の端部は開口しているが、前記本体中心付近の前記膜カートリッジの反対側の前記端部では前面充填材に完全に封止されているような方法により前記前面充填材で封止され、前記残留物排出ノズルは前記本体の中心部分に前記本体の長手軸方向に垂直に配置され、残留物が、前記軸方向多孔管から前記本体の中央に配置される残留物回収領域を通って、前記残留物排出ノズルから排出されるように構成された、膜ガス分離モジュールにおいて、前記本体は、円錐形の移行部を介して径小な中央部と結合された径大で対称的な本体端部と、前記膜カートリッジと前記端部カバーの間にそれぞれ配置され、前記透過物排出ノズルの透過物排出流路に関連する孔を有する支持要素とを備え、前記中央部の内径は、前記膜カートリッジの前記遮蔽領域の外径に対応しており、リングガスケットを用いて前記膜カートリッジを前記中央部のシールポイントに自由に着脱できるように構成されており、一方で、前記中央部の内径は、前記本体の前記中央部内に膜カートリッジの遮蔽領域を確実に装着する最適なサイズに径小化され、前記供給ガス注入ノズルは、前記膜カートリッジの注入領域の外周の位置の前記本体端部に、前記本体の前記長手方向軸に垂直に配置され、前記透過物排出ノズルは、前記端部カバーに近い位置の前記本体端部に、前記本体の前記長手方向軸に垂直に配置されることを特徴とする膜ガス分離モジュール。

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