PT87509B

PT87509B - Dispositivo modular para a permeacao de ar, sem caixa envolvente exterior

Info

Publication number: PT87509B
Application number: PT87509A
Authority: PT
Inventors: Donald William Edwards
Original assignee: Air Liquide
Priority date: 1987-12-22
Filing date: 1988-05-18
Publication date: 1994-01-31
Also published as: JPH059125B2; EP0321637B1; DE3883360D1; US4871379A; ES2042644T3; TNSN88066A1; DK269488A; KR890009443A; OA08848A; ZA883483B; NO882142L; CN1033572A; BR8802379A; MA21284A1; EP0321637A3; JPH01171618A; DK269488D0; CA1306422C; DE3883360T2; AU1632588A

Description

Âmbito da Invenção

A presente invenção refere-se a um módulo compreendendo um feixe de fibras ocas para a separação de gases, e a um conjuji to de módulos em que os gases a serem separados são alimentados nos espaços interiores das fibras ocas.

Técnica Anterior

Na maior parte dos dispositivos para a permeação de gases de acordo com a técnica anterior, um módulo contendo um feixe de fibras estã encerrado num recipiente de pressão ou numa caixa que contém todos os elementos do módulo e proporciona um suporte para o mesmo, proporciona uma protecção dos elementos do módulo e protege os operadores contra uma possível falha de elementos do módulo tais como as chapas de tubos. As caixas exteriores formam uma parte integrante da maior parte dos módulos de acordo com a técnica anterior. Estas caixas exteriores aumentam o custo dos módulos visto que devem ser estruturas grandes e fo£ tes para conter todos os outros elementos. Mesmo no caso de dis positivos de permeação com alimentação através da chapa de tubos, em que a pressão de alimentação e aplicada nos espaços interiores das fibras ocas, a caixa que contém a pressão nas extremidades das chapas de tubos é estendida a fim de conter o feixe in te i ro.

Também, na maior parte dos módulos de acordo com a têcni ca anterior, a caixa deve ser munida de aberturas de passagem pa ra os fluidos, e não se conhece nenhuma maneira simples para mon tar num conjunto uma pluralidade destes modulos dentro de uma caixa de encerramento pouco dispendiosa a fim de proporcionar um conjunto de dispositivo de permeação de alta capacidade. Nem se conhece uma maneira simples para substituir módulos fazendo parte de um conjunto de dispositivos de permeação. Geralmente, os módulos são tratados como unidades individuais que são simplesmente colocadas umas ao lado das outras, numa disposição volumosa e pelos menos três aberturas de passagem dos fluídos devem ser formadas em cada módulo para as correntes de alimentação, de gãs residual e de gãs permeado.

dispositivo modular para permeação sem caixa envolvente exterior e o conjunto de módulos de acordo com a presente invenção proporcionam uma concepção modular económica sem necessidade de uma caixa envolvente como acontecia na técnica anterior, e o conjunto de módulos de permeação proporeiona um dispositivo de permeação com uma capacidade flexível, pouco dispendioso e exigindo um mínimo de ligações para fluidos.

A patente de invenção norte-americana n9 4 568 579 descreve um tubo oco assimétrico utilizável para a separação de azo, to e oxigénio do ar, em que o ar ê alimentado para os espaços i£ teriores dos tubos ocos.

pedido de patente de invenção europeia n9 0 204 424 des creve um dispositivo para a separação de gases em que o gãs a ser separado é alimentado para os espaços interiores de uma pluralidade de fibras ocas assimétricas.

Descriçao Sumária da Invenção

A presente invenção refere-se a um dispositivo de permea ção de ar, de baixo custo e em que o ar é alimentado através da chapa de tubos, e que compreende um módulo contendo um feixe de fibras que têm câmaras de pressão com apenas tampas terminais in dividuais envolvendo cada chapa de tubos; o feixe individual de fibras não ê encerrado por uma câmara de pressão, caixa, recipiente ou elemento semelhante. As câmaras de pressão para as chapas de tubos estão ligadas mecanicamente uma â outra por uma has te central de suporte que se estende co-axialmente com o eixo central do feixe o que confere ao mesmo tempo uma rigidez estrutural e serve como um elemento de segurança que retêm as partes do dispositivo de permeação no caso de uma falha de uma chapa de tubos. Numa das formas de execução, as tampas terminais tem uma configuração especial e incluem um segmento com tubos múltiplos para os fluidos, que se junta a segmentos de tubos múltiplos de outras tampas terminais de modo a formarem um tubo mOltiplo comum em cada extremidade dos módulos, não sendo assim necessários tubos exteriores, e a tampa de uma das extremidades do módulo inclui uma valvula reguladora de corrente que serve também para amostragem.

A presente invenção refere-se também a um conjunto de dispositivos de permeação de baixo custo e em que o gâs Ó alimen tado através de uma chapa de tubos , compreendendo este conjunto uma pluralidade de módulos com feixes de fibras, sendo estes mó dulos montados num conjunto dentro de um invólucro de encerramento de baixo custo, actuando sob a pressão atmosférica. Os módulos estão suportados individualmente dentro da caixa envolvente de

tal modo que possam ser removidos facilmente para fins de substituição. Numa das formas de execução, as tampas terminais têm aberturas separadas para se poder executar ligações externas para o fluido em cada modulo. Isto tem a vantagem de um único módulo poder ser desligado e removido sem perturbar quaisquer outros módulos; no entanto, uma tubagem externa separada ê então necessária para os módulos individuais. Numa outra forma de ex£ cução, utilizando as tampas terminais com segmentos de tubos múj_ tiplos, os módulos são empilhados e as tampas terminais são 1 i g a_ das e vedadas umas em relação ãs outras, de modo que seja necessária para cada conjunto de módulos apenas uma única ligação para fluidos em cada extremidade do conjunto. Esta forma de execu ção tem a vantagem de se exigir apenas uma quantidade mínima de tubagens exteriores para o conjunto, sem tubagens para os módulos individuais; no entanto, a remoção de um módulo no fundo do conjunto empilhado exige o deslocamento de todos os módulos empilhados em cima do módulo inferior.

Descrição Resumida dos Desenhos

A fig. 1 é um corte longitudinal através de uma primeira forma de execução da presente invenção.

A fig. 2 e uma vista de cima de uma segunda forma de exjs cução da presente invenção.

A fig. 3 é um corte longitudinal feito ao longo da linha

1-1 da fig. 4.

A fig. 4 ê uma vista axial do dispositivo de permeação mostrado na fig. 2.

A fig. 5 é uma vista em perspectiva de uma placa vedante utilizada para formar a junção entre dois dos dispositivos de permerção mostrados nas fig. 2 a 4.

A fig. 6 ê uma vista em perspectiva, parcialmente em cor te, da junta pertencendo ã placa vedante mostrada na fig. 5.

A fig. 7 é uma vista em perspectiva de um conjunto dos dispositivos de permeação de acordo com a presente invenção.

A fig. 8 e uma vista em perspectiva de um conjunto de dispositivos de permeação de acordo com a presente invenção.

A fig. 9 é uma vista em perspectiva de um outro conjunto de dispositivos de permeação de acordo com a presente invenção.

A fig. 10 e um corte transversal através de um conjunto de dispositivos de permeação de acordo com a presente invenção.

Descrição em Pormenor da Presente Invenção

Como se vê na fig. 1, uma primeira forma de execução do módulo individual contendo um feixe de fibras ocas alimentadas através de uma chapa de tubos é designada em geral por 10. 0 feixe 11 de fibras está formado ã volta de uma haste central de suporte 12 que se estende parcialmente através das chapas terminais de tubos 14 e 16. Cada chapa de tubos tem uma tampa terminal individual 18 e 20 que forma câmaras de pressão 22 e 24 entre o lado interior das tampas terminais e as faces das chapas de tubos 26 e 28 onde as fibras ocas têm as suas extremidades abertas. As câmaras de pressão são vedadas por meio de vedantes teóricos 27 e 29 colocadas entre as chapas de tubos e as tampas

-6terminais. De preferência, as câmaras de pressão têm um volume mínimo de modo que o volume contendo gás comprimido seja mantido abaixo dos valores limites prescritos em certos regulamentos pa_ ra recipientes sob pressão, que variam de país para país. Entre a abertura 30 da tampa terminal e a face frontal da chapa de tubos 26 hã uma chicana 34 que dirige o escoamento do fluido de entrada numa direcção paralela ã face frontal 26 de modo a evitar uma erosão rãpida desta face. As tampas terminais são mantidas em posição no feixe de fibras por serem fixadas na haste central de suporte 12 por meio de pernos roscados 38 e 40 e porcas de ca_ pa 42 e 44, Espaçadores 46 e 48 permitem que as tampas terminais sejam fixadas apertadamente contra as extremidades da haste central de suporte 12 e as juntas 50 e 52, vedando qualquer fuga de fluido ã volta dos pernos roscados 38 e 40. 0 feixe de fibras estã de preferência coberto, ao longo de uma parte do seu comprj_ mento, com uma manga envolvente 54 que serve para dirigir o escoa_ mento do gás permeado, de uma maneira que ser? descrita adiante mais em pormenor. Esta manga envolvente 54 pode consistir numa fita ou película de material sintético, tal como por exemplo uma película de poliêster,

A tampa terminal ê mostrada como tendo uma ligação desl 1_ zante com a chapa de tubos em cada extremidade do feixe de fibras. Isto ê conveniente para feixes de fibras com diâmetros atê cerca de 13 cm (5 polegadas). Com este pequeno diâmetro, a chapa de tubos tem uma resistência mecânica apropriada para não falhar sob pressão quando e apenas suportada pela haste central 12. Pa_ ra feixes de fibras com diâmetros maiores do que cerca de 13 cm (5 polegadas), pode proporeionar-se um suporte adicional â chapa de tubos por meio de uma ligação roscada entre a chapa de tubos

e a tampa terminal, em vez de a ligação deslizante mostrada. Com referência a fig. 1, pode-se compreender que, se uma chapa de tu_ bos 16 mostrar uma falha estrutural formando um corte periférico devido a um excesso de pressão na câmara 24, uma secção toroidal da chapa de tubos pode deslocar-se para a esquerda no desenho. Es ta secção, depois de ter saído da tampa terminal 20, ficaria no entanto sempre retida no modulo pela haste central 12 e não se tornaria num projêctil perigoso.

Em funcionamento, como um separador do azoto do ar ambiente, o ar alimentado entra na abertura 30 na tampa terminal 18, escoa-se à volta da chicana 34 e penetra nas fibras na chapa de tubos 26. Quando o ar corre dentro do feixe de fibras 10, o oxi gênio no ar sofre uma permeação através da parede da fibra três a oito vezes mais rapidamente do que o azoto. A medida que a cor rente residual de gás não permeado dentro das fibras se torna gradualmente mais pobre em oxigénio, o gãs permeado torna-se tam bêm gradualmente mais pobre em oxigénio. Se o gãs permeado, pobre em oxigénio, no exterior da fibra, for conduzido para trãs, para a esquerda, contrariamente ã corrente de alimentação, tem o efeito de aumentar a diferença de pressões parciais de oxigénio através das paredes das fibras, e, assim, aumentar o grau de permeação de oxigénio através destas paredes. 0 efeito final é uma melhoria do funcionamento do dispositivo de permeação quer por um aumento da pureza do azoto na corrente residual num grau fixo de conversão (razão de corrente residual pela corrente de alimentação) ou por um aumento da conversão com uma pureza fixa da. A manga envolvente 54 serve para promover um escoamento em contra-corrente do gãs permeado dentro do feixe de fibras.

escoamento rico em oxigénio sai dos interiores das fi bras nas chapas de tubos 28 na extremidade da direita do modulo com feixe de fibras 10. Este é o gãs residual que é, neste caso, o produto desejado da separação. 0 resíduo corre através da Cama_ ra 24 e para fora através da abertura 32 na tampa terminal 20 e é recolcido por meio de uma tubagem conveniente para um tubo múl tiplo para a recolha do produto. 0 gãs permeado rico em oxigénio corre para fora através da extremidade da esquerda do feixe para além da extremidade da manga envolvente 54 e é conduzido pa^ ra a atmosfera ambiente. A pressão de alimentação do gãs pode, por exemplo, estar compreendida entre 6 e 10 atmosferas, a pressão do resíduo pode ser até cerca de uma atmosfera mais baixa do que a pressão da alimentação, e o gãs permeado pode ter uma pre£ são de cerca de 1 atmosfera absoluta. Com o funcionamento tal como foi atrás descrito, a corrente do resíduo é o produto desejado, mas em outras aplicações o produto desejado pode ser a co_r rente de gás permeado que pode ser recolhida por meio de um invo cro de baixa pressão colocado em volta do modulo de permeação tal como será descrito com referencias ãs fig. 7, 8 e 9,

Com referência à fig. 2, mostra-se uma versão alternativa do modulo com feixe de fibras em que cada uma das tampas terminais é munida de um segmento de tubos múltiplos. A tampa terminal 60 (fig. 3) tem o segmento de tubos múltiplos 62 e a tampa termj minai 64 tem o segmento 66, estando estes segmentos em comunicação com as câmaras 68 e 70, respectivamente. As tampas terminais são configuradas de modo a facilitarem o empilhamento dos módulos u.ns por cima dos outros e com o segmento de tubos múltiplos de um dos módulos em comunicação com o segmento de tubos múltiplos do outro módulo. Uma vedação entre os segmentos de tubos múlti-9 ti pios é efectuada por meio de uma placa vedante 72 mostrada na fig. 5 e compreendendo um elemento vedante 74 em material elastomé r.ico, mostrado na fig. 6. A placa vedante deve ser colocada entre os módulos, como mais adiante sera explicado com referencia ã fig. 8. A tampa terminal 64 compreende também, integralmente com o corpo da tampa, uma válvula reguladora da corrente 76 que pode restringir a comunicação do fluido entre a câmara 70 e o segmento 66. Girando a haste 73, a válvula 75 actua em combinação com o orifício 77, de modo a restringir o escoamento para f£ ra da câmara 70 e, portanto, através dos interiores ocos das fibras do feixe 11. Isto torna possível regular o escoamento atra_ vês dos feixes de fibras individuais de um conjunto de permeação compreendendo uma pluralidade de feixes de fibras, e, assim, a pureza do azoto de cada modulo com feixe num conjunto de módulos pode ser equilibrada com a pureza de outros módulos. A fig. 2 mostra também uma válvula de amostragem 78 que está em comunicação com a câmara 70, tornando possível retirar uma amostra do fluido residual do módulo individual. Uma válvula de amostragem desta natureza tem uma configuração semelhante â do conjunto de uma haste da válvula de pressão para pneus de automóveis. Uma válvula de amostragem poderia também ser acrescentada adicionalmente ã tampa terminal 20 do módulo 10 na fig. 1.

Com referência a fig. 7, descrever-se-ã a seguir um conjunto de permeação preferido 81 compreendendo uma pluralidade de módulos 10 da forma de execução mostrada na fig. 1. Este conjuri to consiste num conjunto de dispositivos de permeação 80 de baixjd custo e para uma pressão essencialmente atmosférica tendo canais atravessantes de suporte 83 dentro dos quais os módulos com feixes de fibras 10 são colocados. Os módulos são suportados p£

las tampas terminais 18 e 20, e são retidos e vedados por vedan tes anelares 85 que estão em contacto com o diâmetro exterior das tampas terminais 18 e 20, 0 envolucro pode consistir em cha pa de metal leve. As tampas terminais 18 do lado de alimentação estão em comunicação com tubos múltiplos de alimentação 82 por meio das aberturas 30 e dos canais de comunicação 84, que são iguais para todos os módulos no conjunto. Canais de comunicação semelhantes cooperam com as tampas terminais (não mostradas) do resíduo na extremidade oposta do envolucro. Estes canais de comunicação permitem uma comunicação de fluido entre as tampas ter minais para o resíduo e os tubos múltiplos 86 para o resíduo. 0 gãs permeado que corre através das paredes das fibras de cada mó dulo com feixe de fibras é recolhido no interior do envolucro e conduzido para a atmosfera ambiente através da conduta 88. 0 envolucro compreende uma vãlvula de segurança 90 que actua como elemento de impedimento de pressões excessivas, efectuando uma ventilação adicional do interior do envolucro que não é resisten te a pressões interiores que poderiam ocorrer no caso de uma falha de uma chapa de tubos ou de um feixe de fibras que poderia criar uma corrente intensiva de gãs e uma elevação da pressão no interior do envolucro 80.

A fig. 8 mostra um conjunto preferido de dispositivo de permeação, indicado genericamente por 91 e contendo uma pluralidade de módulos 61 de acordo com as fig. 2 a 4. Este conjunto compreende uma única pilha vertical de módulos que estão fixados uns aos outros por meio de parafusos 92 e placas vedantes 72 entre os módulos, como se indica em 96. A pilha ê mostrada como estando também fixa numa estrutura de suporte 94 em cada uma das suas extremidades . Painéis de chapa metálica tais como 98 e

100 estão fixados nos lados laterais e nas extremidades da pilha de modo a envolverem os feixes de fibras e conterem o gãs permea_ do. 0 painel 98 da extremidade superior compreende uma conduta 102 para conduzir o gás permeado para fora do dispositivo de pe£ meação. 0 painel lateral 100 é munido de uma válvula de segurar^ ça, impedindo pressões excessivas e semelhante ã válvula mostrada no conjunto 81 de dispositivos de permeação na fig. 7. A úni_ ca tubagem exterior necessária neste dispositivo de permeação é o tubo de entrada de ar 104 adjacente ã extremidade de alimentação da pilha, o tubo de saída 106 para o resíduo ou o pro_ duto, adjacente ã extremidade de saída da pilha, e ainda a cond£ ta de saída 102 para o gãs permeado.

A fig. 9 mostra um outra variante de execução 106 de um conjunto de dispositivos de permeação, utilizando o módulo 61 de acordo com as fig. 2 a 4. Esta forma de execução compreende duas pilhas de módulos colocados lado a lado e fixadas mediante parafusos nos suportes 108 e 110 dos tubos múltiplos. As chapas la_ terais e terminais são semelhantes às do conjunto mostrado na fig.

8. A única tubagem exterior que é necessária neste dispositivo de permeação é o tubo de entrada de ar 112 para o bloco 108 na extremidade de alimentação da pilha, o tubo 114 para a saída do resíduo ou do produto para o bloco 110 na extremidade da pilha, e o tubo de saída 115 para o gãs permeado.

Em vez de se construir painéis envolventes individuais , como são mostrados nas fig. 8 e 9, um envólucro monolítico poderia envolver , em alternativa, completamente a pilha de módulos de permeação que seria montada numa placa de base. Uma tal cons trução poderia ser munida de aberturas de acesso amovíveis para obter acesso âs válvulas reguladoras de escoamento e ãs válvulas de amostragem. Para se remover um módulo individual do conjunto, o envõlucro ' . monolítico poderia ser removido rapidameji te, a fim de se obter acesso ã pilha de módulos.

A fig. 10 mostra um conjunto preferido 120 de dispositivo de permeação. Nesta forma de execução há duas pilhas de mód£ los 121 montadas lado a lado dentro de uma caixa envolvente 122 em chapa metálica. 0 gás permeado para os módulos 121 e conduzido para cima através do conjunto 120 de dispositivo depermeaçáo por meio de um soprador 123 que produz uma pressão ligeiramente sub-atmosférica dentro da caixa envolvente. Também é desejável aspirar o ar para dentro do conjunto 120 de dispositivos de permeação através de um filtro 124. Esta disposição tem várias vantagens. Em primeiro lugar, não é necessária nenhuma válvula de segurança para limitar a pressão no interior da caixa 122 em chapa metálica, visto que um dos lados está sempre em comunicação aberta com a atmosfera ambiente. Em segundo lugar, o gás permeado que pode ter uma temperatura próxima do ponto de con densação ê diluído com ar ambiente, evitando assim uma possível condensação. Em terceiro lugar, não há nenhuma fuga de ar rico em oxigénio (um possível risco de incêndios) para dentro do espaço que envolve o conjunto de dispositivos de permeação no caso de um módulo ter de ser removido para fins de substituição duran_ te o funcionamento (fechando-se as válvulas individuais para os tubos múltiplos) ou se a vedação ã volta das tampas terminais dos módulos ou das juntas do envõlucro apresentar uma deficiência . Se uma corrente de ar ambiente não for desejada, o filtro 124 po^ de ser substituído por um painel sólido. 0 soprador 123 pode tam bém vantajosamente ser acrescentado aos conjuntos de permeação

de acordo com as fig. 7, 8 e 9.

A presente invenção oferece a vantagem de um modulo teji do um tamanho básico poder ser junto a outros módulos formando um conjunto simples para construir um dispositivo de permeação de qualquer tamanho. Para cada conjunto de dispositivos de permeação torna-se necessária apenas uma caixa envolvente comum, econo mizando-se assim o custo de recipientes de módulos individuais. Em ambas as formas de execução de dispositivos de permeação, a tubagem para o gás permeado é simplificada num único canal de saída comum para qualquer número de módulos num conjunto de dispositivos de permeação. conjunto de dispositivos de permeação compreendendo módulos com as suas tampas terminais configuradas com segmentos de tubos múltiplos integrais, a tubagem é ainda mais simplificada de modo a compreender apenas três ligações para qual quer número de módulos num conjunto de dispositivos de permeação.

Claims

1. - Dispositivo para a permeação de gases sem chapa de invólucro, caracterizado por compreender um feixe alongado de fibras ocas, tendo em ambas as extremidades uma chapa de tubos, uma tampa terminal envd^endo ambas as chapas de tubos e formando uma câmara de pressão, sendo a primeira câmara uma entrada e a segunda câmara uma saída do gãs residual, uma haste de suporte no centro do feixe de fibras ocas, ligada firmemente a cada chapa de tubos e tampa terminal, e um canal de passagem que forma uma comunicação para fluidos entre o exterior de cada tampa terminal e a câmara formada no interior desta tampa.

2. - Dispositivo de permeação de acordo com a reivindi-

- cação 1, caracterizado por as tampas terminais serem adaptadas para o empilhamento com um dispositivo de permeação semelhante, sendo o canal de passagem numa das tampas terminais um segmento com tubos múltiplos adaptado para comunicar com um segmento semelhante com tubos múltiplos formado numa tampa terminal adjacente.

3. - Conjunto de dispositivos de permeação de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender uma pluralidade destes dispositivos de permeação, dispostos numa configuração em paralelo com as extremidades dos referidos dispositivos de permeação dispostos no mesmo plano, elementos para encerrar a configuração de dispositivos de permeação, elementos para estabelecer comunicação entre as extremidades dos dispositivos de permeação dispostos no mesmo plano, estabelecendo assim uma entrada comum de alimentação e uma saída comum para o resíduo, e elementos para arejar o conjunto encerrado, estabelecendo assim uma saída do gás permeado.

4. - Conjunto de dispositivos de permeação de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por a saída ser munida de elementos servindo para manter uma pressão sub-atmosférica dentro dos elementos de encerramento,