RU169226U1

RU169226U1 - Device for membrane separation of gas mixtures

Info

Publication number: RU169226U1
Application number: RU2016106093U
Authority: RU
Inventors: Леонид Федорович Шестиперстов
Original assignee: Леонид Федорович Шестиперстов
Priority date: 2016-02-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2017-03-13

Abstract

Полезная модель относится к области разделения газовых смесей с помощью полупроницаемых мембран и может быть использована в газовой, нефтяной, химической и других отраслях промышленности для разделения многокомпонентных газовых смесей, таких как атмосферный воздух и углеводородные газы, в том числе содержащие водород, гелий и другие газы. Заявлено техническое решение по усовершенствованию конструкции мембранного газоразделительного модуля, обеспечивающее возможность соединения двух или четырех половолоконных мембранных картриджей в монтажную сборку, монтируемую или демонтируемую в корпус через торцевой разъем с одной стороны корпуса, при этом полости внутренних коллекторных труб всех картриджей объединены и организован отвод из них потока не проникшей через мембраны газовой смеси. Техническим результатом заявленных решений является размещение большего количества мембранных картриджей в ограниченном пространстве, с повышением удельной производительности газоразделительной установки по отношению к занимаемому ей объему и площадям. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.The utility model relates to the field of separation of gas mixtures using semipermeable membranes and can be used in gas, oil, chemical and other industries for the separation of multicomponent gas mixtures, such as atmospheric air and hydrocarbon gases, including those containing hydrogen, helium and other gases . The claimed technical solution to improve the design of the membrane gas separation module, providing the ability to connect two or four hollow fiber membrane cartridges to the mounting assembly, mounted or dismantled into the housing through the end connector on one side of the housing, while the cavities of the inner manifold pipes of all cartridges are combined and the discharge from them is organized flow not penetrated through the membrane of the gas mixture. The technical result of the claimed solutions is the placement of a larger number of membrane cartridges in a limited space, with an increase in the specific productivity of the gas separation unit in relation to the volume and space occupied by it. 1 s.p. f-ly, 2 ill.

Description

1. Область техники1. The technical field

Полезная модель относится к области разделения газовых смесей с помощью полупроницаемых мембран и может быть использована в газовой, нефтяной, химической и других отраслях промышленности. Газоразделительные мембраны используются для разделения многокомпонентных газовых смесей, таких как атмосферный воздух и углеводородные газы, в том числе содержащие водород, гелий и другие газы.The utility model relates to the field of separation of gas mixtures using semipermeable membranes and can be used in gas, oil, chemical and other industries. Gas separation membranes are used to separate multicomponent gas mixtures, such as atmospheric air and hydrocarbon gases, including those containing hydrogen, helium and other gases.

2. Уровень техники2. The level of technology

Разделение газовой смеси на поток проникших сквозь мембрану газов (пермеат) и поток не проникших сквозь мембрану газов (ретентат) производится путем пропускания исходной газовой смеси через газоразделительный картридж.Separation of the gas mixture into a stream of gases penetrated through the membrane (permeate) and a stream of gases not penetrated through the membrane (retentate) is carried out by passing the initial gas mixture through a gas separation cartridge.

Известны устройства для разделения газовой смеси, в которых используются мембранные картриджи на основе половолоконной газоразделительной мембраны. Половолоконный мембранный картридж представляет собой конструкцию, включающую внутреннюю коллекторную трубу, вокруг которой уложены полые мембранные волокна, с одного конца закрепленные в герметичной торцевой заливке, а с другой стороны - закрепленные в проходной торцевой заливке. Проходя над поверхностью мембранных волокон, исходная газовая смесь делится на поток проникшего через мембрану внутрь полых волокон газа и поток не проникшего газа, при этом разные газы имеют различную скорость проникания сквозь мембрану, что позволяет выделять из исходной газовой смеси целевые элементы, например азот из атмосферного воздуха. Для обеспечения необходимой производительности газоразделительной установки картриджи подключаются параллельно, с объединением их входящих и выходящих потоков коллекторами.Known devices for separating a gas mixture that use membrane cartridges based on a hollow fiber gas separation membrane. A hollow fiber membrane cartridge is a structure that includes an internal collector tube, around which hollow membrane fibers are laid, fixed at one end in a sealed end-fill and, on the other hand, fixed at a straight end-fill. Passing over the surface of the membrane fibers, the initial gas mixture is divided into a stream of gas that has penetrated through the membrane into the hollow fibers and a stream of gas that has not penetrated, while different gases have different penetration rates through the membrane, which makes it possible to extract target elements from the initial gas mixture, for example, nitrogen from atmospheric air. To ensure the necessary performance of the gas separation unit, the cartridges are connected in parallel, with the union of their incoming and outgoing flows by collectors.

Пример конструкции единичного газоразделительного модуля с одним половолоконным мембранным картриджем представлена в патенте на полезную модель RU 115239 U1. Известно также устройство для очистки газовой смеси, патент на полезную модель RU 149982 U1, содержащее два параллельно подключенных мембранных газоразделительных картриджа, смонтированных в одном корпусе. Указанное в патенте RU 149982 U1 устройство является наиболее близким аналогом настоящей полезной модели.An example of the design of a single gas separation module with one hollow fiber membrane cartridge is presented in the patent for utility model RU 115239 U1. A device for cleaning a gas mixture is also known, patent for utility model RU 149982 U1, containing two parallel-connected membrane gas separation cartridges mounted in one housing. The device indicated in patent RU 149982 U1 is the closest analogue of the present utility model.

По сравнению с мембранным модулем с одним картриджем, описанное в патенте RU 149982 U1 техническое устройство позволяет разместить большее количество мембран в ограниченном пространстве, однако обладает недостатками, в частности:Compared with a membrane module with a single cartridge, the technical device described in patent RU 149982 U1 allows you to place a larger number of membranes in a limited space, but it has disadvantages, in particular:

- штуцеры отвода пермеата расположены в торцевых крышках корпуса, что приводит к необходимости демонтажа участков внешних отводящих трубопроводов при каждой операции монтажа мембранного картриджа в корпус или его демонтажа и требует соответствующего рабочего пространства;- permeate discharge fittings are located in the end caps of the housing, which leads to the need to dismantle sections of the external outlet pipelines during each operation of installing the membrane cartridge into the housing or its dismantling and requires an appropriate working space;

- в газоразделительной установке требуется обеспечить зону обслуживания с каждой стороны корпуса, с достаточным для монтажа и демонтажа единичного мембранного картриджа габаритом, что увеличивает потребный объем помещения и занимаемые установкой площади, то есть ведет к существенному снижению удельной производительности газоразделительной установки по отношению к занимаемому ей объему и площадям.- in the gas separation installation, it is required to provide a service area on each side of the casing, with a size sufficient for mounting and dismounting a single membrane cartridge, which increases the required volume of the room and the area occupied by the installation, that is, it leads to a significant decrease in the specific productivity of the gas separation installation in relation to the volume occupied by it and squares.

3. Раскрытие полезной модели3. Disclosure of utility model

В настоящей полезной модели заявлено техническое решение по усовершенствованию конструкции мембранного газоразделительного модуля, обеспечивающее возможность соединения двух или четырех половолоконных мембранных картриджей в монтажную сборку, с надлежащей организацией потоков газовых смесей. Заявлен мембранный модуль, содержащий сборку из двух мембранных картриджей в одном корпусе, с их монтажом и демонтажем с одной стороны корпуса. Заявлен мембранный модуль, содержащий сборку из четырех мембранных картриджей в одном корпусе, с их монтажом и демонтажем с одной стороны корпуса.This utility model claims a technical solution to improve the design of the membrane gas separation module, which provides the ability to connect two or four hollow fiber membrane cartridges into the mounting assembly, with the proper organization of gas mixture flows. A membrane module is claimed comprising an assembly of two membrane cartridges in one housing, with their installation and dismantling on one side of the housing. A membrane module is claimed comprising an assembly of four membrane cartridges in one housing, with their installation and dismantling on one side of the housing.

Техническим результатом заявленного технического решения по усовершенствованию конструкции мембранного газоразделительного модуля является повышение удельной производительности газоразделительной установки по отношению к занимаемому ей объему и площадям за счет уменьшения общих габаритов газоразделительной установки, которое достигается за счет сохранения зоны обслуживания с только с одной стороны единичного мембранного модуля или группы параллельно подключенных мембранных модулей в составе промышленной установки.The technical result of the claimed technical solution to improve the design of the membrane gas separation module is to increase the specific productivity of the gas separation unit in relation to the volume and space occupied by it by reducing the overall dimensions of the gas separation unit, which is achieved by maintaining the service area on only one side of a single membrane module or group parallel-connected membrane modules as part of an industrial installation.

Каждый единичный половолоконный газоразделительный картридж содержит цилиндрический пучок полых волокон и две торцевые заливки, в которых плотно закреплены концы полых полупроницаемых мембранных волокон, одна из заливок является герметичной, а другая является проходной и позволяет проникшему внутрь полых волокон газовому потоку свободно выходить из них, в то время как не проникший сквозь мембранные волокна газовый поток выходит во внутреннюю коллекторную трубу картриджа через предусмотренные в ней отверстия. Заявленная конструкция мембранного модуля выполняется таким образом, чтобы было возможно объединять мембранные картриджи в монтажные сборки, соединяя полости внутренних коллекторных труб картриджей. Для этого внутреннюю коллекторную трубу картриджа с каждого конца выполняют с резьбовыми участками и уплотнительными поверхностями, что позволяет организовать отвод через нее не проникшего газового потока как в одну, так и в другую сторону путем соответствующей установки ниппелей соединительных и заглушки.Each single hollow fiber gas separation cartridge contains a cylindrical bundle of hollow fibers and two end fillings, in which the ends of the hollow semipermeable membrane fibers are tightly fixed, one of the fillings is tight, and the other is pass-through and allows the gas stream that penetrates into the hollow fibers to freely leave them, while while the gas stream that has not penetrated through the membrane fibers enters the cartridge’s internal manifold pipe through the openings provided therein. The claimed design of the membrane module is made in such a way that it is possible to combine membrane cartridges into mounting assemblies, connecting the cavities of the internal collector tubes of the cartridges. For this, the inner manifold tube of the cartridge at each end is made with threaded portions and sealing surfaces, which allows organizing the removal of non-penetrated gas flow through it to one or the other side by appropriate installation of connecting nipples and plugs.

4. Раскрытие полезной модели4. Disclosure of utility model

Для раскрытия технической сути полезной модели представлены продольные разрезы мембранных модулей на Фиг. 1, Фиг. 2.To reveal the technical essence of the utility model, longitudinal sections of membrane modules in FIG. 1, FIG. 2.

На Фиг. 1 изображен мембранный модуль, содержащий смонтированные в одном корпусе два мембранных газоразделительных картриджа. Перечень позиций: 1 - цилиндрический корпус мембранного модуля, 2 - половолоконный мембранный газоразделительный картридж, 3 - глухая торцевая крышка, 4 - штуцер подвода газовой смеси, 5 - штуцер отвода не проникшей газовой смеси, 6 - штуцер отвода проникшей газовой смеси, 7 - внутренняя коллекторная труба картриджа, 8 - полые мембранные волокна, 9 - проходная торцевая заливка, 10 - герметичная торцевая заливка, 11 - проходной ниппель (с резьбовым концом с одной стороны и упорным буртом с другой стороны), 12 - резьбовая заглушка, 13 - пружина поджимающая, 14 - проходной ниппель, 15 - быстроразъемное хомутовое соединение, 16 - промежуточный диск.In FIG. 1 shows a membrane module comprising two membrane gas separation cartridges mounted in one housing. The list of items: 1 - a cylindrical membrane module case, 2 - a hollow fiber membrane gas separation cartridge, 3 - a blind end cap, 4 - a gas supply inlet fitting, 5 - a non-penetrated gas mixture outlet fitting, 6 - a penetrated gas mixture outlet fitting, 7 - an internal cartridge collector tube, 8 - hollow membrane fibers, 9 - end face filling, 10 - end seal, 11 - through nipple (with a threaded end on one side and a thrust collar on the other side), 12 - threaded plug, 13 - compression spring , 14 - p nipple, 15 - quick disconnect clamp connection, 16 - intermediate disk.

На Фиг. 2 изображен мембранный модуль, содержащий четыре мембранных газоразделительных картриджа, смонтированные в одном корпусе. Нумерация позиций - аналогично Фиг. 1.In FIG. 2 shows a membrane module comprising four membrane gas separation cartridges mounted in one housing. Numbering of positions - similar to FIG. one.

Устройство и его составные части работают следующим образом.The device and its components work as follows.

Модуль мембранный (Фиг. 1) включает корпус 1, состоящий из цилиндрической обечайки и фланцевого разъема с заглушкой с одной стороны и эллиптической заглушки с другой стороны, в котором установлена монтажная сборка из двух картриджей половолоконных мембранных газоразделительных 2, направленных проходными заливками один к другому и скрепленных быстроразъемным хомутовым соединением 15, сцепляющим картриджи за канавки на их проходных заливках 9. При работе картриджи будут прижаты один к другому за счет разницы давлений между давлением входящего потока газовой смеси и давлением проникшего через мембрану газа. Между картриджами предусмотрен промежуточный диск 16, воспринимающий взаимную нагрузку от опорных частей проходных заливок 9. Газ подается в корпус через два входных патрубка 4, после чего по кольцевым зазорам между корпусом 1 и картриджами 2 движется к местам входа в картриджи. После входа в картридж, в процессе прохождения газовой смеси над поверхностью волокон 8 половолоконной мембраны, часть газовой смеси проникает внутрь полых мембранных волокон 8, ограниченных с одной стороны глухой торцевой заливкой 10, а с другой стороны - проходной заливкой 9, через которую газ выходит в кольцевой зазор, образованный корпусом и двумя проходными заливками 9 двух картриджей 2, откуда удаляется через штуцер 6. Не проникшая часть газовой смеси выходит во внутренние коллекторные трубы 7 через ряд отверстий в их стенках. Со стороны крышки корпуса 3, внутренняя коллекторная труба картриджа заглушена резьбовой заглушкой 12, герметично отделяющей полость внутренней коллекторной трубы от полости внутри корпуса, заполненной входящим потоком газовой смеси. Внутренние коллекторные трубы двух картриджей 2 соединены проходным ниппелем 14, обеспечивающим герметизацию внутреннего пространства труб от полости проникшего потока посредством установки уплотнительных колец между его внешней образующей и уплотнительными поверхностями внутренних коллекторных труб 7 двух картриджей. Вывод не проникшего потока из корпуса осуществляется через проходной ниппель 11 (с ввинченным во внутреннюю коллекторную трубу картриджа резьбовым концом с одной стороны и упорным буртом с другой стороны) и штуцер отвода не проникшей газовой смеси 5. В процессе работы создается усилие, обусловленное разницей давлений между давлением входящего потока и давлением в штуцере 5, прижимающее сборку из двух картриджей к штуцеру 5, на который опирание передается через упорный бурт ниппеля 11. Для обеспечения прижима сборки из двух картриджей 2 к штуцеру 5 при монтаже, предусмотрена поджимающая пружина 13. Скрепление и раскрепление картриджей при их монтаже и демонтаже производят в положении, когда один из картриджей вставлен в корпус на глубину, позволяющую смонтировать быстроразъемное хомутовое соединение 15.The membrane module (Fig. 1) includes a housing 1, consisting of a cylindrical shell and a flange connector with a plug on one side and an elliptical plug on the other side, in which an assembly assembly of two cartridges of hollow fiber membrane gas separation 2 is installed, directed through the fills one to another and fastened by a quick-disconnect clamp connection 15, connecting the cartridges to the grooves on their feedthrough fillings 9. During operation, the cartridges will be pressed one against the other due to the pressure difference between the pressure entering its flow of the gas mixture and the pressure of the gas penetrating through the membrane. An intermediate disk 16 is provided between the cartridges, which receives the mutual load from the supporting parts of the passage fillings 9. Gas is supplied to the housing through two inlet pipes 4, after which it moves along the annular gaps between the housing 1 and the cartridges 2 to the places of entry into the cartridges. After entering the cartridge, during the passage of the gas mixture above the surface of the fibers 8 of the hollow fiber membrane, part of the gas mixture penetrates the hollow membrane fibers 8, limited on one side by a blind end filling 10, and on the other hand, through the filling 9 through which the gas flows into an annular gap formed by the housing and two through-fillings 9 of two cartridges 2, from where it is removed through the nozzle 6. The non-penetrated part of the gas mixture enters the internal manifold pipes 7 through a series of holes in their walls. From the side of the housing cover 3, the inner manifold pipe of the cartridge is plugged with a threaded plug 12, which hermetically separates the cavity of the inner manifold pipe from the cavity inside the housing filled with the incoming gas mixture stream. The inner manifold pipes of the two cartridges 2 are connected by a passage nipple 14, which provides sealing of the inner space of the pipes from the cavity of the penetrated stream by installing sealing rings between its outer generatrix and the sealing surfaces of the inner manifold pipes 7 of the two cartridges. The output of the non-penetrated stream from the housing is carried out through the inlet nipple 11 (with a threaded end screwed into the cartridge’s internal manifold tube on one side and a thrust collar on the other) and the outlet fitting of the non-penetrated gas mixture 5. During operation, a force is created due to the pressure difference between the pressure of the incoming stream and the pressure in the nozzle 5, pressing the assembly of two cartridges to the nozzle 5, to which the bearing is transmitted through the thrust collar of the nipple 11. To ensure the clamp assembly of two cartridges 2 to pieces Yeru 5 during installation, provides the biasing spring 13. The fastening and unfastening of cartridges during their assembly and disassembly is carried out in a state where one of the cartridges inserted in the housing to a depth that allows quick mount Homutova compound 15.

Модуль мембранный (Фиг. 2) включает корпус 1, с одной стороны оснащенный торцевой заглушкой 3, закрепленной к корпусу быстроразъемным соединением. В корпусе 1 установлена монтажная сборка из четырех картриджей, скрепленных быстроразъемными хомутовыми соединениями 15 и опирающихся один на другой через промежуточные диски 16. Внутренние коллекторные трубы всех четырех картриджей соединены проходными ниппелями 14, обеспечивающими герметизацию внутреннего пространства труб от полостей входного и проникшего потока. Исходная газовая смесь подается в корпус через три входных штуцера 4, после чего заходит в картриджи, где разделяется на проникший и не проникший сквозь мембрану потоки. Проникшая часть газовой смеси выводится через два штуцера 6, не проникшая часть потока - через штуцер 5, соединенный с внутренней коллекторной трубой ближайшего модуля аналогично решению, показанному в узле А на Фиг. 1. Со стороны крышки 3 полость внутренних коллекторных труб сборки из четырех картриджей герметизируется резьбовой заглушкой и поджимается пружиной аналогично решению, показанному в узле В на Фиг. 1.The membrane module (Fig. 2) includes a housing 1, on the one hand equipped with an end cap 3, fixed to the housing by a quick coupling. In the housing 1, an assembly assembly of four cartridges is mounted, fastened with quick-disconnect clamp connections 15 and resting one on the other through the intermediate disks 16. The inner collector pipes of all four cartridges are connected with bore nipples 14, which provide sealing of the internal space of the pipes from the cavities of the input and penetrated flow. The original gas mixture is fed into the housing through three inlet nipples 4, after which it enters the cartridges, where it is divided into flows that have penetrated and not penetrated through the membrane. The penetrated part of the gas mixture is discharged through two nozzles 6, the non-penetrated part of the flow through the nozzle 5 connected to the inner collector pipe of the nearest module is similar to the solution shown in node A in FIG. 1. On the side of the cover 3, the cavity of the internal collector pipes of the assembly of four cartridges is sealed with a threaded plug and spring-tightened similarly to the solution shown in the assembly B in FIG. one.

Конструкции модулей, приведенные на Фиг. 1, Фиг. 2, могут использоваться для разделения атмосферного воздуха или другой газовой смеси, с целью получения целевого продукта, например, выделения азота из атмосферного воздуха, выделения гелия из природного газа, либо для очистки природного газа от углекислого газа, воды, сероводорода и т.д.The module designs shown in FIG. 1, FIG. 2, can be used to separate atmospheric air or another gas mixture, with the aim of obtaining the target product, for example, the release of nitrogen from atmospheric air, the separation of helium from natural gas, or for the purification of natural gas from carbon dioxide, water, hydrogen sulfide, etc.

Claims

1. A device for cleaning the gas mixture, comprising a housing, fittings for supplying the input stream of the gas mixture and exhaust penetrated through the membrane and not penetrated through the membrane flows of the gas mixture and at least two membrane gas separation cartridges, a cylindrical bundle of hollow membrane fibers and two end fillings, in which the ends of the hollow fibers are sealed, while in one of the end fillings the ends of the sealed hollow fibers are open for free passage of the permeate stream from the inner space of the fibers n, and in the end filling on the opposite end of the cartridge, the ends of the hollow fibers are completely sealed, the membrane module housing has one blind end cover, characterized in that the cartridges are made with an internal collector pipe having a threaded connection and a sealing surface on each side, installed in the housing along at least one assembly of membrane gas separation cartridges, pressed against the gas outlet fitting by a spring, mounted and dismounted on one side of the housing, while cartridges fastened by quick-disconnect couplings and their internal manifold pipes are connected by bushing nipples to seal the combined internal space from adjacent cavities, the unreacted flow of the gas mixture is discharged from it through the bushing and the outlet fitting from the membrane module body, while the joint cavity is on the opposite side The inner manifold pipe of the cartridges is hermetically sealed.

2. The device according to claim 1, characterized in that an assembly assembly of four cartridges is installed in the housing.