RU1811415C - Способ разделени смеси газов - Google Patents

Abstract

Использование: разделение газов в гильзе с мембраной из полых волокон. Существо изобретени : смесь газов под повышенным давлением ввод т со стороны отверстий в гильзу с проницаемой мембра-. ной из спирально намотанных полых волокон , практически все полые волокна которой обладают практически одинаковой длиной по всей ее структуре. Истечение проход щего потока в проницаемом модуле с использованием упом нутой гильзы поддерживают в направлении, которое  вл етс  противотоком относительно направлени  подачи исходного материала и отвода рафинатного газа. В ходе проведени  процесса разделени  за счет проницани  поддерживают практически полное радиальное смешение в проход щем потоке со стороны отвода проход щего продукта и практически полное отсутствие осевого смешени  либо со стороны отвода проход щего продукта, либо со стороны отвода рафината из гильзы с проницаемой мембраной из полых волокон. 2 з.п.ф-лы, 3 табл. ел с 00 Ј СП со

Description

Изобретение относитс  к усовершенствованной гильзе с мембраной из полых волокон и х ее применению при осуществлении усовершенствованного способа разделени  газов за счет проницани . Насто щее изобретение относитс  к применению гильз со спирально намотанными проницаемыми мембранами из полых волокон, в которых активна  длина полых волокон, использованна  при конструировании гильз,  вл етс  по существу одинаковой по всей проницаемой гильзе. В процессе разделени  газовую смесь подают в отверсти  полых волокон и истечение проход щего потока по предпочтительному варианту поддерживают по принципу противотока относительно направлени  истечени  рафи- натного потока, исход щего из отверстий полых волокон в ходе проведени  этого процесса разделени  газов. В процессе разделени  газов происходит существенное радиальное смещение проход щего потока на проницаемой стороне и исходного потока на стороне этого исходного потока, в то врем  как никакого осевого смещени  ни с проницаемой стороны, ни со стороны подачи исходного потока гильзы с проницаемыми мембранами из полых волокон не происходит.

Способ разделени  газовой смеси, при осуществлении которого обеспечиваетс  высокоэффективное разделение, описан дл  выделени  по меньшей мере одного легче проход щего компонента из см еси компонентов . Практическое осуществление такого способа обычно позвол ет достичь высокой эффективности разделени  или более высокой производительности при заданной степени чистоты в сравнении с тем, что достигаетс  при осуществлении способов , согласно которым используют модули обычной конструкции, известные в технике. В соответствии со способом насто щего изобретени  исходную газовую смесь подают в первый впускной конец, в отверсти  полых волокон гильзы со спирально намотанной проницаемой мембраной из полых волокон при положительном давлении, причем гильза с проницаемой мембраной из полых волокон размещена в сосуде с приемлемыми впускными средствами и выпускными средствами дл  исходной смеси, подвижного потока проход щего газа и ра- финатного потока, а также средствами дл  регулировани  давлени , температуры и расхода потоков. Общее направление отвода подвижного потока проход щего газа внутри модул  поддерживают противоточ- ным относительно направлени  осевой линии , формируемой каналами дл  ввода-вывода рафината, в то врем  как истечение исходной газовой смеси в отверсти х волокон может действительно происходить под существенным углом к направлению истечени  проход щего потока.

Проход щий поток в модуле также движетс  под существенным углом к поверхности мембраны и не в тангенциальном

направлении, Рафинатный поток рекуперируют на выпускном конце отверстий полых волокон, противоположных первому впускному концу дл  исходной газовой смеси

этих отверстий и направлению истечени  рафинатного потока в модуле. Совершенно неожиданно было установлено, что в ходе проведени  упом нутого процесса разделени  газов сохран ютс  практически полное

0 или значительное радиальное смешение проход щего потока .с проницаемой стороны и практически полное отсутствие осевого смешени  либо с проницаемой стороны, либо с рафинатнойстороны гильзы с проница5 ем о и мембраной из по.лых волокон, Активна  длина практически всех полых волокон , которые используют дл  конструировани  гильзы с мембраной, по существу одинакова по всей ее конструкции.

0 При осуществлении усовершенствованного способа разделени  газов со стороны отверстий по насто щему изобретению совершенно неожиданно было установлено, что в спирально намотанных проницаемых

5 устройствах поддерживаютс  услови  противоточного истечени ; при этом практически отсутствует осевое смещение и достигаетс  высока  степень радиального смешени , Результатом  вл етс  создание

0 разделительной гильзы с почти идеальными динамикой истечени  и характеристиками разделени . Было также установлено, что степень чистоты подвижного компонента неожиданно повысилась в сравнении с той,

5 что достигаетс  в гильзах, сконструированных обычным образом. Улучшенна  работоспособность была достигнута, когда процесс разделени  проводили в опреде- ленных операционных услови х с примене0 нием гильз со спирально намотанными проницаемыми мембранами из полых волокон определенной конструкции в проницаемом модуле. Основное требование к полым волокнам, которые предусмотрены дл  ис5 пользовани  при осуществлении способа насто щего изобретени , состоит в способности выдел ть из газового потока по меньшей мере один дополнительный проход щий компонент. Можно примен ть пори0 стую, плотную стенку, асимметричное или

составное полое волокно с разделительным

барьером на любой стороне стенки волокна.

Полые волокна в гильзе со спирально

намотанной проницаемой мембраной из

5 полых волокон должны характеризоватьс  практически одинаковой длиной п о всей гильзе. Затем гильзу с проницаемой мембраной из полого волокна заключают в модуль; этот модуль снабжен соответствующими впускными средствами и выпускными

средствами дл  исходной смеси, дл  проход щего подвижного газового компонента И средствами дл  регулировани  давлени , температуры и расхода потоков. Устройство и конструкци  проницаемых модулей дл  газовой смеси хорошо известны любому специалисту в данной области, поэтому здесь нет необходимости в их дальнейшем описании дл  понимани  различных известных конфигураций.

В ходе осуществлени  усовершенствованного способа насто щего изобретени  используют подачу со стороны отверстий и газовую смесь ввод т во впускной конец отверсти  гильзы со спирально намотанной проницаемой мембраной из полых волокон под избыточным давлением.

Проход щий компонент потока удал ют со стороны кожуха гильзы, котора  заключена в модуль, и направление истечени  про- ход щего продукта противоположно направлению истечени  исходной смеси, вход щей в отверсти , и противоположно направлению истечени  рафината, отводимого из отверстий. Степень чистоты продук- та или рекуперации продукта обычно регулируют путем поддержани  конкретного стадийного градиента процесса. Модуль помещают в кожух и напротив каждой трубной решетки предусматривают наличие 0образной кольцевой уплотнительной прокладки дл  текучих сред. Исходный газ входит со стороны отверстий полого волокна вблизи отверстий полого волокна в трубной решетке. Подаваемый сбоку исходный газ проходит продольно по всей длине полого волокна в то врем , как проход щий газ (обогащенный более быстро движущимс  газом) движетс  через стенку волокна и удал етс  из кожуха. Задерживаемый газ (отде- л емый от более быстро движущегос  проход щего газа) выход из конца, противоположного концу, в который входит исходный газ..

Непроницаемый барьер (непроницае- ма  пленка, например така : как поливи- нилхлоридна ), охватывающа  гильзу с отверстием в барьере после впускного отверсти  трубной решетки заставл ет прохо- д щий газ двигатьс  в направлении, противоположном направлению истечени  основной массы исходного бокового газа. Режим истечени  можно изменить на пр моточный путем простой обратной подачи потока за счет введени  исходного газа, где задерживаемый продукт рекуперируют, и рекуперировани  задерживаемого продукта , где подают исходный газ. Необходимо отметить, что отверстие дл  отвода проход щего продукта может быть расположено

в любой точке по всей длине кожуха (сторона дл  проход щего продукта) без вли ни  на режим истечени  исходного - проход щего материала, поскольку кольцевое пространство позвол ет газу истекать за пределы гильзы с волокнами. Это кольцевое пространство может оказатьс  не всегда необходимым , например, тогда, когда гильза с волокнами прижата к стенкам кожуха. В этом случае отверстие дл  отвода проход щего продукта следует поместить вблизи одной из трубных решеток с целью обеспечить противоточное или пр моточное истечение .

Процесс разделени  можно проводить путем подачи исходного газа при повышенном давлении и удалении проход щего продукта под пониженным давлением, а по другому варианту проход щий продукт можно отводить в вакууме. В ходе проведени  процесса разделени  газов происходит практически полное радиальное смешение быстро движущегос  проход щего газового потока с проницаемой стороны гильзы с проницаемой мембраной из полых волокон и практически полностью предотвращаетс  осевое смешение либо с проницаемой стороны , либо с рафинатной стороны гильзы с проницаемой стороны, либо с рафинатной стороны гильзы с проницаемой мембраной из полых волокон. В некоторых конкретных случа х может не быть достигнуто полное радиальное смешение, в особенности тогда, когда используют мембраны из полых волокон с высокой степенью проницаемости. Однако все еще можно ожидать, что осуществление способа насто щего изобретени  позволит обеспечить рабочие характеристики при разделении газов, которые превосход т эксплуатационные качества известных конструкций. Было установлено, что обычно, осуществление способа насто щего изобретени  позвол ет повысить рост прохождени  быстрого газа, а степень частоты быстрого газа в проход щем потоке шаетс  и сравнении с достигаемыми при осуществлении способов разделени  газов с использованием других модулей, извест - ных в технике.

Это особенно справедливо дл  выделени  азота из воздуха. Осуществление способа насто щего изобретени  позвол ет также получать газовые потоки повышенной однородности, избега , таким образом, ка- налового эффекта или проскока в обход мембраны, что приводит к снижению разделительной эффективности, что часто встречаетс  в случа х применени  модулей, сконструированных ранее и выполненных по обычным способам.

Хорошо известно, что в технике динамика истечени  в мембранном модуле имеет очень важное значение дл  рабочих характеристик готового модул . Известно также, что противоточное истечение представл ет собой оптимальную схему истечени  дл  большинства областей применени  процессов разделени  газов, тогда как пр моточна  схема истечени   вл етс  оптимальной дл  ограниченного числа областей применени  процессов разделени  газов. В проти- воточной схеме истечени  исходный материал после ввода истекает вдоль поверхности мембраны и рэфинат отводитс  в конце мембранного модул , тогда как проход щий продукт, обогащенный, по меньшей мере, еще одним проход щим газовым компонентом, истекает по принципу противотока относительно направлени  истечени  исходного материала и рафината. Дл  осуществлени  противоточного истечени  п модульных проницаемых устройствах из полого волокна эти полые волокна обычно размещают параллельно, причем исходный газ движетс  тангенциально вдоль и вне полых волокон, тогда как проход щий продукт отвод т из отверстий полого волокна по принципу противотока. По другому варианту исходный газ ввод т в отверсти .полого волокна , а проход щий продукт отвод т со стороны кожуха по принципу противотока, причем проход щий продукт истекает тангенциально мембранной поверхности.

Широко признано, что противоточна  схема истечени  представл ет собой идеальную конфигурацию истечени , и любое нарушение распределени  в схеме истечени , например, вследствие неравномерности истечени  через гильзу, в частности в результате канального эффекта, резко сни- жаетэксплуатационные характеристики модул . Обычно дл  создани  противоточных условий истечени  существенным считаетс  размещение волокон параллельно направлению движени  потоков исходного материала , рафината, проход щего продукта при практическом проведении процессов.

Совершенно неожиданно авторами насто щего изобретени  было установлено, что модули из полых волокон могут быть выполнены спиральной намоткой мембраной из полого волокна и работать с введением исходного газа в отверсти  полых волокон, полиостью обеспечива  при этом создание условий противоточного истечени , причем волокно в таком модуле размещено не тангенциально, а под существенным углом, а иногда почти перпендикул рно направлению истечени  проход щего продукта.

Во всех материалах данной за вки на патент нижеследующие термины или их варианты имеютте значени , которые указаны в приведенной ниже части полного описани  насто щего изобретени . Термин практически по всей равномерной длине служит дл  обозначени  активных длин полых волокон проницаемой  чейки, которые при переходе от одного волокна к другому

0 варьируютс  менее чем приблизительно на 20%, предпочтительнее менее чем примерно на 10%. Термин гильза с проницаемой мембраной из полых волокон служит дл  обозначени  спирально намотанного эле5 мента из проницаемом мембраны из полых волокон, причем практически все полые волокна в таком элементе характеризуютс  одинаковой длиной; такие элементы могут быть, выполнены с использованием извест0 ных средств, например, согласно способу спиральной намотки, известному из описани  к американскому патенту 4631128. Термин проницаемый модуль служит дл  обозначени  элемента, включающего в себ 

5 гильзу с проницаемой мембраной из полого волокна и кожух или мом сосуд, причем такой элемент снабжен всеми необходимыми при этом средствами, клапанами и отверсти ми дл  подачи потока исходной газовой

0 смеси и рекуперировани  проход щего продукта и рафината. Механическа  конструкци  модул  известна любому специалисту в данной области и полностью проиллюстрирована в опубликованной литературе, на5 пример в описании к американскому патенту 4207192.

Термин угол намотки определ ют следующим образом: при ориентировании пучка в горизонтальном положении угол

0 намотки представл ет собой угол, под которым волокно укладывают по всему пучку относительно вертикальной оси. Так, например , волокна, намотанные под углом намотки 90°, были бы параллельными и

5 пр мыми от одного конца пучка до другого. Волокна, намотанные в модуле под одним и тем же углом намотки, характеризуютс  одной и той же длиной. Термин радиальное . смешение определ ют следующим обра0 зом: проход щий продукт/исходный газ в модуле из полого волокна считаютс  полностью радиально перемешенными, если состав газа по всему поперечному сечению, которое перпендикул рно направлению ис5 . течени  потока проход щего газа, однороден и гомогенен. Необходимо отметить, что радиально } смешение проход щего продук- та.не  вл етс  необходимым в направлении, перпендикул рном стенке волокна. В том случае, когда волокно в модуле намотано

под углом намотки 45°, газ со стороны кожуха относительно волокна (проход щий газ в случае подачи исходного газа в отверсти ) рэдиально смешиваетс  под углом 45° относительно волокна. Одновременно с этим не должно происходить никакого смешени  в осевом направлении. Без радикального смешени  со стороны проход щего продукта прохождение поперечного типа будет иметь место независимо от истечени  ис- ходного потока и массы проход щего продукта ..

Дл  большинства областей применени  противоточное (а в некоторых случа х и пр моточное ) проницание оказываетс  более эффективным, чем проницание с поперечным истечением. Таким образом, почти всегда желательно радикально смешение проход щего газа.

Термин осевое смешение служит дл  обозначени  перемешивани  вдоль направлени  истечени . Оно происходит почти параллельно направлению волокна дл  исходного газа, а дл  истечени  проход щего потока параллельно оси, котора  прохо- дит от входа исходного газа до отверстий в„ыхода рафината. Канальный эффект слу- . жит дл  обозначени  обходного проскока через частичное сечение поверхности мембраны текучей среды, то есть эта текуча  среда истекает через проницаемый модуль в виде неоднородного потока, обуславлива  случаи высоких или низких линейных скоростей и снижени  эксплуатационных качеств модул  из-за снижени  эффективности р.эзде- .лени . Термин стадийный градиент служит дл  обозначени  количества в процентах проход щего газа, первоначально присутствующего в исходной смеси, который имеет возможность проходить через проницае- мую мембрану..

Термин компонент либо индивидуально , либо в таком сочетании, как проход щий компонент потока, тлт в сочетании с другими словами, относ щимис  к газу или газово й смеси, служит дл  обозначени  индивидуального газа или соединени , которое первоначально присутствует в исходных смес х или смеси газо.в или соединений, в которых концентраци  одного или нескольких газов или соединений, первоначально присутствующих в исходной смеси, в рафинатном потоке понижаетс . Как известно, в большинстве процессов раз- делени  за счет проницани  достигаетс  не полное разделение, а обогащение. В соот- .ветствии с насто щим изобретением предлагаютс  значительные и неожиданные усовершенствовани  в скорости приница-

ни  компонента и повышени  степени чистоты компоненты.

Хот  выделение газа или соединени  путем подачи смеси га зов либо со стороны кожуха в проницаемый модуль из полых волокон с введением исходного газа в плотный контакт с внешней поверхностью полых волокон, либо со стороны отверстий полых волокон дл  введени  этого исходного газа в плотный контакт с внутренней поверхностью отверстий полых волокон хорошо известно, дл  усовершенствовани  существующих технологий все еще предпринимаютс  многочисленные усили . .

Способ насто щего изобретени   вл етс  одним из результатов неожиданного и непредсказуемого повышени  характеристик разделени  в целом.

Избыточное давление исходного потока газов может составл ть приблизительно от 50 фунтов/дюйм , 3,53 кг/см или меньше 400 фунтов/дюйм2, 28,12 кг/ем2, или больше, предпочтительные в интервале приблизительно 100-200 фунтов/дюйм , 7,03-14,06 кг/см . Как известно, наиболее предпочтительные услови  избыточного давлени  в конкретных примерах завис т от многих переменных, включа  сюда состав исходной смеси, тип используемых полых волокон, характеристики проницаемого материала полого волокна, размеры гильзы и проницаемого модул , температура и тому подобное, однако их можно определить по известным процедурам технологических расчетов. Однако перепад давлений, который используют в процессе, не должен пре- вышать разрушающего давлени  дл  мембраны из полых волокон или давлений, которые ухудшают разделительные характеристики мембраны вследствие образовани  дефектов. .

Важна  характеристика насто щего изобретени  состоит в использовании скорее не параллельной  чейки, а гильзы со спирально намотанной проницаемой мембраной из полого волокна. Применение гильзы со спирально намотанной проницаемой мембраной из полого волокна позвол ет повысить скорость прохождени  газа, равномерность распределени , снизить канальный , эффект, обеспечить улучшенную динамику истечени  и в результате улучшить процесс разделени  с достижением болеэ высокой степени чистоты при заданном стадийном градиенте или скорости рекуперации при заданной степени чистоты. В ходе осуществлени  данного способа разделени  существенное значение имеет полнота радиального смешени  проход щего потока с проницаемой стороны гильзы с

проницаемой мембраной из полых волокон и практически полное отсутствие осевого смешени  как с проницаемой стороны, так и рафинатной стороны гильзы с проницаемой мембраной из полых волокон. По экономическим соображени м в ходе проведени  процесса разделени  газов требуютс  не только хороша  селективность, но и высокие производительность и степень чистоты продукта, причем скорость прохождени   вл етс  показателем производительности. В случае наличи  хорошей селективности и низкой скорости прохождени  экономическа  жизнеспособность процесса находитс  под большим вопросом.

То же самое можно сказать и в случае низкой селективности при высокой производительности . Осуществление способа насто щего изобретени  позвол ет достичь хорошей селективности при повышенных скорости прохождени  газов и степени чистоты продукта, что и  вл етс  непредсказуемым .

В типичном варианте осуществлени  способа насто щего изобретени  эзот рекуперируют с хорошей производительностью и повышенной степенью чистоты путем подачи воздуха под избыточным давлением 100 фунтов/дюйм2, 7,03 кг/см2, в отверсти  составной мембраны, изготовленной нанесением на пористые полисульфоновые полые волокна сло  покрыти  из этилцеллюлозы, заключением мотка в гильзу и помещением в сосуд. Проницаемый модуль был сконструирован с возможностью обеспечить рекупе- рирование проход щего потока из выпускных средств, размещенных на том же самом конце модульной структуры, через который в проницаемый модуль вводили исходный воздух,, поддержива  таким образом противоточное истечение между потоками обогащенного кислородом проход щего продукта с внешней, проницаемой стороны упом нутой гильзы и воздуха, подаваемого в отверсти  пористых полисуль- фоновых полых волокон с покрытием проницаемой гильзы, и рекупериру  рафи- натный поток с конца модульной структуры, противоположного концу, через который в этот модуль вводили воздух.

Гильзы со спиральной намоткой проницаемых мембран из пористых полых волокон , которые могут быть использованы при осуществлении способа насто щего изобретени , изготавливают по обычным известным процедурам, которые примен ет любой специалист в данной области, причем в процессе изготовлени  осуществл ют необходимые стадии, позвол ющие достичь того, что практически все полые волокна в

проницаемой  чейке обладают практически одинаковой длиной. Длины полых волокон должны измен тьс  при переходе от одного волокна к другому в интервале менее, приблизительно 15-20%, предпочтительнее в интервале менее примерно 5-10%. Совершенно неожиданно было установлено, что углы намотки можно варьировать в широком диапазоне, не оказыва  нежелательно0 го воздействи  на динамику истечени  в модуле. Однако при очень малых углах могут получитьс  полые волокна очень большой длины, что может привести к чрезмерному падению давлени  в модуле. Падение дав5 лени  легко рассчитать с помощью известных в проектировании формул, и полые волокна наматывают под углами, которые позвол ют не превышать желаемых величин падени  давлени . Изготовление гильз

0 с проницаемыми мембранами из таких полых волокон не охватываетс  рамками насто щего изобретени , поэтому при их изготовлении можно примен ть любые процедуры . Особенно приемлемый псособ под5 робно изложен в описании к американскому патенту 4207192.

Затем гильзу с проницаемой мембраной из спирально намотанного пористого полого волокна заключают в сосуд, получа 

0 проницаемый модуль. Проницаемый модуль конструируют таким образом, чтобы исходна  газова  смесь под избыточным давлением поступала в первый конец упом нутого модул , а затем в отверсти  в зоне впускных

5 отверстий полых мембран, быстрый газовый компонент проникал через стенки проницаемых пористых полых волокон и истекал в пространство между внешними поверхност ми полых волокон.

0 Такие полые волокна могут быть составными , пористыми, ассиметричными или плотными (непористыми), а тонка  разделительна  оболочка может находитьс  гак на внешней, так и на внутренней стенке полого

5 волокна. Проход щий поток рекуперируют средствам и дл  рекуперировани  проход щего продукта, которыр предусмотрены вблизи упом нутого первого конца вышеуказанного модул , а непроход щий газ или

0 рафинатный поток продолжает истекать по отверсти м в полых волокнах вышеупом нутой гильзы, после чего его удал ют со второго конца вышеуказанного модул , расположенного напротив указанного пер5 вого конца. В процессе разделени  газов за счет проницаемости проход щий поток истекает по принципу противотока относительно истечени  исходного потока, вход щего в полые волокна, и рафинатного потока, которые отвод т из полых волокон,

в сочетании с практически полным радиальным смешением проход щего потока на проницаемой сторону проницаемой  чейки и почти полным отсутствием осевого смешени  либо -на проницаемой стороне, либо на рафинатной стороне проницаемой  чейки.

В ограниченном числе случаев может оказатьс  более желательной противоточ- на  схема проведени  процесса. В таких случа х отверстие дл  отвода проход щего потока сконструировано с целью обеспечить услови  дл  пр мотока, однако, обычно противоточное истечение  вл етс  предпочтительным .

По предпочтительному варианту стенки полых волокон должны быть достаточно толстыми , чтобы дл  манипул ций с ними не требовалось наличие специально предусмотренных приспособлений и их было удобно наматывать с изготовлением гильз. Внешний диаметр полого волокна может измен тьс  в интервале приблизительно 1- 100 мил .(0,0254-2,54 мм) или больше, предпочтительнее приблизительно 2-80 мил (0,508-2,032 мм). Толщина стенки полого волокна может измен тьс  в интервале приблизительно 0,1-12 мил (0,00254-0,3048 мм), предпочтительнее примерно 0,2-20 мил (0,00508-0,508 мм).

С целью обеспечить желаемый расход потока стенки ассиметричных, составных и пористых полых волокон делают такими, чтобы объем полостей волокон был достаточным , в частности тех полых волокон, толщина стенок которых составл ет, по меньшей мере, приблизительно 2 мила (0,0508 мм). Эти полости представл ют собой регионы внутри полых волокон, которые свободны от материала полых волокон. Таким образом, когда имеютс  указанные полости, плотность полых волокон меньше плотности сплошного материала этих же полых волокон. Объем полостей полого волокна может составл ть 90% или приблизительно 10-80%, а иногда примерно 20-70% в пересчете на поверхностный объем, т.е. объем, который заключаетс  в габаритах полого волокна, включа  объем его отверсти .

Во многих примерах пористое полое волокно покрывают слоем материала дл  нанесени  покрыти  и оно представл ет собой составную мембрану с тонким слоем мембранообразующего материала, который на- .несен на поверхность пористого полого волокна. Это может быть осуществлено по любой из известных процедур, например, раствор мембранообразующего материала нанос т с расчетом получить готовое сухое покрытие толщиной приблизительно до

5

7000 А, предпочтительнее примерно 500о

2000 А, склееное с внешней поверхностью пористого полого волокна, В некоторых случа х адгезию мембранообразующего материала к поверхности пористого волокна усиливают с помощью св зующих веществ и/или химической обработкой.

П Трубные решетки представл ют собой концевые участки пучка полых волокон, заделанных в твердый уплотн ющий материал . Операцию формовани  трубной решетки можно проводить по любому приемлемому способу. Обычно уплотн ющий материал при формовании трубной решетки находитс  в жидкой форме, а затем затвердевает, приобрета  стойкую к давлению и не дающую утечек структуру.

„ В качестве уплотн ющего материала может быть использован неорганический или органический продукт, а также их смесь. Обычно примен ют органические смолы, которые при охлаждении затвердевают или отверждаютс , в частности такие, которые образуют прочное клеевое соединение с внешними стенками проницаемых полых волокон и характеризуетс  незначительной усадкой. Трубные решетки закрепл ют по

обычной технологии таким образом, что концы полых волокон обнажены и полностью открыты в гильзе дл  неограниченного доступа в них исходного потока и отвода рафинатного потока. ,

Дл  удобства изложени  существа насто щего изобретени  в нижеследующей части полного описани  обычно упоминаетс  использование полисульфонового полого пористого волокна. Однако, существо изоп бретени  только такими волокнами не ограничиваетс .

Пористые полисульфоновые полые волокна , которые были использованы в эксперименте примера, изготовл ли пр дением

г из тройного раствора полисульфона в смеси ° растворител  с нерастворителем, котора  хорошо известна в технике. В ходе осуществлени  процедуры пр дени  была использована хорошо известна  струйна  технологи  труба в трубе с использованием. воды при температуре приблизительно 21°С в качестве внешней охлаждающей среды дл  волокон. В центральном отверстии в качестве охлаждающей среды дл  волокна

,. использовали воздух. После охлаждени  волокна промывали водой.

После промывки полые волокна сушили при 30°С путем их пропускани  через колонку дл  сушки гор чим воздухом. Высушенное полое волокно немедленно после этого

5

0

в той же технологической линии обработали дл  нанесени  покрыти  из раствора этил- целлюлозного полимера. Этилцеллюлозный полимерный раствор готовили растворением , приблизительно, 1% этилцеллюлозы в изопропаноле с последующим фильтрованием через стекл нный фильтре размерами отверстий 1,5 мкм, а затем его наносили на полисульфон. Дл  этого высушенное полое волокно пропускали через профильтровзн- .ный раствор дл  нанесени  покрыти , содержащийс  в сосуде дл  нанесени  покрыти , и после этого волокно с покрытием высушили в сушильном шкафу, откуда оно поступало на наматывающее устройство . Полученное полисульфоновое полое волокно в качестве.составной мембраны было снабжено этилцеллюлозным мембранным материалом покрыти  толщиной, приблизительно 0,2 мк. Коэффициент разделени  на кислород и азот изготовленных таким образом составных мембран составл л 3,85, а их проницаемость была равна приблизительно 0.65 куб. фут/к в. фут. фунт/кв. дюйм, день (1 куб.фут. 0,028 куб.м., 1 кв.фут. 0,093 кв.м., 1 фунт./кв.дюйм 0,703 кг/кв.см.). Эти полые волокна использовали дл  конструировани  проницаемых гильз.

Гильзы с проницаемыми мембранами из полых волокон со спиральной конфигурацией намотки, приблизительно 2 дюйма (50,8 мм) диаметром и длиной, примерно 9 дюймов (229 мм), исключа  трубную решетку , были изготовлены в соответствии со способом , изложенным в описании к американскому патенту 4207192. В указанных гильзах угол намотки каждой гильзы мен ли таким образом, что он составл л . 17,25 и 33°. Почти все полые волокна в конкретной гильзе с проницаемой мембраной из спирально намотанного полого волокна характеризовались практически одинаковой длиной. Оба конца каждой из упом нутых гильз были заделаны в трубную решетку из эпоксидной смолы по обычным способам , которые известны любому специалисту в данной области.

Дл  сравнени  изготовили проницаемую гильзу с параллельной конфигурацией укладки пр мых волокон диаметром приблизительно 1 дюйм (25,4 мм) и длиной примерно 12 дюймов (304,8 мм), причем оба конца гильзы были заделаны Б трубную решетку из эпоксидной смолы согласно обычным способам. После обрезани  трубной решетки активна  длина составила, приблизительно 9 дюймов (229 мм), что было идён- т и ч н ы м д л и и е г и л ь з г, о с п и р л л ын о и намоткой.

Проницаемые модули были изготовлены с использованием как спирально намотанных , так и параллельных волокнистых проницаемых гильз. Они были выполнены с

возможностью введени  газовой смеси в один конец модульного кожуха и внутрь отверстий полых волокон дл  питани  газовой смесью проницаемой гильзы со стороны отверстий . Рафинатный поток отводили с противоположного конца отверстий и удал ли с другого конца проницаемого модул . Проход щий поток компонента, который проходил через стенки полых волокон, рекуперировали с помощью средств, предусмотренных со стороны боковой стенки кожуха проницаемого модул . При изготовлении проницаемого модул  с целью отделени  исходного потока и рафинатного потока от проход щего потока использовэли соответствующие уплотнительные средства .

Каждый модуль был испытан на разделение воздуха при температуре 23°С со стадийными градиентами 9-90%. Со стороны

отверстий давление исходной смеси составл ло 115 фунтов/дюйм2.(8.09 кг/см ), а давление на выходе проход щего компонента поддерживали на уровне 16 фунтов/дюйм2, 1,125 кг/см (атмосферное давление).

П р и м е р 1. Эксперимент А. - В ходе эксперимента данного примера спирально намотанную (угол намотки 33°) гильзу с площадью поверхности мембраны 25 футов2 (2,32 м ), изготовленную из полисульфонового полого волокна, покрытого этил целлюлозной , использовали дл  рекуперации потока азотного компонента повышенной степени чистоты из воздуха, вводимого под давлением 115 фунтов/дюйм2, 8,09 кг/см2 в

соответствии с процедурой, описанной выше . Практически все полые волокна в гильзе обладали одинаковой длиной, причем при переходе от одного волокна к другому их длима не варьировалась более чем прибли

зитёльно на 8%. Эта проницаема  гильза

была использована дл  изготовлени  проницаемого модул  с подачей воздуха со сто-- роны отверстий, отводом кислородного проход щего потока сбоку кожуха и рекупе0 рированием рафинатного потока с азотным компонентом повышенной степени чистоты с другого конца гильзового элемента. Кожух модул  был снабжен средствами дл  рекуперации проход щего компонента либо в

5 виде противоточного потока относительно истечени  исходной смеси, либо пр моточного потока относительно истечени  этой смеси. .

В данном эксперименте кислородный проход щий компонент рекуперировали с

боковой стороны кожуха по принципу противотока истечению исходного потока воздуха , а азотный рафинатный компонент рекуперировали из отверстий с противоположного конца относительно отверсти  дл  впуска исходной смеси. Рафинатный поток характеризовалс  повышенной степенью чистоты азота, а проход щий поток обладал повышенной степенью чистоты кислорода, когда процесс проводили по насто щему изобретению. В табл.1 суммированы данные о степени чистоты азота в рафинате или в задерживаемом потоке при различных стадийных градиентах или в задерживаемом потоке при различных стадийных гра- диентзх и при самом низком стадийном процентном градиенте, при котором конкретна  степень чистоты азота могла быть достигнута с применением этой гильзы. Эти данные также показывают процентное ко- личество азота, рекуперированного из исходного потока при конкретных степени чистоты и стадийном градиенте. В ходе проведени  процесса по противоточной схеме в соответствии с насто щим изобретением в задерживаемом потоке компонента легко достигалась степень чистоты азота превышавша  95%. Однако в том случае когда процесс проводили по принципу пр мотока , максимально достигаема  в потоке за- держиваемого компонента степень чистоты азота не превышала приблизительно 95%. Данные, приведенные втабл.1, соответствуют теоретически возможным эксплуатационным характеристикам модульной конструкции из полых волокон с коэффициентом разделени  смеси кислорода с азотом 3,85, когда процесс провод т в услови х противоточно-пр моточногс истечени . Таким образом, эти данные показывают, что в модуле с подачей исходной смеси в отверсти  по принципу противотока происходит практически полное радиальное смешение в проход щем, потоке и предотвращаетс  практически полностью осевое смешение либо с проницаемой стороны, либо с рафи- натиой стороны гильзы с проницаемой мембраны из полых волокон, в результате чего при пониженном стадийном градиенте рекуперируетс  азот повышенной степени чи- стоты, причем азот повышенной степени чистоты может быть выделен с пр моточным истечением.

Эксперимент В. - В сравнительных це- л х способность выдел ть азот в идентичных услови х определ ли также у гильзы, котора  состо ла из полых волокон, уложенных параллельными пр мыми р дами, Волокна в.г ильзе были распределены

равномерно, а упаковочна  плотность таких полых волокон в гильзе со спиральной намоткой по насто щему изобретению несколько выше 50%. Количество азота, которое рекуперировали с той же степени чистоты, оказалось значительно меньшим. Это уменьшение степени рекуперировани  не об зательно было обусловлено низким уровнем радиального смешени , а с большей веро тностью, канальным эффектом в модуле с параллельным расположением волокон . Столь пониженна  степень рекуперировани  азота могла бы оказатьс  экономически невыгодной, поскольку потребовала бы- более высокого давлени  и/или большего объема исходной смеси и/или дополнительной рабочей площади поверхности гильзы с целью рекуперировани  того же самого количества азота заданной степени чистоты в течение заданного промежутка времени. Полученные данные суммированы в табл.2. Эти данные показывают , что дл  достижени  степени чистоты азота, котора  возможна с применением гильзы со спирально намотанной мембраной из проницаемых полых волокон, как в эксперименте А, былс необходимо создать более высокий стадийный градиент, и что при той же степени чистоты следует ожидать меньшего количества рекуперированного азота.

Claims (3)

1. Пример 2. В ходе эксперимента исследовали вли ние угла намотки в гильзе со спирально намотанной проницаемой мембраной из полых волокон на количество рекуперируемого из воздуха азота. С этой целью использовали три гильзы, в которых угол намотки был равен 17° (эксперимент А), 25° (эксперимент В) и 33° (эксперимент С); они были описаны выше. Процесс разделени  провели в услови х, которые описаны выше, причем площадь мембранной поверхности каждой гильзы составл ла приблизи- тельно 35 футов (3,25 м). Данные, сведенные в табл.3, показывают, что в указан .ом широком диапазоне исследованных углов намотки собственно угол намотки по существу вли ни  на эффективность разделени  воздуха или степень чистоты рекуперированного азота не оказывает. Было также отмечено, что этот угол намотки оказывает , по-видимому, если и оказывает вообще , очень небольшое вли ние на эксплуатационные характеристики модул . Формула изобретени  1.Способ разделени  смеси газов, включающий отделение более подвижного компонента из газового потока, содержащего- по крайней мере два газообразных компонента , обладающих различной проникающей способностью, на мембранном модуле, выполненном на размещенных в гильзе спирально намотанных проницаемых полых волокон практически одинаковой длины, отверсти  каналов которых открыты с противоположных сторон гильзы, отличающийс  тем, что, с целью интенсификации процесса, смесь газов ввод т в отверсти  каналов волокон с одной стороны гильзы, рафинатный поток удал ют из отверстий каналов полых волокон с противоположной стороны гильзы, при этом раздел емый поток движетс  в каналах волокон пр мотоком

   от входного конца к выходному, а поток, содержащий более подвижный компонент, прошедший с внутренней стороны стенки канала полого волокна на наружную, уда- л ют в направлении, противоположном направлению движени  раздел емого потока .
2. 2.Способ по п.1, от личающийс  тем, что полые волокна мембранного моду- л  выполнены из полисульфона, покрытого этилцеллюлозой.
3. 3.Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и и с   тем, что более подвижный компонент отвод т под пониженным давлением.

   Таблица 1

   Таблица 2

   Таблица 3