RU2032453C1

RU2032453C1 - Diaphragm apparatus

Info

Publication number: RU2032453C1
Authority: RU
Inventors: Ю.В. Тахистов; А.В. Маркевич; Ю.Л. Чижик; В.В. Субботин; Н.А. Дрейман; Л.П. Боброва; С.В. Тимофеев
Original assignee: Тахистов Юрий Васильевич
Priority date: 1990-09-21
Filing date: 1990-09-21
Publication date: 1995-04-10

Abstract

FIELD: separation of gases and liquids. SUBSTANCE: housing is divided into sections by means of distributing plates provided with bypass passages. Arranged in each section are two groups of diaphragm elements whose axes are oriented perpendicularly to the flow being separated; outer surface of diaphragm elements is made in form of alternating projections and recesses. Elements of each group form rows at similar pitch; elements of different groups are arranged in staggered order relative to each other; projections of elements of one group are partially received by recesses of elements of other group; ends of elements are held in two tube sheets one of which is detachable over the diameter of elements and abuts on opposite lateral wall of the housing; second tube sheet is solid and is mounted in spaced relation to opposite lateral wall of the housing forming chamber which is brought in communication with permeate discharge pipe line. EFFECT: enhanced efficiency. 3 dwg

Description

Изобретение относится к разработке способов и систем для разделения газов и жидкостей, в частности к аппаратам для мембранного разделения веществ. The invention relates to the development of methods and systems for the separation of gases and liquids, in particular to apparatus for membrane separation of substances.

Известно большое число мембранных аппаратов с трубчатыми элементами, которые недостаточно надежны, сложны в сборке и эксплуатации. Среди этих аппаратов наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является мембранный аппарат, содержащий корпус, трубчатые мембранные элементы, состоящие из пористой основы с центральным каналом, на поверхности которой выполнена многозаходная резьба и нанесен селективный слой, трубную решетку, в которой закреплены мембранные элементы, обечайки, надеваемые на трубчатые мембранные элементы, перегородку, в которой зафиксированы обечайки, и трубопроводы для подачи и вывода разделяемого потока и отвода пермеата. Разделяемая среда подается в корпус к торцам (заглушенным) мембранных элементов и далее в каналы, образованные резьбовыми поверхностями мембранных элементов и обечайки. Из этих каналов разделяемая среда попадает в камеру в корпусе и из нее выводится вниз. Проникающие через селективный слой вещества попадают в центральные каналы мембранных элементов и из них выводятся в систему удаления пермеата. В качестве пористой основы используется металлокерамика, на которую наносится металлическая пленка, динамическая мембрана или слой полимера. Известное устройство не обеспечивает достаточной надежности и чрезвычайно сложно при сборке и эксплуатации, так как при сборке мембранного аппарата необходимо последовательное проведение ряда сложных операций: закрепление каждого элемента в трубной решетке, надевание обечаек на все мембранные элементы и введение обечаек с мембранными элементами в отверстия перегородки. При проведении этих операций возможно как повреждение самих мембранных элементов и селективных слоев при контакте с поверхностями обечаек, так и повреждение мест заделки мембранных элементов из-за возникающих перекосов, несоосностей и т. п. Устранение этих повреждений представляет известные сложности и может потребовать разборки всего аппарата. Кроме того, известный аппарат имеет достаточно большое гидравлическое сопротивление как за счет резкого изменения скорости разделяемого потока при переходе его из корпуса в узкие винтовые каналы, так и за счет значительного сопротивления в самих винтовых каналах. A large number of membrane devices with tubular elements are known, which are not reliable enough and difficult to assemble and operate. Among these devices, the closest in technical essence to the proposed one is a membrane device containing a housing, tubular membrane elements, consisting of a porous base with a central channel, on the surface of which multiple threads are made and a selective layer is applied, a tube sheet in which membrane elements are fixed, shells worn on tubular membrane elements, a partition in which shells are fixed, and pipelines for supplying and outputting a shared stream and withdrawing permeate. The shared medium is fed into the housing to the ends (drowned) of the membrane elements and then to the channels formed by the threaded surfaces of the membrane elements and the shell. From these channels, the shared medium enters the chamber in the housing and is discharged down from it. The substances penetrating through the selective layer enter the central channels of the membrane elements and are removed from them into the permeate removal system. As a porous base, cermet is used, on which a metal film, a dynamic membrane or a polymer layer is applied. The known device does not provide sufficient reliability and is extremely difficult to assemble and operate, since the assembly of a membrane apparatus requires a series of complex operations: securing each element in the tube sheet, putting on shells on all membrane elements and introducing shells with membrane elements into the openings of the partition. During these operations, it is possible both damage to the membrane elements themselves and selective layers when in contact with the surfaces of the shells, and damage to the places of sealing of the membrane elements due to distortions, misalignments, etc. The elimination of these damages is a known complication and may require disassembly of the entire apparatus . In addition, the known apparatus has a sufficiently large hydraulic resistance both due to a sharp change in the speed of the shared stream during its transition from the housing into narrow screw channels, and due to the significant resistance in the screw channels themselves.

Целью изобретения является повышение надежности, упрощение сборки и эксплуатации, а также снижение гидравлического сопротивления аппарата. The aim of the invention is to increase reliability, simplify assembly and operation, as well as reduce the hydraulic resistance of the apparatus.

Поставленная цель достигается тем, что известный аппарат, содержащий корпус, трубчатые мембранные элементы, трубную решетку и трубопроводы для подачи и вывода разделяемого потока, дополнительно снабжен рамками и распределительными плитами с перепускными каналами, разделяющими корпус на секции, в каждой из которых расположены две группы ориентированных своими осями перпендикулярно разделяемому потоку мембранных элементов, внешняя поверхность которых выполнена в виде чередующихся выступов и впадин. При этом элементы каждой группы образуют ряды с одинаковым шагом, а элементы разных групп расположены по отношению друг к другу в шахматном порядке. Выступы элементов одной группы частично расположены во впадинах элементов другой группы. Концы элементов расположены в двух трубных решетках, одна из которых выполнена разъемной по диаметрам элементов и установлена вплотную к противолежащей боковой стенке корпуса, а вторая трубная решетка выполнена неразъемной и установлена относительно противолежащей боковой стенки корпуса с зазором с образованием полости, сообщающейся с трубопроводом вывода пермеата, а на внутренней поверхности двух других противолежащих стенок корпуса выполнены впадины, полуохватывающие мембранные элементы одной группы. Предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение надежности, упрощение сборки и эксплуатации и снижение гидравлического сопротивления. Это обусловлено тем, что, во-первых, мембранные элементы надежно установлены и загерметизированы обоими концами в двух трубных решетках, причем одна из них выполнена разъемной (склеиваемой при сборке вместе с мембранными элементами), что позволяет укладывать мембранные элементы при сборке без повреждений, во-вторых, выполнение аппарата из секций, устанавливаемых одна на другую и разделяемых распределительными плитами, позволяет при увеличении конструктивной прочности каждой секции и всего аппарата легко менять секции с поврежденными элементами, увеличивать производительность (либо степень извлечения) путем установки дополнительных секций без значительного изменения коммутации аппарата, в-третьих, регулярное размещение мембранных элементов, снижение стеночных эффектов и использование перепускных каналов позволяет надежно обеспечить обтекание всех мембранных элементов и снизить гидравлическое сопротивление аппарата, и, в-четвертых, возможно быстрое определение секции, в которой находится поврежденный элемент, а затем и нахождение этого элемента (например, путем подключения щупа с микроманометром к открытым концам мембранных элементов при снятых боковых стенках). This goal is achieved by the fact that the known apparatus comprising a housing, tubular membrane elements, a tube sheet and pipelines for supplying and outputting a shared stream, is additionally equipped with frames and distribution plates with bypass channels dividing the housing into sections, in each of which there are two groups of oriented their axes perpendicular to the separated flow of membrane elements, the outer surface of which is made in the form of alternating protrusions and depressions. Moreover, the elements of each group form rows with the same pitch, and the elements of different groups are staggered to each other. The protrusions of the elements of one group are partially located in the depressions of the elements of another group. The ends of the elements are located in two tube sheets, one of which is detachable in diameter of the elements and installed close to the opposite side wall of the housing, and the second tube grid is integral and installed relative to the opposite side wall of the housing with a gap with the formation of a cavity in communication with the permeate outlet pipe, and on the inner surface of two other opposite walls of the housing are hollows, semi-enveloping membrane elements of one group. The proposed technical solution provides increased reliability, simplified assembly and operation, and reduced hydraulic resistance. This is due to the fact that, firstly, the membrane elements are securely installed and sealed at both ends in two tube sheets, and one of them is detachable (glued during assembly together with the membrane elements), which allows the membrane elements to be laid during assembly without damage, in secondly, the implementation of the apparatus from sections installed one on top of another and separated by distribution plates allows, with an increase in the structural strength of each section and the whole apparatus, it is easy to change sections with damaged elements, to increase productivity (or the degree of extraction) by installing additional sections without significantly changing the switching device, thirdly, the regular placement of membrane elements, reducing wall effects and the use of bypass channels can reliably ensure the flow around all membrane elements and reduce the hydraulic resistance of the device, and, fourthly, it is possible to quickly determine the section in which the damaged element is located, and then find this element (for example, by Connections with micromanometer probe to the open ends of the membrane elements at the side walls removed).

На фиг. 1 представлен предлагаемый аппарат, разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 1. In FIG. 1 presents the proposed apparatus, section; in FIG. 2, section AA in FIG. 1; in FIG. 3 section BB in FIG. 1.

Мембранный аппарат состоит из секций 1-3, входного диффузора 4 с распределительной плитой 5 и трубопроводом 6 для подачи разделяемого потока, выходного конфузора 7 с рамой 8 и трубопроводом 9 для вывода разделяемого потока, металлических рам 10, стяжных шпилек 11, гаек 12 и прокладок 13, устанавливаемых между секциями 1-3, между секцией 1 и распределительной плитой 5, между секцией 3 и рамой 8. Каждая секция включает две трубные решетки 14, 15, одна из которых (14) выполнены разъемной, т.е. из планок с полукруглыми вырезами под мембранные элементы, а другая (15) сплошной, мембранные элементы 16 первой группы, мембранные элементы 17 второй группы, расположенные в промежутках между мембранными элементами 16 первой группы, рамку 18, на которую опирается разрезная трубная решетка 14, стенки 19, 20 с впадинами, полуохватывающими мембранные элементы 16, распределительную плиту 5 с перепускными каналами 21, жестко скрепленную с рамкой 18, стенками 19, 20 и сплошной трубной решеткой 15, боковую стенку 22, зафиксированную в рамке 18 и перекрывающую концы мембранных элементов 16, 17, установленные в разрезной трубной решетке 14, вторую боковую стенку 23, которая прилагает к сплошной трубной решетке 15 с зазором, образующим полость 24, сообщающуюся с трубопроводом 25 для вывода пермеата, и прокладку 26, изолирующую полость 24. The membrane apparatus consists of sections 1-3, an inlet diffuser 4 with a distribution plate 5 and a pipe 6 for supplying a shared stream, an output confuser 7 with a frame 8 and a pipe 9 for outputting a shared stream, metal frames 10, tie rods 11, nuts 12 and gaskets 13, installed between sections 1-3, between section 1 and distribution plate 5, between section 3 and frame 8. Each section includes two tube sheets 14, 15, one of which (14) is detachable, i.e. from slats with semicircular cutouts for membrane elements, and the other (15) continuous, membrane elements 16 of the first group, membrane elements 17 of the second group, located in the spaces between the membrane elements 16 of the first group, frame 18, on which the split tube sheet 14 rests, the walls 19, 20 with cavities, semi-enveloping membrane elements 16, a distribution plate 5 with bypass channels 21, rigidly fastened to the frame 18, walls 19, 20 and a continuous tube sheet 15, the side wall 22 fixed in the frame 18 and overlapping the end s membrane elements 16, 17, installed in a split tube sheet 14, a second side wall 23, which is attached to a continuous tube sheet 15 with a gap forming a cavity 24 in communication with the pipe 25 for outputting the permeate, and a gasket 26, the insulating cavity 24.

Сборка аппарата осуществляется следующим образом. В секцию, состоящую из распределительной плиты 5, стенок 19, 20, сплошной трубной решетки 15 и рамки 18 (сваренных между собой) устанавливается планка (с полукруглыми вырезами) разрезной трубной решетки 14, затем укладывается ряд мембранных элементов путем введения одного конца элементов в отверстия в сплошной трубной решетке 15 и опускания второго конца элементов в вырезы на планке. После укладки всех элементов одного ряда на неприкрытые концы мембранных элементов устанавливается следующая планка разрезной трубной решетки 14 и производится установка следующего ряда элементов и т.д. Таким образом, одновременно устанавливаются все мембранные элементы и набирается разрезная трубная решетка 14. На прилегающие друг к другу и к мембранным элементам поверхности планок наносится слой клея. Затем на ту поверхность заглушающей плиты (стенки) 22, которая будет прилегать к разрезной трубной решетке 14, наносится слой клея, замазки или отверждаемого полимера толщиной порядка 1 мм. Стенка 22 фиксируется на рамке 18 и прижимается к открытым торцам мембранных элементов и к разрезной трубной решетке 14. После отверждения клея (замазки) мембранные элементы надежно заглушаются с одной стороны, а все планки разрезной трубной решетки 14 жестко скрепляются со стенкой 22. Затем с внешней стороны секции герметизируются концы мембранных элементов, пропущенные через сплошную трубную решетку 15 (с помощью клея или обваривания винипластом при исполнении аппарата из винипласта). Далее на корпус устанавливаются прокладка 26 и стенка 23. Таким образом собирается каждая секция, затем секции устанавливаются друг на друга, к верхней секции присоединяется распределительная плита 5 с диффузором 4, а к нижней секции рама 8 с конфузором 7. С помощью металлических рам 10, стяжных шпилек 11 и гаек 12 аппарат собирается в единую конструкцию. The assembly of the apparatus is as follows. In the section consisting of a distribution plate 5, walls 19, 20, a continuous tube sheet 15 and a frame 18 (welded together), a strip (with semicircular cutouts) of a split tube sheet 14 is installed, then a number of membrane elements are laid by introducing one end of the elements into the holes in a continuous tube sheet 15 and lowering the second end of the elements into the cutouts on the bar. After laying all the elements of one row on the bare ends of the membrane elements, the next strip of the split tube sheet 14 is installed and the next row of elements is installed, etc. Thus, all membrane elements are installed at the same time and a split tube sheet 14 is assembled. A layer of glue is applied to the surface of the planks adjacent to each other and to the membrane elements. Then, a layer of glue, putty or cured polymer with a thickness of about 1 mm is applied to the surface of the plug plate (wall) 22, which will abut against the split tube sheet 14. The wall 22 is fixed on the frame 18 and pressed against the open ends of the membrane elements and the split tube sheet 14. After curing the adhesive (putty), the membrane elements are reliably damped on one side, and all the trims of the split tube sheet 14 are rigidly fastened to the wall 22. Then from the outside the sides of the section are sealed by the ends of the membrane elements passed through a continuous tube sheet 15 (using glue or scalding with vinyl plastic when the apparatus is made of vinyl plastic). Next, a gasket 26 and a wall 23 are installed on the housing. Thus, each section is assembled, then the sections are mounted on top of each other, a distribution plate 5 with a diffuser 4 is connected to the upper section, and a frame 8 with a confuser 7 is attached to the lower section. Using metal frames 10, the tie rods 11 and nuts 12 the apparatus is assembled in a single design.

Аппарат работает следующим образом. Разделяемый поток, например, воздуха, содержащего галогеноорганические соединения и неорганические газы, подается по трубопроводу 6 через диффузор 4 к распределительной плите 5 и через перепускные каналы 21 направляется в секцию 1 к наружной поверхности мембранных элементов 16, 17. Разделяемый поток проходит между мембранными элементами 16, 17 секции 1 и через перепускные каналы 21 попадает в следующую секцию и т.д. а затем из последней секции (3) опять же через перепускные каналы 21 выводится в конфузор 7 и трубопровод 9. Проникающие через селективный слой мембранных элементов 16, 17 вещества через пористую основу этих элементов попадает в центральный канал, а затем в камеры (полости) 24 пермеата, из которых выводится по трубопроводам 25. The device operates as follows. The separated stream, for example, of air containing organohalogen compounds and inorganic gases, is fed through a conduit 6 through a diffuser 4 to a distribution plate 5 and through bypass channels 21 is directed to section 1 to the outer surface of the membrane elements 16, 17. The separated stream passes between the membrane elements 16 17 sections 1 and through the bypass channels 21 enters the next section, etc. and then, from the last section (3), again, through the bypass channels 21, it is discharged into the confuser 7 and pipe 9. The substances penetrating through the selective layer of membrane elements 16, 17 through the porous base of these elements enter the central channel and then into the chambers (cavities) 24 permeate, from which it is removed through pipelines 25.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение надежности, упрощение сборки и эксплуатации, снижение гидравлического сопротивления, так как, во-первых, мембранные элементы надежно закрепляются и герметизируются обоими концами в двух трубных решетках, одна из которых выполнена разрезной, что позволяет избежать повреждений элементов и селективного слоя при установке элементов в аппарат, во-вторых, выполнение аппарата из секций, устанавливаемых одна на другую, увеличивает конструктивную прочность секций и аппарата, позволяет быстро обнаружить секцию с поврежденным элементом, увеличить количество секций при незначительном изменении коммутации аппарата и, в-третьих, регулярное размещение мембранных элементов, снижение стеночных эффектов, использование перепускных каналов обеспечивает равномерность обтекания всех мембранных элементов и снижение гидравлического сопротивления (до 130-360 Па при расходе воздуха 500-1000 мм³/ч).The proposed technical solution provides increased reliability, simplified assembly and operation, reduced hydraulic resistance, since, firstly, the membrane elements are securely fixed and sealed at both ends in two tube sheets, one of which is split, which avoids damage to the elements and the selective layer when installing elements in the apparatus, secondly, the implementation of the apparatus from sections installed one on top of the other increases the structural strength of the sections and apparatus, allows quickly detect a section with a damaged element, increase the number of sections with a slight change in the switching of the device and, thirdly, regular placement of membrane elements, reduction of wall effects, the use of bypass channels ensures uniform flow around all membrane elements and a decrease in hydraulic resistance (up to 130-360 Pa at air flow 500-1000 mm ³ / h).

Claims

A MEMBRANE APPARATUS, comprising a housing, tubular membrane elements, a tube sheet and pipelines for supplying and outputting a shared stream and outputting permeate, characterized in that, in order to increase reliability, simplify assembly and operation, and also reduce the hydraulic resistance of the device, it is equipped with frames and switchboards with bypass channels dividing the housing into sections, in each of which there are two groups of membrane elements oriented perpendicular to the divided stream of membrane elements oriented with their axes, outside whose surface is made in the form of alternating protrusions and depressions, while the elements of each group form rows with the same pitch, the elements of different groups are staggered to each other, the protrusions of the elements of one group are partially located in the depressions of the elements of the other group, the ends of the elements are located in two tube sheets, one of which is made detachable in terms of the diameters of the elements and installed close to the opposite side wall of the housing, and the other tube sheet is made one-piece and installed it is lined with respect to the opposite side wall of the housing with a gap with the formation of a cavity communicating with the permeate outlet pipe, and hollows are made on the inner surface of two other opposite walls of the housing, semi-enveloping membrane elements of one group.