RU2064820C1

RU2064820C1 - Diaphragm apparatus

Info

Publication number: RU2064820C1
Application number: RU93053003A
Authority: RU
Inventors: Ю.В. Тахистов; А.В. Маркевич; В.С. Леонтьев; Н.И. Бойко; Л.П. Боброва
Original assignee: Российский научный центр "Прикладная химия"
Priority date: 1993-11-24
Filing date: 1993-11-24
Publication date: 1996-08-10

Abstract

FIELD: separation of liquid and gaseous media. SUBSTANCE: apparatus has cylindrical housing and bundle of tubular diaphragm members some ends of which are secured in support tube plate and other (stopped) are fixed in distributing tube plate. It has also two end face covers with unions to deliver medium to be separated and let out permeate, and sealing members. Both tube plates are rigidly interconnected by support rod taking up loads acting on bundle of diaphragm members when assembling (disassembling) the apparatus and reconditioning the diaphragm members outside apparatus. Diaphragm member bundle is easy to introduce and fix in housing which facilitates installation and removal of diaphragm members and decreases probability of damage to members proper and their places of attachment in tube plates and damage to selective layers. Provision of and special design of central and peripheral fairings and uniform spacing of channels delivering medium to be separated around each diaphragm member ensure optimum distribution of flow relative to all diaphragm members. Minimum number of sealing members and their arrangement in lock (slot) enhances tightness of chambers and spaces of apparatus. EFFECT: enhanced reliability, simplified design. 6 cl, 3 dwg

Description

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

Известны аппараты для мембранного разделения с использованием трубчатых мембранных элементов. Так, аппарат по патенту ЕПВ N 0166994, В 01 D 53/22, 1986 г. состоит из цилиндрического корпуса, в котором расположен пучок трубчатых мембранных элементов, закрепленных на концевых участках в трубных решетках. Разделяемая среда (газ) подается с внешней стороны мембранных элементов, а проникшие соединения (пермеат) отводятся по центральным каналам этих элементов. Основными недостатками известного аппарата являются неразборность конструкции и неравномерность обтекания потоком пучка мембранных элементов. В аппарате по а.с. СССР N 1261685, В 01 D 63/06, 1986, разделяемая среда подается как с внешней, так и с внутренней поверхности сдвоенных мембранных элементов. Каждый из элементов представляет собой две коаксиальные пористые трубки различной длины, которые с одной стороны соединены заглушкой, а с другой закреплены в двух трубных решетках. Пермеат отводится по зазору между пористыми трубками в полость между трубными решетками. Аппарат имеет две группы мембранных элементов, закрепленных в соответствующей паре трубных решеток. Элементы одной группы введены в центральные каналы элементов другой группы. Основными недостатками известного аппарата являются сложность сборки и недостаточная надежность, определяемая возможностью повреждения закрепленных только одним концом мембранных элементов при сборке, перевозке и монтаже (особенно при изготовлении их из керамических материалов). Known apparatus for membrane separation using tubular membrane elements. So, the apparatus according to the patent EPO N 0166994, 01 D 53/22, 1986 consists of a cylindrical body, in which there is a bundle of tubular membrane elements fixed at the end sections in the tube sheets. The separated medium (gas) is supplied from the outside of the membrane elements, and the penetrated compounds (permeate) are discharged through the central channels of these elements. The main disadvantages of the known apparatus are the indistinguishability of the design and the uneven flow around the beam of the membrane elements. In the device by A.S. USSR N 1261685, 01 D 63/06, 1986, a shared medium is supplied from both the external and internal surfaces of the double membrane elements. Each of the elements is two coaxial porous tubes of various lengths, which are connected by a plug on one side and fixed in two tube sheets on the other. Permeate is diverted through the gap between the porous tubes into the cavity between the tube sheets. The apparatus has two groups of membrane elements fixed in the corresponding pair of tube sheets. Elements of one group are introduced into the central channels of elements of another group. The main disadvantages of the known apparatus are the complexity of the assembly and lack of reliability, determined by the possibility of damage to the membrane elements fixed by only one end during assembly, transportation and installation (especially in the manufacture of them from ceramic materials).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является мембранный аппарат по а.с. СССР N 1586758, B 01 D 69/04, 1990 г. содержащий цилиндрический корпус, два торцевых фитинга, навинченные на два переходника, которые закреплены на обоих концах корпуса, две торцевые крышки со штуцерами и пучок трубчатых мембранных элементов, оба конца которых установлены в опорных трубных решетках. Полупроницаемые мембраны нанесены на поверхности центральных каналов мембранных элементов, а на входах в центральные каналы установлены турбулизаторы в виде вставок с резьбовыми каналами. Работает известный аппарат следующим образом: разделяемая среда подается через штуцер и одну из крышек к входам в центральные каналы мембранных элементов, проходя по которым, среда обедняется компонентами, селективно проникающими через мембраны в пористую основу элементов, а из нее в межтрубное пространство. Среда, прошедшая по центральным каналам, выводится из аппарата через вторую торцевую крышку. Основными недостатками известного аппарата являются сложность в эксплуатации и недостаточная надежность. При сборке (разборке) аппарата или при регенерации блока трубчатых элементов (длиной 1-1,5 м) возможно повреждение элементов или мест их заделки в трубные решетки, так как нагрузки, воздействующие на одну трубную решетку (при фиксации другой), воспринимаются мембранными элементами. Известный аппарат пригоден для работы при невысоких температурах и в слабоагрессивных средах, что определяется использованием в качестве уплотнительных материалов резины. Аппарат сложен в эксплуатации, так как его сборка (например, после очистки или регенерации мембранных элементов вне схемы аппарата) включает большое число ненадежных и трудоемких операций: установку на корпусе двух переходников, закрепление на переходниках торцевых фитингов, фиксацию двух торцевых крышек установку восьми уплотнительных элементов: двух прокладок на торцах корпуса, двух уплотнительных колец в торцевых фитингах, двух манжет между трубными решетками и торцевыми фитингами и двух прокладок между торцевыми фитингами и торцевыми крышками. Кроме того, подача разделяемого потока в центральные каналы мембранных элементов снижает рабочее давление при выполнении мембранных элементов из керамических материалов, которые лучше работают на сжатие, чем на растяжение. Closest to the technical nature of the claimed object is a membrane apparatus for A. with. USSR N 1586758, B 01 D 69/04, 1990 containing a cylindrical body, two end fittings screwed onto two adapters that are fixed at both ends of the body, two end caps with fittings and a bundle of tubular membrane elements, both ends of which are installed in supporting tube sheets. Semi-permeable membranes are deposited on the surface of the central channels of the membrane elements, and turbulators in the form of inserts with threaded channels are installed at the entrances to the central channels. The well-known apparatus works as follows: the shared medium is fed through the nozzle and one of the covers to the entrances to the central channels of the membrane elements, passing through which the medium is depleted of components that selectively penetrate through the membranes into the porous base of the elements, and from it into the annulus. The medium passed through the central channels is discharged from the apparatus through the second end cover. The main disadvantages of the known device are the difficulty in operation and lack of reliability. When assembling (disassembling) the apparatus or during the regeneration of a block of tubular elements (1-1.5 m long), damage to the elements or places of their embedding into the tube sheets is possible, since the loads acting on one tube sheet (when fixing another) are perceived by the membrane elements . The known apparatus is suitable for operation at low temperatures and in slightly aggressive environments, which is determined by the use of rubber as sealing materials. The device is difficult to operate, because its assembly (for example, after cleaning or regenerating the membrane elements outside the device circuit) includes a large number of unreliable and time-consuming operations: installing two adapters on the case, securing the end fittings to the adapters, fixing two end caps, installing eight sealing elements : two gaskets at the ends of the body, two o-rings in the end fittings, two cuffs between the tube sheets and the end fittings, and two gaskets between the end fittings and the end bubbled covers. In addition, the supply of a shared stream to the central channels of the membrane elements reduces the working pressure when the membrane elements are made of ceramic materials, which work better in compression than in tension.

Предлагаемое техническое решение направлено на решение задачи повышение надежности и упрощение эксплуатации аппарата. Это достигается тем, что в известный аппарат, содержащий цилиндрический корпус, две торцевые крышки со штуцерами, пучок трубчатых мембранных элементов и опорную трубную решетку, введены распределительная трубная решетка, в которой зафиксированы заглушенные концы мембранных элементов, опорный центральный стержень, пропущенный через обе трубные решетки и жестко закрепленный на них, конический обтекатель, установленный на конце опорного стержня с внешней стороны распределительной трубной решетки, и периферийный обтекатель, размещенный в зазоре между пучком мембранных элементов и корпусом. На другом конце опорного стержня выполнен центральный канал, соединенный радиальными каналами с межтрубным пространством, причем этот конец опорного стержня расположен в полости для сбора пермеата, выполненной в торцевой крышке, и жестко соединен со штуцером для отвода разделяемой среды. Каналы для подачи разделяемой среды из полости в другой торцевой крышке в межтрубное пространство образованы в распределительной трубной решетке. Распределительная трубная решетка может быть выполнена в виде: а) диска с системой с глухих каналов, в которых зафиксированы заглушенные концы мембранных элементов, и сквозных каналов, равномерно расположенных вокpуг глухих каналов; б) втулки, периферийного ограничителя и стержней или тонких пластин, соединенных с втулкой и периферийным ограничителем, образующих каналы для фиксации заглушенных концов мембранных элементов, и каналы для подачи разделяемой среды. Периферийный обтекатель может быть выполнен в виде: а) цилиндра, плотно установленного в корпусе, внутренняя поверхность которого расположена на равном расстоянии от крайних мембранных элементов; б) кусков эластичного материала, заполняющих зазор между пучком мембранных элементов и корпусом; в) намотанного на пучок трубчатых мембранных элементов шнура или ленты из эластичного материала. Предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение надежности и упрощение эксплуатации аппарата, так как, во-первых, при выполнении операций с пучком мембранных элементов (при сборке, разборке и регенерации) нагрузки воспринимаются опорным стержнем, жестко соединяющим обе трубные решетки, а не мембранными элементами, во-вторых, обеспечивается простота снятия блока мембранных элементов путем снятия уплотнителя с опорного стержня, отсоединения торцевой крышки и извлечения блока мембранных элементов, в-третьих, снижается возможность утечек сред, как внутри аппарата, так и в атмосферу, за счет минимального числа уплотнителей и их размещение в замке или в пазу (впадине), и, в-четвертых, достигается равномерное распределение потока разделяемой среды ко всем мембранным элементам за счет использования центрального и периферийного обтекателей и симметричного расположения сквозных каналов в распределительной трубной решетке. Кроме того, предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение рабочей температуры в связи с использованием более термостойких уплотнительных материалов и рабочего давления, так как разделяемый поток подается с внешней стороны мембранных элементов, т.е. материалы элементов работают на сжатие. Выполнение распределительной решетки в виде диска с системой глухих и сквозных каналов позволяет более жестко фиксировать мембранные элементы относительно опорного стержня и опорной трубной решетки. В качестве материалов основы мембранных элементов могут быть использованы хрупкие материалы, например, керамика. Другие виды выполнения распределительной трубной решетки более технологичны и дешевы, но обеспечивают менее жесткую фиксацию концов мембранных элементов, т.е. пригодны при выполнении основы мембранных элементов из более прочных материалов. Различные формы выполнения периферийного обтекателя позволяют использовать либо доступные и дешевые материалы (куски, шнуры или ленты из эластичного материала), либо более дорогостоящую конструкцию в виде цилиндра, установленного в корпусе. При этом периферийный обтекатель в виде цилиндра более удобен при разборке или сборке аппарата. The proposed technical solution is aimed at solving the problem of improving reliability and simplifying the operation of the apparatus. This is achieved by the fact that in a known apparatus comprising a cylindrical body, two end caps with fittings, a bundle of tubular membrane elements and a support tube sheet, a distribution tube grid is introduced, in which the muffled ends of the membrane elements are fixed, a support central rod passed through both tube sheets and rigidly fixed to them, a conical fairing mounted on the end of the support rod on the outside of the distribution pipe grille, and a peripheral fairing placed in the gap between the bundle of membrane elements and the housing. At the other end of the support rod, a central channel is made, connected by radial channels to the annulus, and this end of the support rod is located in the permeate collection cavity, made in the end cap, and is rigidly connected to the fitting for draining the shared medium. Channels for supplying a shared medium from a cavity in another end cap to the annulus are formed in the distribution tube sheet. The distribution tube sheet can be made in the form of: a) a disk with a system from blind channels, in which the muffled ends of the membrane elements are fixed, and through channels, evenly spaced around the blind channels; b) the sleeve, the peripheral stopper and rods or thin plates connected to the sleeve and the peripheral stopper, forming channels for fixing the muffled ends of the membrane elements, and channels for supplying a shared medium. The peripheral fairing can be made in the form of: a) a cylinder tightly installed in the housing, the inner surface of which is located at an equal distance from the extreme membrane elements; b) pieces of elastic material filling the gap between the bundle of membrane elements and the body; c) a cord or tape of elastic material wound around a bundle of tubular membrane elements. The proposed technical solution provides increased reliability and simplified operation of the apparatus, because, firstly, when performing operations with a bundle of membrane elements (during assembly, disassembly and regeneration), loads are perceived by a support rod that rigidly connects both tube sheets, and not by membrane elements, in secondly, the ease of removal of the block of membrane elements is ensured by removing the seal from the support rod, disconnecting the end cap and removing the block of membrane elements, thirdly, the possibility is reduced l media leaks, both inside the apparatus and into the atmosphere, due to the minimum number of seals and their placement in the lock or in the groove (cavity), and, fourthly, a uniform distribution of the flow of the shared medium to all membrane elements is achieved through the use of a central and peripheral fairings and a symmetrical arrangement of through channels in the distribution pipe grid. In addition, the proposed technical solution provides an increase in the operating temperature due to the use of more heat-resistant sealing materials and working pressure, since the shared flow is supplied from the outside of the membrane elements, i.e. element materials work in compression. The implementation of the distribution grid in the form of a disk with a system of blind and through channels allows you to more rigidly fix the membrane elements relative to the support rod and the support tube sheet. Fragile materials such as ceramics can be used as base materials for membrane elements. Other types of implementation of the distribution tube sheet are more technologically advanced and cheaper, but provide less rigid fixation of the ends of the membrane elements, i.e. suitable for the implementation of the basis of membrane elements from more durable materials. Various forms of peripheral fairing allow you to use either affordable and cheap materials (pieces, cords or ribbons of elastic material), or a more expensive design in the form of a cylinder installed in the housing. At the same time, a peripheral cowl in the form of a cylinder is more convenient when disassembling or assembling the apparatus.

На рисунках представлены: фиг.1 сборочный чертеж аппарата с выполнением распределительной трубной решетки в виде диска с системой каналов и периферийного обтекателя в виде цилиндра, установленного в корпусе, фиг.2, 3 - чертежи выполнения распределительной трубной решетки в виде втулки и периферийного ограничителя, соединенных между собой стержнями (фиг.2) или тонкими пластинами (фиг.3) с периферийным обтекателем в виде кусков эластичного материала (фиг.2) или шнура (ленты) из эластичного материала (фиг.3). The figures show: Fig. 1 assembly drawing of the apparatus with the implementation of the distribution pipe grate in the form of a disk with a system of channels and a peripheral fairing in the form of a cylinder installed in the housing, Figs. 2, 3 - drawings of the distribution pipe grate in the form of a sleeve and a peripheral limiter, interconnected by rods (figure 2) or thin plates (figure 3) with a peripheral fairing in the form of pieces of elastic material (figure 2) or a cord (tape) made of elastic material (figure 3).

Аппарат (см. фиг.1) состоит из цилиндрического корпуса 1, двух торцевых крышек 2, 3 со штуцерами 4, 5 для отвода пермеата и подачи разделяемой среды, соответственно, пучка трубчатых мембранных элементов 6, одни концы которых закреплены в опорной трубной решетке 7, а вторые заглушены и зафиксированы в распределительной трубной решетке 8, опорного стержня 9, центрального конического обтекателя 10, периферийного обтекателя 11 в виде цилиндра, штуцера 12 для отвода разделяемой среды и уплотнителя 13, охватывающего конец опорного стержня 9, расположенного в полости 14 для сбора пермеата. В опорном стержне 9 выполнен центральный канал 15, соединенный через радиальные каналы 16 с межтрубным пространством 17. В распределительной трубной решетке 8 выполнены глухие каналы 18 для фиксации заглушенных концов мембранных элементов и сквозные каналы 19, соединяющие полость 20 для распределения потока разделяемой среды с межтрубным пространством 17. На фиг.2 и на фиг.3 распределительная трубная решетка состоит из втулки 21 и периферийного ограничителя 22, соединенных между собой стержнями 23 (фиг.2) или пластинами (фиг. 3). Периферийные обтекатели на фиг.2, 3 выполнены в виде кусков эластичного материала или эластичного шнура. Для герметизации аппарата служат три прокладки 27-29 из мягких металлов: алюминия, меди, никеля или др. The apparatus (see Fig. 1) consists of a cylindrical body 1, two end caps 2, 3 with fittings 4, 5 for removing permeate and supplying a shared medium, respectively, of a bundle of tubular membrane elements 6, one ends of which are fixed in the supporting tube sheet 7 and the second ones are plugged and fixed in the distribution tube sheet 8, the support rod 9, the central conical fairing 10, the peripheral fairing 11 in the form of a cylinder, a fitting 12 for draining the shared medium and a seal 13 covering the end of the supporting rod 9 located in the cavity 14 for collecting permeate. In the support rod 9, a central channel 15 is made, connected through radial channels 16 to the annular space 17. In the distribution tube grill 8, blind channels 18 are made for fixing the muffled ends of the membrane elements and through channels 19 connecting the cavity 20 for distributing the flow of the medium to be divided with the annular space 17. In FIG. 2 and FIG. 3, the distribution tube sheet consists of a sleeve 21 and a peripheral stop 22 connected to each other by rods 23 (FIG. 2) or plates (FIG. 3). The peripheral fairings in figure 2, 3 are made in the form of pieces of elastic material or elastic cord. To seal the apparatus, three gaskets 27-29 of soft metals are used: aluminum, copper, nickel or others.

Работает предлагаемый аппарат следующим образом. Разделяемая среда, подаваемая через штуцер 5, распределяется в полости 20 и поступает по каналам 19 или по каналам между стержнями 23 (пластинами 24) и мембранными элементами 6 в межтрубное пространство 17. В межтрубном пространстве 17 разделяемая среда перемещается вдоль внешних поверхностей мембранных элементов 6, на которых нанесены селективные слои. Перед опорной трубной решеткой 7 потоки разделяемой среды собираются к каналам 16, и через них направляются в центральный канал 15, после чего разделяемая среда через штуцер 12 выводится из аппарата. Компоненты, селективно проникающие через мембраны, поступают в пористую основу мембранных элементов 6 и далее в центральные каналы, из которых они собираются в полости 14 для сбора пермеата и выводятся из аппарата через штуцер 4. The proposed apparatus works as follows. The shared medium supplied through the nozzle 5 is distributed in the cavity 20 and enters through the channels 19 or through the channels between the rods 23 (plates 24) and the membrane elements 6 into the annulus 17. In the annulus 17, the shared medium moves along the outer surfaces of the membrane elements 6, on which selective layers are applied. Before the supporting tube sheet 7, the flows of the shared medium are collected to the channels 16, and through them are directed to the central channel 15, after which the shared medium is discharged from the apparatus through the nozzle 12. The components selectively penetrating through the membranes enter the porous base of the membrane elements 6 and then into the central channels, from which they are collected in the cavity 14 for collecting permeate and removed from the apparatus through the nozzle 4.

Claims

1. A membrane apparatus comprising a cylindrical body, an end cap with a nozzle for inputting a shared medium, a nozzle for outputting a shared medium, a second end cap, a bundle of tubular membrane elements and a support tube sheet in which the open ends of the membrane elements are fixed, characterized in that it is provided with a distribution a tube sheet in which the muffled ends of the membrane elements are fixed, a central support rod passed through both tube sheets, and a peripheral stream is rigidly fixed to them a body located in the gap between the housing and the bundle of tubular membrane elements and a conical fairing mounted on the end of the support rod from the outside of the distribution pipe grille opposite the inlet of the shared medium, while the other end of the support rod is passed through a permeate collection cavity formed between the support pipe the lattice and the second end cover, and it has a Central channel connected to the output fitting of the shared medium and communicated through radial channels with the annular space, the latter using channels in the distribution pipe grille communicated with the input fitting of the shared medium.

2. The apparatus according to claim 1, characterized in that the distribution tube sheet is made in the form of a disk with a system of blind channels, in which the muffled ends of the membrane elements are fixed, and through channels for supplying a shared medium evenly spaced around the blind channels.

3. The apparatus according to claim 1, characterized in that the distribution tube sheet is made in the form of a sleeve and a peripheral limiter interconnected by rods or thin plates with the formation of channels for fixing the muffled ends of the membrane elements and channels for supplying a shared medium.

4. The apparatus according to claims 1 to 3, characterized in that the peripheral fairing is made in the form of a cylinder, the outer surface of which fits snugly in the inner surface of the housing, while the longitudinal axis of the peripheral membrane elements of the beam is removed from the inner surface of the peripheral fairing at an equal distance.

5. The apparatus according to claims 1 to 3, characterized in that the peripheral fairing is made in the form of pieces of elastic material filling the gap between the bundle of tubular membrane elements and the housing.

6. The apparatus according to claims 1 to 3, characterized in that the peripheral fairing is made in the form of a cord or tape of elastic material wound around a bundle of tubular membrane elements.