RU2132223C1

RU2132223C1 - Method of separating gas mixtures

Info

Publication number: RU2132223C1
Application number: RU97115300A
Authority: RU
Inventors: А.И. Костин
Original assignee: Костин Александр Игоревич
Priority date: 1997-09-02
Filing date: 1997-09-02
Publication date: 1999-06-27

Abstract

FIELD: chemical engineering. SUBSTANCE: invention is designed for cases when gas mixtures are to be separated into fractions or to be fried from impurities, and also for application in gas-analysis technics. High-pressure gas mixture stream is created on one side of semipermeable membrane to be enriched with hard-permeating components and low-pressure countercurrent stream is created on the other side of semipermeable membrane to be enriched with easy-permeating components. A part of excess of enriched high-pressure gas mixture stream is taken off, throttled down, and fed into low- pressure stream. EFFECT: considerably decreased membrane surface required to achieve desired concentration of components. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к мембранной технологии разделения газовых смесей и может быть использовано в химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности в тех случаях, когда необходимо разделение газовых смесей на фракции или очистить смеси от примесей, а также в газоаналитической технике. The invention relates to a membrane technology for the separation of gas mixtures and can be used in chemical, petrochemical, gas and other industries in those cases where it is necessary to separate gas mixtures into fractions or to clear mixtures of impurities, as well as in gas analysis technology.

Известны способы разделения газовых смесей (А. С. 1119718 SU, А.С. 1294367) при помощи полупроницаемых мембран, в которых с целью увеличения степени обогащения продуктов отбирают долю потока высокого давления. Все эти способы требуют введения дополнительных мембранных площадей либо дополнительного компремирования. Known methods for the separation of gas mixtures (A. S. 1119718 SU, A. S. 1294367) using semi-permeable membranes, in which, in order to increase the degree of enrichment of products, a fraction of the high pressure stream is selected. All these methods require the introduction of additional membrane areas or additional compression.

Известен способ разделения газовых смесей при помощи полупроницаемых мембран (С. -Т.Хванг, К.Каммермейер. Мембранные процессы разделения, М.:, Химия, 1981 г. стр. 331-332, 338-341.), отличающийся тем, что поток газовой смеси высокого давления и поток, проникший через полупроницаемую мембрану, направлены противотоком друг другу. При прочих равных условиях этот способ, по мнению авторов, наиболее предпочтителен. A known method of separating gas mixtures using semi-permeable membranes (S. -T. Hwang, K. Kammermeyer. Membrane separation processes, M .: Chemistry, 1981, pp. 331-332, 338-341.), Characterized in that the flow of the high pressure gas mixture and the stream penetrating through the semipermeable membrane are directed countercurrently to each other. Other things being equal, this method, according to the authors, is most preferable.

На практике довольно часто встречаются газовые смеси, компоненты которых характеризуются очень большой разницей по проникающей способности через полимерные мембраны. Например, такие смеси, как CH₄-He, CH₄-H₂S, N₂-SO₂, воздух-H₂O и другие. Причем концентрация легкопроникающего компонента обычно очень мала. Для значительного удаления легкопроникающих компонентов из данных смесей требуются очень большие площади поверхности газоразделительных мембран даже при использовании упомянутого способа разделения газовых смесей.In practice, quite often there are gas mixtures, the components of which are characterized by a very large difference in penetration through polymer membranes. For example, mixtures such as CH ₄ —He, CH ₄ —H ₂ S, N ₂ —SO ₂ , air — H ₂ O, and others. Moreover, the concentration of the low-penetrating component is usually very small. To significantly remove easily penetrating components from these mixtures, very large surface areas of gas separation membranes are required even when using the aforementioned method for separating gas mixtures.

Для более полного выделения легкопроникающего компонента при помощи полупроницаемой мембраны и уменьшения требуемой для этой цели площади мембраны предлагается способ разделения газовых смесей, содержащих труднопроникающие и легкопроникающие через полупроницаемую мембрану компоненты, включающий создание потока газовой смеси высокого давления с одной стороны полупроницаемой мембраны, обогащающегося труднопроникающими компонентами, и потока низкого давления с другой стороны полупроницаемой мембраны, обогащающегося легкопроникающими компонентами, направленного противотоком потоку высокого давления, отличающийся тем, что отбирается часть сбросного потока газовой смеси высокого давления, обогащенного труднопроникающими компонентами, дросселируется и подается в поток низкого давления со стороны сбросного потока. В качестве полупроницаемых мембран используются полые волокна, рулоны, полотна и трубки. To more fully isolate an easily penetrating component using a semi-permeable membrane and reduce the membrane area required for this purpose, a method for separating gas mixtures containing components that are difficult to penetrate and easily penetrating through a semi-permeable membrane, comprising creating a high pressure gas mixture flow from one side of a semi-permeable membrane enriched with difficult to penetrate components, and a low-pressure flow on the other side of a semipermeable membrane enriched in lightweight conductive components directed countercurrent flow of high pressure, characterized in that the selected portion of the flow of waste gas of high pressure of the mixture, enriched trudnopronikayuschimi components is throttled and fed to the low pressure stream from the stream of waste. As semipermeable membranes, hollow fibers, rolls, webs and tubes are used.

На фиг. 1 представлена схема организации потоков газовых смесей в газоразделительном аппарате в режиме противотока. На вход аппарата подается поток газовой смеси q_f концентрацией x_f легкопроникающего компонента A при давлении P₁. Через полупроницаемую мембрану M с толщиной l и площадью S, характеризующейся проницаемостью Q_A для легкопроникающего компонента, проходит поток газовой смеси q_p с концентрацией компонента A-y_p и давлением P₂(P₁>P₂).In FIG. 1 shows a diagram of the organization of flows of gas mixtures in a gas separation apparatus in countercurrent mode. At the inlet of the apparatus, a gas mixture stream q _{f with a} concentration x _{f of} easily penetrating component A is supplied at a pressure P ₁ . A gas mixture q _p with component concentration Ay _p and pressure P ₂ (P ₁ > P ₂ ) passes through a semipermeable membrane M with thickness l and area S, characterized by permeability Q _A for the easily penetrating component.

В сбросном потоке q_o концентрация компонента A после прохождения над полупроницаемой мембраной падает до x_o. Суммарная площадь поверхности мембраны

где θ = q_p/q_f, Q_A и Q_B - проницаемости соответственно молекул A и B через мембрану толщиной 1;
R - отношение низкого давления к высокому, определяемое как
R=P₂/P₁.In the discharge stream q _{o, the} concentration of component A after passing over the semipermeable membrane drops to x _o . The total surface area of the membrane

where θ = q _p / q _f , Q _A and Q _B are the permeabilities of molecules A and B, respectively, through a membrane with a thickness of 1;
R is the ratio of low to high pressure, defined as
R = P ₂ / P ₁ .

В случае, когда Q_A>>Q_B, насыщение проникшего потока компонентом A происходит очень быстро, поскольку площадь мембраны, требуемая для проницаемости потока компонента B, равного потоку компонента A, значительно больше.In the case where Q _A >> Q _B , the penetration of the penetrated stream by component A occurs very quickly, since the membrane area required for the permeability of the flow of component B equal to the flow of component A is much larger.

Таким образом, для более полного выделения компонента A, т.е. уменьшения концентрации x_o, требуется значительное увеличение площади мембраны, поскольку x_o>R^*y_p, а при x_o OS
Уменьшение требуемой площади мембраны достигается при помощи дросселирования части сбросного потока и подачи его в область проникшего потока (фиг. 2), где за счет этого концентрация компонента A уменьшается до величины:
y_p=a^*y_p+(1-a)^*x_o,
где a - доля проникающего через мембрану потока в общем потоке в области низкого давления.Thus, for a more complete selection of component A, i.e. decrease in concentration x _o , a significant increase in membrane area is required, since x _o > R ^* y _p , and at x _o OS
The reduction in the required membrane area is achieved by throttling part of the waste stream and feeding it into the area of the permeated stream (Fig. 2), where due to this, the concentration of component A decreases to:
y _p = a ^* y _p + (1-a) ^* x _o ,
where a is the fraction of the flow penetrating through the membrane in the total flow in the low-pressure region.

Площадь мембраны S¹, необходимая для достижения концентрации x_o при наличии дополнительного потока, будет меньше площади S без такого потока в

где x_o =R^*y_p/b, 0<b<1.The membrane area S ¹ required to achieve a concentration x _o in the presence of an additional flow will be less than the area S without such a flow in

where x _o = R ^* y _p / b, 0 <b <1.

Коэффициент b является функцией другого коэффициента - идеального коэффициента разделения равного Q_A/Q_B. Причем, чем больше коэффициент разделения, тем больше коэффициент b. Следовательно, чем больше коэффициент разделения и чем сильнее разбавление, т.е. меньше y_р ¹, тем больше отношение S/S¹, т. е. тем меньшая площадь мембраны требуется для достижения концентрации x_o в остаточном потоке.The coefficient b is a function of another coefficient - the ideal separation coefficient equal to Q _A / Q _B. Moreover, the larger the separation coefficient, the greater the coefficient b. Therefore, the greater the separation coefficient and the stronger the dilution, i.e. the smaller y _p ¹ , the greater the S / S ¹ ratio, that is, the smaller the membrane area is required to achieve a concentration x _o in the residual stream.

Claims

1. A method of separating gas mixtures containing hardly penetrating and easily penetrating components through a semipermeable membrane, comprising creating a high pressure gas mixture stream on one side of a semipermeable membrane enriched with difficult-penetrating components, and a low pressure stream on the other side of a semipermeable membrane enriched with low-penetrating components, and directed against the countercurrent high pressure stream, characterized in that part of the waste stream of the high pressure gas mixture is enriched Nogo trudnopronikayuschimi components selected, is throttled and fed to the low pressure stream from the stream of waste.

2. The method according to claim 1, characterized in that as semipermeable membranes, hollow fibers, rolls, webs and tubes are used.