Устройство для мембранного многостадийного разделения неоногелиевой смеси

 

Изобретение относится к области газового хроматографического анализа и может быть использовано для селективного разделения газовых смесей и применено для решения экологических задач. Устройство мембранного многостадийного разделения неоногелиевой смеси включает мембранный модуль, содержащий газоразделительный блок и снабженный входным патрубком и первым и вторым выходными патрубками, при этом в устройстве газоразделительный блок мембранного модуля выполнен в виде набора капилляров - мембран из кварцевого стекла, устройство снабжено термостатом для подогрева мембранного модуля, в устройстве предусмотрены каналы для поступления исходной смеси в мембранный модуль и в хроматограф, компрессоры, насосы. Технический результат - повышение производительности и эффективности разделения. 2 ил.

Изобретение относится к области газового хроматографического анализа и может быть использовано для селективного разделения газовых смесей в различных отраслях промышленности, для решения экологических проблем, а также в химической технологии.

Известно устройство для разделения газов, в котором реализован принцип мембранного разделения. В устройстве использован режим противотока. Устройство позволяет проводить разделение различных газовых смесей, в том числе таких как метан-гелий. Однако устройство не обеспечивает селективность по отношению к неону, не позволяет реализовать принцип многостадийности и не обеспечивает достаточную степень эффективности разделения (RU 2121393 С1, В 01 D 63/10, 10.11.1998).

Известно устройство для селективного разделения смеси газов, в котором содержится мембранный модуль, снабженный газораспределительным блоком, а также входным патрубком, предназначенным для ввода разделяемой смеси, и двумя выходными патрубками, предназначенными для выхода обогащенных газов (RU 2040319 С1, В 01 D 63/08, 27.07.1995). Известное устройство не обеспечивает высокую селективность по отношению к неону и гелию и также не позволяет достичь высокой степени разделения, т.к. в нем поток смеси газов недостаточно эффективно взаимодействует с поверхностью мембран.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является мембранная система по пат. RU 2035981, В 01 D 61/00, 27.05.1995, включающая три ступени мембранной очистки, трубопроводы подачи исходной газовой смеси, трубопроводы отвода проникших потоков из ступеней очистки и возврата их на ту или иную ступень, трубопроводы подачи задержанных и отвода высокочистого задержанного компонента, компрессоры и насосы. Известное устройство обеспечивает селективное разделение воздуха и производство азота с высокой степенью очистки.

Техническим результатом изобретения является повышение селективности разделения по отношению к неону и гелию при повышении эффективности и производительности разделения неоногелиевой смеси.

Технический результат достигается за счет того, что устройство для мембранного многостадийного разделения неоногелиевой смеси включает мембранный модуль, содержащий газоразделительный блок и снабженный входным патрубком и первым и вторым выходными патрубками, при этом в устройстве газоразделитсльный блок мембранного модуля выполнен в виде набора капилляров - мембран из кварцевого стекла, устройство снабжено термостатом для подогрева мембранного модуля и в устройстве предусмотрены первый канал для поступления исходной смеси из первого баллона под давлением в мембранный модуль через первый вентиль, муфельную печь и входной патрубок мембранного модуля, второй канал для поступления исходной смеси из первого баллона в хроматограф через второй вентиль, третий канал для поступления смеси, обогащенной неоном из мембранного модуля во второй баллон через первый выходной патрубок мембранного модуля и третий вентиль, четвертый канал для поступления смеси обогащенной неоном из второго баллона в хроматограф через третий и четвертый вентили, пятый канал для поступления смеси, обогащенной неоном, из второго баллона в мембранный модуль через пятый вентиль, мембранный компрессор, шестой вентиль, муфельную печь и входной патрубок мембранного модуля, шестой канал для поступления обогащенного неона из мембранного модуля в третий баллон через седьмой вентиль, седьмой канал для поступления обогащенного неона из третьего баллона в хроматограф через седьмой и четвертый вентили, восьмой канал для поступления смеси, обогащенной неоном, из третьего баллона в мембранный модуль через восьмой вентиль, мембранный компрессор, шестой вентиль, муфельную печь и входной патрубок, девятый канал для вывода обогащенного неона из устройства через седьмой вентиль и девятый вентиль, десятый канал для поступления обогащенного гелия из мембранного модуля в хроматограф через второй выходной патрубок мембранного модуля, десятый вентиль, вакуум насос, двенадцатый вентиль или через одиннадцатый и двенадцатый вентили, одиннадцатый канал для вывода обогащенного гелия из устройства через второй выходной патрубок мембранного модуля, десятый вентиль, вакуум насос второй расходомер или через одиннадцатый вентиль, и второй расходомер.

На фиг. 1 представлено устройство для мембранного многостадийного разделения неоногелиевой смеси; на фиг. 2 - мембранный модуль.

В качестве мембран предлагается использовать капилляры из кварцевого стекла. Устройство (см. фиг. 1) содержит первый баллон 1, первый тройник 2, первый вентиль 3, второй тройник 4, первый расходомер 5, муфельную печь 6, мембранный модуль 7, входной патрубок мембранного модуля 8, второй вентиль 9, первый выходной патрубок мембранного модуля 10, третий тройник 11, четвертый тройник 12, третий вентиль 13, пятый тройник 14, второй баллон 15, четвертый вентиль 16, шестой тройник 17, пятый вентиль 18, мембранный компрессор 19, третий баллон 21, седьмой вентиль 22, седьмой тройник 23, восьмой тройник 24, девятый тройник 25, восьмой вентиль 26, хроматограф 27, девятый вентиль 28, первый манометр 29, второй манометр 30, второй выходной патрубок 31, переходник 32, десятый вентиль 33, насос 34, десятый тройник 35, одиннадцатый тройник 36, одиннадцатый вентиль 37, двенадцатый вентиль 38, второй расходомер 39, тринадцатый вентиль 40, четырнадцатый вентиль 41, пятнадцатый вентиль 42, первый дроссельный вентиль 43, второй дроссельный вентиль 44, термостат 45, насос 46, третий манометр 47.

На фиг. 2 приведены входной патрубок 8 мембранного модуля для подачи исходной смеси в мембранный модуль, капилляры 48, заделка 49, первый выходной патрубок 10 для вывода обогащенного неоном потока, второй выходной патрубок 31 для вывода обогащенного гелием потока.

В мембранном модуле согласно изобретению в качестве мембран предлагается использовать капилляры из кварцевого стекла. Разделение газов в мембранном модуле осуществляется за счет диффузии газов через полупроницаемые мембраны. Этот режим разделения эффективен при наличии разницы в проникающих способностях компонентов газовой смеси. Поток исходной смеси под высоким давлением поступает в модуль и обтекает пучок капилляров-мембран. При этом часть газа, содержащая гелий, проникает во внутреннюю полость капилляров, в которой поддерживается пониженное давление, и выходит через незапаянные концы капилляров в область пониженного давления и далее через второй выходной патрубок выходит из мембранного модуля.

Разница в проникающей способности гелия и неона позволяет гелию проникать через стенки капилляров, выполненных из кварцевого стекла. Оставшаяся часть газа таким образом обогащается неоном и выводится из мембранного модуля через первый выходной патрубок.

В устройстве для мембранного многостадийного разделения неоногелиевой смеси предусмотрены первый канал для поступления исходной смеси из первого баллона 1 под давлением в мембранный модуль 7 через первый дроссельный вентиль 43, первый тройник 2, первый вентиль 3, второй тройник 4, первый расходомер 5, электрическую муфельную печь 6 и входной патрубок 8 мембранного модуля, второй канал для поступления исходной смеси из первого баллона в хроматограф 27 через дроссельный вентиль 43, первый тройник 2, второй вентиль 9, третий канал для поступления смеси, обогащенной неоном из мембранного модуля 7 во второй баллон 15 через первый выходной патрубок 10 мембранного модуля, третий тройник 11, четвертый тройник 12, пятый тройник 14 и третий вентиль 13, четвертый канал для поступления смеси, обогащенной неоном, из второго баллона в хроматограф через пятый тройник 14, третий вентиль 13, шестой тройник 17 и четвертый вентиль 16, пятый канал для поступления смеси, обогащенной неоном, из второго баллона в мембранный модуль через пятый тройник 14, пятый вентиль 18, седьмой тройник 23, второй дроссельный вентиль 44, мембранный компрессор 19, восьмой тройник 24, шестой вентиль 20, тройник 4, расходомер 5, муфельную печь 6 и входной патрубок мембранного модуля, шестой канал для поступления обогащенного неона из мембранного модуля в третий баллон 21 через третий тройник, седьмой вентиль 22 и девятый тройник 25, седьмой канал для поступления обогащенного неона из третьего баллона в хроматограф через девятый тройник 25, седьмой вентиль 22, третий 11 и четвертый 12 тройники, шестой тройник 17, и четвертый вентиль 16, восьмой канал для поступления смеси, обогащенной неоном, из третьего баллона в мембранный модуль через девятый тройник 25, восьмой вентиль 26, седьмой тройник 23, второй дроссельный вентиль 44, мембранный компрессор 19, восьмой тройник 24, шестой вентиль 20, второй тройник 4, первый расходомер 5, муфельную печь 6 и входной патрубок 8, девятый канал для вывода обогащенного неона из устройства через тройник 25, седьмой вентиль 22, третий тройник 11, четвертый тройник 12, шестой тройник 17 и девятый вентиль 28, десятый канал для поступления обогащенного гелия из мембранного модуля в хроматограф через второй выходной патрубок 31 мембранного модуля, переходник 32, десятый вентиль 33, вакуум-насос 34, тройник 35, тройник 36, двенадцатый вентиль 38 или через переходник 32, одиннадцатый вентиль 37, тройник 35, тройник 36 и двенадцатый вентиль 38, одиннадцатый канал для вывода обогащенного гелия из устройства через второй выходной патрубок мембранного модуля, переходник 32, десятый вентиль 33, вакуум-насос 34, тройник 35, тройник 36, второй расходомер 39 или через переходник 32, одиннадцатый вентиль 37, тройник 35 тройник 36, второй расходомер 39. Для измерения расхода входной смеси предназначен первый манометр 29, введенный в канал подачи между печью и входным патрубком. Для контроля давления на выходе мембранного модуля предназначен второй манометр 30.

Исходная газовая смесь находится в первом баллоне 1. Через второй вентиль 9 она подается в хроматограф 27, где определяется ее начальный состав. На разделение в мембранный модуль 7 смесь поступает последовательно из первого баллона 1 через первый тройник 2 при открытом первом вентиле 3 и закрытом втором вентиле 9, и закрытом шестом вентиле 20 через второй тройник 4, первый расходомер 5 и электрическую муфельную печь, и входной патрубок мембранного модуля. Соответственно расход входной смеси замеряется первым расходомером 5, давление - первым манометром 29, установленным между печью и модулем. Печь обеспечивает подогрев подаваемой на разделение смеси. Также осуществляется подогрев всего мембранного модуля - на корпус модуля навита медная трубка, в которой циркулирует греющая жидкость. Эта жидкость подогревается в термостате 45 до заданной температуры. Термостат оснащен насосом 46, при помощи которого осуществляется циркуляция жидкости по греющему контуру. Подогрев подаваемой на разделение смеси и самого модуля позволяет проводить разделение при заданном температурном уровне.

В полости низкого давления может поддерживаться атмосферное давление - десятый вентиль 33 закрыт, одиннадцатый вентиль 37 открыт, либо пониженное давление, создаваемое вакуум-насосом 34, десятый вентиль 33 открыт, одиннадцатый вентиль 37 закрыт. Давление вакуумирования замеряется третьим манометром 47, расход - вторым расходомером 39 для определения состава пермеат через двенадцатый вентиль 38 подается в хроматограф. Непроникающий поток - ретант поступает в предварительно вакуумированный баллон, например второй баллон 15. При этом вентили 22, 26, 18 закрыты. Давление на выходе из мембранного модуля контролируется вторым манометром 30. Для определения состава смесь поступает через шестой вентиль 20 в хроматограф. Таким образом осуществляется процесс одностадийного разделения смеси На последующей стадии разделения смесь перегоняется из второго баллона в третий баллон через мембранный модуль при помощи мембранного компрессора 19. Компрессор позволяет поддерживать постоянное давление подаваемой смеси от стадии к стадии и более полно ее использовать. Для регулировки подачи организована байпассная ветвь через четырнадцатый вентиль 41. С целью исключения возможности прорыва мембраны смесь из второго баллона начинают откачивать через второй дроссельный вентиль 44. При понижении давления в откачиваемом баллоне открывают пятнадцатый вентиль 42. Межстадийная очистка мембранного модуля и коммуникаций осуществляется по ветке через вентиль 40 при помощи вакуум-насоса 34. На любой стадии разделения смесь для анализа может подаваться из второго или третьего баллонов через вентиль 16 в хроматограф.

Таким образом, устройство позволяет проводить многостадийное селективное разделение газовой неоногелиевой смеси при одновременном количественном контроле разделяемых компонентов, что позволяет добиться повышения эффективности разделения. Устройство также характеризуется достаточно высокой производительностью и обеспечивает высокую степень разделения неона и гелия.

Формула изобретения

Устройство для мембранного многостадийного разделения неоногелиевой смеси, включающее мембранный модуль, содержащий газоразделительный блок в виде набора капилляров - мембран из кварцевого стекла, входной патрубок и первый и второй выходные патрубки, термостат для подогрева мембранного модуля, а также первый канал для поступления исходной смеси из первого баллона под давлением в мембранный модуль через первый вентиль, муфельную печь и входной патрубок мембранного модуля, второй канал для поступления исходной смеси из первого баллона в хроматограф через второй вентиль, третий канал для поступления смеси, обогащенной неоном, из мембранного модуля во второй баллон через первый выходной патрубок мембранного модуля и третий вентиль, четвертый канал для поступления смеси, обогащенной неоном, из второго баллона в хроматограф через третий и четвертый вентили, пятый канал для поступления смеси, обогащенной неоном, из второго баллона в мембранный модуль через пятый вентиль, мембранный компрессор, шестой вентиль, муфельную печь и входной патрубок мембранного модуля, шестой канал для поступления обогащенного неона из мембранного модуля в третий баллон через седьмой вентиль, седьмой канал для поступления обогащенного неона из третьего баллона в хроматограф через седьмой и четвертый вентили, восьмой канал для поступления смеси, обогащенной неоном, из третьего баллона в мембранный модуль через восьмой вентиль, мембранный компрессор, шестой вентиль, первый расходомер, муфельную печь и входной патрубок, девятый канал для вывода обогащенного неона из устройства через седьмой вентиль и девятый вентиль, десятый канал для поступления обогащенного гелия из мембранного модуля в хроматограф через второй выходной патрубок мембранного модуля, десятый вентиль, вакуум-насос, двенадцатый вентиль или через одиннадцатый и двенадцатый вентили, одиннадцатый канал для вывода обогащенного гелия из устройства через второй выходной патрубок мембранного модуля, десятый вентиль, вакуум-насос, второй расходомер или через одиннадцатый вентиль и второй расходомер.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2