система и способ разделения газовой смеси

Формула изобретения

1. Система разделения газовой смеси, содержащей гелий, включающая селективно-проницаемую мембрану, разделяющую область подачи указанной смеси и область выделения компонентов смеси, отличающаяся тем, что мембрана выполнена в виде слоя гранул, выполненных из материала, адсорбирующего сопутствующий и пропускающего целевой продукт - гелий, при этом гранулы заполнены полыми замкнутыми телами, стенки которых выполнены из материала, пропускающего и удерживающего внутри тела только целевой продукт.

2. Способ разделения газовой смеси, содержащей гелий, включающий извлечение целевого продукта - гелия путем ее пропускания через селективно-проницаемую мембрану и последующее выделение компонентов смеси, отличающийся тем, что указанную газовую смесь пропускают через слой элементов мембраны - гранул, заполненных полыми замкнутыми телами, до их полного насыщения целевым продуктом, затем поток перекрывают и осуществляют процесс регенерации мембраны, при этом выделение целевого продукта из полых замкнутых тел осуществляют путем понижения давления и повышения температуры в пространстве между гранулами, а затем цикл повторяют.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической, нефтехимической, газовой промышленностям и может быть использовано при извлечении или концентрировании одного или нескольких целевых компонентов из многокомпонентной газовой смеси, например гелия или водорода из природного газа.

Известен способ разделения газовой смеси /1/, заключающийся в извлечении одного или нескольких целевых компонентов из многокомпонентной смеси путем их диффузии через селективно-проницаемые оболочки полых замкнутых мембранных элементов. Полые замкнутые элементы непрерывно вводят в поток трубопровода и транспортируют вместе со смесью. После заполнения мембранных элементов целевым компонентом их удаляют из потока с последующим извлечением из них целевого компонента.

Недостатком данного изобретения являются трудности, связанные с введением и выделением мембранных элементов из потока газа действующего трубопровода, а также необходимость использования большого количества мембранных элементов.

Известно также изобретение, взятое за прототип, - способ разделения газовой смеси, которое относится к системе диффузионного газообмена, содержащее мембрану, выполненную в виде полых, замкнутых тел с полупроницаемыми стенками. Сжатую до высокого давления газовую смесь пропускают через пространство между мембранными элементами, благодаря чему происходят диффузия и накопление целевого продукта внутри полых, замкнутых элементов. Извлечение целевого продукта производят путем вакуумирования пространства между мембранными элементами и обратной диффузией проникшего компонента через полупроницаемую мембрану /2/.

Недостатком данной системы диффузионного газообмена является возможность вывода только одного или нескольких целевых продуктов из потока газовой смеси, проникающих через диафрагму мембранных элементов, и невозможность дополнительного отделения сопутствующих элементов из газовой смеси, проходящей сквозь мембрану.

Задача изобретения - повышение эффективности и качества разделения многокомпонентной газовой смеси, содержащей гелий с выделением целевого продукта - гелия.

Поставленная задача реализуется благодаря тому, что система разделения газовой смеси, включающая селективно-проницаемую мембрану, разделяющую область подачи многокомпонентной смеси и область выделения целевого и сопутствующих компонентов смеси, выполнена в виде слоя гранул, выполненных из материала, адсорбирующего сопутствующий и пропускающего целевой продукт, при этом гранулы заполнены полыми замкнутыми телами, стенки которых выполнены из материала, пропускающего и удерживающего (накапливающего) внутри полого тела только целевой продукт.

Способ разделения газовой смеси, содержащей гелий, включающий извлечение целевого продукта - гелия путем пропускания смеси через селективно-проницаемую мембрану и последующее выделение целевого и сопутствующего компонентов смеси. Многокомпонентную газовую смесь пропускают через слой гранул, заполненных полыми замкнутыми телами до полного насыщения полых замкнутых тел целевым продуктом, затем поток перекрывают и осуществляют процесс регенерации мембраны, при этом выделение целевого продукта из полых замкнутых тел осуществляют путем понижения давления и повышения температуры в пространстве между гранулами, а затем цикл повторяют.

Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень.

На фиг.1 изображена система разделения многокомпонентной газовой смеси. На фиг.2 - схема экспериментальной установки (Пример); на фиг.3 и 4 - графики, отражающие содержание азота и гелия при проходе смеси через колонку (Пример).

Система разделения многокомпонентной газовой смеси содержит селективно проницаемую мембрану 1, которая размещена в адсорбционной трубе 2 и разделяет ее на область подачи многокомпонентной смеси 3 и область выделения из мембраны компонентов смеси 4. Мембрана 1 выполнена в виде слоя гранул 5, заполненных полыми замкнутыми телами 6. Гранулы 5 выполнены из материала с соответствующей избирательной проницаемостью для конкретной газовой смеси, например из цеолитов, поглощающих сопутствующий продукт и пропускающих через свои стенки внутрь полых замкнутых тел 6 целевой продукт. Стенки полых замкнутых тел могут быть выполнены из материала с заданной селективностью под конкретный целевой продукт, пропускающий и удерживающий внутри тела только целевой продукт, например гелий.

Способ разделения газовой смеси осуществляется следующим образом.

Мембрану 1, селективно поглощающую полыми замкнутыми телами 6 один или несколько целевых продуктов и адсорбирующую гранулами 5 другие сопутствующие продукты, помещают между областью подачи многокомпонентной смеси 3 и областью выделения компонентов смеси 4 - адсорбционной трубе 2. Обрабатываемую многокомпонентную газовую смесь подают в область 3 и под действием перепада давления между указанными газовыми областями в трубе 2 смесь проходит через мембрану 1 в область 4. При этом целевой продукт - гелий проходит через стенки гранул 5 и полых замкнутых тел 6 и накапливается внутри полых замкнутых тел 6, а сопутствующие продукты задерживаются и накапливаются в стенках адсорбирующего материала гранул 5 мембраны 1. После заполнения полых замкнутых тел 6 целевым продуктом подачу газовой смеси прекращают и выполняют процесс извлечения разделенных продуктов из мембраны. Причем целевой продукт из полых замкнутых тел извлекают созданием обратного по отношению к внутренней полости полых замкнутых тел перепада давления, когда давление внутри полых замкнутых тел выше, чем давление в объеме, занятом гранулами, а извлечение адсорбированного сопутствующего продукта производят повышением температуры мембраны. Повышение температуры в пространстве между гранулами осуществляют пропусканием через мембрану горячего газа.

Этот процесс осуществляют последовательно. После извлечения целевых и сопутствующих продуктов из гранул на мембрану вновь подают газовую смесь и цикл повторяют.

Пример

Экспериментальная проверка разделения многофазной газовой среды на стадии поглощения и стадии вывода целевого продукта была проведена на хромотографической колонке, заполненной гранулами с замкнутыми телами диаметром 100-125 мкм с толщиной стенок 5-10 мкм (ценосферы), выполненными из стекла. На фиг.2 представлена схема экспериментальной установки, где 7 - система ввода пробы, 8 - безградиентная печь, 9 - реактор (хроматографическая колонка), 10 - система регистрации, 11 - детектор газов по теплопроводности (катарометр).

В качестве газа-носителя использовался аргон. На входе хроматографической колонки в потоке аргона формировалась область потока из смеси азота и гелия с равными парциальными давлениями с помощью системы ввода пробы 7. Эта смесь проталкивалась аргоном через колонку 9. На выходе колонки системой регистрации 10 и детектором 11 определялось относительное содержание азота и гелия.

Процесс разделения газовой смеси в колонке наглядно демонстрируют графики, представленные на фиг.3 и 4, отражающие содержание азота и гелия при проходе смеси через колонку. На фиг.3 представлены результаты экспериментов, полученных при температуре смеси Т=20°С. Кривая 12 для азота и кривая 13 - для гелия. На фиг.3 можно видеть, что относительное содержание гелия в потоке смеси на выходе колонки уменьшается в максимуме, что демонстрирует эффект удержания гелия замкнутыми телами. Увеличение относительной концентрации гелия в конце прохода демонстрирует извлечение гелия из замкнутых тел при понижении его парциального давления в колонке. Это свидетельствует о том, что часть гелия в начале проникала в замкнутые тела и удерживалась в них до момента спада парциального давления смеси азота и гелия на выходе колонки, затем гелий начинал выходить из замкнутых тел, повышая его относительное содержание в потоке. На фиг.4 приведены графики зависимости относительного содержания гелия на выходе колонки от температуры в колонке. Кривая 14 при 20°С, кривая 15 при 390°С и кривая 16 при 520°С.

Можно видеть, что повышение температуры в колонке увеличивает селективные свойства замкнутых тел при выделении целевого продукта - гелия (величина импульса в максимуме уменьшается, а в "хвосте" импульса увеличивается).

Источники информации

1. Патент RU №2161527, В 01 D 53/22, 17.01.2000.

2. А.с. SU №1159605, В 01 D 53/22, 05.07.1983 - прототип.