Модуль для разделения текучей среды, способ его использования и способ регулирования количества растворенного газа в жидкости

Модуль для разделения текучей среды, способ его использования и способ регулирования количества растворенного газа в жидкости

Реферат

 

В изобретении предусмотрены модуль для разделения текучих сред и способ его использования. Модуль содержит пучок мембран из полых волокон и произвольно рассеянные внутри пучка волокон нити, имеющие наружный диаметр от приблизительно 60 до приблизительно 3000 мкм. Нити представлены количеством от 0,5 до 5 нитей на одно волокно. Предпочтительно, чтобы нити помещались среди волокон. Наличие нитей приводит к улучшению характеристик модуля разделения текучих сред. 3 с. и 17 з.п. ф-лы, 9 табл., 11 ил.

Изобретение относится к разделительному модулю, содержащему пучок мембран из полых волокон, который работает в режиме максимально возможной эффективности при идеальном противотоке, что предполагает равномерное распределение скорости (или "поршневое движение потока") текучей среды на каждой из корпусной и канальной сторон мембраны. Можно ожидать, что для волоконных каналов постоянного размера и длины на канальной стороне будет приближаться к поршневому движению потока. Однако обычно на корпусной стороне существует неравномерное распределение осевой скорости, т.е. отклонение от поршневого движения потока.

Отклонение от поршневого движения потока вызывается одним из многочисленных факторов, например неравномерным расположением полых волокон в пучке, что может быть обусловлено способами образования пучка, или разбросом наружных диаметров волокон, или изгибом или волнистостью волокон, или непараллельной ориентацией волокон, или сползанием волокон внутри намотанного пучка и т. д.

В продольном пучке полых волокон гидравлическое сопротивление в радиальном направлении обычно больше, чем гидравлическое сопротивление в осевом направлении. На корпусной стороне текучая среда обычно входит в пучок и выходит из него на краю или в центре пучка. Более высокое гидравлическое сопротивление в радиальном направлении препятствует на корпусной стороне равномерному распределению текучей среды по поперечному сечению пучка полых волокон и вследствие этого наблюдается отклонение от поршневого движения потока.

Описанное выше явление в конечном счете приводит к изменению рабочих характеристик модуля в процессе разделения газов, которое заключается в снижении коэффициента эффективной проницаемости для легкоподвижного газа и эффективной избирательности для разделения газов, в то время как расход или содержание легкоподвижного газа в потоке непроникшего газа снижается. В результате этого уменьшается расход продукта (непроникшего газа), отнесенного к единице площади поверхности мембраны, и снижается извлечение продукта при заданной чистоте продукта. Эти вредные эффекты наблюдаются при разделении газов с подачей исходного сырья как с канальной стороны, так и с корпусной стороны.

При получении азота высокой чистоты из сжатого воздуха коэффициент эффективной проницаемости для кислорода снижается, поскольку скорость подачи уменьшают, чтобы получить азот более высокой степени чистоты. Это приводит к снижению скорости потока азота, возможного при заданной степени чистоты, а также к уменьшению количества извлекаемого азота. То же самое справедливо при получении водорода высокой чистоты из потока, содержащего водород и другие вещества, к примеру метан, этан, диоксид углерода и т. д. При осушке сжатого воздуха коэффициент эффективной проницаемости для воды снижается, поскольку скорость подачи уменьшают, чтобы получить продукт с меньшим значением точки росы. В результате снижается скорость потока продукта при заданной точке росы, а также увеличивается доля потери проникшего газа. Тот же самый эффект наблюдается при осушке природного газа под высоким давлением и приводит к повышенным потерям метана.

Эти процессы разделения газов могут выполняться при подаче исходного сырья с канальной стороны или при подаче с корпусной стороны. Указанные выше вредные эффекты также наблюдаются, если содержание легкоподвижного газа в непроникшем газе снижают путем увеличения расхода продувочного газа на стороне проникшего газа. Продувочный газ может быть внешним потоком или он может быть частью непроникшего газа или потоков исходного сырья.

Течение газа с корпусной стороны приближается к равномерному движению потока по мере того, как увеличивается длина разделителя. Однако по мере увеличения длины разделителя потоки исходного сырья и проникшего газа подвергаются воздействию повышенных падений давления. Это неблагоприятно сказывается на эффективности. Более того, увеличение длины разделителя может привести к повышению стоимости разделителя, а также к усложнению процесса сборки разделительного модуля.

В определенных обстоятельствах может оказаться предпочтительным параллельное соединение разделительных модулей для обработки определенного газового потока. Это уменьшает падение давления и позволяет продувать всю поверхность мембраны в противоточном режиме с помощью суммарного проникшего газа, при этом такая конфигурация может обеспечить максимально возможную производительность. Однако в этой параллельной конфигурации снижается скорость подачи и по этой причине отклонения от поршневого движения потока на корпусной стороне могут приводить к неприемлемым характеристикам. Обычно, если параллельная конфигурация является причиной неприемлемых характеристик, группу разделительных модулей можно соединить последовательно. Однако последовательная конфигурация создает определенные проблемы, к примеру возрастание падения давления в потоках исходного сырья и проникшего газа. Более того, она требует дополнительных патрубков и "системы трубопроводов" для последовательного соединения потоков проникшего газа; с другой стороны, если потоки проникшего газа не соединить последовательно, потенциальные возможности улучшения характеристик исчезают.

Чтобы улучшить характеристики процессов мембранного разделения газов, описанных выше, необходим разделительный модуль с более равномерным распределением потока, особенно на корпусной стороне.

Обычно коэффициент массопередачи в пограничном слое на корпусной стороне намного больше, чем коэффициент собственной проницаемости волокна, и, следовательно, мало влияет на коэффициент эффективной проницаемости. Однако, если коэффициент собственной проницаемости для легкоподвижного газа в полом волокне сравним по амплитуде или больше, чем коэффициент внешней массопередачи, коэффициент эффективной проницаемости ограничивается значением коэффициента внешней массопередачи, вследствие чего можно достичь улучшения характеристик путем повышения коэффициента внешней массопередачи. Эта ситуация может возникнуть, если при изготовлении полых волокон применить материалы с высокой газопроницаемостью.

Хотя сделанное выше обсуждение было ограничено разделением газов, разделительные модули, содержащие пучок мембран из полых волокон, также используют в ряде других процессов, включая контактирование газов и жидкостей, диффузионное испарение, обратный осмос, диализ, сверхтонкую фильтрацию и микрофильтрацию, в каждом из которых коэффициент внешней массопередачи оказывает значительное влияние на характеристики. Поэтому коррекция коэффициента внешней массопередачи может обеспечить улучшение характеристик и возможно позволит уменьшить размеры модуля, что проявится в снижении размеров всей системы и в уменьшении затрат на проведение процессов. Было сделано много попыток для улучшения равномерности распределения потока на корпусной стороне и для повышения коэффициента внешней массопередачи. Например, в патенте США N 3339341, выданном Maxwell и другим, описано разделительное устройство, в котором гибкая манжета помещена вокруг пучка полых волокон с целью сжатия пучка и очевидно для достижения высокой плотности упаковки. Однако в таком устройстве все еще будет наблюдаться неравномерное распределение потока по поперечному сечению пучка вследствие действия факторов, рассмотренных выше.

В патенте США N 3503515, выданном Tomsic, описан разделительный модуль, в котором свободные промежутки между полыми волокнами в значительной степени заполнены инертными твердыми макрочастицами. Очевидно, что инертные твердые макрочастицы уменьшают количество пустот и посредством этого способствуют приведению текучей среды в соприкосновение со всей площадью наружной поверхности полых волокон. Однако можно ожидать, что в таком устройстве будет наблюдаться в значительной степени повышенное гидравлическое сопротивление в радиальном направлении, препятствующее проникновению текучей среды через пучок полых волокон, что является причиной весьма неравномерного осевого потока по всему поперечному сечению пучка. Более того, устройство этого вида является трудным в производстве, а во время работы прохождение текучей среды на корпусной стороне будет приводить к перемещению частиц и может вызвать истирание наружной поверхности волокон. Кроме того, миграция частиц и выход их из разделителя могут привести к загрязнению последующей установки.

В патенте США N 4066553, выданном Bardonnet и другим, описан пучок полых волокон, в котором полые волокна удерживаются от соприкосновения друг с другом посредством нитевидных элементов, намотанных по спирали вокруг волокон. Это сделано с целью устранения "мертвых зон" и создания компактной установки с более высокой эффективностью контактирования и с небольшим падением давления. Однако можно предполагать, что такое устройство имеет меньшую площадь активной поверхности на единицу объема, поскольку меньше волокон можно уложить в разделительный модуль из-за присутствия нитей для разведения. Более того, использование прокладочной нити малого диаметра, выбранного для достижения высокой плотности упаковки полых волокон, предельно затрудняет намотку прокладочной нити вокруг полого волокна и, следовательно, массовое производство становится неосуществимым.

В патенте США N 4293812, выданном Fujii и другим, описан модуль, содержащий пучок полых волокон, в котором прокладочная нить в виде текстурированной нити наматывается по спирали вокруг одного полого волокна или вокруг двух полых волокон. Кажущаяся толщина прокладочной нити в 0,5 - 3 раз больше наружного диаметра полого волокна, наружный диаметр которого составляет от 50 до 600 мкм. Намотка является размеренной, а число витков прокладочной нити вокруг каждого полого волокна составляет от 0,5 до 20 на 10 мм длины полого волокна. Коэффициент упаковки полых волокон в разделителе равен от 30 до 78%. Решаемая задача по существу та же, что и в рассмотренном выше патенте, выданном Bardonnet и другим, как и проблемы, связанные с предложенным решением. Более того, когда предполагается получить коэффициент упаковки полых волокон 60% и более, пучок полых волокон должен быть обжат таким образом, чтобы он имел уменьшенный диаметр до введения в трубчатый корпус разделителя. Это обжатие с большой вероятностью сопровождается повреждением полых волокон и, следовательно, низким выходом годных узлов.

В патенте США N 4559884, выданном Stoldt и другим, и в патенте США N 4869059, выданном Austin, рассмотрено объединение полых волокон в пучки посредством сшивания обертки вокруг полых волокон или посредством намотки нити по спирали вокруг группы волокон. В каждом случае это делается с целью создания пучка, с которым можно обращаться с меньшим риском обрыва и повреждения волокон.

В патенте США N 4950391, выданном Weickhardt, описано введение некоторого количества нитей (в типичном случае составляющего 4 - 10% от числа полых волокон) в модуль из полых волокон, предназначенный для использования в качестве диализатора крови. Нити представляют собой предпочтительно текстурированные нити, чтобы не блокировать поток диализата. Нити распределены равномерно по поперечному сечению пучка, вследствие чего поперечное сечение заполнено до некоторой степени упругими и эластичными нитями. Система конкретно предназначена для обработки жидкостей, к примеру крови.

В патенте США N 5236665, выданном Mathewson и другим, описано устройство из полых волокон, в котором инертные волокна размещены между смежными полыми волокнами, содержащими основу, а дополнительные инертные волокна содержат уток, вытянутый в поперечном направлении ко всей основе с чередованием, чтобы образовать переплетение полых волокон. Поставленной задачей является уменьшение объема пустот устройства из полых волокон и создание равномерного потока по поперечному сечению. Недостатком такого известного технического решения является образование переплетенной структуры полых волокон, что приводит к существенному уменьшению плотности упаковки волокон и, следовательно, к уменьшению площади активной поверхности и разделительной способности узла. Более того, полые волокна могут повреждаться в процессе переплетения инертных волокон.

В Международной заявке N WO 95/34373 (Reinhart и другие) описан диализатор, содержащий мембраны из полых волокон, каждое из которых имеет прокладку из мононити, расположенную или образованную по спирали на наружной поверхности волокна. Прокладка составляет 9 - 18% диаметра полого волокна. Прокладка предотвращает соприкосновение одного волокна с другим волокном по всей длине волокна, а также задает и поддерживает в соответствии с предписанными значениями промежутки между наружными поверхностями смежных мембран.

Техническим результатом изобретения является создание разделительного модуля, содержащего пучок мембран из полых волокон, в котором улучшена равномерность распределения потока текучей среды на корпусной стороне, а коэффициент эффективной массопередачи для легкоподвижных проникающих веществ повышен, что приводит к улучшению характеристик модуля.

Это достигается за счет того, что в модуле для разделения текучей среды, содержащем пучок мембран из полых волокон и произвольно рассеянные в нем нити, полые волокна выполнены по существу с равномерными внутренним и внешним диаметрами, имеют по существу ту же длину, что и нити, наружный диаметр нитей не превышает более чем в три раза наружный диаметр полых волокон, при этом полые волокна имеют наружный диаметр приблизительно от 100 до 3000 мкм, нити имеют наружный диаметр приблизительно от 60 до 3000 мкм и их количество приблизительно в 0,5 - 5 раз отличается от количества полых волокон, модуль снабжен по меньшей мере одной трубной решеткой, в которой заделаны полые волокна и нити, причем по меньшей мере полые волокна проходят сквозь трубную решетку.

Термин "нить", использованный здесь, относится к любому инертному материалу, характеризуемому длиной при относительно малом поперечном сечении, который при применении в настоящем изобретении остается по существу параллельным волокнам в пучке и не имеет тенденции оборачиваться вокруг волокон. Удовлетворяющие требованиям нити включают мононити, комплексную некрученую нить, комплексную крученую нить, сученую нить и т.п. Плотность упаковки полых волокон в пучке может быть в пределах от приблизительно 10% до приблизительно 75%. Плотность упаковки определяется как доля площади поперечного сечения модуля, заполненного полыми волокнами, при этом площадь поперечного сечения модуля задается его внутренним диаметром, а площадь поперечного сечения полых волокон определяется их наружным диаметром.

Модуль для разделения текучей среды также содержит по меньшей мере одну трубную решетку, в которой заделаны полые волокна и нити, а полые волокна проходят сквозь трубную решетку.

В одном производственном процессе полое волокно после экструзии наматывают на катушки, а катушки затем промывают для удаления из волокна растворителей. Один из способов сборки пучка волокон заключается в разматывании полого волокна с контролируемым натяжением и в наматывании волокна по окружности ролика большого диаметра. Перемещающаяся направляющая укладывает волокно на ролик так, чтобы образовать "моток", ширина которого задается ходом направляющей в поперечном направлении, состоящий из множества слоев вокруг ролика. Этот процесс называют "моткой". Затем моток разрезают так, чтобы образовать волокна точно заданной длины. Соответствующее число мотков объединяют в группу с помощью предназначенного для этого средства, чтобы образовать цилиндрический пучок нужного диаметра. Один способ образования цилиндрического пучка заключается в подвешивании мотков вертикально на раму для обвязки, имеющей соответствующую геометрическую форму, и последующем вытягивании их до равномерно уложенного пучка с помощью такого средства, как пластиковая обертка или упругие пластины, помещенные вокруг пучка.

Другой способ образования пучка заключается в разматывании с катушек полого волокна при контролируемом натяжении и в прохождении полого волокна через ряд роликовых направляющих к подающей каретке нитенамоточной машины. Нить надевается на оправку, которая вращается. Одновременно перемещающаяся направляющая передвигается вдоль оправки. Направляющая может передвигаться по радиусу (т.е. перпендикулярно оправке) и поворачиваться. Положение и ориентация волокон определяются этими разнообразными перемещениями, которыми управляет компьютер. Возможны различные структуры обмоток, например спиральная, круговая, полярная и т. д. Волокно можно наматывать как одиночное, но обычно наматывают группу из нескольких волокон. Намотку прекращают, когда укладка обмотки достигает нужного диаметра.

Разделительный модуль согласно настоящему изобретению содержит полые волокна в одном пучке с нитями соответствующего диаметра, случайным образом рассеянными в свободных пространствах между полыми волокнами. Обычно эти нити вводят во время намотки или в процессе намотки с оправкой, однако нити можно также ввести во время образования волокон. Как правило, нити проходят параллельно полым волокнам и поэтому занимают свободные пространства между полыми волокнами. Хотя нити распределены в свободных пространствах случайным образом, они обычно до некоторой степени равномерно рассеяны на всем протяжении поперечного сечения пучка полых волокон. Присутствие нитей способствует улучшению равномерности распределения осевого потока на корпусной стороне по всему поперечному сечению разделителя. Можно полагать, что равномерность распределения осевого потока улучшается, потому что возрастает гидравлическое сопротивление в осевом направлении. Возрастание гидравлического сопротивления связано с уменьшением гидравлического диаметра (т.е. объема пустот). Следует также заметить, что присутствие нитей приводит к увеличению коэффициента (внешней) массопередачи на корпусной стороне. Нити представляют собой предпочтительно сученую нить, комплексную крученую нить, комплексную некрученую нить или мононить с наружным диаметром, который меньше диаметра полого волокна.

Изобретение также можно использовать на практике таким образом, чтобы сохранить характеристики разделителя заданного размера, когда площадь активной поверхности мембраны необходимо уменьшать с целью компенсации высоких коэффициентов собственной проницаемости. В этом случае вводят дополнительные инертные нити, действующие как наполнитель, который позволяет поддержать равномерное распределение потока на корпусной стороне и сохранить эффективную массопередачу.

Настоящее изобретение также относится к процессу для отделения по меньшей мере одной текучей среды в смеси текучих сред от по меньшей мере одной другой текучей среды в смеси текучих сред посредством избирательного проникновения, по меньшей мере, одной текучей среды через пучок мембран из полых волокон. Мембраны из полых волокон выполнены с по существу равномерными внутренним и наружным диаметрами, пучок имеет случайным образом рассеянные в нем нити, имеющие наружный диаметр, который не превышает более чем в три раза наружный диаметр полых волокон, но по существу той же длины, что и полые волокна, полые волокна имеют наружный диаметр от приблизительно 100 до приблизительно 3000 мкм, а нити имеют наружный диаметр от приблизительно 60 до приблизительно 3000 мкм, при этом нити представлены количеством, от приблизительно в 0,5 до приблизительно в 5 раз большим количества полых волокон. Процесс включает контактирование смеси текучих сред с одной поверхностью мембран из полых волокон, при котором по отношению к по меньшей мере одной паре текучих сред мембраны из полых волокон проявляют избирательную проницаемость относительно одной текучей среды из пары текучих сред по сравнению с остаточной текучей средой из пары текучих сред. По меньшей мере одна проникающая текучая среда проникает в и сквозь мембраны из полых волокон. Проникший газ удаляют с противоположной поверхности мембран из полых волокон, чтобы получить проникший продукт, имеющий другую пропорцию по меньшей мере одной текучей среды из смеси текучих сред, чем пропорция в смеси текучих сред из по меньшей мере одной текучей среды и по меньшей мере одной другой текучей среды.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

Фиг. 1 - вертикальный разрез, частично фрагментированный, одного варианта осуществления настоящего изобретения; фиг. 2 - вертикальный разрез, частично фрагментированный, еще одного варианта осуществления настоящего изобретения: фиг. 3 - изображение в перспективе увеличенного фрагмента 3, взятого из фиг. 1; фиг. 4 - график, иллюстрирующий эффективность одного варианта осуществления настоящего изобретения; фиг. 5 - график, иллюстрирующий результаты для одного варианта осуществления настоящего изобретения; фиг. 6 - график, иллюстрирующий эффективность еще одного варианта осуществления настоящего изобретения; фиг. 7 - график, на котором сравнивается настоящее изобретение с одним патентом из уровня техники; фиг. 8 - график, на котором сравнивается настоящее изобретение с еще одним патентом из уровня техники; фиг. 9 - график, иллюстрирующий эффективность варианта осуществления настоящего изобретения; фиг. 10 - график, иллюстрирующий эффективность еще одного варианта осуществления настоящего изобретения; и фиг. 11 - график, иллюстрирующий эффективность дальнейшего варианта осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 1 изображен модуль 10 для разделения, снабженный подводящим патрубком 12 на боковой поверхности корпуса и выходным патрубком 14 на боковой поверхности корпуса. Модуль 10 представляет собой двухторцевой разделитель, снабженный двумя трубными решетками 24 и 26. Полые волокна 27 проходят сквозь обе трубные решетки 24 и 26. Нити 28 также проходят через по меньшей мере большую часть трубных решеток 24 и 26. Каналы полых волокон 27 сообщаются с подводящим патрубком 16 канальной стороны, а любой поток газа из канальной области выходит через выходной патрубок 18 канальной стороны. Модуль 10 имеет цилиндрическую центральную часть 20, содержащую полые волокна 27 и нити 28, а также торцевые крышки 22. Модуль 10 можно использовать в режимах умеренного давления или в режимах очень высокого давления. В последнем случае необходимо, чтобы модуль с соответствующими уплотнениями был помещен в кожух высокого давления. Модуль можно использовать в режиме подачи сырья со стороны боковой поверхности корпуса, когда какой - либо продувочный газ подается через каналы, или модуль можно использовать для подачи сырья с канальной стороны при подводе продувочного газа к боковой поверхности корпуса. Если внешний продувочный газ не применяют, патрубок 16 можно исключить из модуля, имеющего подачу исходного сырья с боковой поверхности корпуса, а патрубок 12 можно исключить из модуля, имеющего подачу исходного сырья с канальной стороны.

На фиг. 2 представлен модуль 30 разделения, который отличается от модуля 10 тем, что модуль 30 имеет торцевую крышку 23 без патрубка, а волокна 27 не проходят сквозь трубную решетку 25. Модуль 30 используют в процессах, в которых продувочный газ не является необходимым. Исходный газ подают через патрубок 12 на боковой поверхности корпуса, непроникший газ выходит через патрубок 14, а проникший газ выпускается через каналы волокон в патрубок 18.

Фиг. 3 представляет собой увеличенный вид фрагмента 3 из фиг. 1, показывающий взаимное положение полых волокон 27 и нитей 28. Нити 28, образованные намоткой совместно с полыми волокнами 27, расположены в свободных промежутках среди полых волокон 27.

Диаметр нитей и количество нитей на одно полое волокно необходимо выбирать так, чтобы получить наилучшие характеристики в конкретном применении. В общем случае по мере увеличения количества нитей на одно полое волокно и/или диаметра нити повышается равномерность распределения осевой скорости, как и коэффициент массопередачи на корпусной основе. Однако при увеличении диаметра количество полых волокон, которые могут быть уложены в заданной площади поперечного сечения, будет уменьшаться, приводя к снижению площади активной поверхности мембраны, если только нити все еще остаются достаточно малыми, чтобы занимать свободные промежутки между полыми волокнами при желаемой плотности упаковки волокон. Количество нитей на одно полое волокно и диаметр нитей можно оптимизировать путем сочетания экспериментальных данных с расчетами.

Улучшение равномерности распределения осевого потока связано с увеличением гидравлического сопротивления в осевом направлении. По аналогии с ламинарным течением через уплотненный слой можно теоретически показать, что для пучка полых волокон с нитями, случайно рассеянными в свободных промежутках, применимо следующее уравнение: P/L = K_zV_o, (1) где P - падение давления в осевом направлении, L - длина пучка полых волокон; V₀ - приведенная скорость; K_z - коэффициент падения давления в осевом направлении, определяемый как K_z = 32/D²_H, (2) где - вязкость текучей среды; - доля пустот в пучке полых волокон; D_H - гидравлический диаметр, определяемый как D_H = 4 (Открытая площадь для потока)/Омываемый периметр.

Можно показать, что где ₀ - плотность упаковки волокон (без нитей); a - наружный диаметр полого волокна; c - наружный диаметр нити; m - количество нитей на одно полое волокно; D - диаметр пучка полых волокон.

Отсюда уравнение для коэффициента падения давления вдоль оси можно записать в виде: Приведенное выше уравнение можно использовать для оценки влияния диаметра нитей и количества нитей, приходящихся на одно полое волокно, на коэффициент падения давления вдоль оси. Можно ожидать, что равномерность распределения осевого потока будет улучшаться по мере увеличения падения давления вдоль оси. Однако давление с боковой стороны непосредственно оказывает воздействие на движущую силу процесса разделения. Следовательно, если падение давления вдоль оси слишком большое, движущая сила процесса разделения может уменьшаться. Поэтому ясно, что существует оптимум для диаметра и количества нитей на одно полое волокно.

Максимальный диаметр нити определяется как такой, какой соответствует свободным промежуткам между волокнами, упорядоченными до регулярной геометрической конфигурации. Это значение можно рассчитать как функцию плотности упаковки и диаметра полого волокна. Плотность упаковки, выраженная в процентах, является частью поперечного сечения пучка, которая занята мембранами из полых волокон. Рассчитанные значения можно использовать для получения оценки верхнего предела диаметра нити, при котором ее можно применять в настоящем изобретении. Однако из - за определенных отклонений от регулярной геометрической структуры (например, вследствие неравномерной укладки, изменений диаметра волокон, изгибов волокон и т. д. ) рассчитанное значение может отклоняться от верхнего предела диаметра нити, используемого на практике.

Для объемной структуры полых волокон с одной нитью на каждое волокно взаимосвязь между максимальным диаметром (с max) нити, плотностью () упаковки волокон и диаметром (a) волокон дается следующим уравнением: c max/a = 1,2533/^0,5-1. (5) Значения с max/a, рассчитанные из приведенного выше уравнения, приведены в табл.1.

В табл. 1 показан диапазон плотностей упаковки волокон, который обычно представляет интерес и который соответствует теоретическому верхнему пределу диаметра нити.

Соответствующие требованиям нити выполнены из инертных материалов типа используемых в текстильной и швейной промышленности и в других отраслях композиционных материалов в виде комплексной некрученой нити, комплексной крученой нити, сученой нити, мононитей, множества скрученных нитей и т. д. Для инертных нитей пригодны полимеры, включая найлон и другие полиамиды, а также полиарамиды, сложный эфир, акриловую смолу, полипропилен и т.д. К другим материалам, пригодным для нитей, относятся графит и стекло. Используемые нити должны выдерживать эксплуатационный режим в части температуры и давления без повреждения и должны быть совместимы с герметизирующей смолой, применяемой для отливки уплотнений трубных решеток, и с различными веществами, присутствующими в потоке или в потоках, подлежащих обработке.

Примерами типов полых волокон, используемых в модуле разделителя согласно настоящему изобретению, могут быть следующие: (а) полимерные, совместно смотанные, штапельные асимметричные полые волокна из полисульфона, полиимида, полиамида, полиакрилата и т. д., (б) полимерные с плотными стенками штапельные полые волокна из полиметилпентена и т.д.; (в) тонкопленочные составные полимерные полые волокна, изготовленные путем покрытия пористого полого волокна избирательным полимером; (г) полимерные полые волокна, поверхностно модифицированные химически активными веществами (например кислородом, фтором и т.д.); (д) полимерные полые волокна, содержащие активный агент переноса; (е) полые трубки из пористого керамического материала с избирательным слоем; (ж) полые трубки из керамического материала с переносом ионов; (з) стекловолокна; и (и) углеродные волокна и т. п.

Подходящие полимеры для изготовления мембран в виде полых волокон можно выбрать из группы, включающей замещенный или незамещенный полисульфон, полистирол, сополимер акрилонитрила и стирола, сополимер стирола и бутадиена, сополимер стирола и винилбензилгалогенида, поликарбонат, ацетат целлюлозы, пропионат целлюлозы, этилцеллюлозу, метилцеллюлозу, нитроцеллюлозу, полиамид, полиимид, арилполиамид, арилполиимид, простой полиэфир, полиэфиримид, полиариленоксид, полифениленоксид, поликсилиленоксид, полиэфирамид - диизоцианат, полиуретан, сложный полиэфир, полиарилат, полиэтилентерефталат, полиалкилметакрилат, полиалкилакрилат, полифенилентерефталат, полисульфид, полисилоксан, полиэтилен, полипропилен, полибутен-1, поли-4-метилпентен-1, поливинилхлорид, поливинилфторид, поливинилиденхлорид, поливинилиденфторид, поливиниловый спирт, поливинилацетат, поливинилпропионат, поливинилпиридин, поливинилпирролидон, поливиниловый эфир, поливиниловый кетон, поливиниловый альдегид, поливинилформаль, поливинилбутираль, поливиниламин, поливинилфосфат, поливинилсульфат, полиацеталь, полиаллил, полибензобензимидазол, полигидразид, полиоксадиазол, политриазол, полибензимидазол, поликарбодиимид, полифосфазин, полипропиленоксид, а также интерполимеры, блокинтерполимеры, сополимеры, блоксополимеры, привитые сополимеры и смеси упомянутых выше, и, кроме того, другие удовлетворяющие требованиям материалы.

Настоящее изобретение пригодно для разделения текучих сред, например твердых частиц, жидкостей, газов или их сочетаний. Разделение газов охватывает такие процессы, как производство азота высокой чистоты из сжатого воздуха, выделение водорода из водостоков нефтеперерабатывающего завода и аммиака из продувочного газа, регулировка соотношения водорода и окиси углерода в синтез - газе, удаление кислых газов, таких, как диоксид углерода и сероводород, из природного газа, удаление азота из природного газа, производство обогащенного кислорода из воздуха, отделение олефинов, например этилена от пропана, удаление воды из природного газа, удаление воды из сжатого газа и т. п. Другими газообразными смесями, которые можно разделить, являются те, которые содержат по крайней мере водород, метан, двуокись углерода, окись углерода, гелий, азот, водяной пар или углеводороды.

Настоящее изобретение также применимо к контактным процессам жидкость - газ, к таким, как растворение двуокиси углерода или кислорода, или азота в воде или в других жидкостях или удаление из них. Например, газ можно растворить в жидкости или удалить из жидкости до заранее определенной степени путем помещения жидкости под заранее определенное давление, транспортировки жидкости под давлением к одной стороне мембран из полых волокон модуля аппарата для контактирования газов с жидкостями, содержащего пучок мембран из полых волокон, которые имеют по существу равномерные внутренний и наружный диаметры, при этом пучок имеет случайно рассеянные в нем нити, имеющие наружный диаметр, который не превышает более чем в три раза наружный диаметр полых волокон, но по существу той же длины, что и полые волокна, полые волокна имеют наружный диаметр от приблизительно 100 до приблизительно 3000 мкм, а нити имеют наружный диаметр от приблизительно 60 до приблизительно 3000 мкм, нити представлены количеством, от приблизительно в 0,5 до приблизительно в 5 раз большим количества полых волокон, приема газа под давлением на стороне мембран из полых волокон, противоположной стороне жидкости, и повышения или снижения количества растворенного газа в жидкости путем повышения или снижения давления газа в газообразной части до соответствующего уровня, чтобы получить заранее определенное количество растворенного газа. Кроме того, модуль разделителя согласно настоящему изобретению также подходит для перфузии, обратного осмоса, диализа, сверхтонкой фильтрации, микрофильтрации и т. п. текучих сред, будь то твердые частицы, жидкость, газ или их комбинация.

Пример 1.

Асимметричные волокна из сульфона, имеющие наружный диаметр 460 мкм, были смотаны в моток совместно с нитями из скрученной в несколько сложений найлоновой нити, имеющей наружный диаметр 300 мкм. Отношение количества нитей к количеству полых волокон составляло 1:1. Модуль разделителя, аналогичный показанному на фиг. 1, имел внутренний диаметр 3,56 см с волокном активной длины 55,9 см, образованным из пучка совместно смотанных полых волокон и нитей. Модуль включал в себя мембрану с площадью активной поверхности 1,48 м² при плотности упаковки полых волокон 31,2% при суммарной плотности упаковки (волокна плюс нити) 44,3%. Оба конца пучка герметизированы в трубных решетках, а трубные решетки открыты для воздействия на каналы волокон. Модуль разделителя снабжен двумя патрубками между трубными решетками, но вблизи местоположения трубных решеток, для протекания газа на корпусной стороне волокон. Эти патрубки расположены на противоположных концах модуля разделителя и сдвинуты на 180^oC по периметру модуля. Кроме того, предусмотрены патрубки для протекания газа на канальной стороне. Аналогичный модуль был собран с использованием таких же полых волокон без нитей. Этот контрольный модуль содержал мембрану с площадью активной поверхности 1,98 м² и имел плотность упаковки волокон 41,6%.

Модули испытывались при сушке воздуха следующим образом. Сжатый влажный воздух с точкой росы 3 - 17^oC при избыточном давлении 7,9110⁵ Па подавался через патрубок к корпусной стороне мембран из полых волокон. Испытания проводились при температуре окружающей среды (25^oC). С канальной стороны подавался сухой азот для образования продувающего противотока исходному сырью, посредством чего создавалась большая движущая сила для проникновения водяного пара. Расходы, содержание кислорода, давления, темпе