×
29.06.2019
219.017.9c22

КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ, МЕМБРАНА И МЕМБРАННЫЙ МОДУЛЬ ИЗ ЭТОГО МАТЕРИАЛА

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к газоразделительным композиционным мембранам и мембранным модулям на их основе и может найти применение в процессах разделения газовых смесей, содержащих углекислый газ и некислородные системы, такие как водород, низшие углеводороды, азот, метан, этилен, ацетилен и др. Композиционный материал для разделения газов содержит слой пористого субстрата с пористостью не менее 30% и нанесенный на него селективный слой из фольги из вспененного графита с нитратной предысторией. Техническим результатом изобретения является получение мембран с высокой селективностью по таким соединениям, как бутан/CO и пентан/СО, водород/углекислый газ, при высоком потоке углеводородов и водорода. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.
Реферат Свернуть Развернуть

Область техники

Изобретение относится к газоразделительным композиционным мембранам и мембранным модулям на их основе и может найти применение в процессах разделения газовых смесей, содержащих углекислый газ и некислородные системы, такие как водород, низшие углеводороды, азот, метан, этилен, ацетилен и др. Изобретение может найти применение в химической, нефтехимической и других областях промышленности.

Предшествующий уровень техники

В заявке JP 2001220115 раскрывается пористая мембрана, выполненная из графита со степенью кристалличности более 75%, включающая мелкие непрерывные поры со средней величиной отверстия 0.05-10 мкм. Такая мембрана обеспечивает легкое проникновение материала от одной поверхности к другой.

Наиболее близкое техническое решение раскрывается в заявке JP 2005138028.

Композиционный материал для разделения газов последовательно состоит из пористого субстрата на основе углерода, нанесенного на субстрат промежуточного слоя графита и нанесенного на слой графита слоя, содержащего углеродные трубки.

Данный материал применяется для изготовления мембран и мембранных модулей, пригодных для разделения газов некислородных систем.

Однако в предложенном техническом решении не достигается высокой селективности разделения газовых смесей при высоком потоке по парам водород /углекислый газ, бутан/ углекислый газ и пентан/ углекислый газ.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание термоустойчивого материала, устойчивого к парам углеводородов и органических растворителей для газоразделительных мембран, обладающего высокой селективностью по таким парам, как бутан/СО2 и пентан/СО2, водород/углекислый газ, при высоком потоке углеводородов и водорода.

Поставленная задача решается композиционным материалом для разделения газов, содержащим слой пористого субстрата и нанесенный на него селективный слой, содержащий графит, в соответствии с которым селективный слой выполнен из фольги из вспененного графита с нитратной предысторией, а пористый субстрат выполнен с пористостью не менее 30% и диаметром пор не менее 1 мкм.

В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается материалом, селективный слой которого выполнен из фольги с плотностью 0,8-1,3 г/см3.

Целесообразно, чтобы селективный слой был выполнен из фольги из вспененного графита с фракционным составом 0,3-0,6 мм.

В наилучших воплощениях изобретения толщина селективного слоя составляет 200-600 мкм.

Поставленная задача решается также мембраной для разделения газов, выполненной из упомянутого композиционного материала, содержащего слой пористого субстрата с пористостью не менее 30% и диаметром пор не менее 1 мкм и нанесенный на него селективный слой, выполненный из фольги из вспененного графита с нитратной предысторией.

Поставленная задача также решается мембранным модулем для разделения газов, выполненным из двух мембран, скрепленных вместе по слоям пористого субстрата селективными слоями наружу.

В частных воплощениях изобретения мембранный модуль может быть выполнен в форме диска.

Сущность изобретения состоит в следующем.

В результате проведения исследований было обнаружено, что графитовая фольга, выполненная из пенографита с нитратной предысторией, может быть использована в качестве селективного слоя газоразделительных материалов, мембран на их основе и мембранных устройств (модулей).

Под вспененным графитом (или пенографитом) понимается терморасширенный графит, полученный по известным технологиям путем химического или электрохимического окисления в азотной кислоте, последующего гидролиза, промывки, сушки и вспенивания в интервале температур от 250 до 1000.

Фольга, полученная из пенографита путем прокатки в валках, обладает рядом уникальных свойств, важнейшими из которых являются гибкость, хорошая электропроводность и теплопроводность.

Фольга характеризуется пористой структурой. Селективность может быть обусловлена высоким содержанием микропор в фольге с диаметром порядка 1 нм, позволяющим сохранить высокий уровень потока водорода и легко конденсируемых на стенках пор бутана и пентана при пониженном потоке углекислого газа, сродством СО2 к материалу матрицы, приводящим к дополнительному снижению проницаемости СО2, а также пористостью субстрата не менее 30%.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

Фиг.1 - схематическое изображение мембраны.

Фиг.2 - схематическое изображение мембранного модуля.

Позиции означают следующее:

1 - селективный слой фольги на основе вспененного графита;

2 - слой пористого субстрата;

3 - герметик.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Композиционный материал и мембрана на его основе (см. фиг.1), используемая, в частности, для извлечения СО2 из газовых смесей с водородом и низшими углеводородами, представляют собой бислойную композицию с селективным слоем 1 из фольги на основе вспененного графита, нанесенным на пористую подложку 2 с диаметром пор не менее 1 мкм и пористостью не менее 30%. Толщина селективного слоя составляет 200-600 мкм.

Мембранный модуль представляет собой две мембраны, скрепленные вместе по субстрату селективными слоями 1 наружу с помощью герметика 3.

Для производства фольги был использован вспененный графит с нитратной предысторией, полученный электрохимическим окислением в азотной кислоте и вспениванием с использованием высокоскоростных горелочных устройств.

Фольгу получали путем прокатки пенографита в валках до плотности от 0,3 до 1,5 г/см3.

Исследования фольги с разной плотностью показали, что наилучшими селективными свойствами обладает фольга с плотностью от 0,8 до 1,3 г/см3 и фракционным составом 0,3-0,6, хотя технический результат может быть достигнут и при других значениях плотности фракционного состава.

Толщина селективного слоя для достижения лучших свойств составляет 200-600 мкм.

Субстрат может быть выполнен из любого пригодного пористого материала, пористость которого превышает 30%. Таким материалом может быть графит, металл, сплав и т.д.

В наилучших воплощениях изобретения средняя величина пор должна быть не менее 1 мкм.

Пример осуществления изобретения

Для изготовления материала, мембраны на его основе и мембранного модуля в качестве селективного слоя использовали графитовую фольгу ГРАФЛЕКС® толщиной 600 мкм, полученную из пенографита с нитратной предысторией. Плотность фольги составляла 0.97 г/см3. Фольгу накладывали на пористый субстрат, выполняющий функцию подложки мембраны (в данном случае использована неорганическая пористая подложка из нержавеющей стали SS316L с диаметром пор 3 мкм).

На основе таких мембран изготавливали дисковый газоразделительный мембранный модуль (фиг.2). Для этого две мембраны дисковой формы соединяли между собой с помощью герметика по слоям пористого субстрата селективными слоями наружу.

Мембранный модуль работает следующим образом.

Сырье поступает на селективный слой мембраны. Наиболее проницаемые компоненты СО2-содержащей смеси (водород и углеводороды) через подложку поступают в коллектор, из которого удаляются в виде пермеата. Обогащенная по СО2 смесь удаляется из модуля в виде ретентата.

Полученные результаты по проницаемости газов и низших углеводородов через мембрану представлены в таблице 1.

В таблице 2 приведены данные по влиянию фракционного состава фольги на проницаемость.

В таблице 3 приведены данные по влиянию плотности мембранного материала на проницаемость.

Как следует из представленных результатов, данная мембрана обладает значительной селективностью по таким парам, как бутан/СО2 и пентан/СО2, водород/углекислый газ, при высоком потоке углеводородов и водорода.

При этом высокая селективность углеводородов относительно углекислого газа может быть связана с повышенной адсорбцией легкоконденсируемых молекул углеводородов на стенках микропор. Селективность по паре водород/CO2 превышает значения, характерные как для полимерных мембран, так и для пористых структур, что может быть связано как с размером пор углеродной матрицы (1-2 нм), так и с особенностями сорбции молекул СО2 на стенках пор углеродной матрицы.

Таким образом, с помощью предложенной композиционной мембраны можно достичь проницаемости по водороду в диапазоне 122- 770 л/м2 час атм, бутану 36-482 л/м2 час атм, пентану 220-630 л/м2 час атм и селективности разделения пары водород/диоксид углерода не менее 12, пентан/диоксид углерода не менее 10 при преимущественной проницаемости водорода и низших углеводородов в сравнении с двуокисью углерода.

Кроме того, по сравнению с известным техническим решением заявленная мембрана может быть получена практически любой площади без потери механической прочности. Материал обеспечивает не только высокую селективность по паре водород /углекислый газ, но по парам бутан/ углекислый газ и пентан/ углекислый газ, что не обеспечивается ни высокоселективными углеродными мембранами типа молекулярных сит (например, для мембраны Resol PF селективность водород /углекислый газ составляет 4,6 при селективности пропан/ углекислый газ более 100), ни полимерными газоразделительными мембранами (например, для мембраны на основе полидиметилсилоксана селективность углекислый газ/водород составляет 5.1 при селективности бутан/ углекислый газ 1.6).

Таблица 1

п/п
Параметры фольги
графитовой
Параметры субстрата
пористого
Проницаемость, л/м2 час атмСелективность, отн.ед
Плотность, г/см3Толщина слоя, мкмПористость, %Величина пор, мкмПо
водороду
По
бутану
По
пентану
Н2/CO2Бутан/ CO2Пентан/ CO2
10.9760030177249063016913
21200301493482308222214

Таблица 2

п/п
Параметры графитовой фольгиПараметры пористого субстратаПроницаемость, л/м2 час атмСелективность, отн. ед.
Плотность, г/см3Фракция,
мкм
Толщина
слоя, мкм
Пористость,
%
Величина
пор, мкм
По
водороду
По CO2Н2/СО2
11<0.3200301177325.5
210.3-0.620030195519
31>0.6200301246.83.5

Таблица 3
№п/пПараметры графитовой фольгиПараметры пористого субстратаПроницаемость, л/м2 час атмСелективность, отн. ед.
Плотность, г/см3Толщина слоя, мкмПористость, %Величина пор, мкмПо водородуПо CO2Н2/CO2
10.820030110002154.6
212003014932222
31.32003011921612

1.Композиционныйматериалдляразделениягазов,содержащийслойпористогосубстратаинанесенныйнанегографитсодержащийселективныйслой,отличающийсятем,чтоселективныйслойпредставляетсобойфольгуизтерморасширенногографита,полученноговспениваниемграфита,окисленногоазотнойкислотой,апористыйсубстратимеетпористостьнеменее30%придиаметрепорнеменее1мкм.12.Материалпоп.1,отличающийсятем,чтоселективныйслойвыполненизфольгисплотностью0,8-1,3г/см.23.Материалпоп.1,отличающийсятем,чтоселективныйслойвыполненизфольгиизвспененногографитасфракционнымсоставом0,3-0,6мм.34.Материалпоп.1,отличающийсятем,чтотолщинаселективногослоясоставляет200-600мкм.45.Мембранадляразделениягазов,отличающаясятем,чтоонавыполненаизкомпозиционногоматериала,содержащегопористыйсубстратспористостьюнеменее30%придиаметрепорнеменее1мкмснанесеннымнасубстратселективнымслоемввидефольгиизтерморасширенногографита,полученноговспениваниемграфита,окисленногоазотнойкислотой.56.Мембранныймодульдляразделениягазов,отличающийсятем,чтоонвыполнениздвухмембранвсоответствиисп.5,скрепленныхвместепослоямпористогосубстратаселективнымислояминаружу.67.Модульпоп.6,отличающийсятем,чтоонвыполненвформедиска.7
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-9 из 9.
10.01.2013
№216.012.1908

Способ расправления некрученого волокна и установка для его осуществления

Изобретение относится к текстильной промышленности, а именно к получению расправленного некрученого волокна, используемого при изготовлении композиционных материалов. Некрученое волокно непрерывно перемещают с регулируемым натяжением над отверстием воздушного тракта и при этом его подвергают...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002471900
Дата охранного документа: 10.01.2013
20.04.2013
№216.012.36e5

Состав модифицированного связующего на основе эпоксидных смол, способ его получения и препрег на его основе

Изобретение относится к связующим на основе эпоксидных смол, применяющихся для изготовления полимерных композиционных материалов, и может быть использовано в авиастроении и других областях техники. Связующее содержит (масс.ч): смесь эпоксидных смол - 100, отвердитель 30-40 и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002479606
Дата охранного документа: 20.04.2013
29.03.2019
№219.016.f304

Способ получения термоокисленного волокна из полиакрилонитрила и его сополимеров

Изобретение относится к технологии получения термоокисленных волокон из полиакрилонитрила и его сополимеров, которые могут быть использованы, например, в качестве полупродукта для их дальнейшей переработки в углеродные волокна. Изобретение позволяет сократить продолжительность стадии...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002338015
Дата охранного документа: 10.11.2008
19.04.2019
№219.017.2dd4

Способ получения углеродных лент и устройство для его осуществления

Изобретение относится к производству высокопрочных и высокомодульных углеродных лент, получаемых на основе полиакрилонитрильных (ПАН) нитей, и может быть применено для изготовления высокотехнологичных композитов. Способ получения ленты включает подачу полиакрилонитрильных нитей в ткацкий...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002342475
Дата охранного документа: 27.12.2008
19.04.2019
№219.017.2f7b

Способ получения композиционных углеродных материалов

Изобретение относится к технологии углеграфитовых материалов и изделий на их основе, в частности к получению композиционных низкоплотных углеродных теплоизоляционных материалов на основе терморасширенного графита (ТРГ), которые могут быть использованы в высокотемпературной технике, например в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002377223
Дата охранного документа: 27.12.2009
19.04.2019
№219.017.305c

Способ непрерывного пиролитического насыщения пористого длинномерного материала и устройство для его осуществления

Изобретение относится к способу и устройству для непрерывного пиролитического насыщения пористых углеродных заготовок и может быть использовано при получении углерод-углеродных композитных материалов (УУКМ) с пониженной плотностью и высокой прочностью, в частности заготовок на основе...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002366606
Дата охранного документа: 10.09.2009
29.06.2019
№219.017.9dc0

Способ непрерывного пиролитического насыщения пористого длиномерного материала

Изобретение относится к способу непрерывного пиролитического насыщения длинномерных пористых заготовок упрочняющим или защитным материалом. Способ включает электроконтактный нагрев пористой длинномерной заготовки выше температуры термической диссоциации реагента, перемещение заготовки через...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002373145
Дата охранного документа: 20.11.2009
29.06.2019
№219.017.a07c

Коррозионно-стойкая и электропроводящая композиция и способ нанесения покрытия

Группа изобретений относится к области конструкционных коррозионностойких и электропроводящих материалов для применения в производстве изделий, обладающих как коррозионной стойкостью, так и высокой электропроводностью, в том числе и в качестве покрытий изделий. Композиция содержит компоненты,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002405799
Дата охранного документа: 10.12.2010
10.07.2019
№219.017.a9c1

Аппретированное углеродное волокно и способ его получения

Изобретение относится к области полимерных композиционных материалов (ПКМ), а именно к аппретированию углеродных волокон, предназначенных для получения материалов, которые могут быть использованы в химической, нефтяной и металлургической промышленности, авиатехнике для создания изделий и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002694030
Дата охранного документа: 08.07.2019
Показаны записи 1-10 из 77.
10.01.2013
№216.012.1908

Способ расправления некрученого волокна и установка для его осуществления

Изобретение относится к текстильной промышленности, а именно к получению расправленного некрученого волокна, используемого при изготовлении композиционных материалов. Некрученое волокно непрерывно перемещают с регулируемым натяжением над отверстием воздушного тракта и при этом его подвергают...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002471900
Дата охранного документа: 10.01.2013
20.01.2013
№216.012.1c27

Способ получения терморасширенного графита, терморасширенный графит и фольга на его основе

Изобретение может быть использовано для получения гибкой графитовой фольги, применяемой в производстве уплотнительных, теплозащитных и электропроводящих изделий. Частицы графита обрабатывают концентрированной азотной кислотой с получением суспензии, содержащей интеркалированные соединения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002472701
Дата охранного документа: 20.01.2013
20.02.2013
№216.012.26d7

Способ модифицирования поверхности неорганического волокна, модифицированное волокно и композиционный материал

Изобретение относится к модифицированию поверхности неорганического волокна путем формирования высокоразвитой поверхности неорганического волокна, используемого в качестве наполнителя, за счет формирования на волокнах углеродных наноструктур (УНС) и может найти применение в производстве...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475463
Дата охранного документа: 20.02.2013
20.04.2013
№216.012.36e5

Состав модифицированного связующего на основе эпоксидных смол, способ его получения и препрег на его основе

Изобретение относится к связующим на основе эпоксидных смол, применяющихся для изготовления полимерных композиционных материалов, и может быть использовано в авиастроении и других областях техники. Связующее содержит (масс.ч): смесь эпоксидных смол - 100, отвердитель 30-40 и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002479606
Дата охранного документа: 20.04.2013
27.04.2013
№216.012.39fd

Способ получения терморасширенного графита и фольга на его основе

Изобретение может быть использовано при изготовлении уплотнительных, теплозащитных и электропроводящих изделий. На стадии (a) получают интеркалированные соединения графита путем его взаимодействия с концентрированной азотной кислотой; на стадии (b) избыток азотной кислоты на поверхности...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002480406
Дата охранного документа: 27.04.2013
10.06.2013
№216.012.4817

Связующее для производства фрикционных композиционных углерод-углеродных материалов, способ получения материала и материал

Изобретение относится к связующим для производства фрикционных композиционных углерод-углеродных материалов, а также к технологии получения ФКУМ, выполненным из данного связующего, и может быть использовано, в частности, для получения тормозных дисков, применяющихся для авиа, железнодорожного и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002484035
Дата охранного документа: 10.06.2013
20.07.2013
№216.012.571b

Высокотемпературный уплотнительный материал и способ его получения

Группа изобретений относится к высокотемпературным уплотнительным материалам и способу их получения и может быть использована в машиностроении и энергетике, в частности для производства уплотнений, использующихся в парогазовых силовых установках. Материал по изобретению включает следующие...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002487907
Дата охранного документа: 20.07.2013
27.07.2013
№216.012.59a4

Пресс-пакет для производства фрикционных углерод-углеродных композиционных материалов и способ его получения

Изобретение относится к области изготовления фрикционных углерод-углеродных материалов и изделий из углеродистой волокнистой массы в смеси с порошкообразным связующим, в частности к пресс-пакетам, из которых формируются эти материалы и/или изделия. Пресс-пакет для производства фрикционных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002488569
Дата охранного документа: 27.07.2013
10.08.2013
№216.012.5d1f

Наномодифицированное связующее, способ его получения и препрег на его основе

Изобретение относится к наномодифицированным связующим на основе эпоксидных смол, применяющихся для изготовления препрегов на их основе, и может быть использовано в авиастроении и других областях техники. Изобретение включает, масс.ч.: эпоксидную смолу на основе бисфенола А 60-80,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002489460
Дата охранного документа: 10.08.2013
27.08.2013
№216.012.64e2

Способ изготовления сальникового кольца, сальниковое кольцо и сальниковое уплотнение

Изобретение относится к области уплотнительной техники и может быть использовано для изготовления уплотнительных элементов, предотвращающих утечку рабочей среды через зазоры в подвижных и статических сопряжениях, в частности, может быть использовано в запорной аппаратуре. Способ изготовления...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002491463
Дата охранного документа: 27.08.2013
+ добавить свой РИД