模块分离设备制造技术

一种气流分离设备，包括可从开放条件移动到关闭条件的气流分离阀门。在一个实施方案中的模块分离阀门包括当模块分离阀门处于开放条件时与气流流体连通的安全隔膜。当预定压差出现时，安全隔膜破裂，引起分离阀门关闭。在一个实施方案中，阀门与安全隔膜机械地连接以维持当安全隔膜完好的时候阀门处于开放条件，其允许阀门在安全隔膜破裂时移动入关闭条件。在另一个实施方案中，可挤压部件维持阀门处于开放条件，一旦安全隔膜破裂，流经阀门的气流压缩该可挤压部件以关闭分离阀门。

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术涉及用于分离气流的模块分离设备，该气流从一个模块进入通过一个或多个共用集管(header)连接到一起的一个或多个其它的模块。更具体而言，本专利技术涉及用于离子传输膜(ITM)模块的分离设备，该模块专门设计用于从含氧气体(例如空气)中产生纯化氧或者用于产生合成气体(本文经常称之为“合成气”)。使用(ITM)模块从含氧气体分离氧气或生产合成气在现有技术中已广为人知。公开ITM氧气模块的代表性专利是已转让给本申请受让人的Taylor等的美国专利5681373。本文将Taylor等的US5681373专利通过参考全文引入。公开ITM合成气模块的代表性专利申请是已转让给本申请受让人的Carolan等的公开号为US20040186018的申请。本文将Carolan等的US20040186018申请通过参考全文引入。ITM氧气和合成气模块通常是在高温下操作的陶瓷膜件。这些膜件在膜件一侧上的工艺气体的操作压力高于在膜件相对侧上的工艺气体。在共同的结构中，许多膜件模块在模块低压气体侧上的共用集管上串联且并联集合到一起。在用于从含氧气体分离氧气的ITM氧气模块中，该含氧气体在压力下被引导通过模块通道以与组成该模块的多个膜件的致密混和传导氧化物层接触。通过在各种膜件的致密混和传导氧化物层的相对侧上产生氧气分压的差异，提供将氧气从含氧气体中分离的驱动力，并且从气体除去的氧气随后被引导出产品集管，该集管通常与多个ITM模块相连。当ITM模块用于产生合成气时，该模块通常被加热到700-900℃范围内的温度，与ITM合成气模块相连的导管内空气的工艺温度通常处于相同的操作温度。在合成气的生产中，原料(其通常包括轻质烃例如甲烷、天然气、乙烷、或现有技术已知的其它可得的轻质烃混合物)被引入ITM模块膜件之间的通道。含氧气体被引入模块各种膜件的内部支撑层内，其中氧气扩散通过各膜件的致密、混和、外部的引导氧化物层，与轻质烃接触以形成合成气。若个别膜件模块失效，该高压工艺气体将通过裂口或故障处流入低压工艺气体。对于ITM氧气模块的情况，这种失效导致扩散氧气的纯度损失。对于ITM合成气模块的情况，这种失效导致合成气与可能是对产生安全危害的空气源直接混和。此外，该失效可能导致在背压下空气进入其它模块，可能干扰空气流动或分布，并且可能导致产出的合成气的损失。根据以上解释，不言而喻的是需要一种设备或系统，其能够将单个失效的模块从通过一个或多个共用集管与该失效模块互连的其余模块中分离出来。这种分离设备或系统必须能够在处于高温的工艺容器内操作，也必须可靠的，并且最优选设计便宜。用于与ITM模块连接的关闭或分离阀门在现有技术中是已知的。这些阀门需要关闭阀门的制动器，并且通常制动器是气动或电磁螺线管，通过过压信号引发。这些制动器并非设计用于ITM反应器容器内部的高温维护。此外，更低成本的设备是有利的。在此方面，从成本和可靠性观点来看，认为纯机械制动器优于气动或电磁螺线管的使用。模块分离设备或系统的使用将保持产品纯度，也允许了ITM氧气或合成气反应器在个别模块失效的时候继续操作，而不会危害产品纯度、安全度或可操作性。本专利技术针对的问题涉及当气体压力超出预定值时，停止由失效ITM模块产生的气流。该设备，包括其任何制动器，必须能够在高温下操作，且必须可靠地允许气体在正常操作期间以可接受的限制量流经该设备。采用对应于来自压力传感器过压信号的制动阀的常规技术可以实现与本专利技术相同的功能，但是设备的复杂性大为增加。各模块需要单独的压力传感器来检测增压的存在。而且，各模块还需要制动阀。这会包括安排气动管线至各气动制动器或者安排电源至各电动制动器。还将需要执行各制动阀的逻辑控制的硬件。对于ITM反应器而言，例如在本专利技术优选实施方案中采用的那些，管线和设备的数量和复杂性是显著的。美国专利6131599公开了由安全隔膜(rupture disk)控制的机械式制动卸压阀门组件。在‘599专利的附图5中阐述的实施方案中，通过压力响应活塞212的过压降使制动杆216穿过安全隔膜204，从而关闭了入口188和出190之间的流动。应当指出，在‘599专利的附图5实施方案中的安全隔膜并未与工艺流体连通。换言之，工艺流体从入口流到出口，没有以任何方式将气流或压力直接地施加到安全隔膜表面上。鉴于‘599专利中的设备通过活塞的压差进行工作的这一事实，则其仅对通过设备的多余流动敏感。换言之，其并不检测设备中升高的压力，除非压力伴随着增加的气流。设备的压差是设备操作条件例如工作流体组成、流体速率、流体粘度和流体密度的函数。因此改变设备操作条件就改变了设备压差，从而改变了为关闭气流安全隔膜破裂时的流速。这是应当避免的局限，并且该局限在本专利技术的设备中并不存在。下文将指出，本专利技术的分离设备实际上在给定的安全隔膜过压、甚至在没有显著流动例如当设备入口和出口被分离时关闭气流。在‘599专利的附图5公开的设备中的另一缺陷是其仅被设计用来通过机架外侧上的制动器机件和阀座进行操作。这种设备不能对ITM合成气模块的空气入口工作。当ITM合成气模块失效时，出口管上的流动将增加，但是入口管上的流动将停止或反转，这是由于该模块中相对于进料空气压力更高。‘599专利的附图5公开的设备中流动的反转将强迫阀门212保持开放，并且还会给安全隔膜施加任何作用力。本专利技术能够采用位于正常流动方向的入口或出口侧上的阀座，从而使得本专利技术的设计更加多样化。Taylor的US5067511公开了高压流体紧急关闭阀门。该’511专利的附图3公开了根据该专利教导的典型阀门的横截面。具体而言，在入口18的压力被传输通过阀轴44至轴弯曲销(buckling pin)14。若压力足够高，销14弯曲从而使得阀门活塞47座落于阀座38内，停止入口端18和出口端24之间的流体流动。对于沿阀轴44传输的压力，提供滑动式密封装置48来维持轴两端之间的压差。‘511专利中公开的弯曲销的用途与本专利技术设备中安全隔膜的用途有本质上的不同。而且，‘511专利公开的结构中滑动式密封装置48的所需用途使得这种布置不适用于高温应用，而这是本专利技术设备的优选应用。Huff的美国专利4240458公开了一种过压关闭阀门。该‘458专利的附图2和3显示了根据该专利教导的典型阀门的横截面。空间20中的过压引起隔膜片24，其为双稳态突动隔膜，咬合到其它稳定位置。在附图中，其将阀轴64向上移动从而移动O形环76与密封表面18密封接合(engaging)从而关闭了设备的入口14和出口16之间的流动。该’458专利中公开的设计的原理性缺点在于该双稳态突动隔膜运动的范围小，受到隔膜双稳态位置的限制。这导致了阀门运动范围有限，且从而阀门在其充分开放位置内仅有限开放。此外，O形环的任何磨损均不能通过阀轴64的额外轴运动得到补偿。本专利技术的模块分离设备中采用的分离阀门不具有这些不需要的、运动范围限制。Westman的美国专利5810057，已转让给本申请的同一受让人，公开了一种压力容器填充保护设备，由该专利的附附图说明图1所示的滑动活塞28组成。端口58与容器的顶部空间流体连通，也具有安全隔膜90。端口56与容器的顶部空间流体连通。在容器的顶部空间过压的情形下，安全隔膜90失效，给活塞本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于分离气流的气流分离设备，该气流从一个模块进入通过一个或多个共用集管连接到所述一个模块的一个或多个其它模块中，所述气流分离设备包括：入口通道和出口通道，所述入口通道适于与来自所述一个模块的出口连通以接收来自所述一个模块的气流，所述出口通道连通用于接收所述气流的所述入口通道，并且将所述气体引导出所述分离设备；模块分离阀门，其可以从开放条件移动到关闭条件以防止分离设备中气压超出预定值时，气体从入口通道流到出口通道，所述模块分离阀门包括：安全隔膜，具有第一表面和第二表面，所述第一表面与所述一个模块的出口流体连通，同时所述一个模块的出口设置成与分离设备的入口通道流体连通，且模块分离阀门系统处于允许气体从所述分离设备的入口通道流到出口通道的开放条件，所述气体接合并且对安全隔膜的所述第一表面施加压力，安全隔膜的所述第二表面与维持在所需低压的腔室流体连通，当在所述安全隔膜上出现预定压差时，所述安全隔膜破裂；阀座，位于所述入口通道和所述出口通道之间；阀杆，具有相对的第一和第二端，所述第一端与所述安全隔膜的第一表面机械地连接，且第二端与阀部件偶联，所述阀部件与阀座隔开，同时阀杆第一端与安全隔膜机械连接以允许气体从入口通道流入出口通道，且也允许当入口通道位于于来自所述一个模块的出口流体连通时，气流与安全隔膜的第一表面接合；由此在通过安全隔膜的预定压差出现时，所述隔膜破裂，从而引起阀部件倚靠阀座并且中断气体从入口通道流到出口通道以及通过安全隔膜。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：MF卡罗兰，JA库克，MD布辛斯基，
申请(专利权)人：气体产品与化学公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]