Способ селективной адсорбции кислорода

 

1. СПОСОБ СЕЛЕКТИВНОЙ АД;СОРБЦИИ КИСЛОРОДА ИЗ газовой смеси на молекулярных ситах под давлением, о т л и чают и йс я тем, что, с целью увеличения степени извлечения за счет повшаения адсорбционной емкости , адсорбцию ведут на углеродных молекулярных ситах, нмекяцих размер микропор 2,9-3,8 А и объем микропор 0,05-0,25 , при температуре слоя адсорбента, изменякяцейся от температу конденсацииочищаемого газа до температур окружающей среды, и возрастаквдей скорости пропускания газового потока через адсорбент . 2. Способ по п. 1, отличающий с я тем, что температуру слоя адсорбента по ходу газа повышают от 40 до 300 град/м. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скорость газового С потока повьшают в 2-4 раза по сравнению с начальной.

ае 61) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

ФЗИЧНЛИЮ

РЕСПУБЛИК (6В В 01 D 53/ог

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ "-

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУААРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ CCCP

ПО. ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЦТИЙ (21) 2982885/23-26 (22) 03.07.80 (46) 15.07.83. Бюл. В 26 (72) Г.A. Головко, Ю.Я. Игнатов, И.И. Дубинин, Кадлец Ондржей (ЧССР) и С.В. Князев (71) Ленинградский технологический институт холодильной промышленности (53) 66.074.7{088.8) (56) 1. Заявка фРГ М 1444435, кл. В 01 D 53/04 1975 .

2. Патент США Р 3996028, кл. В 01 D 53/04, 1976.

4 (54) (57) 1 ° СПОСОБ CEJIEKTHBHOA Ag;СОРБЦИИ КИСЛОРОДА из газовой смеси на молекулярйых ситах под давлением, отличающийся тем, что, с целью увеличения степени извлечения I. эа счет повышения адсорбционной емкости, адсорбцию ведут на углеродных молекулярных ситах, имеющих размер микропор 2,9-3 8 А и объем микропор. 0,05-0,25 см /r, при температуре слоя адсорбента, изменяющейся от температуры конденсации.очищае" мого газа до температуры окружающей среды, и возрастающей скорости пропускания газового потока через адсорбент. .2. Способ по п. l о т л и ч а юшийся тем, что температуру слоя адсорбента по ходу газа повышают от

40 до 300 град/м.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что скорость газового Е потока повькаают в 2-4 раза по сравнению с начальной.

1028349

Изобретение относится к способам селективной адсорбции кислорода и может быть применено на предприятиях, в цехах и лабораториях, использующих особо чистые газы в качестве защитной среды, газа-носителя или рабочего тела.

Известен способ разделения бинарной газовой смеси, заключающийся в том, что определенное количество газовой смеси вводят под давлением в 10 адсорбционную колонну, заполненную цеолитом. Отвод газовых фракций из адсорбционной колонны осуществляют под вакуумом при температуре близкой к температуре газовой смеси, вво-15 димой в колонну. Для разделения смеси аргон — кислород применяют цеолит с диаметром пор около 4 A. Для покрытия теплоты десорбции скорость пропускания газовой смеси через колонну поддерживают более высокой, чем это требуется для установления адсорбци- онного равновесия fl j.

Недостатки способа в том, что селективность поглощения кислорода из потока аргона проявляется на цеолите типа 4 A только в узком диапазоне температур 108-90 К. Способ не пригоден для разделения смеси азоткислород вследствие значительной адсорбции азота цеолитом 4 R. Давление адсорбции при указанных условиях не превышает 1,5 ата(1520 гПа).

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ очистки аргона от кислорода низкотемпературной адсорбцией на цеолитах

NaA,KA или AgA при давлении 1,530 ата (1520-30390 гПа) в нескольких адсорберах f2 $ 40

Известный способ может использоваться лишь для очистки сырого аргона и смеси аргон — гелий от примеси кислорода, в присутствии же азота в очищаемых газовых смесях он не обес- 45 печивает высокой степени извлечения кислорода вследствие одновременной адсорбции азота.

Цель изобретения — увеличение степени извлечения кислорода за счет по-5р вышения адсорбционной емкости сорбента.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу селективной адсорбции кислорода адсорбцию ведут на углеродных молекулярных ситах имеющих размер микропор 2,9-3,8 1 и объем микропор 0,05-0,25 см /r, при температуре слоя ацсорбента, изменяющейся от температуры конденсации очищенного газа до температуры окружающей среды, и возрастающей скорости пропускания газового потока через адсорбент.

Предпочтительным является повыше. ние температуры слоя адсорбента по ходу от 40 до 300 град/м и скорости газового потока - в 2-4 раза по сравнению с начальной.

На фиг. 1,2 приведены схемы процесса при давлении выше и ниже критического соответственно; на фиг.3 график зависимости адсорбционной емкости углеродного молекулярного сита в зависимости от размера микропор.

Технология способа состоит в следующем.

Для осуществления процесса селектинной адсорбции кислорода при давлении выше критического (фиг. 1) сжиженный в ректификационной колонне или конденсаторе очищаемый гаэ (азот или аргон с примесями кислорода) сжимают в жидкостном насосе 1 до 15-1б,5 МПа, направляют в низкотемпературный теплообменник 2, где осуществляют газификацию сжатого сжиженного газа. Из теплообменника очищаемый гаэ с температурой равной критической поступает снизу в один иэ адсорберов 3, заполненный углеродным молекулярным ситом. Нижние слои адсорбента, охлаждаемые до 130155 К поглощают максимальное количество кислорода (около 12 см /r), а верхние слои адсорбента, имеющие температуру близкую к 300 К, поглощают минимальное количество кислорода (около 0,6 см3/г). Очищенный газ подогревают в теплообменнике 4 и эакачивают в баллоны. В процессе очистки скорость газового потока, отнесенная к полному сечению адсорбента, увеличивается за счет увеличения объема очищаемого газа.

При термической десорбции, с повышением температуры слоя адсорбента, в межтрубное пространство адсорбента направляют горячий регенерирующий гаэ (воздух, азот) о линии 5 и отводят его из системы по линии б.

Одновременно производят снижение давления от,рабочего до атмосферного с последующим вакуумированием слоя углеродного молекулярного сита до 0,1-0,01 мм рт.ст. (0,13-0,01 гПа) по линии 7 °

В процессе селективной адсорбции кислорода при давлении ниже критического (фиг. 2) воздух при температуре близкой к насыщению поступает в ректификационную колонну 8, где производят его разделение в аппарате двухкратной ректификации и получают чистый кислород с концентрацией не ниже

99,7% и чистый азот, содержащий

0,01-1,0% кислорода. Газообразный азот при давлении 0,13-0,14 МПа отбирают из верхней части ректификационной колонны низкого давления и направляют в один иэ двух переключающихся адсорберов 9. Температура очищаемого азота на входе в адсорберы

78-80 К, на выходе из адсорберов

1028349 около 300 К. При этом скорость газо. вого потока увеличивается в 4 раза.

Полная адсорбционная емкость углеродного молекулярного сита при 7880 К вЂ” около 17 см /г. Очищенный азот сжимают компрессором и закачивают в баллоны.

Регенерацию адсорбента проводят в изотермических или неиэотермических условиях, используя горячий регенерирующий газ (воздух, азот). 10

Продукты десорбции (кислород) удаляют вакуумированием слоя адсорбента.

Пример 1 (фиг. 1). Сжиженный аргон, содержащий 3% кислорода и менее 0,001% азота, сжимают в жид15 костном насосе до 15 МПа, нагревают в теплообменнике до 152 К и направляют в один из адсорберов с углеродным ситом., имеющим размер микропор

3,8 А и объем микропор 0,15 см. /г. 2 )

В процессе селективной адсорбции кислорода температуру очищаемой смеси и адсорбента повышают от 152 до 295 К. Очищенный аргон, содержащий менее 0,001% кислорода, имеющий 25 температуру 295 К, поступает в предварительный теплообменник, нагревается до 310 К и направляется в баллоны. При прохождении через адсорбер скорость очищаемой газовой сме- 3() си увеличивается в два раза. Производительность установки 12 мз/ч, высота слоя углеродного молекулярного сита 2,5 м. Температуру слоя адсорбента Т повышают -по графику показа- у тельной функции с показателем степени равньм 2,0: Т-Тк KH",,где Т к — критическая температура смеси или температура насыщения, К вЂ” констатнта, из-

Меняющаяся в пределах 1,1-2,0; Н вЂ” 4() высота слоя адсорбента. !

Пример 2 (фиг 1) Сжиженный аргон, содержащий 2% кислорода и менее 0,001% азота, сжимают в жидкостном насосе до 16 МПа, нагревают в 45 теплообменнике до 151 К и направляют в один из адсорберов с углеродным молекулярным ситом, имеющим размер микропор 3,3 A и объем микропор

0,25 см /г. В процессе селективной

3 адсорбции кислорода температуру очищаемой смеси и адсорбента повышают от 151 до 300 К. Очищенный аргон, содержащий менее 0,002% кислорода, имеющий температуру 300 К, направляют в предварительный теплообменник, нагревают до 310 К и нагнетают в баллоны. При прохождении через адсорбер скорость очищаемой газовой смеси увеличивается в два раза. Производительность установки 5 м 3/ч, - 6() высота слоя углеродного молекулярного сита 2,1 м. Температуру слоя адсорбента повышают по графику показательн и функции с показателем степени 1„3, 65

Пример 3.{фиг. 2). Газообразный азот, содержащий 1,0% кислорода, при 0,13 МПа и 78 К поступает в один из переключающихся адсорбентов, заполненных углеродным молекулярную ситом с размером микропор

3,1 А и объем микропор 0,11 см3/г. В процессе селективной адсорбции кислорода температуру очищаемой газовой смеси и адсорбента повышают от 78 до 300 К. Очищенный азот, содержащий.менее 0,001% кислорода, направляют при 300 К в мембранный компрессор, сжимают и эакачивают в баллоны.

При прохождении через адсорбер скорость очищаемой газовой смеси увеличивается в четыре раза. Высота слоя адсорбента 2,0 м. Температуру слоя адсорбента по высоте повышают по графику показательной функции с показателем степени 1,5.

Пример 4 (фиг. 2). Газообразный азот, содержащий 0,01% кислорода, при 0,14 МПа и 80 К поступает в один из переключающихся адсорберов, заполненный углеродным молекулярным ситом с размером микропор

2,9 А и объем микропор 0,05 см /г. ,В процессе селективной адсорбции кислорода температуру очищаемой смесВ и адсорбента повышают от 80 до

300 К. Очищаемый азот, содержащий менее 0,003% кислорода, направляют при 300 К в мембранный компрессор, сжимают и закачивают в баллоны. При прохождении через адсорбер скорость очищаемой газовой смеси увеличивается в четыре раза. Высота. слоя адсорбента 3,0 м. Температуру слоя адсорбента по высоте повышают по графику показательной функции с показателем степени 1,1.

В процессе селективной адсобции кислорода в качестве адсорбента используют углеродные молекулярные сита, с размером микропор 2,9-3,8 Х и объем микропор 0,05-0,25 см З/r.

Эффективный размер молекулы кислорода 2,8 А, а молекул азота и аргона соответственно 3,7 А и 3,8 Х.

В связи с этим нижний предел размера микропор углеродного молекулярного сита (2,9 А) определяется воэможностью адсорбции молекул кислорода в указанном диапазоне температур. При увеличении размера микропор более

3,8 А происходит совместная адсорбция кислорода и очищаемого газа (азота или аргона), т.е. прекращается процесс селективной адсорбции кислорода.

Таким образом, диапазон 2,9-3,8 R обеспечивае= процесс селективной адсорбции кислорода из потока очищаемого аргона или азота. При синтезе углеродных молекулярных сит происходит планомерное образование микропор определенного размера и опре1028349 деленного объема. В таблице приведе ны результаты исследования микропористой структуры углеродных молекулярных сит, имеющих различную степень обгара.

2,9

0,06 Кислород

0 20

3 5

3,8

III

0,25

4,1

0,28

Кислород, азот, аргон

Увеличение объема микропор приводит к увеличению адсорбционной емкости углеродного молекулярного си- та, т.е. к увеличению количества поглощаемого кислорода.

Углеродные молекулярные сита, имеющие строго определенные параметры микропористой структуры, позволяют производить селективную адсорбцию кислорода из газовых смесей, содер5 жащих азот, аргон, гелий и некоторые другие газы. В отличие от цеолитов типа NaA, KA u AgNaA область селек. тивной адсорбции наблюдается от температуры конденсации для этой смеси до температуры окружающей среды.

Поглощение примесей кислорода произ водят при любом давлении выше атмосферного.

Согласно данному способу селективную адсорбцию кислорода проводят. при переменной температуре, хладагент для .термостатирования слоя адсорбен,та не используется, в то время как в известном способе расход хладагента ,2,0-0,8 кгфм очищаемого газа.

Охлаждение слоя адсорбента производят очищаемым газом, адсорбируя при . этом только примесь кислорода. Способ позволяет повысить степень использования адсорбционной емкости адсорбента до 0,95-0,97 в,(известном 0,8),а также получить азот особой чистоты по ГОСТУ 9293-74 или аргон высокой чистоты по ТУ 6-21-12-74.

1028349

0ещенний 6жаяь и

Ф

ВНИИПИ Заказ 4841/5 Тираж 688 Подписное

° Ь

Филиал ППП "Патент", г.ужйород,ул.Проектная,4