Способ получения воздуха, обогащенного азотом

 

Использование: создание инертных газовых систем в виде воздуха, обогащенного азотом, для нефтяных, газовых, водонагнетательных скважин, производства минеральных удобрений, хранения продуктов, в противопожарных мероприятиях. Сущность изобретения: проводят последовательное повышение давления воздуха и воды выше атмосферного, смешивание этих фаз, сепарацию и раздельный отвод воздуха и воды из сепаратора по самостоятельным каналам. Все эти стадии ведут при одинаковых давлениях и температуре в пределах 0,25 - 70,0 МПа и 3 - 80^oC, соответственно. Расход воздуха не превышает величину удельного расхода, определяемого по формуле: (V_B)_П≤10P·(42,51/T-0,114), где (V_B)_П - предельный удельный расход атмосферного воздуха, м³ на каждый м³ обогащенного воздуха, P - давление, МПа, T - температура, K. Предпочтительно в воду добавляют поверхностно-активное вещество дисолван или прогалит до концентрации 0,0025 - 0,015 мас.%. Предусмотрена вторая ступень сепарации при атмосферном давлении, при этом жидкую фазу рециркулируют в голову процесса, а воздух, обогащенный кислородом, отводят. 2 з.п. ф-лы, 3 ил. , 2 табл.

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано для получения воздуха, обогащенного азотом, например, в качестве инертных рабочих систем для повышения нефтеотдачи пласта, освоения нефтяных, газовых, водонагнетательных скважин, в производстве минеральных удобрений, при хранении продуктов, в противопожарных целях и др.

Известен способ обогащения воздуха кислородом, действие которого основано, как и в заявленном способе, на растворимости в воде кислорода в большем объеме, чем азота.

Однако, это известное техническое решение не может быть использовано для эффективного получения воздуха, обогащенного азотом, т.к. не ставит своей задачей очистить оставшуюся свободную воздушную газовую фазу от кислорода, в результате чего в ней, наряду со значительным содержанием азота, будет также в большом объеме нерастворившейся в воде кислород.

Кроме того, в известном техническом решении предусмотрено применение не достаточно эффективных механических массообменных средств, не обеспечивающих в достаточной мере активное перемешивание жидкой и газообразной фаз, без чего не может быть в полной мере реализовано свойство воды растворять воздух (кислород).

Сущность изобретения состоит в том, что воздух, обогащенный азотом, получают путем смешивания под избыточным давлением определенного объема воздуха с водой или водным раствором поверхностно-активных веществ (ПАВ) для лучшего перемешивания воздуха с водой за счет активного развития поверхностей раздела фаз и обеспечения эффективного растворения газа в жидкости, с последующей сепарацией системы при условиях по температуре и давлению близких к условиям смешивания воздуха с водой или водным раствором ПАВ, и отводом газа и жидкости из сепаратора по самостоятельным каналам. Концентрация ПАВ в воде не превышает 0,0025 0,015% что установлено экспериментально.

В целях повышения эффективности и обеспечения безотходности технологии, водный раствор ПАВ, отводимый из сепаратора высокого давления, направляют в сепаратор низкого давления (II ступень сепарации), в котором ведут сепарацию при пониженном давлении (близком к атмосферному), выделившийся из растворенного состояния воздух, обогащенный кислородом, отводят по самостоятельному каналу потребителю или сбрасывают в атмосферу, а обескислороженный (дегазированный) водный раствор ПАВ возвращают в голову процесса для повторного использования.

Результаты экспериментов по получению воздуха, обогащенного азотом, приведены к нормальному давлению 0,1 МПа и представлены в таблице 1.

На фиг. 1 по данным табл. 1 построены графические зависимости выделения нерастворившихся объемов кислорода от объемов воздуха, подаваемых на смешивание с 1 м³ водного раствора ПАВ при различных температурах и нормальном давлении.

Уточненные по графикам фиг. 1 величины объемов воздуха, в которых после контактирования с водным раствором ПАВ практически отсутствует свободный кислород (пересечение графиков с ординатой дают на ординате значения удельных объемов воздуха, подаваемых на смешение с единицей объема воды, при которых объемы свободного кислорода равны нулю), составили предельные объемы воздуха данного технологического процесса.

На фиг. 2 представлены графические зависимости от температуры предельных объемов воздуха и соответствующие им объемы воздуха, обогащенного азотом.

На фиг. 3 представлена технологическая схема осуществления процесса получения воздуха, обогащенного азотом, в промышленных условиях.

Величины предельных объемов воздуха, подаваемых на смешивание с водным раствором ПАВ, уточенные по графику 1 фиг. 1, представлены в табл. 2.

Как видно из данных табл. 2 и графика 3, фиг. 2, наибольшая производительность процесса выделения свободного воздуха, обогащенного азотом, происходит при температуре до 80^oC. Дальнейшее увеличение температуры процесса приводит к существенному снижению объемов выделившегося воздуха, обогащенного азотом, в результате чего снизившийся КПД процесса до 5,0% делает его нерентабельным. При температуре более 80^oC снижается диспергирующая способность ПАВ.

Экспериментальными исследованиями установлено, что наибольший КПД процесса получения воздуха, обогащенного азотом, достигается при следующих условиях: смешивание воздуха с водой или водным раствором ПАВ и последующую сепарацию с раздельным отбором из сепаратора воздуха, обогащенного азотом, и воды или водного раствора ПАВ ведут при температуре 3 80 ^oC и давлении 0,25 70 МПа.

При меньших температурах процесс не устойчив, т.к. при разгазировании происходит охлаждение жидкости с образованием твердой фазы (льда).

При температурах выше 80 ^oC ухудшение растворимости составляющих воздуха в жидкости приводит к повышенному содержанию кислорода в воздухе, обогащенного азотом, снижается производительность процесса более чем на 95% делая его не рентабельным. Возрастает в воздухе, обогащенном азотом, доля кислорода. Снижается диспергирующая способность ПАВ.

При давлении меньшем 0,25 МПа энергозатраты делают процесс нерентабельным, т.к. объем растворившегося в жидкости воздуха (кислорода) становится незначительным.

При давлении более 70 МПа разгазирование приводит к активным кавитационным процессам, разрушающим оборудование. Резко возрастает металлоемкость оборудования и соответственно его стоимость; в случае использования вместо воды водного раствора ПАВ готовят его с использованием неионогенных ПАВ (например, типа спиртовых смесей, дисолвана, прогалита и др.), с концентрацией 25 150 г/м³ (0,0025 0,015%), обеспечивающих активное диспергирование жидкости без образования устойчивой пены. Эффективное диспергирование газа в жидкости обеспечивается ПАВ за счет максимального снижения коэффициента поверхностного натяжения жидкости на разделе с воздухом и образования за счет этого, огромной поверхности раздела фаз; объем воздуха на смешивание с единицей объема воды для обеспечения максимального удаления кислорода из отсепарированного воздуха, обогащенного азотом, подают в объеме, не превышающем величины, определяемой из экспериментально установленного соотношения: где (V_B)_П предельный удельный расход воздуха, обеспечивающий получение максимального объема воздуха, обогащенного азотом, при минимальном содержании в нем кислорода (обескислороженной), м³/м³; T температура процесса, ^oK; P давление процесса, МПа.

В целях повышения эффективности и обеспечения безотходности технологии, воду или водный раствор ПАВ, отводимый от сепаратора низкого давления, где производят вторую степень сепарации при давлении, например, близком к атмосферному или под вакуумом, возвращают в голову процесса.

Выделившийся на второй ступени сепарации воздух, обогащенный кислородом, отводят по самостоятельному каналу потребителю или сбрасывают в атмосферу, а дегазированную (обескислороженную) жидкость возвращают для повторного использования в замкнутом цикле.

Экспериментальные исследования позволили установить, что, при соблюдении выше указанных параметров процесса, заявленным способом достигается получение воздуха, обогащенного азотом до 95% и воздуха, обогащенного кислородом до 35% Для реализации способа получения воздуха, обогащенного азотом в промышленных условиях, используется, например, следующая технологическая схема, представленная на фиг. 3.

Технологическая схема состоит из водоисточника 1, источника дозирования ПАВ 2, водяного насоса высокого давления 3, газожидкостного смесителя 4, соединенного, например, через регулятор расхода газа 5 с источником воздуха (например, компрессором, эжектором и др.), сепаратора I ступени 6 с отводами газа 7 и жидкости 8 после разделения фаз, оснащенными регуляторами давления 9 и 10, позволяющими сепарацию и отвод газа и жидкости из сепаратора 6 производить под давлением, близким к давлению процесса смешивания воды с воздухом, сепаратора II ступени 11 для дополнительной сепарации и дегазации в нем жидкости при более низком давлении, например, атмосферном с отводом воздуха, обогащенного кислородом, потребителю или со сбросом его в атмосферу по газопроводу 12, возвратного водовода 13, обеспечивающего отбор и подачу дегазированного водного раствора ПАВ на прием водяного насоса высокого давления 3.

Способ реализуется следующим образом.

Из источника водоснабжения 1 вода с температурой, например, 20^oC с дозированной подачей в нее ПАВ (например, дисолван, прогалит, спирт и др.) из источника дозирования 2 в объеме, например, 25 г/м³ поступает на прием водяного насоса высокого давления 3 и под давлением, например, 15 МПа прокачивается через жидкостно-газовый смеситель 4, в который, например, через регулятор расхода газа 5 под тем же давлением системы или же за счет эжекции водяной струи (когда жидкостно-газовый смеситель 4 одновременно является и эжектором) вводится воздух в объеме, определяемом из соотношения (1), установленного экспериментально.

Далее газоводяная смесь с ПАВ поступает в сепаратор 6, где под давлением системы производится разделение фаз и отвод воздуха, обогащенного азотом, и воды по отводам 7 и 8, оснащенным регулирующими устройствами 9 и 10 (например, регуляторами давления), позволяющими производить сепарацию водовоздушной смеси под требуемым давлением.

Затем полученный при сепарации воздух, обогащенный азотом, отводится потребителю, а вода поступает на вторую ступень сепарации в сепаратор 11, где проходит дополнительную дегазацию (обескислораживание) при низком давлении, например, близком к атмосферному, или под вакуумом, и возвращается на прием водяного насоса высокого давления 3 для использования в повторном цикле.

По мере снижения активности ПАВ, растворенных в рециркулируемой воде, что определяется, например, по величине коэффициента поверхностного натяжения жидкости на границе с воздухом, через источник дозирования ПАВ осуществляется дополнительный ввод реагента.

В целях повышения эффективности и обеспечения безотходности технологии, высвободившийся из водного раствора ПАВ воздух, на второй ступени сепарации в сепараторе 11, обогащенный кислородом примерно до 35% при необходимости, отводится потребителю или сбрасывается в атмосферу.

Естественные потери воды при рециркуляции возмещаются путем подпитки системы из источника водоснабжения 1.

Способ отмечается и может быть реализован в любых условиях производства. Поскольку воздух, обогащенный азотом, отбирается на первой ступени сепаратора при повышенном давлении, бескомпрессорный транспорт его возможен на дальние расстояния, а при необходимости возможна его бескомпрессорная подача в системы с повышенным давлением, что расширяет возможности использования способа.

При отсутствии необходимости использования избыточного давления воздуха, обогащенного кислородом, энергия его может быть использована для охлаждения рециркуляционной воды, т. к. с понижением температуры водного раствора ПАВ растворимость в ней кислорода возрастает, а следовательно и возрастает КПД технологического процесса. ТТТ1 ТТТ2

Формула изобретения

1. Способ получения воздуха, обогащенного азотом, включающий последовательные стадии повышения давления воздуха и воды выше атмосферного, смешивания этих фаз, сепарации и раздельного отвода воздуха и воды из сепаратора по самостоятельным каналам, отличающийся тем, что все вышеуказанные последовательные стадии ведут при одинаковых давлениях и температуре в пределах 0,25-70,0 МПа и 3-80^oС соответственно, а расход воздуха устанавливают не превышающим величину удельного расхода, определяемую из соотношения
(V_в)_п ≅ 10P · (42,51/T 0,114),
где (V_в)_п предельный удельный расход атмосферного воздуха, обеспечивающий получение максимального объема воздуха, обогащенного азотом, при минимальном содержании в нем кислорода, углекислого газа и других компонентов воздуха, м³/м³;
Р давление, поддерживаемое при смешивании воздуха и воды при их разделении и отводе по самостоятельным каналам, МПа;
Т температура процесса, К.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед смешиванием воздуха с водой в последнюю подают поверхностно-активные вещества, преимущественно дисолван или пропалит до концентрации 0,0025-0,015 мас.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что отводимую из сепаратора по самостоятельному каналу воду или водный раствор поверхностно-активного вещества направляют на вторую ступень сепарации при атмосферном давлении, выделившийся при этом воздух, обогащенный кислородом, отводят по самостоятельному каналу потребителю или сбрасывают в атмосферу, дегазированную воду или водный раствор поверхностно-активного вещества возвращают в голову процесса для повторного использования.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6