Способ получения углеродного молекулярного сита для разделения кислорода и азота

 

Изобретение относится к области неорганической химии, конкретно к способу получения углеродного молекулярного сита и его использования для разделения кислорода и азота. Сущность: измельчают бурый уголь до фракции 1-6 мм, карбонизуют и обрабатывают водным 0,5-2,5%-ным раствором полиэтиленгликолей общей формулы OH(CH₂CH₂O)_n, где n = 90±7, или блоксополимеров окиси пропилена и окиси этилена с пропиленгликолем общей формулы где n = 21±5, m = 117±10, при объемном соотношении уголь:раствор 1... 1,5: 1 и сушат полученные углеродные молекулярные сита (УМС). Полученные УМС позволяют выделять азот из его смесей с кислородом, например из воздуха, высокой степени чистоты (практически не содержит кислорода). 1 з. п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области нетопливного использования угля, конкретно к способу получения углеродного молекулярного сита (УМС) для разделения обогащенных кислорода и азота из их смесей, например из воздуха.

Известен способ получения УМС, адсорбирующего кислород лучше, чем азот и аргон из их смесей, путем формования гранул из смеси угля со связующим с последующей термообработкой в инертной среде до 600^oC в присутствии углеродсодержащего вещества углеводородов, спиртов, смол, природного и коксового газов в течение 1-60 мин [1] Недостатком указанного способа является недостаточно высокая сорбция кислорода и селективность по кислороду.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является способ получения УМС путем формования гранул из угля технологической группы Г₆, который измельчают до величины частиц менее 60 мкм и гранулируют в тарельчатом грануляторе с добавкой к угольной пыли 2,5%-ного раствора сульфитно-дрожжевой бражки с получением гранул влажностью 20% сырые гранулы сушат и подвергают карбонизации до достижения выхода летучих 8-12% охлажденный карбонизат загружают в реактор и заливают водным раствором моноалкилфенилового эфира полиэтиленгликоля общей формулы C_nH_2n+1C₆H₄O(C₂H₄O)_mH, где n 8-10, m 10-12 или n 4-10, а m 6-12, при массовом соотношении эфира и гранул 0,47-0,53:100.

Гранулы выдерживают в растворе около получаса, сушат сначала на воздухе, а затем при 97^oC до остаточной влажности 1% Гранулы испытаны при разделении компонентов воздуха [2] Коэффициент разделения УМС, вычисленный по формуле , где величины адсорбции кислорода и азота, их парциальные давления в исходной смеси,
составляет 11,9-12,3, содержание азота в обогащенном газе 97,5-98,3% прочность гранул по МИС-8=98%
Недостатком известного способа является недостаточно высокая степень разделения газов.

Целью изобретения является повышение селективности молекулярного сита по кислороду.

Это достигается способом получения углеродного молекулярного сита для разделения кислорода и азота, включающим измельчение бурого угля до фракции 1-6 мм, его карбонизацию и последующую обработку водным 0,5-2,5%-ным раствором полиэтиленгликолей общей формулы
OH(CH₂CH₂O)_n, (I)
где n 90±7,
или блоксополимеров окиси пропилена и окиси этилена с пропиленгликолем общей формулы

где n 21±5,
m 117±10,
при объемном соотношении уголь: раствор 1.1,5:1.

Отличием предложенного способа от известного является то, что для получения молекулярного сита используют бурый уголь, измельчают его до фракции 1-6 мм, а для обработки используют водный раствор 0,5-2,5%-ной концентрации полиэтиленгликолей или блоксополимеров указанных выше общих формул при объемном соотношении уголь:раствор 1.1,5:1.

Для получения УМС используют бурые угли. Технический анализ пробы угля Канско-Ачинского бассейна (%): A^d 8-12; V^daf 45-49; W^a 12; C^daf 69-72; H+^daf 5; N^daf 1.

Способ осуществляют следующим образом.

Исходный уголь измельчают до величины 1-6 мм и подвергают карбонизации во вращающейся муфельной печи с внешним обогревом при температуре на входе в печь 300^oC, а на выходе 850^oC. Скорость вращения барабана печи 1 об/мин. Карбонизацию ведут 50-70 мин. Обработанный продукт охлаждают, загружают в реактор и заливают водным раствором (0,5-2,5% ) полиэтиленгликолей или блоксополимеров окиси пропилена и окиси этилена с пропиленгликолем общей формулы
HO(CH₂CH₂O)_n, (I)
где n 90±7,

где n 21±5,
m 117±10,
при объемном соотношении уголь:раствор (1-1,5):1, выдерживают в течение 3 часов. Далее раствор сливают, продукт сушат сначала на воздухе, а затем при 120-130^oC в сушилке.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1. 100 кг угля измельчают в молотковой дробилке до размера частиц 1-6 мм и подвергают карбонизации, как указано выше. При этом образуется 43 кг карбонизата. Охлажденный карбонизат загружают в реактор и заливают 45 л водного раствора полиэтиленгликоля общей формулы I 2%-ной концентрации (объемное соотношение уголь: раствор 1:1), выдерживают в растворе 3 часа, после чего раствор сливают, а полученное углеродное молекулярное сито сушат сначала на воздухе, а затем при 120^oC до остаточной влажности 0,5-1%
Выход УМС 40 кг.

В готовом продукте определяют разделение компонентов воздуха за одну стадию на короткоцикловой установке, состоящей из двух параллельно работающих адсорберов емкостью 2 л каждый с осуществлением адсорбции при 5 атм и десорбции при 20 торр, и концентрацию компонентов в обогащенном газе. Длительность цикла адсорбции составляет 2 мин. Производительность установки по обогащенному газу 120 л/л адсорбента в час.

Результаты испытаний УМС в сравнении с прототипом представлены в таблице (пример 1).

Пример 2 аналогичен примеру 1, за исключением концентрации водного раствора полиэтиленгликоля и объемного соотношения уголь:раствор.

Примеры 3 и 4 аналогичны примеру 1 и примеру 2, за исключением того, что используют 0,5%-ный и 1%-ный водные растворы полиэтиленгликоля.

Примеры 5 и 6 аналогичны примеру 1, за исключением того, что используют водный раствор блоксополимера окиси этилена и окиси пропилена с пропиленгликолем общей формулы II (0,5 и 1% водный раствор).

Таким образом, по сравнению с прототипом предложенный способ позволяет получить углеродные молекулярные сита, имеющие более высокую степень разделения кислорода и азота. (Позволяют получить азот, практически не содержащий кислорода).

Формула изобретения

1. Способ получения углеродного молекулярного сита для разделения кислорода и азота, включающий измельчение угля, его карбонизацию и последующую обработку водным раствором алкиленгликолей, отличающийся тем, что измельчение угля ведут до 1 6 мм, а в качестве алкиленгликолей используют соединения общей формулы полиэтиленгликоль ОH(CH₂CH₂O)n, где п 90±7, или блоксополимер окиси пропилена и окиси этилена с пропиленгликолем , где n 21±5, m 117±10, в 0,5 2,5%-ной концентрации их водных растворов при объемном соотношении уголь: раствор 1,0 1,5 1.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют бурый уголь.

РИСУНКИ

Рисунок 1