Способ разделения газовой смеси и установка для его осуществления

 

Изобретение относится к области разделения газовых смесей, например, воздуха. Газовую смесь пропускают при избыточном давлении через N>1 пар сосудов, где N - количество пар сосудов с сорбентом с общим количеством Q, имеющим избирательность по отношению к составляющим газовой смеси, работающих попеременно в режимах адсорбции и регенерации. Работу сосудов смещают во времени на величину Т/N, где Т - время адсорбции удаляемой газовой смеси. Между сосудом, выводимым из работы, и сосудом, вводимым в работу, осуществляют перепуск газовой смеси. При этом одновременно с подачей газовой смеси на вход сосуда, вводимого в работу, после перепуска, на его выход осуществляют подачу обогащенной смеси с выхода сосуда, работающего в режиме адсорбции, а адсорбированную смесь сбрасывают как со стороны входа, так и со стороны выхода сосуда, выводимого из работы. Установка содержит газораспределительный блок в виде двух распределителей с плоскими золотниками, установленных соответственно на входе и на выходе установки и соединенных между собой тактовым поворотным механизмом, обеспечивающим работу пар сосудов со смещением во времени на величину Т/N. При этом в золотниках сформированы полости высокого и низкого давления для сброса адсорбированной смеси газов, а в распределителе, установленном на выходе установки, выполнен канал для перепуска газовой смеси и образована полость, обеспечивающая соединение выхода сосуда, работающего в режиме адсорбции, с выходом сосуда, вводимого в работу. Предлагаемое изобретение позволяет повысить производительность процесса разделения газовой смеси без увеличения габаритов установки. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области разделения газовых смесей, например воздуха, для получения обогащенной азотом и обедненной кислородом инертной смеси.

Подобные инертные смеси с пониженным содержанием кислорода (2-12%) находят широкое применение в различных областях промышленности, например, для предупреждающей противопожарной защиты и в системах пожаротушения закрытых технологических помещений, для вентиляции емкостей после и во время хранения пожаро- и взрывоопасных жидкостей, для проверки герметичности и других испытаниях нефтегазовых магистралей, при нефтедобыче, для местной защиты технологических узлов, работающих в агрессивных и пожароопасных средах, для консервации продуктов и вентиляции хранилищ.

Известен способ разделения газовых смесей кислород - азот для получения регулируемых атмосфер [см. патент РФ 2129903, oп. 21.03.97г., МПК В 01 D 53/00]. Обеднение кислородом воздуха достигается путем химического связывания кислорода водородом, полученным в результате электролиза воды.

Недостатком данного способа является ограниченная область его применения, так как он может быть реализован только при положительных температурах. Кроме того, данный способ позволяет получать обогащенную смесь при атмосферном давлении. Для потребителя, как правило, требуется обогащенная смесь при избыточном давлении, для создания которого необходимы дополнительные энергозатраты.

Известен способ разделения газовых смесей, например воздуха, в котором удается снизить содержание кислорода в воздухе до 5÷7% [Дытнерский Ю.И., Брыков В. П., Каграмов Г.Г. Мембранное разделение газов. -М.: Химия, 1991]. Обеднение кислородом воздуха достигается за счет его пропускания через полимерную газоразделительную мембрану, пропускающую кислород в два раза интенсивнее, чем азот.

Недостатком данного способа и устройства для его реализации является загрязнение газоразделительной мембраны, в результате чего требуется ее периодическая очистка и связанное с этим прерывание процесса разделения газов, что в свою очередь существенно снижает его производительность. Кроме того, указанное устройство обладает невысокой надежностью, так как мембрана выполнена из полимерного материала, в связи с чем требования, предъявляемые к температурному режиму этого устройства, очень жесткие.

Наиболее близкими по количеству совпадающих существенных признаков и достигаемому результату является способ обогащения азотом и обеднения кислородом воздуха и установка, его реализующая, описанные в способе предупреждения пожаров и экологической защиты резервуаров с нефтепродуктами [см. патент РФ 2101055, oп. 10.01.98г., МПК А 62 С 3/06]. Для получения обогащенной азотом и обедненной кислородом газовой инертной смеси воздух пропускают при избыточном давлении через сосуды с сорбентом, имеющим избирательность по отношению к составляющим газовой смеси, работающие попеременно в режимах адсорбции и регенерации, отводят обогащенную смесь и сбрасывают адсорбированную смесь.

Данный способ реализуется при помощи установки, включающей сосуды с сорбентом, представляющим собой так называемое "углеродное молекулярное сито", и газораспределительный блок. Газораспределительный блок представляет собой систему подводящих и отводящих коллекторов и клапанов, обеспечивающих работу адсорберов в противофазе. Воздух, подвергнутый требуемой предварительной обработке, через входные клапаны поступает в один из адсорберов. В адсорбере, через который проходит газ, адсорбируется преимущественно кислород и за счет этого на выходе через соответствующие клапаны и коллекторы отводится смесь, обогащенная азотом. Одновременно с этим в соседнем адсорбере происходит регенерация (десорбция). Она осуществляется за счет сброса адсорбированной части газа через соответствующие клапаны в атмосферу.

При реализации данного способа происходит падение давления на выходе установки, которое обусловлено введением в работу адсорбера, давление в котором ниже рабочего. При падении давления ниже рабочего выход обогащенной смеси (азота) временно приостанавливается. Кроме того, в процессе достижения рабочего давления газовая смесь (воздух) не полностью подвергается адсорбции, что отрицательно влияет на качественные характеристики получаемого продукта.

Установка для осуществления данного способа обладает большей надежностью по сравнению с описанной выше в связи со значительным расширением диапазона рабочих температур.

Однако недостатком данной установки является ее невысокая производительность, обусловленная снижением скорости поглощения кислорода сорбентом при значительном падении давления в установке, вызываемым каждым переключением адсорберов. Для того чтобы уменьшить влияние падения давления, на входе и на выходе установки требуется установка ресиверов с объемом не менее объема адсорберов, что, тем не менее, полностью не решает эту проблему и делает установку громоздкой.

Перед авторами стояла задача повысить производительность процесса разделения газовой смеси и установки для его реализации без увеличения габаритов последней.

Поставленная задача достигается тем, что в способе разделения газовой смеси, включающем пропускание при избыточном давлении смеси через сосуды с сорбентом, имеющим избирательность по отношению к составляющим газовой смеси, работающие попеременно в режимах адсорбции и регенерации, отвод обогащенной смеси и сброс адсорбированной смеси, дополнительно осуществляют перепуск газовой смеси между сосудом, выводимым из работы, и сосудом, вводимым в работу, количество сорбента Q распределяют по N > 1 парам сосудов, где N - количество пар сосудов, работу которых смещают во времени на величину T/N, где Т - время адсорбции удаляемой газовой смеси, при этом одновременно с подачей газовой смеси на вход сосуда, вводимого в работу, после перепуска, на его выход осуществляют подачу обогащенной смеси с выхода сосуда, работающего в режиме адсорбции, а адсорбированную смесь сбрасывают как со стороны входа, так и со стороны выхода сосуда, выводимого из работы.

Описанный способ разделения газовой смеси может быть реализован при помощи установки, включающей более одной пары сосудов N > 1 с общим количеством сорбента Q и газораспределительный блок, выполненный в виде двух распределителей с плоскими золотниками, установленных соответственно на входе и на выходе установки и соединенных между собой тактовым поворотным механизмом, обеспечивающим работу пар сосудов со смещением во времени на величину T/N, при этом в золотниках сформированы полости высокого и низкого давления для сброса адсорбированной смеси газов, а в распределителе, установленном на выходе установки, выполнен канал для перепуска газовой смеси и образована полость, обеспечивающая соединение выхода сосуда, работающего в режиме адсорбции, с выходом сосуда, вводимого в работу.

Каждый распределитель с плоским золотником включает поворотный диск с каналами, управляющими направлением прохождения смеси газов, делящий внутреннюю полость распределителя на области сброса газа высокого и низкого давления, герметизирующее кольцо с низким коэффициентом трения и поджимающий цилиндр, расположенные с противоположных сторон поворотного диска, при этом количество каналов в распределителях, установленных на входе и на выходе установки, соответственно для подачи смеси газов на вход сосудов и для отвода обогащенной смеси с выхода сосудов, составляет 2•N-1, для сброса адсорбированной смеси при высоком давлении - 2, для сброса адсорбированной смеси при низком давлении - •N-3, а в распределителе, установленном на входе установки, каналы, соединенные с парными сосудами, выводимыми и вводимыми в работу, выполнены глухими.

Плоский золотник распределителя, установленного на входе установки, содержит распределяющий канал, соединяющий входы сосудов, работающих в режиме адсорбции, а плоский золотник распределителя, установленного на выходе установки, содержит собирающий канал, соединяющий выходы сосудов, работающих в режиме адсорбции.

Кроме того, каждый плоский золотник содержит канал сильного сброса и канал регенерации, соединяющий сосуды, работающие в режиме регенерации.

Перепуск газовой смеси между сосудом, выводимым из работы, и сосудом, вводимым в работу, позволяет уменьшить падение давления на выходе установки, обусловленное введением в работу адсорбера, поддерживая непрерывный выход обогащенной смеси (азота). Кроме того, выравнивая за счет перепуска давление на входе и выходе сосуда с сорбентом, вводимого в работу, газовая смесь (воздух) более эффективно подвергается адсорбции, повышая качественные характеристики получаемого продукта.

Распределение общего количества сорбента по N>1 парам сосудов позволяет уменьшить объем сорбента, вводимого в работу, в N раз, при этом оставшийся объем сорбента, находящегося в работе, создает эффект ресивера, позволяя гасить колебания давления на входе и на выходе установки.

Работу сосудов смещают во времени на величину T/N, при этом адсорберы находятся на разной стадии процесса, обеспечивая непрерывность процесса адсорбции. Тем самым исключается временная приостановка выделения конечного продукта и повышается производительность.

Подача обогащенной смеси с выхода сосуда, работающего в режиме адсорбции, на выход сосуда, вводимого в работу, предотвращает вытеснение газовой смеси, не прошедшей адсорбцию в начальный момент работы сосуда, к потребителю, дает необходимое время для адсорбции первой порции газовой смеси и позволяет создать рециркуляцию газовой смеси для получения конечного продукта высокого качества.

В связи с тем, что процессы адсорбции и регенерации соизмеримы по продолжительности, а заполнение происходит с двух сторон сосуда за меньшее время, то и сброс давления необходимо осуществлять тоже с двух сторон.

В указанном способе более интенсивное протекание процесса адсорбции приводит к большему нагреву сорбента и, как следствие, позволяет эффективнее использовать этот нагрев для освобождения сорбента от накопленного газа.

Работа пар сосудов со смещением во времени на величину T/N обеспечивается газораспределительным блоком, выполненным в виде двух распределителей с плоскими золотниками, установленных соответственно на входе и на выходе установки и соединенных между собой тактовым поворотным механизмом.

Для сброса адсорбированной смеси газов в золотниках сформированы полости высокого и низкого давления. Для перепуска газовой смеси в распределителе, установленном на выходе установки, выполнен канал и образована полость, обеспечивающая соединение выхода сосуда, работающего в режиме адсорбции, с выходом сосуда, вводимого в работу.

Выполнение газораспределительного блока в виде двух распределителей с плоскими золотниками позволяет упростить схему управления по сравнению с прототипом, в котором газораспределительный блок выполнен в виде системы клапанов. Например, для организации работы трех пар сосудов N=3 потребовалось бы 27 клапанов с высоким быстродействием и большим условным проходом и сложная электронная схема управления этими клапанами.

Так как несколько сосудов находятся на разных этапах регенерации, а газовые магистрали сходятся в одном газораспределительном блоке, необходимо разделять сосуды, имеющие повышенное давление (сильный сброс) от сосудов, заканчивающих регенерацию при атмосферном давлении. Для этого в распределителях сформированы полости сброса газа высокого и низкого давления (слабый сброс).

Перепуск газовой смеси осуществляется по каналу, выполненному в плоском золотнике распределителя, установленного на выходе установки. Кроме того, в этом же распределителе выполнена полость, соединяющая выход сосуда, работающего в режиме адсорбции, с выходом сосуда, вводимого в работу.

Направления прохождения смеси газов могут задаваться каналами, выполненными в поворотном диске, делящем внутреннюю полость распределителя на области сброса газа высокого и низкого давления. С противоположных сторон поворотного диска расположены герметизирующее кольцо с низким коэффициентом трения и поджимающий цилиндр. Поджимающий цилиндр создает усилие, необходимое для контакта поворотного диска с герметизирующим кольцом. Диаметр цилиндра ограничивается максимальным усилием, выдерживаемым герметизирующим кольцом и минимальным усилием, необходимым для создания герметичного контакта между этим кольцом и поворотным диском.

Общее число каналов в каждом распределителе составляет 4•N и определяется двумя основными режимами работы сосудов (адсорбция и регенерация) и необходимостью создания перепуска.

Количество каналов в распределителях, установленных на входе и на выходе установки для обеспечения двух основных режимов работы, соответственно для подачи смеси газов на вход сосудов и для отвода обогащенной смеси с выхода сосудов, составляет 2•N-1, для сброса адсорбированной смеси при высоком давлении - 2, для сброса адсорбированной смеси при низком давлении - •N-3.

Для создания перепуска в золотнике распределителя, установленного на выходе, выполнен канал, соединяющий 2 канала, ведущих к парным сосудам, а в распределителе, установленном на входе установки, аналогичные каналы выполнены глухими. Итого: (2•N-1)+2+(2•N-3)+2=4•N каналов в каждом распределителе.

Входы сосудов, работающих в режиме адсорбции, могут быть соединены с помощью распределяющего канала, выполненного в плоском золотнике распределителя, установленного на входе установки. Выходы сосудов, работающих в режиме адсорбции, могут быть соединены с помощью собирающего канала, выполненного в плоском золотнике распределителя, установленного на выходе установки.

Сосуды, находящиеся в режиме регенерации, могут быть соединены каналом регенерации. Сосуд, выводимый из работы после перепуска, может быть отделен от других сосудов каналом сильного сброса, сформированным в обоих золотниках.

На фиг.1 изображена общая схема газоразделительной установки, содержащей 3 пары сосудов N=3, в момент времени t. На фиг.2 изображена схема установки, иллюстрирующая работу установки со смещением во времени на величину Т/3, то есть в момент времени t+T/3. На фиг.3 изображена схема установки в момент времени t+T/3+Т/3.

Таким образом, фиг. 1-3 иллюстрируют работу установки со смещением во времени на величину Т/3.

На фиг.4 представлен разрез двух распределителей с плоскими золотниками в различные моменты времени (слева направо): первый - в момент времени, соответствующий адсорбции и сильному сбросу парных сосудов; второй - в момент времени, соответствующий адсорбции и регенерации парных сосудов; третий - в момент времени, соответствующий перепуску газовой смеси между парными сосудами.

Газоразделительная установка (см. фиг.1-3) состоит из сосудов с сорбентом (адсорберы) 1-6, газораспределительного блока 7 и соединяющих их магистралей. В газораспределительный блок 7 входят распределители 8 и 9, установленные соответственно на входе и выходе установки и соединенные между собой тактовым поворотным механизмом 10.

Распределители 8 и 9 соответственно содержат плоские золотники 11 и 12. В распределителе 8 выполнен входной канал 13, выходные каналы 14-19 и распределяющий канал 20. В распределителе 9 выполнены выходной канал 21, входные каналы 22-27, собирающий канал 28 и канал сохранения газа 29. Кроме того, оба распределителя соответственно имеют каналы для сильного сброса газа 30 и 31, выходные каналы сильного сброса 32 и 33, каналы для отвода адсорбированного газа (каналы десорбции) 34 и 35.

Каждый золотник 11 и 12 (см. фиг.4) поджат к герметизирующему кольцу 36 и 37 давлением, создаваемым пневмоцилиндрами 38 и 39 соответственно, образуя при этом в каждом распределителе области сброса газа высокого 40 и низкого давления 41.

Пример осуществления способа.

Предварительно охлажденный и очищенный воздух после компрессора с производительностью 9 м³/мин подают на установку, содержащую N=3 пары сосудов с сорбентом с общим количеством Q= 0,6 м³. Таким образом, на каждый сосуд приходится 0,1 м³ сорбента. Сорбент представляет собой "углеродное молекулярное сито" и обладает избирательностью по отношению к составляющим газовой смеси - кислороду и азоту.

Подготовленный воздух при избыточном давлении 0,8÷1,0 МПа подают на входной канал 13 (см. фиг.1), откуда через распределительный канал 20 к выходным каналам 18 и 19, а далее по магистралям - к сосудам с сорбентом (адсорберам) 5, 6. В адсорберах воздух, подвергаясь адсорбции, одновременно вытесняет газ, прошедший адсорбцию (азотную смесь), по магистралям к входным каналам 26, 27. В канале 28 азотную смесь объединяют и через выходной канал 21 направляют к потребителю.

Одновременно с этим из адсорбера 3 газ, обогащенный кислородом, по двум магистралям через каналы 16, 24 затем 30, 31 подают в области сброса газа высокого давления 40 обоих распределителей (см. фиг.4) и оттуда через каналы 32, 33 сбрасывают в атмосферу. Аналогично и в то же самое время газ, выделяющийся в процесс регенерации, из адсорбера 2 по двум магистралям через каналы 15, 23, затем через каналы 34, 35 направляют в области сброса газа низкого давления 41 и далее в атмосферу.

Адсорбер 4, выводимый из работы, через каналы 25, 29, 22 соединяют с адсорбером 1, входящим в работу, осуществляя тем самым перепуск. Данное положение системы изображено на фиг.1. Продолжительность процесса перепуска определяется необходимостью уменьшения падения давления в системе во время переключения адсорберов и исключения попадания адсорбированной смеси из адсорбера 4 в адсорбер 1.

Следующее положение системы (см. фиг.2) соответствует повороту золотников распределителей газораспределительного блока на 30^o по направлению стрелок.

Для адсорбера 2 продолжается процесс регенерации, адсорбер 3 перешел в режим регенерации и выделяющийся адсорбированный газ через каналы 16, 24 и область слабого сброса 41 (см. фиг.4) вместе с газом от адсорбера 2 сбрасывают в атмосферу.

Адсорбер 4 перешел из режима перепуска в режим сильного сброса и оставшийся в нем газ через каналы 17, 25 затем через каналы 30, 31 направляют в области сброса высокого давления 40 обоих распределителей (см. фиг.4) и оттуда через каналы 32, 33 в атмосферу, не мешая процессу регенерации в адсорберах 2, 3.

В адсорберах 5, 6, продолжается процесс предыдущего такта - адсорбция. Адсорбер 1 вошел в работу, в начальный момент за счет перепада давления воздух из адсорберов 5, 6 через каналы 18, 19 и далее через каналы 20, 14 поступает в адсорбер 1 со стороны входа, а азотная смесь из тех же адсорберов 5 и 6 поступает в адсорбер 1 по каналам 26, 27 и далее по каналам 28, 27 со стороны выхода, выравнивая давление в системе и позволяя начаться процессу адсорбции в адсорбере 1. Далее воздух, прошедший через каналы 13, 20, 14, 18, 19, продолжает поступать в адсорберы 1, 5, 6, а вытесняемую при этом из них обогащенную азотную смесь через каналы 22, 26, 27, 28, 21 отводят к потребителю.

Общая продолжительность двух последовательных положений системы (см. фиг. 1 и 2) соответствует времени T/N=27 (c)/3=9 с, где Т=27 с - время адсорбции удаляемого кислорода сорбентом. Время адсорбции кислорода сорбентом "углеродное молекулярное сито" определялось экспериментальным путем с помощью газоанализатора по заданному содержанию кислорода (2-12%) в обогащенной смеси.

Следующее положение системы (см. фиг.3) соответствует повороту золотников распределителей газораспределительного блока еще на 30^o по направлению стрелок.

В адсорберах 1 и 6 продолжается процесс адсорбции. Из адсорбера 5 в адсорбер 2 происходит перепуск. В адсорбере 4 проходит процесс сильного сброса, в адсорбере 3 - процесс регенерации.

Дальнейшее движение золотников обеспечивает полный цикл для всех адсорберов со смещением на 60^o или на время T/N=9 с: перепуск, подача обогащенной смеси с выхода сосуда, работающего в режиме адсорбции, на вход сосуда, вводимого в работу, с последующим переходом в режим адсорбции, перепуск, сильный сброс, регенерация.

При реализации способа, взятого за прототип, было получено до 4 м³/мин газовой смеси, обогащенной азотом (88%) и обедненной кислородом (12%). При реализации предлагаемого способа разделения газовой смеси при одинаковых исходных условиях и том же количестве сорбента без увеличения габаритов установки получили 5 м³/мин газовой смеси, обогащенной азотом (90%) и обедненной кислородом (10%).

Таким образом, производительность предлагаемого способа по сравнению с прототипом увеличилась на 25-30%.

Формула изобретения

1. Способ разделения газовой смеси, включающий пропускание при избыточном давлении смеси через сосуды с сорбентом, имеющим избирательность по отношению к составляющим газовой смеси, работающие попеременно в режимах адсорбции и регенерации, отвод обогащенной смеси, сброс адсорбированной смеси, отличающийся тем, что осуществляют перепуск газовой смеси между сосудом, выводимым из работы, и сосудом, вводимым в работу, количество сорбента Q распределяют по N>1 парам сосудов, где N - количество пар сосудов, работу которых смещают во времени на величину Т/N, где Т - время адсорбции удаляемой газовой смеси, при этом одновременно с подачей газовой смеси на вход сосуда, вводимого в работу, после перепуска, на его выход осуществляют подачу обогащенной смеси с выхода сосуда, работающего в режиме адсорбции, а адсорбированную смесь сбрасывают как со стороны входа, так и со стороны выхода сосуда, выводимого из работы.

2. Установка для разделения газовой смеси, включающая сосуды с сорбентом и газораспределительный блок, отличающаяся тем, что она содержит более одной пары сосудов N>1 с общим количеством сорбента Q, а газораспределительный блок выполнен в виде двух распределителей с плоскими золотниками, установленных соответственно на входе и на выходе установки и соединенных между собой тактовым поворотным механизмом, обеспечивающим работу пар сосудов со смещением во времени на величину Т/N, при этом в золотниках сформированы полости высокого и низкого давления для сброса адсорбированной смеси газов, а в распределителе, установленном на выходе установки, выполнен канал для перепуска газовой смеси и образована полость, обеспечивающая соединение выхода сосуда, работающего в режиме адсорбции, с выходом сосуда, вводимого в работу.

3. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что каждый распределитель с плоским золотником включает поворотный диск с каналами, управляющими направлением прохождения смеси газов, делящий внутреннюю полость распределителя на области сброса газа высокого и низкого давления, герметизирующее кольцо с низким коэффициентом трения и поджимающий цилиндр, расположенные с противоположных сторон поворотного диска, при этом количество каналов в распределителях, установленных на входе и на выходе установки соответственно для подачи смеси газов на вход сосудов и для отвода обогащенной смеси с выхода сосудов, составляет 2•N-1, для сброса адсорбированной смеси при высоком давлении - 2, для сброса адсорбированной смеси при низком давлении - •N-3, а в распределителе, установленном на входе установки, каналы, соединенные с парными сосудами, выводимыми и вводимыми в работу, выполнены глухими.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что плоский золотник распределителя, установленного на входе установки, содержит распределяющий канал, соединяющий входы сосудов, работающих в режиме адсорбции, а плоский золотник распределителя, установленного на выходе установки, содержит собирающий канал, соединяющий выходы сосудов, находящихся в режиме адсорбции.

5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что каждый плоский золотник содержит канал сильного сброса и канал регенерации, соединяющий сосуды, находящиеся в режиме регенерации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4