Способы отделения озона
Изобретение относится к способу отделения озона в ряде промышленных процессов. Способ отделения озона от смеси кислорода и озона посредством подачи смеси к по меньшей мере одному слою адсорбента, содержащему адсорбирующий материал для адсорбции озона. Слой адсорбента может быть одним из четырех слоев адсорбента в непрерывном цикле адсорбции для получения озона, рециркулируя неадсорбированный кислород вместе с подпиточным кислородом к генератору озона или применяя его в качестве продувочного газа. Внешний продувочный газ применяют, чтобы десорбировать озон к процессу потребителя. При наличии четырех слоев, в течение почти всего времени два слоя функционируют в режиме адсорбции, в то время как другие два слоя функционируют в режиме регенерации/производства. Изобретение позволяет создать эффективный и надежный способ, который преодолевает флуктуацию в давлении и концентрации, обычно обнаруживаемые в продуктах от процессов разделения с колебаниями давления (PSA), без необходимости в больших и дорогих буферных резервуарах и который предотвращает накопление слабо адсорбированных компонентов, таких как N2 и Ar, в рециркулируемом газовом потоке. 18 з.п. ф-лы, 8 ил.
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Данная заявка притязает на приоритет по заявке на патент США с порядковым № 15/259775, зарегистрированной 8 сентября 2016 г., и по предварительной заявке на патент США с порядковым № 62/216545, зарегистрированной 10 сентября 2015 г.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ ДАННОМУ ИЗОБРЕТЕНИЮ
[0002] Озон применяют в ряде промышленных процессов, включая обработку и дезинфекцию питьевой воды и сточной воды, отбеливание целлюлозы, реакции озонолиза в производстве чистых химикатов и денитрификации топочных газов.
[0003] Озон является нестабильным, разлагаясь до кислорода при условиях окружающей среды, и поэтому не может быть произведен, транспортирован и сохранен таким же образом, что и типичные коммерческие химические продукты. Вместо этого, озон должен быть произведен на месте использования в то время, когда он является необходимым. Поскольку озон является токсичным материалом, его образование лишь там, где и когда он требуется, ограничивает возможность и потенциальное воздействие аварийных ситуаций.
[0004] Озон обычно образуют из кислорода при применении коронного разряда. Если кислород применяют в качестве источника кислорода для данного генератора озона, то озон при концентрациях от 10 до 15% по массе (остальное кислород) может быть получен. Если воздух применяют в качестве источника кислорода, то озон при концентрациях от 1,5 до 3% (остальное воздух) может быть получен. Для от умеренных до значительных потребностей в озоне, общий капитал плюс эксплуатационные расходы обычно меньше, когда кислород применяют в качестве источника кислорода.
[0005] Озон поэтому часто применяют при 10 масс.% озона при остатке, являющемся в основном кислородом. Уже давно является признанным тот факт, что повторное применение кислорода от смеси озон/кислород, образованной посредством генераторов озона на базе кислорода, могло бы значительно улучшить экономичность образования озона. Многие процедуры были предложены для отделения озона от выходного потока озон/кислород из генератора озона, тем самым предоставляя возможность кислороду быть рециркулированным обратно к генератору озона. В большинстве из этих процедур отделенный озон перемещают в конечный процесс использования озона посредством потока инертного газа. В статье Balcar et al. Ozone Chemistry and Technology, pp 53 to 59, Advances in Chemistry; American Chemical Society, Washington, DC 1959 предложено криогенное ожижение озона, с повторным испарением конденсированного озона в газ-носитель. Kiffer et al (Патент США № 2872397) и Cook et al., Ozone Chemistry and Technology, pp. 44 to 52, Advances in Chemistry; American Chemical Society, Washington, DC 1959 предложили применение силикагелевого адсорбента, чтобы селективным образом адсорбировать озон из смеси озон/кислород после охлаждения потока, при последующей десорбции озона к процессу потребителя посредством инертного газа, такого как воздух, азот, аргон и т.п., или посредством применения вакуума.
[0006] Многие улучшения и вариации в отношении применения селективных адсорбентов были предложены, чтобы сделать возможным рециркулирование неиспользованного кислорода к генератору озона и потоку озона в качестве продукта. Они включают следующие описания изобретения к патенту.
[0007] Патент США № 4786489 имеет целью уменьшение затрат для большого масштаба озона и раскрывает применение низкой температуры (от -80 до -90°C) узла для разделения смеси озон/кислород, которую продувают потоком загрязненного азотного газа-носителя, содержащим кислород и/или воздух, чтобы получить озон в качестве продукта.
[0008] Патент США № 5520887 направлен на уменьшение затрат на образование озона для отбеливания целлюлозы и раскрывает применение генератора кислорода с колебаниями давления (PSA), чтобы предоставлять подачу обогащенного кислорода к генератору озона, применение колебаний давления (PSA) кислорода и озона, чтобы адсорбировать озон и в то же самое время рециркулировать кислород к генератору озона. Отходящий газ, обогащенный азотом, от O2 с колебаниями давления (PSA) применяют, чтобы продувать адсорбированный озон из озона и кислорода с колебаниями давления (PSA) к процессу, потребляющему озон.
[0009] Патент США № 6030598 описывает получение газового потока, содержащего озон, посредством подвергания кислорода электрическому разряду, адсорбирования озона, образованного таким образом, на твердотельном адсорбенте (таком как цеолит), и рециркулирование потока, содержащего кислород, который оставляет адсорбент, к процессу озонирования. Периодически, кислород, адсорбированный на адсорбенте десорбируют посредством прямоточного пропускания продувочного газа поверх адсорбента, и десорбированный кислород также рециркулируют к озонатору. Озон десорбируют из адсорбента посредством противоточного потока продувочного газа и применяют в процессе, требующем озон. Описан 3-слойный (или более многослойный) процесс и цикл, который делает возможным непрерывное производство озона и рециркулированного кислорода, однако все же требуется для каждого слоя выполнять непродуктивную стадию выдерживания в пределах полного цикла.
[0010] Патент США № 6197091 описывает применение системы мембранного разделения озон/кислород, в которой озон проникает через мембрану и переносится газом-носителем, таким как азот, аргон или CO2 в место применения озона, и в то же самое время поток, обогащенный кислородом, рециркулируют к генератору озона.
[0011] Патент США № 6916359 описывает способ предоставления озона при давлении выше атмосферного давления, который включает генератор озона и систему с колебаниями давления (PSA) кислорода и озона. Неадсорбированный кислород от системы с колебаниями давления (PSA) рециркулируют назад к генератору озона и озоновый продукт перемещают в место применения озона посредством потока инертного газа при таком давлении, при котором не требуется дополнительное сжатие. Газом-носителем может являться азот, однако он предпочтительно является сжатым воздухом, применяемым также для питания генератора кислорода с колебаниями давления (PSA), который может быть использован в качестве источника кислорода.
[0012] Патент США № 7766995 направлен на уменьшение стоимости озона, применяемого при удалении и улавливании NOx из промышленных топочных газов и других технологических потоков. Он раскрывает применение средств разделения кислорода и озона, чтобы делать возможным рециркулирование кислорода обратно к генератору озона, и применение чистого сухого воздуха, чтобы переносить озон в промышленный процесс. Оптимальных затрат на производство озона достигают посредством рециркулирования кислорода к генератору озона, применения самого дешевого возможного газа-носителя, чтобы переносить озон к месту применения, и уменьшение используемой мощности в генераторе озона посредство функционирования генератора при более низких концентрациях озона, чем нормальная (например, 6%).
[0013] Многочисленные попытки были сделаны, чтобы разработать способ уменьшения стоимости образования озона из кислорода посредством утилизации неиспользованного кислорода и рециркулирования этого потока назад для образования озона, однако при ограниченных коммерческих затратах.
[0014] Имеется потребность в эффективном и надежном способе, который преодолевает флуктуации в давлении и концентрации, обычно обнаруживаемые в продуктах от процессов разделения с колебаниями давления (PSA), без необходимости в больших и дорогих буферных резервуарах, и который предотвращает накопление слабо адсорбированных компонентов, таких как N2 и Ar, в рециркулируемом газовом потоке. Способ по данному изобретению предоставляет решение этих проблем.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0015] В первом варианте осуществления данного изобретения раскрыт способ непрерывного получения озона и извлечения кислорода в процессе циклической адсорбции с продувкой с четырьмя слоями адсорбента, в котором каждый из первого, второго, третьего и четвертого слоев циркулируют последовательно на протяжении следующих стадий в совмещенном цикле:
a) подача смеси кислорода и озона из генератора озона к первому слою, где озон адсорбируют в первом слое, и неадсорбированный кислород проходит через первый слой и его рециркулируют назад к генератору озона;
b) прием промывочного газа в противоточном направлении к стадии a) от третьего слоя на стадии d), десорбируя тем самым озон из первого слоя к процессу потребителя;
c) подача продувочного газа, обогащенного азотом, в противоточном направлении к стадии a), десорбируя тем самым остаточный озон из первого слоя к процессу потребителя;
d) подача смеси кислорода и озона из генератора озона к первому слою в том же направлении, что и на стадии a), посредством чего озон адсорбируют в первом слое, и неадсорбированный кислородный промывочный газ вытесняет продувочный газ, обогащенный азотом, из первого слоя и подает вытесненный продувочный газ, обогащенный азотом, к третьему слою теперь на стадии b), приготавливая первый слой к повторению стадии a);
e) подача смеси кислорода и озона из генератора озона ко второму слою, где озон адсорбируют во втором слое, и неадсорбированный кислород проходит через второй слой и его рециркулируют назад к генератору озона;
f) прием промывочного газа в противоточном направлении к стадии e) от четвертого слоя на стадии h), десорбируя тем самым озон из второго слоя к процессу потребителя;
g) подача продувочного газа, обогащенного азотом, в противоточном направлении к стадии e), десорбируя тем самым остаточный озон из второго слоя к процессу потребителя;
h) подача смеси кислорода и озона из генератора озона ко второму слою в том же направлении, что и на стадии e), посредством чего озон адсорбируют во втором слое, и неадсорбированный кислородный промывочный газ вытесняет продувочный газ, обогащенный азотом, из второго слоя и подает вытесненный продувочный газ, обогащенный азотом, к четвертому слою теперь на стадии f), приготавливая второй слой к повторению стадии e);
где стадии e) по h) смещены по времени от стадий a) по d) таким образом, что начало стадий a) и c) перекрывается с концом стадий e) и g) и конец стадий a) и c) перекрывается с началом стадий e) и g).
[0016] Часть промывочного газа может быть выпущена в атмосферу в начале стадий d) и h).
[0017] Подпиточный кислород смешивают с рециркулированным кислородом перед тем, как его подают в генератор озона.
[0018] Смесь рециркулированного кислорода и подпиточного кислорода подают посредством нагнетателя, чтобы увеличить ее давление перед подачей в генератор озона.
[0019] Смесь рециркулированного кислорода и подпиточного кислорода пропускают через встроенный узел разложения озона перед подачей к нагнетателю.
[0020] Газовая смесь кислорода и озона, которую подают к слоям адсорбента, содержит около от 1 до 30% по объему озона.
[0021] Более предпочтительно, газовая смесь кислорода и озона, которую подают к слоям адсорбента, содержит около от 6 до 12% по объему озона.
[0022] Одним из источников азота является чистый сухой воздух.
[0023] Буферные резервуары соединены с источником, выбранным из группы, состоящей из извлеченного озона, рециркулированного кислорода и их обоих.
[0024] Первый, второй, третий и четвертый слои адсорбента содержат адсорбирующий материал.
[0025] Адсорбирующий материал является выбранным из группы, состоящей из силикагеля и высококремнеземных цеолитов.
[0026] Силикагель может иметь разный размер частиц, при гранулах большего размера, расположенных в слоях на входном и выходном концах адсорбционных слоев.
[0027] Высококремнеземные цеолиты выбраны из группы, состоящей из DAY, MFI и деалюминированного морденита.
[0028] Цикл является циклом адсорбции с колебаниями концентрации.
[0029] Продолжительности стадий a) и c) и e) и g) являются одинаковыми и находятся в интервале от 5 до 500 секунд, предпочтительно в интервале от 50 до 300 секунд и более предпочтительно в интервале от 60 до 180 секунд.
[0030] Продолжительности стадий b) и d) и f) и h) являются одинаковыми и находятся в интервале от 5 до 90% от стадии a), более предпочтительно в интервале от 30 до 80% от стадии a).
[0031] Дополнительные преимущества данного изобретения рассмотрены ниже. Адсорбент, предпочтительно слой силикагеля, сформирован при применении частиц разного размера для отделения озона от смеси кислорода и озона. В качестве альтернативы, высококремнеземные цеолиты, такие как DAY, MFI или деалюминированный морденит могут быть применены вместо силикагеля.
[0032] Выпуск загрязняющих веществ от данного процесса будет ограничивать создание загрязняющих веществ и вредных углеводородов, которые могут вызывать повреждение генератора озона.
[0033] Стадия продувки слоя делает возможным повторное применение продувочного газа и сохраняет газообразный кислород по сравнению с другими процессами.
[0034] Данный способ применяет четыре слоя, однако циклы с восемью и двенадцатью слоями при применении аналогичных стадий могут быть также применены.
[0035] Регенерация слоя адсорбента при применении продувочного газа при повышенной температуре не более чем 100°C улучшает регенерацию и может быть применена, чтобы доставлять озон при более высоких концентрациях, а также потенциально уменьшать размер слоя адсорбента.
[0036] Адсорбция смеси озона и кислорода может происходить при температурах вплоть до 0°C, уменьшая тем самым размер слоев адсорбента.
[0037] Материал, подаваемый к генератору озона и/или первому слою адсорбента, может быть сжат до величин давления вплоть до 50 фунтов на кв. дюйм изб. давления (3,44 бар), чтобы увеличить адсорбционную способность адсорбента, уменьшая тем самым размер слоев адсорбента.
[0038] Применение встроенного узла деструкции озона в линии для рециркулированного кислорода будет предотвращать проскок озона из слоев адсорбента, чтобы минимизировать повреждение оборудования ниже по потоку.
[0039] Продувочный газ может быть потоком сухого воздуха или другого газа, обогащенного азотом, с точкой росы -80°F (-62°C) или ниже.
[0040] Слои могут быть снабжены внутренним источником нагревания или охлаждения, чтобы максимизировать применение адсорбирующего материала.
[0041] В качестве альтернативы, подача к слою адсорбента может быть от верхней стороны слоя, и продувка может быть выполнена со стороны нижней части слоя адсорбента.
[0042] Внешний буферный резервуар для озона может быть применен, в линии для передачи озона в качестве продукта к процессу потребителя, чтобы уменьшить колебания в чистоте озона.
[0043] Четырехслойный способ может являться непрерывным средством для удаления озона из газовой смеси озона и кислорода, наряду с минимизированием воздействия колебаний давления или концентрации в газообразном рециркулированном кислороде и озоне в качестве газообразного продукта.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0044] Фиг. 1 является схематическим представлением четырехслойного процесса по данному изобретению для извлечения кислорода из газовой смеси озона и кислорода.
[0045] Фиг. 2 является схематическим представлением циклических стадий для процесса четырехслойного извлечения кислорода.
[0046] Фиг. 3 является таблицей функционирования клапанов, иллюстрирующей положения клапанов на Фиг. 1 на различных последовательных стадиях цикла.
[0047] Фиг. 4 является схематическим представлением, иллюстрирующим стадию 1 для слоя D по Фиг. 1.
[0048] Фиг. 5 является схематическим представлением, иллюстрирующим стадию 2 для слоя D по Фиг. 1.
[0049] Фиг. 6 является схематическим представлением, иллюстрирующим стадию 3 для слоя D по Фиг. 1.
[0050] Фиг. 7 является схематическим представлением, иллюстрирующим стадию 4 для слоя D по Фиг. 1.
[0051] Фиг. 8 является схематическим представлением, иллюстрирующим стадию 5 для слоя D по Фиг. 1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ДАННОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0052] Способ по данному изобретению является процессом адсорбции для отделения озона из смеси кислорода и озона в процессе с применением четырех адсорбционных слоев. Предполагают, что процесс может быть расширен, чтобы включать восемь или двенадцать слоев при применении аналогичной последовательности стадий, что и для четырех слоев, как рассмотрено ниже.
[0053] Способ по данному изобретению применяет силикагель в качестве адсорбирующего материала, чтобы адсорбировать озон. Этот адсорбирующий материал предназначен для того, чтобы иметь низкое загрязнение металлом, чтобы предотвращать разложение молекул озона обратно до молекул кислорода. Обычно адсорбирующий материал является выбранным из группы, состоящей из силикагеля и высококремнеземных цеолитов, таких как DAY, MFI или деалюминированный морденит. Общие слои, которые идентифицированы на Фиг. 1 в качестве A, B, C и D, имеют три слоя силикагеля различных размеров.
[0054] Первый слой в нижней части общего слоя содержит частицы больших размеров с размером от 3 до 5 миллиметров. Этот слой спроектирован частично, чтобы предоставлять возможность более высокого первоначального потока газа, подаваемого в процесс, без риска псевдожижения слоя. Этот слой составляет от 5 до 15% от общей массы силикагелевого адсорбента, применяемого в процессе.
[0055] Второй слой от нижней части или средний слой имеет меньший размер частиц и посредством этого высокую адсорбционную способность и более быструю диффузионную кинетику, что делает возможными более быстрые циклические стадии. Данные меньшие размеры частиц составляют обычно от 0,5 до 1,5 миллиметров. Эти частицы будут предоставлять возможность улучшенного распределения газа вследствие более высокого перепада давления.
[0056] Верхний слой имеет больший размер частиц. Этот слой будет составлять от 5 до 15% от общей массы адсорбента, применяемого в процессе. Больший размер частиц делает возможной более низкую подверженность флюидизации верхнего слоя. Эти частицы обычно имеют размер от 3 до 5 миллиметров.
[0057] Слои спроектированы таким образом, чтобы функционировать при перепаде давления около от 0,5 до 2,5 фунтов на кв. дюйм (psi) (3,4-17 кПа) в процессе эксплуатации.
[0058] Фиг. 1 схематическим изображением четырехслойного извлечения кислорода по данному изобретению.
[0059] Пополняющий кислород подают в систему через линию 20 где его смешивают с рециркулированным кислородом от слоев. Объединенный кислород поток подают посредством нагнетателя 9 к генератору 7 озона. Генератор озона будет генерировать озон при концентрациях от 1 до 30%, предпочтительно от 5 до 15%, наиболее предпочтительно от 8 до 10% по объему, который затем подают по линии 30 коллектора, применяемого для подачи смесей кислород/озон к нижним слоям адсорбента. Озон адсорбируют внутри выбранного слоя или слоев адсорбента. Линия 40 собирает кислород, который проходит неадсорбированным через верхние части выбранных слоев и рециркулирует этот поток назад к входу нагнетателя 9, где он смешивается с пополняющим кислородом. Линия 50 подает к верхним частям слоев внешний продувочный газ, обогащенный азотом, который применяют, чтобы десорбировать озон из указанного слоя или слоев. Линия 60 собирает озон в качестве продукта из нижней части слоев и направляет его к процессу потребителя. Коллектор 70 предоставляет возможность газу, обогащенному кислородом, проходить от верхней части первого слоя к верхней части второго слоя, удаляя тем самым остаточный азот из указанного второго слоя и необязательно делая возможным удаление наружу через клапан 6 любых загрязняющих веществ или избыточных инертных газов.
[0060] X представляет общий слой адсорбента, который может быть любым из A, B, C или D, как изображено на Фиг. 1. Таким же образом, ссылка на номер клапана, предшествующего X, должна интерпретироваться как являющаяся для этого номера клапана для любого из общих слоев A, B, C или D.
[0061] Каждый общий слой X (X =A, B, C или D) имеет 2 клапана, контролирующих протекание газа в нижней части(X4 и X5) и 3 клапана в верхней части (X1, X2 и X3). Для определенного слоя, X, лишь один клапан открыт на верхней части и один клапан открыт на нижней части в одно и то же время. Клапаны X4 соединяют нижнюю часть слоя X с коллектором кислород/озон, линия 30, клапаны X1 соединяют верхнюю часть слоя X с линией 40 рециркулирования кислорода. Клапаны X3 соединяют верхнюю часть слоя X с линией 50 протекания внешнего продувочного газа, обогащенного азотом. Клапаны X5 соединяют нижние части слоя с линией 60, линией подачи озона в качестве продукта потребителю. Клапаны X2 соединяют верхнюю часть слоя X с коллектором 70, который делает возможным перемещение газа между верхними частями двух из слоев и необязательно удаление его наружу посредством клапана 6.
[0062] Фиг. 2 отображает последовательность стадий, который выполняют в процессе четырехслойного извлечения кислорода по данному изобретению.
[0063] На стадии 1 процесса S1, газ, подаваемый от генератора озона, поступает в слой X через клапан X-4. Озон в подаваемом газе селективно адсорбируется на адсорбенте в слое X. Извлеченный кислород проходит через слой X и через клапан X-1 и направляется в контур для рециркуляции. В контуре для рециркуляции, извлеченный кислород смешивают с подпиточным кислородом. Результирующий кислород затем сжимают посредством нагнетателя, чтобы устранить потерю давления в системе, и подают к генератору озона.
[0064] После того, как слой насыщен озоном в S1, и непосредственно перед тем, как озон начинает прорываться через слой адсорбента X, инициируют стадию 2 (S2) цикла. Поток первоначально обогащенного азотом продувочного газа из другого слоя подают к верхней части слоя X через клапан X2. Продувочный газ поступает из слоя, который был только что переключен на подаваемый газ кислород/озон и находится при выполнении стадии 4 (S4) и стадии 5 (S5) в это время. Продувочный газ вызывает десорбирование озона, адсорбированного в слое X, и проходит через клапан X5, чтобы предоставить озон в качестве продукта потребителю.
[0065] После завершения S2, поток внешнего продувочного газа водят в верхнюю часть слоя X через клапан X3 на стадии 3 (S3). Этот внешний продувочный газ может быть сухим воздухом или любым другим сухим газом, обогащенным азотом, с точкой росы менее чем -80°F (-62°C). Продувочный газ дополнительно десорбирует озон на слое адсорбента X и проходит через клапан X5 в качестве продукта таким же образом, который аналогичен стадии S2.
[0066] Когда озон в достаточной мере был десорбирован от слоя адсорбента X, в заключение стадии S3, газ, подаваемый от генератора озона, повторно вводят через клапан X4. Это начинает стадию 4 (S4). На стадии S4, в отличие от S1, результирующий неадсорбированный газ на верхней части слоя X первоначально имеет большее содержание азота от стадии продувки S3. Этот газ применяют в качестве продувочного газа для другого слоя через клапан X2. Также часть этого газа выпускают от процесса через выпускной клапан, чтобы предотвратить накаливание нежелательных загрязняющих веществ, таких как аргон, углеводороды или вода в рециркулируемом газообразном кислороде.
[0067] Этот короткий выпуск загрязняющих веществ является единственным различием между S4 и стадией 5 (S5). На стадии S5, выпускной клапан обозначенный как клапан 6 на Фиг. 1, закрыт, и продувочный газ от слоя адсорбента X продолжает протекать в качестве продувочного газа к другому слою. Поскольку стадии S4 и S5 продолжаются при остаточном азоте в слое X, вытесненном адсорбированным озоном и неадсорбированным кислородом, то в конце стадии 5, слой X находится в корректном состоянии, чтобы возобновить цикл на стадии 1.
[0068] Продолжительность стадии 4 зависит от природы и количества примесей, которые могут быть допущены к подаче к генератору озона. При некоторых обстоятельствах эта стадия может быть опущена или использована лишь периодическим образом, например, один раз каждые x циклов. Продолжительность стадии 4 совместно со стадией 5 или одной стадии 5, если стадия 4 не включена, зависит от уровня азота, требующегося для подачи к генератору озона.
[0069] Фиг. 3 является общим представлением последовательности стадий процесса адсорбции S1 по S5 в зависимости от состояния клапанов, являющегося либо «o» (открытым), либо «c» (закрытым). Клапаны идентифицированы как те, что представлены на Фиг. 1 (X-1, X-2, X-3, X-4 и X-5, где X может быть одним или несколькими из A, B, C или D и клапана 6). Последовательность стадий идентифицирована как S1, S2, S3, S4 и S5, которые рассмотрены выше при ссылке на Фиг. 2.
[0070] Рассмотрение Фиг. 3 показывает, что единственный цикл по этому изобретению может быть рассмотрен в качестве интеграции двух циклов 2 слоев, смещенных по времени, чтобы обеспечить то, что давления и концентрации рециркулированного кислорода и озона в качестве продукта отвечают как требованиям в отношении генератора озона, так и процессу потребителя без необходимости в больших буферных резервуарах. Слои A и C, и B и D образуют эти два подмножества слоев. Когда слой A находится на стадии S1 цикла, слой C находится на стадии S3, и наоборот. Когда слой A находится на стадии S2, тогда слой C подвергается стадиям S4 и S5, и наоборот. Аналогичным образом, когда слой B находится на стадии S1 цикла, слой D находится на стадии S3, и наоборот. Когда слой B находится на стадии S2, тогда слой D подвергается стадиям S4 и S5, и наоборот. Стадия внутренней продувки S2 в сопоставлении с S4/S5 для слоев A и C происходит в середине стадий рециркулирования кислорода и производства озона S1/S3 для слоев B и D, и наоборот. В дополнение, для обеих стадий S1 и S3, смещенные циклы подмножества слоев, A/C и B/D, обеспечивают то, что, например, последняя часть слоя A на стадии S1 перекрывается с первой частью слоя B на стадии S1, последняя часть слоя B на стадии S1 перекрывается с первой частью слоя C на стадии S1, последняя часть слоя C на стадии S1 перекрывается с первой частью слоя D на стадии S1, последняя часть слоя D на стадии 1 перекрывается с первой частью слоя A на стадии S1, и т.д., и подобным образом для стадии 3.
[0071] Продолжительность стадии для стадии S1 равна продолжительности стадии для стадии S3, и находится в интервале от 5 до 500 секунд, предпочтительно от 50 до 300 секунд и наиболее предпочтительно от 60 до 180 секунд.
[0072] Продолжительность стадии для стадии S2 равна сумме продолжительностей стадий для стадий S4 и S5 и находится в интервале от 5 до 90% от продолжительности стадии для стадии S1, предпочтительно от 30 до 80% от продолжительности S1.
[0073] 4-слойный цикл по данному изобретению делает возможным непрерывное производство рециркулируемого кислорода и озона во внешнем потоке продувочного газа. Выполнение цикла в режиме с колебаниями концентрации, т.е. с минимальными колебаниями давления или температуры между стадиями адсорбции и десорбции, обеспечивает то, что величины давления двух потоков продуктов остаются приблизительно постоянными. Этот режим работы, вместе с новыми совмещенными стадиями, предоставляет возможность функционирования системы без необходимости в больших буферных резервуарах.
[0074] Небольшие буферные резервуары могут, тем не менее, быть добавлены к одной или обеим из линий для рециркулирования кислорода и для озона в качестве продукта, для того, чтобы отвечать строгим требованиям, установленным производителем генератора озона или потребителем озона.
[0075] Регенерация слоя адсорбента при применении продувочного газа при повышенной температуре не более чем 100°C улучшает регенерацию и может быть применена, чтобы доставлять озон при более высоких концентрациях, а также потенциально уменьшать размер слоя адсорбента.
[0076] Адсорбция смеси озона и кислорода может происходить при температурах вплоть до 0°C, уменьшая тем самым размер слоев адсорбента.
Материал, подаваемый к генератору озона, может быть сжат до величин давления вплоть до 50 фунтов на кв. дюйм изб. давления (3,44 бар), чтобы увеличить адсорбционную способность адсорбента, уменьшая тем самым размер слоев адсорбента.
[0077] Фигуры с 4 по 8 являются отдельными частными схемами для каждой стадии с S1 по S5, описанных выше, представленными более детально, как проиллюстрировано в качестве примера для слоя адсорбента D.
[0078] На Фиг. 4, слой адсорбента D находится на стадии S1 подачи и рециркулирования. Подпиточный кислород подают через линию 20 к нагнетателю 9, который будет доставлять сжатый кислорода по линии 22 к генератору 7 озона. Результирующую смесь озона и кислорода подают по линии 24 и открытый клапан D4 через линию 30 к слою адсорбента D, где озон адсорбируют, и кислород подают по линии 40 и открытый клапан D1 назад к линии 20, чтобы соединить с подачей подпиточного кислорода.
[0079] На Фиг. 5, слой адсорбента D находится на стадии продувки слоя, S2. Линия 70 доставляет продувочный газ, который удален от верхней части слоя B и поступает через открытый клапан D2 в слой адсорбента D, где он будет выносить часть озона, адсорбированного от S1. Озон оставляет слой адсорбента D по линии 32 и открытый клапан D5 к линии 62, где он будет собираться в линии 60 и доставляться к процессу потребителя.
[0080] На Фиг. 6, слой адсорбента D находится на третьей стадии S3, которая является стадией внешней продувки. Внешний продувочный газ, который содержит воздух или другой газ, обогащенный азотом, подают по линии 50 и открытый клапан D3 через линию 52 в слой адсорбента D, где он будет выносить адсорбированный озон из адсорбента и будет подаваться по линии 32 и открытый клапан D5 к линии 62, где озон может быть собран в линии 60 и доставляться к процессу потребителя.
[0081] Фиг. 7 представляет стадию S4 подачи продувочного газа и удаления для слоя адсорбента D. Рециркулированный кислород от линии 40 смешивают с подпиточным кислородом от линии 20 перемещения кислорода, который был применен при образовании озона и промывке, и подают к нагнетателю 9, который будет доставлять сжатый кислород по линии 22 к генератору 7 озона. Результирующую смесь озона и кислорода подают по линии 24 и открытый клапан D4 к слою адсорбента D через линию 30.
[0082] Кислорода будет выходить от слоя адсорбента D посредством линии 72 и открытого клапана D2 после того, как озон адсорбирован из смеси кислорода и озона. Кислород будет подаваться по линии 72 к линии 70, где он будет направлен к верхней части другого слоя, B, который находится на стадии S2, где он будет действовать, чтобы продувать этот слой, а также подаваться через открытый клапан 6 для выпуска в атмосферу.
[0083] На Фиг. 8, слой адсорбента D находится на стадии 5, которая является стадией S5 подачи продувочного газа. Рециркулированный кислород от линии 40 смешивают с подпиточным кислородом от линии 20 перемещения кислорода, который был применен при образовании озона и промывке, и подают к нагнетателю 9, который будет доставлять сжатый кислород по линии 22 к генератору 7 озона. Результирующую смесь озона и кислорода подают по линии 24 и открытый клапан D4 через линию 30 к слою адсорбента D.
[0084] Кислород, который был отделен от смеси кислорода и озона, будет оставлять верхнюю часть слоя адсорбента D посредством линии 72 и открытого клапана D2, где он будет подаваться к верхней части слоя B, чтобы проталкивать азот первоначально в слое D в конце стадии S3 через слой B и в озон в качестве продукта и оставлять кислород в газовом пространстве в слое D, готовом для перезапуска цикла на стадии S1.
[0085] Наряду с тем, что данное изобретение было описано в отношении конкретных вариантов его осуществления, ясно, что многочисленные другие формы и модификации данного изобретения будут очевидными для специалистов в данной области техники. Прилагаемая формула изобретения должна истолковываться как покрывающая все такие очевидные формы и модификации, которые находятся в пределах сущности и объема данного изобретения.
1. Способ непрерывного получения озона и извлечения кислорода в процессе циклической адсорбции с продувкой с четырьмя слоями адсорбента, в котором каждый из первого, второго, третьего и четвертого слоев циркулируют последовательно через следующие стадии в совмещенном цикле:
a) подача смеси кислорода и озона из генератора озона к первому слою, где озон адсорбируют в первом слое, и неадсорбированный кислород проходит через первый слой и его рециркулируют назад к генератору озона;
b) прием промывочного газа в противоточном направлении к стадии a) от третьего слоя на стадии d), десорбируя тем самым озон из первого слоя к процессу потребителя;
c) подача продувочного газа, обогащенного азотом, в противоточном направлении к стадии a), десорбируя тем самым остаточный озон из первого слоя к процессу потребителя;
d) подача смеси кислорода и озона из генератора озона к первому слою в том же направлении, что и на стадии a), посредством чего озон адсорбируют в первом слое, и неадсорбированный кислородный промывочный газ вытесняет продувочный газ, обогащенный азотом, из первого слоя и подает вытесненный продувочный газ, обогащенный азотом, к третьему слою на стадии b), приготавливая первый слой к повторению стадии a);
e) подача смеси кислорода и озона из генератора озона ко второму слою, где озон адсорбируют во втором слое, и неадсорбированный кислород проходит через второй слой и его рециркулируют назад к генератору озона;
f) прием промывочного газа в противоточном направлении к стадии e) от четвертого слоя на стадии h), десорбируя тем самым озон из второго слоя к процессу потребителя;
g) подача продувочного газа, обогащенного азотом, в противоточном направлении к стадии e), десорбируя тем самым остаточный озон из второго слоя к процессу потребителя;
h) подача смеси кислорода и озона из генератора озона ко второму слою в том же направлении, что и на стадии e), посредством чего озон адсорбируют во втором слое, и неадсорбированный кислородный промывочный газ вытесняет продувочный газ, обогащенный азотом, из второго слоя и подает вытесненный продувочный газ, обогащенный азотом, к четвертому слою на стадии f), приготавливая второй слой к повторению стадии e);
где стадии e) по h) смещены по времени от стадий a) по d) таким образом, что начало стадий a) и c) перекрывается с концом стадий e) и g) и конец стадий a) и c) перекрывается с началом стадий e) и g).
2. Способ по п. 1, дополнительно включающий выпуск части промывочного газа в атмосферу в начале стадии d) и стадии h).
3. Способ по п. 1, в котором подпиточный кислород смешивают с рециркулированным кислородом перед тем, как его подают в генератор озона.
4. Способ по п. 3, в котором смесь рециркулированного кислорода и подпиточного кислорода подают посредством нагнетателя, чтобы увеличить ее давление перед подачей в генератор озона.
5. Способ по п. 3, в котором смесь рециркулированного кислорода и подпиточного кислорода пропускают через встроенный узел разложения озона перед подачей к нагнетателю.
6. Способ по п. 1, где газовая смесь кислорода и озона, которую подают к слоям адсорбента, содержит от 1 до 30% по объему озона.
7. Способ по п. 6, где газовая смесь кислорода и озона, которую подают к слоям адсорбента, содержит от 6 до 12% по объему озона.
8. Способ по п. 1, где источник азота представляет собой чистый сухой воздух.
9. Способ по п. 1, где буферные резервуары соединены с источником, выбранным из группы, состоящей из извлеченного озона, рециркулированного кислорода и их обоих.
10. Способ по п. 1, где первый, второй, третий и четвертый слои адсорбента содержат адсорбирующий материал.
11. Способ по п. 10, где адсорбирующий материал выбран из группы, состоящей из силикагеля и высококремнеземных цеолитов.
12. Способ по п. 11, где силикагель является различным по размерам частиц.
13. Способ по п. 11, где высококремнеземные цеолиты выбраны из группы, состоящей из DAY, MFI и деалюминированного морденита.
14. Способ по п. 1, где цикл является циклом адсорбции с колебаниями концентрации.
15. Способ по п. 1, где продолжительности стадий a) и c) и стадий e) и g) являются одинаковыми и находятся в интервале от 5 до 500 секунд.
16. Способ по п. 1, где продолжительности стадий a) и c) и стадий e) и g) являются одинаковыми и находятся в интервале от 50 до 300 секунд.
17. Способ по п. 1, где продолжительности стадий a) и c) и стадий e) и g) являются одинаковыми и находятся в интервале от 60 до 180 секунд.
18. Способ по п. 1, где продолжительности стадий b) и d) и стадий f) и h) являются одинаковыми и находятся в интервале от 5 до 90% от стадии a).
19. Способ по п. 1, где продолжительности стадий b) и d) и стадий f) и h) являются одинаковыми и находятся в интервале от 30 до 80% от стадии a).
