ДЫХАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА МЕМБРАННОГО ТИПА СО СЖАТЫМ ВОЗДУХОМ
BREATHING SYSTEM OF MEMBRANE TYPE WITH COMPRESSED AIR

Область техники
Изобретение в основном относится к дыхательной системе мембранного типа со сжатым воздухом и к способу ее использования, в частности, к мембранному разделителю, в котором для продувки используется поток очищенного наружного воздуха.
Уровень техники
Известно, что сжатый воздух, используемый в различных областях, в частности, в дыхательных воздушных системах, при упаковке пищевых продуктов, в фармацевтических лабораториях и при производстве интегральных схем, может подвергаться обработке для удаления загрязнений и водяного пара. Сжатый воздух для дыхания может быть получен с помощью системы очистки воздуха для дыхания. Система очистки воздуха для дыхания может применяться для осуществления двух основных функций: осушения для удаления из необработанного воздуха избытков влаги и очистки для удаления из необработанного воздуха твердых частиц, аэрозольных частиц масел и паров углеводородов. Также функция очистки может заключаться в удалении из воздуха монооксида углерода путем превращения его в диоксид углерода.
Для подачи очищенного сжатого воздуха для дыхания в маски, шлемы и капюшоны могут использоваться мобильные и стационарные системы очистки воздуха. Системы со сжатым воздухом для дыхания могут применяться для обеспечения очищенным воздухом работников, занятых в таких сферах, как пожаротушение, пескоструйная обработка, окраска распылением, уборка разливов химических реагентов, сварка, шлифовальные работы, очистка труб и резервуаров и в других подобных видах деятельности, когда повторяющееся воздействие неочищенного воздуха может представлять угрозу для здоровья работника. Федеральные правила требуют, чтобы сжатый воздух для дыхания применялся в условиях, когда неочищенный воздух может явиться причиной немедленного физического дискомфорта, может вызывать хронические отравления после повторяющегося воздействия или острые неблагоприятные физиологические проявления после длительного воздействия.
В стандартных системах очистки воздуха для дыхания для осушения сжатого воздуха обычно применяются влагопоглотители или технология осушения охлаждением. Устройства обоих таких типов не являются портативными и требуют для функционирования наличия электричества или сложного и дорогого пневматического управления. Желательно создание портативной системы очистки воздуха для дыхания, имеющей низкую стоимость изготовления и не требующую наличия каких-либо внешних средств обеспечения (помимо сжатого воздуха) в процессе удаления из сжатого воздуха воды, жидких масел, жидких загрязнителей, паров масел, монооксида углерода и различимых запахов.
Кроме того, некоторые стандартные системы очистки воздуха, в которых используются влагопоглощающие осушающие устройства, для эффективного функционирования требуют прокачки (продувки) воздухом. Если воздух для продувки забирается из точки, находящейся в системе до узла очистки воздуха, то такой продувочный воздух может содержать смертельно опасные загрязнители, такие как монооксид углерода. Такой продувочный воздух затем удаляется из системы непосредственно в окружающую среду, потенциально загрязняя ее. Необходима разработка такой системы очистки воздуха, которая вырабатывала бы воздух для дыхания, соответствующий Закону о технике безопасности и гигиене труда (OSHA) категории D, не загрязняя при этом зону, в которой такая система установлена, или окружающую среду.
Раскрытие изобретения
Указанные выше требования в значительной степени удовлетворяются настоящим изобретением, в одном из вариантов реализации которого для придания воздуху для дыхания категории качества D (согласно OSHA) используется система очистки воздуха для дыхания, в которой использованный для продувки мембранного фильтра отработанный поток не загрязняет область, где установлена эта система. Такое усовершенствование системы очистки воздуха для дыхания обеспечивается за счет использования мембранного осушителя, в котором для продувки используется поток очищенного наружного воздуха. Впуск продувочного потока осуществляется по потоку за мембранным осушителем и после обработки воздуха в каталитическом фильтре, в котором из него удаляется монооксид углерода (СО).
Таким образом, во всех вариантах осуществления изобретения используется устройство для очистки воздуха для дыхания, в котором продувочный поток не содержит монооксида углерода. Водяной пар удаляется из потока сжатого воздуха с помощью мембранного осушителя, содержащего мембранный фильтр, имеющий области для проникшего и непроникшего газа, корпус для размещения в нем мембранного фильтра, впускной питающий трубопровод, связанный с мембранным фильтром, и трубопровод отвода непроникшего газа, соединенный по текучей среде с областью непроникшего газа мембранного фильтра. В центральной части мембранного фильтра может быть выполнен перепускной канал для передачи части получаемого непроникшего газа из области для непроникшего газа к трубопроводу отвода непроникшего газа.
Предпочтительно для установки мембранного разделительного блока используется кронштейн для крепления фильтров.
Для обеспечения возможности использования внешнего продувочного потока корпус мембранного фильтра предпочтительно выполнен T-образного типа.
Продувочный поток, используемый для очистки внешней поверхности проницаемой части мембранного осушителя, может отбираться от каталитического фильтра. Каталитический фильтр включает в себя картридж со слоем катализатора, две концевые детали, удерживающие картридж со слоем катализатора внутри корпуса и имеющие выпускные отверстия, впускной трубопровод катализатора, соединенный со слоем катализатора, и трубопровод отвода получаемого газа, соединенный с выпускными отверстиями.
Предпочтительно каталитический фильтр содержит индикатор влажности и заглушенный разъем для подключения устройства контроля за содержанием монооксида углерода.
Устройство содержит также впускную продувочную трубу, соединяющую по текучей среде блок каталитического фильтра с областью проникшего газа мембранного фильтра. Таким образом, от блока каталитического фильтра к мембранному разделительному блоку протекает поток продувочного газа, по существу не содержащего монооксида углерода.
Предпочтительно устройство очистки воздуха для дыхания может содержать расположенный в корпусе мембранного фильтра впускной продувочный трубопровод, обеспечивающий прохождение продувочного газа внутрь корпуса мембранного блока.
Кроме того, устройство очистки воздуха для дыхания может иметь дросселирующее отверстие для дозирования расхода продувочного газа, поступающего в область для проникшего газа мембранного фильтра.
Предпочтительно для установки блока фильтра-катализатора используется кронштейн для крепления фильтров.
Предпочтительно с впускной продувочной трубой по текучей среде соединен продувочный фильтр, например, из спеченной бронзы.
Предпочтительно устройство содержит также фитинг катализатора с трубной резьбой, который соединен с корпусом каталитического фильтра с образованием уплотнения за счет плотной подгонки. Устройство также может содержать соединительную деталь для соединения трубной резьбой фитинга катализатора с впускной продувочной трубой.
В некоторых вариантах осуществления изобретения для очистки сжатого воздуха перед его обработкой в мембранном осушителе могут использоваться фильтры предварительной очистки. В связи с этим устройство для очистки воздуха может включать в себя по меньшей мере один фильтр предварительной очистки, расположенный перед мембранным разделительным блоком.
Кроме того, устройство для очистки воздуха может содержать фильтр с активированным углем, углем, расположенный по потоку за каталитическим фильтром, и пылепоглощающий фильтр, расположенный по потоку за фильтром с активированным углем.
В другом варианте осуществления изобретения устройство для очистки воздуха для дыхания, использующее не содержащий монооксида углерода продувочный поток, включает в себя мембранное разделительное устройство, включающее в себя разделительное средство для отделения области для проникшего газа от области непроникшего газа, корпус для размещения в нем разделительного средства, впускное средство для подачи исходного газа и выпускное средство для отвода получаемого непроникшего газа. Устройство также включает в себя каталитический фильтр, включающий в себя картридж для размещения в нем слоя катализатора, концевые детали для удержания картриджа внутри корпуса и имеющие выходы для отвода обработанного катализатором газа, и впускное средство для введения получаемого непроникшего газа в слой катализатора. Устройство также содержит впускное продувочное средство, соединяющее каталитический фильтр с областью для проникшего газа мембранного разделительного устройства.
Еще один из вариантов осуществления настоящего изобретения относится к способу очистки воздуха для дыхания, включающему в себя удаление водяного пара из потока сжатого воздуха в мембранном разделительном блоке путем подачи потока сжатого воздуха в устройство, отделения проникшей части потока сжатого воздуха от непроникшей части и отвода получаемого непроникшего газа из мембранного разделительного блока. Данный способ также включает в себя удаление монооксида углерода из непроникшего газа в блоке каталитического фильтра путем введения непроникшего газа в слой катализатора, размещенный внутри картриджа, установленного в корпусе каталитического фильтра с помощью концевых деталей, имеющих выпускные отверстия для отвода обработанного катализатором выпускного газа из блока каталитического фильтра. Наконец, способ включает в себя подачу обработанного катализатором газа из блока каталитического фильтра в область проникшего газа мембранного разделительного блока через впускной продувочный трубопровод, причем обработанный катализатором газ является по существу не содержащим монооксида углерода.
Таким образом, некоторые варианты осуществления изобретения представлены в общем виде, и, разумеется, существуют дополнительные варианты осуществления изобретения, которые будут описаны ниже.
В связи с этим перед подробным пояснением по меньшей мере одного варианта осуществления изобретения следует отметить, что изобретение не ограничивается деталями конструкции и устройством блоков, изложенными в дальнейшем описании или представленными на чертежах. В дополнение к описанным вариантам данное изобретение может быть реализовано в виде других вариантов и может быть осуществлено различными способами. Кроме того, следует понимать, что используемая в данном описании терминология, а также реферат служат лишь для пояснения сущности изобретения и не являются ограничивающими.
Специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что концепция, на которой базируется данное изобретение, может легко применяться в качестве основы для разработки и других конструкций, способов и систем, обеспечивающих реализацию целей настоящего изобретения, поэтому важно, чтобы формула изобретения рассматривалась как включающая такие эквивалентные конструкции и в той мере, в какой они не отступают от сущности и объема настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана система очистки воздуха для дыхания в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, вид в плане;
на фиг.2 - то же, вид в разрезе.
Осуществление изобретения
2
Изобретение в различных вариантах его осуществления может использоваться для предотвращения загрязнений в зоне, где установлена система очистки воздуха для дыхания. Системы в соответствии с настоящим изобретением могут быть мембранными, что обеспечивает большую компактность и экономичность электропотребления процесса осушения. В вариантах осуществления изобретения используются или влагопоглотитель или мембрана, которые требуют использования продувочного воздуха. Например, чтобы удалить водяной пар из мембранных волокон, в мембранных осушителях используется порция сухого сжатого воздуха, который вымывает пары воды с внешней проницаемой стороны полых волокон и таким образом очищает мембрану от водяного пара. В вариантах осуществления изобретения продувочный воздух отбирается в системе из точки, располагающейся после того, как сухой воздух обрабатывается в слое катализатора, превращающего смертельно ядовитый монооксид углерода (СО) в диоксид углерода (CO). Этот по существу не содержащий СО продувочный воздух затем может быть безопасно удален из системы непосредственно окружающую среду, не загрязняя ее.
Как показано на фигурах, система 10 очистки воздуха для дыхания мембранного типа содержит два входных фильтра 12а, 12b предварительной очистки, предназначенные для удаления большей части жидкостей, главным образом воды и масла; мембранный разделительный блок в виде мембранного осушителя 15, предназначенный для снижения относительной влажности сжатого воздуха; каталитический фильтр 20 для преобразования монооксида углерода в диоксид углерода; фильтр 25 с активированным углем, предназначенный для поглощения паров масла и различимых запахов; пылепоглощающий фильтр 30, предназначенный для захватывания любых увлекаемых потоком мелких частиц катализатора или угля; и кронштейн 32 для крепления фильтров.
В результате очистки сжатого воздуха осушителем 15 удаляются загрязнители и водяной пар, а также снижается его точка росы, т.е. температуры, до которой воздух должен быть охлажден при постоянном барометрическом давлении для конденсации паров воды. Мембранный осушитель 15 используется для снижения относительной влажности до 3% или ниже. Сжатый воздух пропускается через мембранный фильтр, включающий в себя жгут 37 из полых волокон, которые специально предназначены для удаления водяного пара. Таким образом, при прохождении сжатого воздуха через мембранный жгут 37 водяной пар абсорбируется на внутренней части волокон и быстро перемещается к внешним слоям мембранного жгута 37. Для центрирования мембранного жгута 37 внутри его корпуса 60 имеется центральный фитинг 39.
S
S
В показанном на чертежах варианте осуществления изобретения сжатый воздух, содержащий водяной пар и другие примеси, поступает в систему очистки воздуха для дыхания в виде входного потока I. Для предварительной очистки сжатого воздуха перед его обработкой в мембранном осушителе 15 могут использоваться обычные фильтры предварительной очистки. Входящий поток I поступает в первый фильтр 12а предварительной очистки, который удаляет жидкости и дисперсные материалы, содержащиеся в больших количествах. Первый фильтр 12а предварительной очистки содержит грубый фильтрующий элемент 47а, способный выдерживать высокие гидравлические нагрузки. Удаленные жидкости отводятся из фильтра 12а предварительной очистки через поплавковый клапан 49а для сброса конденсата. Затем поток воздуха поступает во второй фильтр 12b предварительной очистки, который удаляет жидкости и твердые частицы для достижения более высокой степени очистки. Второй фильтр 12b предварительной очистки содержит более тонкий фильтрующий элемент 47b, который способен удалять аэрозоли. Через другой поплавковый клапан 49b для сброса конденсата фильтра предварительной очистки 12b отводятся еще большие количества жидкости. Для уплотнения между различными компонентами системы, например, между первым и вторым фильтрами 12а и 12b предварительной очистки может использоваться модульный соединительный комплект 50. Дополнительно каждый фильтр 12а и 12b предварительной очистки содержит дифференциальный манометр 53, предназначенный для индикации момента, когда необходимо заменить фильтрующие элементы 47а или 47b фильтров предварительной очистки.
Выходящий из второго фильтра предварительной очистки поток воздуха поступает в мембранную головку 55 осушителя 15. Сжатый воздух проходит через мембранный жгут 37 осушителя, который размещен внутри корпуса 60 в виде стакана или оболочки. Мембранный жгут 37 предназначен для удаления водяного пара. Он может иметь спиральную намотку, а в одном из вариантов выполнения может состоять из жгута полых волокон.
Между внутренней и внешней поверхностями полых волокон жгута 37 существует разность парциальных давлений водяного пара, так что водяной пар будет перемещаться к внешней поверхности полых волокон жгута 37. Таким образом, при прохождении сжатого воздуха через внутреннюю часть мембранных волокон водяной пар абсорбируется на внутренней стороне стенки волокна и быстро проходит через стенки волокон к внешней поверхности мембранных волокон жгута 37. Функционирование осушителя 15 обеспечивается разностью величин парциального давления водяного пара с внешней и внутренней сторон полых мембранных волокон. Для осушения газового потока в непрерывном режиме внешние слои мембранных волокон жгута 37 должны очищаться (продуваться) от водяных паров с использованием продувочного потока, что будет описано далее.
2
2
2
2
Основная масса сухого воздуха поднимается по перепускному каналу 65 и покидает осушитель 15 через мембранную головку 55. Затем полученный сухой воздух поступает в каталитический фильтр 20. Каталитический фильтр 20 в присутствии кислорода (O) превращает содержащийся в воздухе монооксид углерода (СО) в диоксид углерода (СО). Химическая реакция этого преобразования: 2СО+O→2CO. Для того, чтобы каталитический фильтр 20 удалял монооксид углерода СО из потока, необходимо, чтобы входящий в катализатор поток был сухим. Для контроля влажности на головке 73 корпуса 74 фильтра-катализатора установлен индикатор 70 влажности, который проверяет входящий в каталитический фильтр 20 поток воздуха с помощью индикаторного геля. Индикаторный гель имеет зеленый цвет, когда поток сухой, и превращается в желтый в присутствии влаги. Сухой поток проходит через слой 75 катализатора, который удаляет СО. Концевые детали 77 удерживают картридж, заключающий в себе каталитический слой 75, внутри корпуса 79. Очищенный воздушный поток выходит из слоя 75 катализатора через выпускные отверстия в нижней концевой детали 77. Основная масса очищенного воздуха затем выходит из головки 73 каталитического фильтра 20. В некоторых вариантах осуществления изобретения головка каталитического фильтра 20 может иметь заглушенный разъем 93, предназначенный для возможного добавления стандартного устройства контроля над содержанием СО (не показан).
S
Воздушный поток выходит из головки 73 каталитического фильтра 20 и поступает в фильтр 25 с активированным углем. Фильтр 25 с активированным углем содержит фильтрующий элемент 85, заполненный гранулированным активированным углем. Этот фильтр 25 предназначен для удаления из потока воздуха различимых запахов, паров масел и других органических паров. Наконец, поток поступает в пылепоглощающий фильтр 30, который имеет фильтрующий элемент 90, предназначенный для улавливания всех мелких частиц катализатора или угля, которые возможно попадают в поток на двух предыдущих этапах фильтрации. Пылепоглощающий фильтр 30 включает в себя дифференциальный манометр 53, предназначенный для индикации момента, когда необходимо заменить фильтрующий элемент 90. Поток полученного воздуха выходит из системы в виде выходящего потока O.
В мембранных газоразделительных устройствах с полыми волокнами, таких как мембранный осушитель 15, для увеличения перепада давления может использоваться продувочный газ, который приводит систему в действие, улучшает степень осушения получаемого воздуха и увеличивает производительность мембранного осушителя 15. Продувочный воздух, необходимый для поддержания производительности процесса дегидратации в мембранном осушителе 15, отбирается в нижней части корпуса каталитического фильтра 20. Небольшая часть получаемого сухого воздуха отводится по впускной продувочной трубе 35, которая соединяет нижнюю часть съемного корпуса мембранного осушителя 15 с нижней частью каталитического фильтра 20.
В вариантах осуществления настоящего изобретения для дозирования требуемого количества продувочного воздуха может использоваться продувочное дросселирующее отверстие 41. На соединяемом с каталитическим фильтром 20 конце впускной продувочной трубы 35 может быть установлен продувочный фильтр 45, например, из спеченной бронзы, предназначенный для того, чтобы в дросселирующее отверстие 41 не могли пройти твердые дисперсные частицы, потенциально способные его закупорить. Центральный продувочный фитинг 95 предназначен для центрирования нижней крышки 97 жгута 37. Продувочный воздух проходит через фитинг 95 и затем быстро продвигается вдоль наружной поверхности 99 волокон жгута 37 мембранного фильтра. Фитинг катализатора 102 соединяется с корпусом 74 каталитического фильтра 20, создавая уплотнение 104 за счет плотной подгонки. Для соединения трубной резьбы фитинга 102 с впускной продувочной трубой 35 может использоваться соединительная деталь 105.
Отработанный продувочный воздух выходит из жгута 37 через отверстия 100 и стекает к сапуну 107, который выводит отработанный продувочный воздух в окружающую среду. В некоторых вариантах осуществления изобретения мембранный осушитель 15 размещается в Т-образном корпусе, названном так вследствие того, что он имеет впускной и выпускной трубопроводы в верхней части корпуса, а внешний источник используемого продувочного воздуха присоединен к нижней части корпуса. Поскольку входящий продувочный поток до возвращения в мембранный осушитель 15 очищается, то отработанный продувочный воздух по существу не содержит СО, поэтому при сбросе в окружающую среду очищенный отработанный продувочный воздух не загрязняет ее.
Из приведенного описания становится очевидным множество особенностей и преимуществ данного изобретения, вследствие чего оно охватывает в соответствии с представленной формулой изобретения всех эти особенности и преимущества изобретения, находящихся в пределах его сущности и объема. Кроме того, поскольку специалистами в данной области могут быть легко осуществлены многочисленные модификации и изменения, ограничение изобретения точными, описанными и поясняемыми здесь конструкцией и операциями является нежелательным, соответственно, все подходящие модификации и эквиваленты могут квалифицироваться как находящиеся в пределах объема данного изобретения.