ЭЖЕКТОРНОЕ МЕМБРАННО-СОРБЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ
EJECTOR MEMBRANE-SORPTION DEVICE FOR SEPARATION OF GAS MIXTURES

Эжекторное мембранно-сорбционное устройство для разделения газовых смесей относится к технологии разделения газовых смесей мембранными и адсорбционными методами с целью получения обогащенных компонентов.
Изобретение относится к мембранно-адсорбционным устройствам с использованием газового эжектора для разделения газовых смесей и может быть использован для получения обогащенных компонентов в бинарных и многокомпонентных газовых смесях, в частности при производстве кислорода из атмосферного воздуха в различных областях.
Разделение газовых смесей производится различными физико-химическими методами, включая мембранные и адсорбционные. Адсорбционный метод разделения воздуха опирается на принцип селективного поглощения компонентов газовой смеси. Поглощение осуществляется специальными молекулярными ситами в условиях короткоцикловой адсорбции. В основе процесса лежит зависимость поглощения газа адсорбентом от давления: способность адсорбента к поглощению газа прямо пропорциональна давлению. Таким образом, адсорбция идет при повышенном давлении, а процесс десорбции осуществляется путем сброса давления. Обычно циклы сорбции и десорбции определенных газовых компонентов (например, при обогащении кислорода из воздуха - сорбция азота) чередуются, по меньшей мере, в двух параллельных адсорбционных колоннах на слоях адсорбентов.
Поскольку степень извлечения конечного продукта определяется как отношение количества продукта к исходному потоку питания устройства, критерием повышения степени извлечения при заданной величине обогащения продукта является так называемый относительный отбор, являющийся отношением потока продукта к потоку на входе в компрессор.
Отличительной особенностью эжекторной мембранно-сорбционной установки является сочетание сорбционного блока, работающего в нестационарном режиме и мембранного работающего принципиально в стационарном режиме. Сочетание этих двух блоков возможно только при обеспечении постоянного потока с адсорберов на стадии вытеснения. В этом случае на мембранном блоке можно обеспечить постоянный поток продукта. Это условие можно выполнить только при обеспечении постоянной нагрузки на компрессор, таким образом, чтобы он работал при постоянном давлении и расходе газа.
Мембранный метод разделения воздуха основан на принципе избирательной проницаемости мембран. Принцип действия мембранных газоразделительных установок заключается в различной скорости проникания газов через полимерную мембрану под действием перепада давления на мембране.
Периодичность работы компрессора приводит к циклическому нагружению давлением мембранного аппарата. Известное уменьшение механической прочности мембраны из полимерных материалов при наличии капельной влаги в сочетании с циклическим нагружением приводит к потере надежности работы аппарата, вплоть до преждевременного выхода его из строя.
Из уровня техники известен СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ И/ИЛИ ОСУШКИ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ С ПОМОЩЬЮ МЕМБРАННЫХ УСТРОЙСТВ (патент на изобретение RU №2233698, опубл. 10.08.2004, Бюл. №22). Известный способ разделения и/или осушки газовых смесей заключается в том, что поток сжатого газа подают на мембранное газоразделительное устройство в установке для разделения и/или осушки газовых смесей, в котором он разделяется на два потока, при этом осуществляют регулирование давления и/или расхода осушенного газа на выходе установки путем изменения рабочего давления в мембранном устройстве с помощью редуктора-регулятора давления, установленного перед мембранным устройством, совместно с дросселем, установленным на выходе мембранного устройства, который служит для первоначальной настройки степени отбора осушенного газа.
В последнее время находят применение комбинированные установки, в которых используются и адсорбционные колонны, и мембранные блоки, что обеспечивает повышение энергоэффективности при заданных значениях обогащения конечного продукта газовой смеси. Так, из уровня техники известна адсорбционно-мембранная установка, описанная в патенте ЕПВ №266884. Известная установка содержит компрессор для подачи исходной газовой смеси (воздуха), две параллельно расположенные адсорбционные колонны, заполненные твердым адсорбентом, мембранный блок, установленный на выходе из адсорбционных колонн и дополнительный мембранный блок, в который подают поток газа, образующийся на стадиях сброса давления и продувки адсорберов. Несмотря на все преимущества установок такого типа, они обладают существенным недостатком - необходимо использовать компрессор на каждой ступени разделения, что априори делает процесс экономически не выгодным.
Существуют установки и с одним компрессором. Так, из уровня техники известна мембранно-адсорбционная установка (патент на полезную модель RU №95547, опубл. 10.07.2010, Бюл. №19), состоящая из комбинации мембранного и адсорбционного разделительных блоков, отличается тем, что она оснащена дополнительным мембранным блоком, установленным на первой степени разделения, вход которого соединен с патрубком отвода продукта разделения сорбционного блока. В установках такого типа рециркуляционный поток сжимается вместе с потоком питания, что также приводит к увеличению энергетических затрат.
Из уровня техники известна также адсорбционно-мембранная установка, описанная в патенте РФ №4223461. Известная установка также содержит компрессор для подачи исходной газовой смеси (воздуха), две параллельно расположенные адсорбционные колонны, заполненные твердым адсорбентом, и мембранный блок, установленный на выходе из адсорбционных колонн и обеспечивающий дополнительное обогащение конечного продукта. В этой установке также используется только один компрессор. Отличительной особенностью предложенной схемы является то, что остаточным потоком осуществляют продувку адсорбера, находящейся при пониженном давлении, что является малоэффективным способом повышения степени извлечения конечного продукта.
Из уровня техники известно Эжекторное мембранно-сорбционное устройство для разделения газовых смесей (патент на полезную модель RU №139877, опубл. 27.04.2014, Бюл. №12), являющееся наиболее близким аналогом заявленного изобретения.
Известное эжекторное мембранно-сорбционное устройство для разделения газовых смесей, содержит компрессор, по меньшей мере два адсорбера, заполненных адсорбентом, имеющие входные патрубки, которые через первый клапан для переключения потока газа между адсорберами подключены к выходу эжекционного смесителя, который подключен к выходу компрессора, и выходные патрубки адсорберов, которые снабжены клапанами для отвода газа из адсорберов в сбросной трубопровод и подключены через второй распределительный клапан к мембранному фильтру, патрубок которого для отвода проникшей через мембрану фракции разделяемой газовой смеси из полости низкого давления соединен с потребителем, а патрубок для отвода не проникшей через мембрану фракции газовой смеси из полости высокого давления соединен с эжекционным смесителем, Устройство обладает повышенной степенью извлечения продукта за счет использования эжекторного смешения рециркуляционного потока и потока питания на выходе компрессора, в результате которого меняется состав смеси на входах в адсорберы при малом изменении давления на выходе эжектора. На сбросном трубопроводе может быть установлен дополнительный эжекционный смеситель с ресивером, позволяющий увеличить энергоэффективность за счет снижения давления десорбции.
Недостатком прототипа является отсутствие активных элементов управления технологическим процессом разделения в устройстве, содержащем рециркуляционный контур, который объединяет стационарный элемент разделения (мембранный модуль или мембранный фильтр) и нестационарные элементы разделения (адсорберы, заполненные сорбентом). Без управления режимом работы компрессора и потоками в устройстве заявленный результат принципиально не может быть достигнут, поскольку режим вытеснения в адсорбционной колонне не будет стационарным (давление газа и расход резко увеличиваются), что приведет к размыванию фронта адсорбции и, как следствие, к потере разделительной работы. Кроме того, скачки давления и потока в адсорбционной колонне неизбежно приводят к нестационарному режиму работы мембранного фильтра (мембранного модуля), и, как следствие, к скачкам давления и потока в рециркуляционном контуре.
Технический результат достигается при реализации заявленного изобретения и заключается в обеспечении стационарного режима работы мембранного фильтра при постоянных потоках питания и продукта и постоянного потока вытеснения с адсорберов для обеспечения максимальных разделительных характеристик устройства в целом.
Эжекторное мембранно-сорбционное устройство для разделения газовых смесей, содержащее, по меньшей мере, два адсорбера, заполненных твердым адсорбентом, компрессор, выходной патрубок которого соединен с адсорберами через регулируемые клапаны и с входом в эжекционный смеситель, выход которого подключен через первый распределительный клапан к входным патрубкам адсорберов, а выходы адсорберов снабжены управляющими клапанами для отвода газа из адсорберов в сбросной трубопровод и подключены через второй распределительный клапан к мембранному фильтру, один из патрубков отвода которого соединен с потребителем, а второй с эжекционным смесителем, при этом на выходе эжекционного смесителя установлен регулятор расхода газа, на трубопроводе, соединяющем компрессор с регулируемыми клапанами установлен регулятор давления газа, а на сбросном трубопроводе установлен распределительный клапан с двумя выходами, первый выход соединен с атмосферой, второй с десорбционным эжектором, который соединен также с компрессором через регулятор давления.
В частном случае эжекторное мембранно-сорбционное устройство для разделения газовых смесей может на выходе компрессора содержать вспомогательное оборудование для подготовки газа (очистка, осушка, нагрев).
Кроме того, эжекторное мембранно-сорбционное устройство для разделения газовых смесей на входе в мембранный фильтр на трубопроводе соединяющим адсорберы с мембранным фильтром может включать вспомогательное оборудование для усреднения состава газа на входе мембранного фильтра (например, ресивер).
На фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства.
Устройство включает в себя компрессор 1, параллельно расположенные адсорберы 2 и 3 заполненные твердым адсорбентом. Входы адсорберов 2 и 3 подключены через трехходовой распределительный клапан 4 и через регулятор расхода газа 5 к эжекционному смесителю 6, который в свою очередь подключен к компрессору 1. Входы адсорберов 2 и 3 подключены также к управляющим клапанам 7 и 8, которые соединены с компрессором 1 через регулятор давления газа 9.
Выходы адсорберов 2 и 3 подключены через трехходовой распределительный клапан 9 и ресивер для усреднения концентрации газа 10 к мембранному фильтру 11. Мембранный фильтр 11 имеет полости высокого и низкого давления, разделенные селективным мембранным элементом, и обеспечивает как повышение концентрации целевого компонента, так и очистку газового потока от органических загрязнителей и твердых частиц, в том числе наночастиц сорбента. Патрубок отвода из полости низкого давления мембранного фильтра 11 соединен с потребителем, а патрубок отвода из полости высокого давления соединен с эжекционным смесителем 6.
Выходы адсорберов 2 и 3 подключены через управляющие клапаны 12, 13 к распределительному клапану 14, который соединен с десорбционным эжектором 15 и сбросным трубопроводом для отвода газа, характеризующегося большей величиной адсорбции, из адсорберов 2 и 3. Десорбционный эжектор 15 соединен также с компрессором 1 через регулятор давления газа 16.
Эжекторное мембранно-сорбционное устройство для разделения газовых смесей работает следующим образом.
Предполагается, что процесс разделения в ступени короткоцикловой адсорбции (КЦА) содержит следующие рабочие стадии: десорбция за счет сброса давления, заполнение адсорбера потоком с компрессора и/или потоком с выхода эжекционного смесителя, адсорбция и вытеснение продукта потоком с выхода эжекционного смесителя. Поскольку потери давления в ступени КЦА на стадии вытеснения в полости высокого давления мембранной ступени невелики, потери давления в эжекторе за счет корректного выбора его параметров тоже можно сделать достаточно малыми.
Исходная газовая смесь (воздух) сжимается с помощью компрессора 1 и под давлением подается по трубопроводу на эжекционный смеситель 6, где происходит повышение концентрации целевого компонента за счет подмешивания потока из полости высокого давления мембранного фильтра.
Сжатый воздух из компрессора 1 через регулятор давления газа 9 поступает на управляющий клапан 7 (управляющие клапаны 8 и 12 при этом закрыты) и через него поступает в адсорбер 2, заполнение адсорбера 2 проводят до давления 4-10 атм. После этого клапан 7 закрывается и сжатый и дополнительно обогащенный целевым компонентом поток воздуха, величина которого устанавливается регулятором расхода газа 5 под давлением 4÷10 атмосфер проходит через электромагнитный распределительный клапан 9, открытый в сторону адсорбера 2 и поступает на вход адсорбера 2. При прохождении воздуха через слой адсорбента более сорбируемый компонент с легкостью им поглощается, а менее сорбируемый, обладающий меньшей величиной адсорбции и соответственно поглощаемый с меньшей скоростью, проскакивает в конец слоя и поступает через открытый для него переключающийся электромагнитный распределительный клапан 9 в мембранный фильтр 11, перед которым может быть установлен ресивер для усреднения концентрации газа 10, проникший через мембранный фильтр 11 очищенный от примесей и продуктов истирания сорбентов поток, обогащенный целевым компонентом, поступает к потребителю, а не проникший через мембрану поток выходит через патрубок и подается в эжекционный смеситель 2.
Во время заполнения адсорбера 2 в адсорбере 3 происходит сброс давления и десорбция газа из адсорбента через управляющий клапан 13 (управляющий клапан 12 в это время закрыт). Из управляющего клапана 13 газ попадает на распределительный клапан 14, с помощью которого газ направляется в атмосферу до тех пор, пока давление в адсорбере не достигнет давления 1-3 ата, после этого распределительный клапан 14 переключает поток на десорбционный эжектор 15, который работает как струйный насос, т.е. при помощи высоконапорного потока газа с компрессора 1, который подается в десорбционный эжектор 15, десорбционный эжектор откачивает газ из адсорбера 3 до давления 0,1-0,5 ата.
Через время полуцикла адсорберы 2 и 3 обмениваются своими функциями. Такой цикл повторяется многократно. Таким образом, описанный вариант работы установки обеспечивает стабильный режим работы установки с максимальными разделительными характеристиками.
Примеры реализации
Пример 1
Целью является получение воздуха, обогащенного кислородом до заданной величины концентрации 50% (об.) при заданных параметрах мембранной ступени.
К заданным параметрам мембранной ступени относятся: значение отношение давления в полости низкого к давлению в полости высокого давления; значение селективности (отношение проницаемостей компонентов) равное 7.
При использовании предложенного устройства обогащенный кислородом продуктовый поток поступает потребителю в количестве 0,6 м 3/час при давлении 6 атмосфер и отношении давлений в мембранной ступени равном 6/8. Давление десорбции 0,3 ата.
Постоянный поток на выходе компрессора ТА-100K Durr Technik равен 3,6 м3/час при давлении 8 ата. Поток вытеснения на выходе из адсорбера составляет 1,5 м3/час. При значении отношения давления в полости низкого к давлению в полости высокого давления равном 6/8 и селективности равной 6,3 продуктовый поток величиной 0,975 м3/час поступает потребителю при давлении 6 ата. При этом относительный отбор продуктового кислорода составляет 0,27. Остальной поток с выхода компрессора направляется на заполнение адсорберов и на десорбционный эжектор. Концентрация кислорода в потоке продукта равна 50%. Данный режим при отсутствии новых признаков изобретения принципиально невозможно реализовать. Концентрация кислорода в потоке продукта равна 50%.
Пример 2
При использовании предложенного устройства с параметрами примера 1 при снижении давления десорбции до 0,1 атм. за счет эжектора, продуваемого потоком с компрессора, можно получать продуктовый поток чистотой продукта до 65%. При этом стационарный режим работы по потоку, поступающему на вход мембранного фильтра и потока продукта сохраняется. В примерах в качестве мембранного фильтра использован мембранный модуль фирмы AirLiquide. В качестве сорбента использован цеолит HF-5120 (Hong Kong Chemical Corp.) В качестве компрессора использован компрессор фирмы DurrTechnik модель ТА-100K Durr Technik.