СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ГАЗОВ ИЗ ВОЗДУХА
METHOD FOR PRODUCTION OF INDUSTRIAL GASES FROM THE AIR

Изобретение относится к получению технических газов (кислорода, азота и др. газов) из воздуха путем использования генераторов пневматической энергии, соединенных с газоразделительным оборудованием. Технические газы широко используются практически во всех отраслях промышленности и потребление их в мире постоянно растет.
Известен криогенный способ разделения атмосферного воздуха на компоненты [RU 2147107 С1, МПК 7 F25J 3/04, опубл. 27.03.2000]. Недостатками данного способа являются большие капитальные и энергетические затраты при его реализации.
Существует мембранный способ получения технических газов из воздуха [RU 2035981 С1, МПК6 B01D 61/00, B01D 63/00, опубл. 27.05.1995]. К недостаткам мембранного метода разделения газов следует отнести наличие газовых примесей в конечном продукте, то есть недостаточную чистоту получения технических газов кислорода или азота на выходе из газоразделительных установок.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ разделения газообразных смесей (атмосферного воздуха) методом адсорбции [Method and apparatus for fractionating gaseous mixtures by adsorption, US 2944627, опубл. 12.07.1960]. Недостатком данного способа является применение воздушных компрессоров с приводом от электродвигателей или двигателей внутреннего сгорания для генерации пневматической энергии, необходимой в процессе разделения атмосферного воздуха на компоненты в газоразделительных установках. Использование такого привода воздушных компрессоров, генерирующих пневматическую энергию, делает себестоимость получения технических газов из воздуха крайне высокой.
Технической задачей, стоящей перед данным изобретением, является создание несложного способа получения технических газов с использованием возобновляемых источников энергии, позволяющего производить технические газы из атмосферного воздуха с низкой себестоимостью. В качестве возобновляемых источников энергии могут быть использованы многочисленные в мире низконапорные водотоки природного или техногенного происхождения.
Согласно изобретению техническая задача решается следующим образом. Способ получения технических газов из воздуха включает генератор пневматической энергии, соединенный с газоразделительной установкой. Генератор пневматической энергии выполняют в виде гидроагрегата, состоящего из водовода, камер сжатия воздуха и ударных клапанов. Водовод гидроагрегата выполняют с подвижными в радиальном направлении стенками (мембранами), над которыми устанавливают сфероидальные камеры сжатия воздуха. На конце водовода гидроагрегата устанавливают ударные клапаны для инициирования в водоводе автоматического периодического гидравлического удара [Овсепян В.М. Гидравлический таран и таранные установки. - М.: Машиностроение. 1968. - 124 с.].
Способ получения технических газов из воздуха (см. чертеж) реализуется следующим образом. Генератор пневматической энергии выполняют в виде гидроагрегата, преобразующего кинетическую энергию потока воды сначала в потенциальную энергию гидравлического удара, а затем в энергию сжатого воздуха. Гидроагрегат состоит из водовода 1, ударных клапанов 2, подвижных в радиальном направлении стенок водовода (мембран), являющихся рабочими органами сфероидальных камер сжатия 3, снабженных всасывающими и нагнетательными патрубками с обратными клапанами. За счет энергии гидравлического удара происходит возвратно-поступательное движение рабочих органов камер сжатия 3, вследствие чего происходит всасывание в полость камер 3 воздуха через всасывающие патрубки 4, его последующее сжатие и выталкивание в нагнетательную линию 5. Сжатый воздух поступает в ресивер 6, предназначенный для сглаживания (демпфирования) пульсационных давлений, снабженный устройствами для сброса конденсата 7, манометрами 8, предохранительными клапанами давления 9. Из ресивера 6 сжатый воздух поступает в блок подготовки 10, который может включать фильтры грубой и тонкой очистки, осушители газа, и далее в газоразделительный адсорбционный блок 12. В блоке подготовки 10 предусмотрен дополнительный слив образующегося в процессе работы конденсата 11. Газоразделительный блок включает в себя кратное двум количество параллельно работающих адсорберов 13 с обвязкой запорно-регулирующими устройствами, заполненных адсорбентом, для поглощения определенного газа из состава воздуха. При этом функцией каждого первого адсорбера является производство требуемой фракции из газовой воздушной смеси - кислорода или азота (далее технического газа). В то же время функцией каждого второго адсорбера является регенерация адсорбента, сброс давления и выпуск поглощенного ранее газа через линию 14. Произведенный в адсорбционном газоразделительном блоке 12 технический газ поступает в буферную емкость 15, которая может быть выполнена в виде ресивера, откуда направляется непосредственно на нужды потребителя по линии 16 или дополнительным компрессором высокого давления 17 дожимается до давления 150 атмосфер и направляется по линии 18 для его последующей закачки в баллоны.
В предложенном способе производства технических газов из атмосферного воздуха пневматическая энергия (энергия сжатого атмосферного воздуха), необходимая для получения технических газов в газоразделительной установке, генерируется путем преобразования кинетической энергии воды, движущейся в водоводе 1, сначала в потенциальную энергию упругой деформации воды и стенок водовода при резком автоматическом закрытии ударных клапанов 2, а затем в энергию сжатого воздуха. Под действием потенциальной энергии совершается механическая работа по радиальному возвратно-поступательному перемещению подвижных частей стенок водовода (мембран), являющихся рабочими органами сфероидальных камер сжатия 3, вследствие которой происходит всасывание, сжатие и последующее выталкивание подаваемого к камерам сжатия воздуха в газоразделительную установку 12.
В предложенном способе кинетическая энергия начинает накапливаться в водоводе гидроагрегата при открытии ударных клапанов 2, работающих автоматически за счет энергии потока воды. Количество кинетической энергии и время ее накопления в водоводе гидроагрегата зависят от массы воды, то есть от геометрических размеров водовода. Известно, что масса является мерой инерции. Поэтому при увеличении длины водовода, при неизменных размерах его поперечного сечения, потребуется больший промежуток времени для накопления энергии, но при этом будет и большая отдача энергии. Накопление кинетической энергии происходит при возрастании скорости движения воды от нуля до значения, соответствующего установившемуся движению жидкости в водоводе 1 с известными значениями гидравлических сопротивлений и напора на входе в водовод 1 при открытых ударных клапанах 2. Количеством ударных клапанов 2 регулируются гидравлические сопротивления в водоводе 1. Размеры гидроагрегата, площадь и радиальный ход подвижных стенок водовода (мембран), а также их количество выбирают исходя из гидрологических параметров природных или техногенных водотоков. Количество гидроагрегатов, установленных в створе водотока, также выбирают согласно гидрологическим параметрам природного или техногенного водотока. Водоводы 1 устанавливают в створе водотока параллельно скорости движения жидкости в нем. Срабатывание автоматических ударных клапанов всех установленных в створе водотока гидроагрегатов осуществляют не одновременно, а со сдвигом во времени, обеспечивая непрерывность накопления энергии, первичное сглаживание пульсационных воздействий и устранение неравномерности в подаче сжатой газовой смеси (воздуха) на газоразделительную установку. Кроме того, параллельно установленные друг другу гидроагрегаты в створе водотока являются для последнего гидравлическими сопротивлениями, поэтому создают перед собой необходимый подпор для работы гидроагрегатов генераторов пневматической энергии. В случае недостаточности этого подпора при малом продольном уклоне водотока в его створе сооружают дополнительный водослив, обеспечивающий необходимый подпор воды перед гидроагрегатом.
Заявленное техническое решение позволяет преобразовывать практически даровую гидравлическую энергию многочисленных в мире низконапорных природных и техногенных водотоков в пневматическую энергию, необходимую для работы газоразделительных установок, и снизить, таким образом, эксплуатационные затраты на производство технических газов из воздуха.