ТРЕХАДСОРБЕРНАЯ ЭЖЕКТОРНАЯ МЕМБРАННО-СОРБЦИОННАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к мембранно-адсорбционным устройствам для разделения газовых смесей и может быть использована для выделения слабо сорбирующихся компонентов из газовых смесей.
Из уровня техники известна адсорбционно-мембранная установка для разделения газовых смесей, описанная в патенте №122907, включающая компрессор, к выходу которого подключены два адсорбера и мембранный фильтр, подключенный через распределительные клапана к адсорберам. Адсорберы в такой схеме работают попеременно, с перепуском малой части газа из одного адсорбера в другой для восстановления сорбционных свойств сорбента, что не позволяет достигнуть высоких концентраций кислорода в продуктовом потоке установки, кроме того, при организации установки таким способом не обеспечивается стационарный по величине поток питания, необходимый для мембранного фильтра.
Из уровня техники известна также установка для получения кислорода из атмосферного воздуха, описанная в патенте РФ №101646, состоящая из двух параллельных адсорберов, входные патрубки которых подключены к компрессору, а выходные обеспечивают поступление обогащенного в адсорберах целевым компонентом газа на мембранный модуль, а не прошедший через мембрану газ направляется на продувку адсорбера. Основными недостатками такой установки являются, во-первых, невозможность организации стационарного по величине и давлению потока питания мембранного модуля, во-вторых, потеря обогащенного целевым компонентом потока не прошедшего через мембрану при продувке адсорберов, что способствует снижению коэффициента извлечения.
Наиболее близким по конструктивному исполнению и принятым за прототип является эжекторное мембранно-сорбционное устройство для разделения газовых смесей, описанное в патенте №139877. Данное устройство содержит, 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, оснащенный дополнительным эжекционным смесителем с ресивером, и подключены через второй распределительный клапан к мембранному фильтру, один из патрубков отвода которого соединен с потребителем, а второй с эжекционным смесителем. Однако данная схема не позволяет получить поток с постоянной концентрацией вследствие нестационарности фронта десорбции при вытеснении продуктового потока газа из адсорбера. Кроме того, такая установка не обеспечивает стационарного по величине потока питания мембранного фильтра, вследствие сложной организации потока, сбрасываемый газ сперва поступает в ресивер, а затем газ из ресивера через эжектор должен увлечь за собой газ из адсорбера.
Технической задачей предложенной полезной модели является обеспечение получения стационарного потока и упрощение схемы гибридной мембранно-сорбционной установки при сохранении параметров получаемого продукта.
Технический результат, достигаемый при реализации заявленной полезной модели, заключается в получении конечного продукта высокого давления с постоянной концентрацией компонентов газовой смеси и постоянной производительностью установки за счет упрощения организации потоков.
Указанный технический результат достигается созданием установки, содержащей компрессор, три адсорбера, заполненных твердым адсорбентом, первая тройка входных патрубков которых подключена к выходу компрессора через смесительный эжектор, три проходных клапана, для переключения потока сжатого газа из компрессора между адсорберами, снабженными клапанами для отвода газа, характеризующегося большей величиной адсорбции, в сбросной трубопровод, выходные патрубки подключены через управляемые клапана между собой и входом дросселя, а выход дросселя через клапана подключен ко второй тройке входных патрубков адсорберов, при этом часть газа передаваемого из одного адсорбера в другой отбирается и подается на ресивер предназначенный для смешения продуктового потока адсорбционного блока системы перед мембранным фильтром, количество газа отбираемого через патрубок на ресивер регулируется дросселем, отобранный в ресивер газ через выходной патрубок ресивера поступает на входной патрубок мембранного фильтра, часть потока газа проходит через мембрану и выводится из установки потребителю через дополнительный ресивер, давление в котором ограниченно регулируемым клапаном, не прошедший через мембрану поток подается через обратный клапан на эжекционный смеситель и подмешивается к потоку сжатого воздуха из компрессора.
В частности, установка может быть снабжена, по меньшей мере, тремя дополнительными адсорберами для поглощения влаги, углекислого и угарного газов, углеводородов, каждый из которых установлен непосредственно перед входом в адсорбер.
Установка может быть также снабжена вакуумным или эжекционным насосом, установленным на сбросном трубопроводе.
Установка может быть дополнительно снабжена регулируемой воздуходувкой для поддержания стабильного давления на входе компрессора, например, при использовании в условиях гор или на борту самолета.
Заявленная полезная модель поясняется чертежом (Фиг. 1), на котором представлена принципиальная схема трехадсорберной гибридной мембранно-сорбционной установки для обогащения воздуха кислородом. Схема выполнена в виде графических условных обозначений элементов, связанных функционально линиями перемещения потоков воздуха, азота и кислорода.
Установка включает в себя компрессор 1, выходной патрубок которого подключен к первому входному патрубку эжекционного смесителя 2, через осушитель 25, обеспечивающего рециркуляцию не прошедшего через мембрану газа и подмешивание его через второй входной патрубок эжекционного смесителя к потоку заполнения адсорберов 3, 4, 5, подключенных к выходному патрубку эжекторного смесителя через проходные клапана 9, 10, 11, сброс обедненного в адсорберах по целевому компоненту газа осуществляется через клапана 12, 13, 14. Вторая тройка выходных патрубков адсорберов 3, 4, 5, заполненных твердым адсорбентом, например, гранулированным цеолитом (или углеродным молекулярным ситом), подключена через обратные клапана 18, 19, 20 ко входу ограничительного дросселя 22, ограничивающего поток перепуска газа между адсорберами, выход дросселя 22 подключен к адсорберам через клапана 15, 16, 17, при этом перед дросселем 22 осуществляется отвод газа через дроссель 23 в усреднительный ресивер 6, выходной патрубок которого подключен ко входу мембранного фильтра 8, обеспечивающего тонкую доочистку продуктовой смеси установки в том числе удаление продуктов истирания сорбентов и повышение концентрации целевого компонента продуктовый поток мембранного фильтра через ресивер 7 и дроссель 24, служащий для регулировки давления продуктового потока, выводится потребителю, а не прошедший через мембрану поток возвращается и подмешивается с помощью эжектора 2, снабженного на входе обратным клапаном 21, к потоку питания установки.
Трехадсорберная гибридная мембранно-сорбционная установка для обогащения воздуха кислородом работает следующим образом. Газ подается компрессором 1 и поступает через смесительный эжектор 2 и осушитель 25 в адсорбер 3, вытесняя при этом имеющийся в нем обогащенный кислородом газ, который через дроссель 22 поступает в адсорбер 4, заполняя его до рабочего давления. В этот же момент адсорбер 5 через сбросной трубопровод сбрасывает имеющийся в нем отработанный газ в атмосферу. На фигуре 2 представлены циклограммы работы единичного адсорбера (Фиг. 2а) и всего КЦА блока (Фиг. 26). При достижении в заполненном адсорбере рабочего давления адсорберы меняются функциями: в адсорбере, в котором проходила стадия вытеснения, начинается стадия сброса, стадия заполнения сменяется стадией вытеснения, а сброса - заполнения. В процессе вытеснения адсорбера часть потока вытеснения перед дросселем 22 отбирается в ресивер 6 через дроссель 23, откуда поступает на мембранный модуль 8. Так как один из адсорберов всегда находится в стадии вытеснения, на мембранный модуль установки поступает стационарный по величине поток при постоянном давлении. В мембранном модуле часть потока проходит через мембрану, тем самым дополнительно обогащаясь кислородом, и собирается в ресивере 7 для дальнейшего подаче потребителю, а другая часть, благодаря смесительному эжектору возвращается в установку.
Примеры реализации.
Пример 1.
Как в прототипе, так и в настоящей полезной модели используются общие устройства:
- адсорбционные колонны, заполненные твердым цеолитом;
- нагнетательный компрессор;
- ресивер;
- эжекторы.
Целью является получение воздуха, обогащенного по кислороду до заданной объемной концентрации не ниже 50%.
В прототипе предполагается для достижения поставленной задачи использование цеолита с селективностью по паре разделяемых компонентов азот-кислород равной 7.
Предлагаемая полезная модель способна при сохранении степени извлечения прототипа, но с меньшими селективностями сорбента по паре азот-кислород (селективность 1,7), обеспечить равные производительности установки.
Пример 2.
При использовании предложенной установки по п. 2 при введении в установку дополнительных фильтрационных адсорберов можно получить продуктовый поток при повышенной степени извлечения продукта, которая достигается за счет предварительного удаления из разделяемой в сорбционном блоке смеси углекислого и угарного газов, паров воды и углеводородов.
Пример 3.
При использовании предложенной установки по п. 3 при введении в установку дополнительного насоса для организации десорбции сорбента при пониженном давлении до 0,1 атм можно получить продуктовый поток при повышенной степени извлечения продукта. Так при единичном акте разделения в адсорбере концентрация кислорода в продуктовом потоке увеличивается с атмосферной до 35-40%, а при использовании вакуумного насоса и проведении десорбции при 0.1 атм., концентрация кислорода в продуктовом потоке при единичном акте деления в адсорбере увеличивается до 65-70%.
Пример 4.
При использовании предложенной установки по п. 4 при введении в установку регулируемой воздуходувки расширяются возможности применения установки при пониженных давлениях окружающей среды, например, в салоне самолета или горных районах, так как воздуходувка позволит повысить давление на входе в компрессор, что позволит ему работать при нормальных атмосферных условиях.
В примерах, основанных на экспериментальных исследованиях, в качестве мембранного фильтра использован мембранный модуль фирмы Air Product Prism. В качестве сорбента использован цеолит HF-512 О. В качестве компрессора использован компрессор фирмы DurrTechnik модель А-100.