УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЗОТА И ВОЗДУХА, ОБОГАЩЕННОГО ПО КИСЛОРОДУ

Полезная модель относится к энергетическим установкам, а именно, к устройствам разделения воздуха для получения обогащенного по кислороду воздуха и очищенного азота. Устройство может быть использовано в химическом машиностроении, авиации, медицине, нефтегазовой и других отраслях промышленности.
Известно устройство получения обогащенного кислородом воздуха (см. А.С. СССР №958318 с приоритетом от 24.07.1979, опубл. 15.09.1982, МПК С01В 13/00), содержащее кожух, холодильник, магнитную систему с полостями и магнитопроводом, подогреватель и систему отсоса продуктов разделения. Магнитная система снабжена сердечниками, разделенными щелями на секции, диэлектрическими стойками и коронирующими электродами, установленными перед щелями в полости магнитной системы. Магнитопровод выполнен с шинами, охватывающими в блок секции сердечников и диэлектрические стойки. Сердечники выполнены броневого типа с коническими щелями, а коронирующие электроды расположены вдоль магнитной системы. Коронирующие электроды выполнены в виде струн, изолированных от кожуха и расположенных на расстоянии от полюсов сердечника. Принцип действия устройства основан на эффекте парамагнитных свойств молекул кислорода, сепарирующихся в магнитном поле. При одном канале входа устройство имеет два канала выхода - канал для потока обогащенного воздуха по кислороду до 45% об. и канал потока сбросного воздуха, обогащенного по азоту.
Данное устройство позволяет получать воздух, обогащенный по кислороду (до 45% об.), но концентрация азота в сбросном воздухе не достигает величины (95-97)% об., достаточной для его применения в качестве средства пожаротушения, например, газохимических установок. Кроме того коронирующие электроды существенно удорожают устройство и увеличивают эксплуатационные расходы.
Известно устройство разделения воздуха для получения высокочистых азота и кислорода (см. патент РФ №2183498 с приоритетом от 24.04.2000, опубл. 20.06.2002, МПК В01D 53/00), в котором предварительно подготовленный в блоках компримирования и очистки, осушки и охлаждения воздух разделяют в блоке низкотемпературного разделения на товарный кислород, поступающий в кислородную линию, и обогащенную по азоту смесь, которая последовательно проходит через блоки охлаждения, компримирования и блок мембранного разделения для получения газообразного товарного азота, поступающего в азотную линию. Использование изобретения позволяет уменьшить потребление исходного воздуха за счет возврата в цикл кислорода, ранее выбрасываемого в атмосферу с концентратом азота. Устройство обеспечивает получение двух потоков товарного продукта - чистого кислорода и очищенного азота. Данное устройство позволяет получить в принципе два других продуктовых потока - смесевой поток азота и кислорода с содержанием последнего, например, более 50% об. и поток очищенного азота в качестве средства пожаротушения.
Недостатком устройства является его совокупная высокая рыночная стоимость в силу того, что применяется криогенная технологическая схема охлаждения и разделения воздуха на компоненты (турбодетандерный метод).
Известно устройство для получения азота мембранным способом (патент РФ 2074758 с приоритетом от 16.03.1993, опубл. 10.03.1997, МПК А62С 31/00), состоящее из последовательно соединенных компрессора, блока очистки и осушки воздуха и мембранного газоразделительного аппарата с входом для воздуха и двумя выходами - для азота и для воздуха, обогащенного по кислороду. Данное устройство позволяет получать очищенный азот с концентрацией основного вещества до (95-97% об.), чистота которого позволяет его применять, например, для пожаротушения в газохимических установках.
Недостатком устройства является его неспособность обеспечить в выходном канале сбросного воздуха содержание кислорода более 50% об., например, для непрерывного использования его в технологических целях.
Данное устройство выбрано за прототип заявляемой полезной модели.
Задачей настоящей полезной модели является относительно дешевое одновременное получение непрерывного потока малой производительности периодически используемого очищенного азота с концентрацией от 95 до 97% об. и непрерывного технологического потока воздуха номинальной производительности, обогащенного по кислороду более 50% об.
При использовании настоящей полезной модели достигается следующий технический результат:
- одновременное получение потока очищенного азота с концентрацией последнего до (95-97)% об и потока технологического воздуха номинальной производительности, обогащенного по кислороду более 50% об.;
- снижение себестоимости устройства не менее, чем на 25% в сравнении с чисто мембранными установками и не менее, чем на 35% в сравнении с установками криогенного разделения воздуха (при их одинаковой производительности по входному воздуху);
- установка позволяет накапливать азот в буферной емкости в количествах, достаточных для его периодического применения, например, в целях пожаротушения на газохимических установках.
Для решения указанной задачи и достижения технического результата устройство для получения азота и воздуха, обогащенного по кислороду, содержащее компрессор, блок очистки и осушки воздуха, мембранный газоразделительный аппарат с входным патрубком для подготовленного воздуха и двумя выходными патрубками - для азота и для воздуха, обогащенного по кислороду, согласно полезной модели содержит работающий на парамагнитном эффекте аппарат дополнительного обогащения воздуха по кислороду, установленный на выходном патрубке воздуха мембранного газоразделительного аппарата.
Наличие совокупности и взаимосвязи таких элементов и блоков устройства, как: компрессора (воздуходувки - в отдельных случаях применения) для засасывания атмосферного воздуха, блока очистки и осушки воздуха, обеспечивающего технологическую подготовку воздуха перед его подачей на разделение, мембранного газоразделительного аппарата с входным патрубком для подготовленного воздуха и двумя выходными патрубками - для очищенного азота и для воздуха, обогащенного по кислороду, - реализуют такой известный технический эффект, как принципиальную возможность получения потока продуктового очищенного азота требуемой малой производительности в условиях, когда азот применяется периодически, например, в целях пожаротушения, а также, одновременно, возможность получения потока полупродуктового сбросного воздуха с содержанием кислорода не более (30-45)% об.
Введение в установку аппарата дополнительного обогащения воздуха по кислороду, работающего на парамагнитном эффекте (относительно дешевый аппарат увеличивает содержание кислорода в воздухе до 37% об, то есть примерно на 15% от воздуха (37-22=15)) и установленного на выходном патрубке воздуха, выходящего из мембранного газоразделительного аппарата, - реализуют такой технический эффект, как принципиальную возможность получения потока воздуха, дополнительно обогащенного по кислороду. При этом:
- заявляемое устройство физически способно обогащать воздух по кислороду свыше 50% об., имея также линию воздуха, обогащенного по азоту до (95-97)% об. при входе в аппарат дополнительного обогащения сбросной воздух из мембранного аппарата с содержанием кислорода до 43% об. При этом устройство в целом остается экономически более рентабельным, чем, например, установки с криогенным разделением воздуха;
- в заявляемом устройстве возможно применение нескольких последовательно установленных парамагнитных секций. При этом каждая последующая секция обогащения воздуха (максимально дешевого исполнения) повышает содержание кислорода не меньше, чем вполовину от предыдущей секции. Расчеты показывают, что из экономических соображений уже вторая секция парамагнитного обогащения становится неэффективной (в основном из-за малой конечной величины производительности продуктового воздуха, обогащенного по кислороду в условиях ограничений по входному воздуху).
Наличие принципиальной возможности относительно дешевым мембранным способом получить поток очищенного азота требуемой малой производительности с одновременным получением потока сбросного воздуха с содержанием кислорода до 43% об., с одной стороны, а с другой - наличие принципиальной возможности получения эффекта дополнительного обогащения воздуха по кислороду путем установки на патрубок полупродуктового воздуха мембранного аппарата относительно дешевого аппарата дополнительного обогащения воздуха по кислороду (без коронирующих электродов), работающего на эффекте парамагнитной сепарации молекул кислорода (до 37% об. по кислороду от атмосферного воздуха (22+15=37)), обеспечивает такой технико-экономический эффект, как появление совокупно дешевого устройства для получения очищенного азота и воздуха, обогащенного по кислороду до его содержания более 50% об. (43+(37-22)/2=50,5%)). Эффективное промышленное применение устройств подобного типа возможно в тех технологических установках, где поток очищенного азота малой производительности требуется периодически, а требуемая непрерывная производительность потока обогащенного воздуха по кислороду более той величины, когда экономически выгоднее остаются баллоны с компримированным кислородом и азотом с учетом логистики их доставки на место применения.
На фиг.1 представлена принципиальная блок-схема устройства для получения очищенного азота и воздуха, обогащенного по кислороду, содержащая компрессор 1, блок очистки и осушки воздуха 2, мембранный газоразделительный аппарат 3 с входным патрубком 4 для подготовленного воздуха и двумя выходами патрубками - для азота 5 и для воздуха 6, обогащенного по кислороду. Также устройство содержит работающий на парамагнитном эффекте аппарат 7 дополнительного обогащения воздуха по кислороду, накопительную емкость 8 для очищенного азота, канал 9 сбросного воздуха в атмосферу и канал 10 продуктового воздуха, обогащенного по кислороду. По каналу 11 из емкости 8 азот подается, например, к месту возгорания. При этом мембранный газоразделительный аппарат 3, например, может представлять собой блок, совмещающий два известных в отдельности технологических процесса - получение потока продуктового очищенного азота требуемой малой производительности - см. рекламу фирмы ТЕГАС «Конструкция, комплектность стационарных установок АМУ и ТГА» - http://www.tegaz.ru/produkciya/azotnye-ustanovki-i-stancii/membrannye-stacionarnye/: а также получение потока обогащенного кислородом продуктового воздуха (с концентрацией менее 50% об.) требуемой производительности и концентрации по кислороду - см. стр.13 рекламы фирмы ГРАСИС «Кислородные мембранные установки» - http://www.grasys.ru/upload/iblock/f43/oxygen-station.pdf). Обе возможности обеспечиваются автоматически физическими характеристиками материала мембран, используемых в мембранных газоразделительных аппаратах, и их бифункциональной конструкцией (подбором соответствующих площадей мембранных секций - азотной и кислородной, а также подбором величины номинального давления). При этом расход засасываемого атмосферного воздуха будет определяться требуемой номинальной величиной расхода сбросного воздуха, обогащенного по кислороду, предназначенного для дальнейшего парамагнитного обогащения. Очевидно, что выбор конкретной конструкции такого бифункционального мембранного аппарата (содержание кислорода внутри интервала от 40 до 50% об. с одновременным наличием потока очищенного азота малой производительности) существенно сказывается на конечной экономической эффективности устройства в целом, так как рыночная стоимость целевых секций бифункционального мембранного аппарата тем выше, чем больше номинальные расходы продуктовых потоков и выше содержание соответствующего обогащаемого компонента.
Согласно полезной модели устройство работает следующим образом. Атмосферный воздух сжимают в компрессоре 1, очищают от влаги, масел и пыли в блоке 2 и через входной патрубок 4 направляют в газоразделительный мембранный аппарат 3. При этом бифункциональный мембранный аппарат 3 состоит (на фиг.1 не показано) из двух последовательных секций - секции обогащения воздуха по кислороду с содержанием последнего до не менее 43% об. и секции обогащения воздуха по азоту с содержанием последнего до не менее 95% об. (вход азотной секции подстыкован к сбросному каналу кислородной секции; сбросной канал азотной секции открыт в атмосферу). Принцип газовой сепарации на половолоконных мембранах и принципиальные схемы таких устройств см. http://www.grasys.ru/upload/iblock/f43/oxygen-station.pdf). Освобожденный от кислорода воздух ((95-97)% об. азота) через выходной патрубок 5 поступает в накопительную емкость 8 для хранения, например, на случай пожара, при этом возможно его дополнительное компримирование (арматура компримирования, а также сбросной канал воздуха в атмосферу азотной секции мембранного аппарата 3 на фиг.1 не показаны). При возникновении загорания хранящийся в накопительной емкости 8 азот направляют по соответствующим коммуникациям (не показано) на место воспламенения через канал 11 накопительной емкости 8. Воздух, обогащенный по кислороду до его содержания не менее 43% об., через выходной патрубок 6 мембранного аппарата 3 подают на аппарат 7 дополнительного обогащения воздуха по кислороду, работающий на парамагнитном эффекте сепарации молекул кислорода. Дополнительно освобожденный в аппарате 7 от молекул азота воздух (до 50,5% об. кислорода) через выходной канал 10 непрерывно поступает на обеспечение технологических нужд, например, газохимической установки, при этом через канал 9 в атмосферу непрерывно уходит сбросной воздух. В случае, когда инертный газ в емкости 8 не используется по назначению, специальная арматурная обвязка (не показана), поддерживая номинальную величину рабочего давления газа в ней, непрерывно сбрасывает избытки воздуха, обогащенного по азоту, в атмосферу.
Технико-экономическую эффективность устройства можно повысить дополнительно путем сбора в баллоны и продажи на сторону избытка воздуха, обогащенного по азоту, в момент времени, когда инертный газ в емкости 8 не используется по назначению.