УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОРОДА ИЗ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

Установка относится к устройствам для обогащения атмосферного воздуха кислородом методом короткоцикловой безнагревной адсорбции и может быть использована в лечебной терапии, химической, медицинской, микробиологической, авиационной, морской и других отраслях промышленности, где требуется использование газовых сред с повышенным содержанием кислорода.
Современная промышленность использует несколько способов и широкий спектр устройств на их основе, предназначенных для получения кислорода из атмосферного воздуха. Главными из них являются криогенные, мембранные газоразделительные и адсорбционные способы и устройства. Криогенные технологии позволяют производить кислород практически любой чистоты, но являются высокоэнергоемкими и экономически обоснованы только для крупномасштабных производств (от нескольких тонн в час и более). Мембранные газоразделительные технологии имеют существенно меньшую энергоемкость, обусловленную энергозатратами только на сжатие воздуха, но обладают недостатком, связанным с тем, что известные полупроницаемые мембранные материалы имеют сравнительно ограниченную селективность между кислородом и азотом и позволяют достигать концентраций кислорода на уровне 30-40 и в отдельных случаях до 50 и немногим более процентов. Для получения высоких обогащений требуется строить сложные каскадные схемы из мембранных газоразделительных установок. Традиционные адсорбционные технологии менее энергоэффективны по сравнению с мембранными, поскольку кроме сжатия обогащаемого воздуха требуют также его охлаждения на стадии сорбции и нагрева на стадии десорбции (регенерация адсорбента). Но при этом адсорбционные технологии выгодно отличаются тем, что позволяют в одной установке обогащать воздух кислородом до концентраций на уровне до 95% объемных. Мембранные и адсорбционные технологии имеют экономические преимущества перед криогенными при производительностях на уровне до сотен килограммов в час. Другим преимуществом является мобильность мембранных и адсорбционных устройств и возможность изготовления компактных установок специального назначения, например, в летательных аппаратах, генераторов кислорода для медицинских учреждений, для газосварочных аппаратов и др.
Одними из наиболее перспективных и наиболее энергоэффективных адсорбционных устройств для производства кислорода являются устройства, реализующие принципы безнагревной короткоцикловой адсорбции (КЦА), где чередующиеся циклы сорбции и десорбции в параллельных адсорберах проводятся при одинаковой температуре без энергозатрат на нагрев и охлаждение. Известные конструкции для реализации КЦА процессов включают в себя компрессор для сжатия воздуха, два одинаковых адсорбера, заполненных цеолитовым или другим адсорбентом, способным поглощать азот с большей скоростью и/или большей емкостью, чем кислород (Кепсель, К. Разновидности установок для производства технического кислорода из воздуха с использованием короткоцикловой адсорбции / К.Кепсель // Технические газы. - 2001. - №4. - С.33-37.). В один из адсорберов через систему входных трубопроводов и распределительных клапанов поступает сжатый воздух и в нем происходит преимущественная сорбция азота. Выходящий через выходной патрубок поток воздуха обогащен кислородом и его часть поступает потребителю. Второй адсорбер (десорбер) находится при пониженном давлении (в большинстве случаев атмосферном), что инициирует процесс десорбции азота из адсорбента (регенерация адсорбента). Для интенсификации десорбции в десорбер через систему трубопроводов и клапанов из первого адсорбера поступает часть потока воздуха, обогащенного кислородом. По истечении полуцикла адсорберы переключаются, т.е. первый проходит стадию десорбции, а второй при повышенном давлении обогащает воздух кислородом. Далее все многократно повторяется. Для переключения адсорберов на входных и выходных патрубках и трубопроводах установлена система управляющих клапанов. Процесс КЦА можно организовать при постоянной температуре, что определяет основные преимущества данных устройств перед другими адсорбционными газоразделительными устройствами.
Недостатками известных устройств КЦА являются следующие. Установки КЦА для обогащения кислорода являются сравнительно малопроизводительными. Степень извлечения кислорода из атмосферного воздуха (отношение парциального потока кислорода в потоке отбора продукта к парциальному потоку в потоке питания атмосферным воздухом) не превышает 20-30%. При этом поток отбора целевого продукта, идущего потребителю, составляет сравнительно малую величину относительно питающего потока сжатого воздуха, поступающего в адсорберы. В большинстве случаев потребителю от питающего потока поступает поток на уровне не выше 10%. Это связано с тем, что половину и более всего обогащенного кислорода приходится использовать для регенерации адсорбента в десорбере (на сдувку из сорбента азота и замещение на кислород). Даже при сравнительно невысоких концентрациях кислорода в продукте (например, на уровне 50-60%) реальная производительность КЦА установок не превышает заметно указанные выше 5-10% от величины потока питания. Это соотношение потоков является существенной составляющей, определяющей себестоимость производства кислорода (энергозатраты на сжатие большого входного потока воздуха).
Основные причины, обуславливающие невысокие производительность и степень извлечения, состоят в том, что короткоцикловая адсорбция характеризуется малыми временами полуциклов (от секунд до нескольких минут в зависимости от используемого адсорбента, масштаба установки и необходимого обогащения). При этом в параллельных адсорберах протекают постоянные периодические нестационарные процессы. Постоянно меняется давление от атмосферного при десорбции до некоего максимального рабочего давления при сорбции. Постоянно по высоте адсорберов меняются величины газовых потоков, что связано как с самими процессами сорбции азота в адсорбере, так и его десорбции в десорбере, а также с непостоянством расходных характеристик дросселирующих элементов и нагнетательного компрессора. С ростом давления производительность компрессора падает, а при снижении давления пропускная способность дросселирующих устройств также уменьшается. В результате, для достижения высоких обогащений по кислороду необходима тонкая балансировка всех газовых потоков, которая должна скомпенсировать отрицательные воздействия переходных процессов. Единственным надежным способом является проведение относительно глубокой десорбции накопленного азота за счет интенсивной продувки десорбера, что и определяет сравнительно невысокую производительность установок. Кроме прочего, применение метода КЦА не позволяет достигать высоких концентраций кислорода, что обусловлено селективными свойствами сорбентов. Все известные сорбенты для обогащения кислорода обладают тем свойством, что имеют практически равные константы равновесия и константы скорости сорбции, как для молекул кислорода, так и для молекул аргона, который присутствует в воздухе в заметных количествах (на уровне 0,8-1,0%). В результате, в КЦА установках (как и в других установках для адсорбционного обогащения кислорода), при обогащении кислорода происходит одновременное обогащение аргона и концентрация кислорода имеет предельное значение около 95% объемных.
Наиболее близкой по конструктивному исполнению и принятой за прототип является установка для получения кислорода из атмосферного воздуха, состоящая из блока подачи сжатого воздуха, включающего воздушный компрессор и устройство осушки воздуха, и адсорбционного блока, содержащего ресивер, два заполненных сорбентом адсорбера, входные патрубки которых подключены к системе подачи сжатого воздуха, а выходные патрубки к ресиверу, трубопровод питания и два параллельных входных трубопровода, соединяющих входные патрубки адсорберов между собой, с блоком подачи сжатого воздуха и со сбросным трубопроводом, четыре входных клапана управления газовыми потоками с блоком управления клапанами для переключения потока из блока подачи сжатого воздуха между адсорберами и для сброса воздуха из адсорберов через сбросной трубопровод, два параллельных выходных трубопровода, соединяющих выходные патрубки адсорберов, первый выходной трубопровод соединен со входом в ресивер и на нем установлены два обратных клапана для переключения газовых потоков между адсорберами и ресивером (Патент РФ №2140806, Кл. B01D 53/04, Заявка 98122564/12, 08.12.1998).
Основную задачу, которую решает это установка является повышение эффективности КЦА установок за счет частичной компенсации неравенства рабочих характеристик адсорберов. Для этого в установке используется также еще один выходной трубопровод, соединяющий выходные патрубки адсорберов. На двух выходных трубопроводах установлены клапаны и сужающие устройства типа расходных шайб (дросселирующие устройства), имеющие в общем случае различные проходные сечения и подбираемые специальным образом с учетом индивидуальных особенностей каждого адсорбера.
Несмотря на возможность частичной компенсации различий в рабочих характеристиках адсорберов, указанная установка обладает перечисленными выше основными недостатками, присущими КЦА методам обогащения кислорода, а именно, сравнительно малыми производительностью, степенью извлечения и невозможностью обогащения кислорода выше предельной величины в 95%.
Задачей предлагаемой установки является модернизация КЦА устройств для производства кислорода.
Техническим результатом предложенной установки является повышение производительности, степени извлечения и обеспечение возможности повышения концентраций кислорода в производимых продуктах. Например, при заданной чистоте продукта может быть увеличен поток отбора потребителю, а при заданном потоке отбора может быть повышена чистота продукта.
Указанные задача и технический результат достигаются тем, что установка для получения кислорода из атмосферного воздуха, состоящая из блока подачи сжатого воздуха, адсорбционного блока, содержащего два параллельных адсорбера, ресивер, соединительные входные и выходные трубопроводы, сбросной трубопровод, клапаны управления газовыми потоками с блоком управления клапанами, которые служат для переключения потоков атмосферного сжатого воздуха между адсорберами и газовых потоков между адсорберами и ресивером, содержит соединенный с ресивером газовой коммуникацией мембранный газоразделительный модуль, выполненный в виде разделенных селективной мембраной двух технологических объемов высокого и низкого давления. Мембранный модуль может быть выполнен в виде любого модуля, содержащего, соединенные единой коммуникацией дисковые мембранные элементы, в виде рулонного модуля, в виде модуля, содержащего половолоконные мембранные элементы, в виде модуля, содержащего в едином корпусе несколько мембранных газоразделительных устройств, или в виде любого другого типа мембранного газоразделительного устройства. Выход из объема низкого давления мембранного модуля соединен с потребителем, а выход из объема высокого давления через расходное дросселирующее устройство соединен с выходным трубопроводом установки, на котором установлены два выходных клапана управления газовыми потоками, которые служат для переключения газового потока между газоразделительным модулем и адсорберами.
Вариантом выполнения установки является вариант, при котором выходные клапаны соединены с блоком управления, который осуществляет переключение выходных клапанов синхронно с входными клапанами. Другим вариантом является вариант, в котором в качестве выходных клапанов используются обратные клапаны и их переключение происходит автоматически без использования блока управления. Третьим вариантом является вариант, при котором на сбросном трубопроводе установлено расходное дросселирующее устройство.
Основным отличием заявленной установки от прототипа и других известных установок является то, что в ней используется мембранный газоразделительный модуль, в который из ресивера подается обогащенная кислородом в адсорбционном блоке смесь. При этом имеет место дополнительное обогащение продукта кислородом и его обеднение азотом и аргоном. Отличие также состоит в том, что для продувки (регенерации) десорбера (одного из адсорберов, который в данный период времени находящегося под пониженном давлении и продувкой и проходящим стадию регенерации) используется газовая смесь не из работающего при высоком давлении адсорбера, а смесь, выходящая из мембранного газоразделительного модуля. Эффект повышения производительности установки и степени извлечения кислорода достигается за счет того, что в мембранном модуле производится дополнительная работа разделения газовой смеси, причем без дополнительных энергетических затрат, поскольку в мембранный модуль поступает заранее сжатая компрессором газовая смесь, прошедшая через один из адсорберов и накопленная в ресивере. Движущей силой разделения в мембранном модуле является только разность давлений между различными сторонами мембраны. Кроме того, газоразделение в мембранном модуле протекает более стабильно, чем в адсорберах, в которых постоянно имеют место нестационарные процессы по давлению и газовым потокам. Для этого мембранный модуль питается из ресивера, который сглаживает пульсации. Кроме всего прочего, использование мембранного модуля позволяет решить принципиальную задачу снижения в продукте концентрации аргона, чего нельзя достигнуть в адсорбционных колоннах, что является очень важным при необходимости производства кислорода высокого обогащения.
На Рисунке изображена принципиальная схема установки для получения кислорода из атмосферного воздуха.
Установка включает в себя воздушный компрессор 1, устройство осушки воздуха 2, два заполненных адсорбентом адсорбера 3 и 4, ресивер 5 и мембранный газоразделительный модуль 6. Адсорберы снабжены входными патрубками 7, 8 и выходными патрубками 9 и 10. Входные патрубки соединены с компрессором трубопроводом питания 11 и двумя параллельными входными трубопроводами 12 и 13, последний из которых соединен со сбросным трубопроводом 14. На входных трубопроводах установлены клапаны управления газовыми потоками 15-18, которые соединены с блоком их управления 19 для переключения потока из компрессора между адсорберами и для сброса воздуха из адсорберов через сбросной трубопровод. Выходные клапаны 9, 10 соединены между собой двумя параллельными выходными трубопроводами 20 и 21. Первый из выходных трубопроводов 20 снабжен обратными клапанами 22, 23 и соединен с входом в ресивер, перед которым также установлен обратный клапан 24. Выход ресивера соединен газовой коммуникацией 25 с входом мембранного газоразделительного модуля 6, выполненного в виде разделенных селективной мембраной двух технологических объемов высокого 26 и низкого 27 давления. Выход 28 из объема низкого давления соединен с потребителем, а выход 29 из объема высокого давления через расходное устройство 30 соединен со вторым выходным трубопроводом 21, на котором установлены два выходных клапана управления газовыми потоками 31 и 32 для переключения газового потока, выходящего из газоразделительного модуля 6, между адсорберами 3 и 4. Расходное устройство 30 может быть выполнено либо в виде расходных шайб, регулируемых газовых дросселей, либо в виде любых других устройств, позволяющих устанавливать необходимый газовый расход и сбрасывать давление. Предпочтительным может оказаться устройство типа регулируемого газового дросселя, положение которого может изменяться и фиксироваться в процессе пуско-наладки или перенастройки установки.
В том случае, когда выходные клапаны 31 и 32 являются управляемыми, они соединены управляющей связью с блоком управления 19, который осуществляет переключение выходных клапанов синхронно с входными клапанами. Клапаны 31 и 32 могут быть выполнены в виде обратных клапанов. В этом случае их открытие и закрытие будет происходить автоматически в зависимости от величин давления. Управляемые клапаны являются более быстрыми и более предпочтительны при малых величинах циклов переключения адсорберов на сорбцию и десорбцию (например, на уровне меньше секунды). В остальных случаях более предпочтительны обратные клапаны, которые повышают надежность системы за счет сокращения управляющих связей и исполнительных механизмов. На сбросном трубопроводе установки 14 может быть установлено дополнительное расходное устройство 33, с помощью которого возможно регулирование газодинамических процессов и процессов десорбции азота в соответствующем подключенном адсорбере. Расходное устройство 33 может быть выполнено либо в виде расходных шайб, регулируемых газовых дросселей, либо в виде любых других устройств, позволяющих устанавливать необходимый газовый расход и сбрасывать давление. Предпочтительным может оказаться устройство типа регулируемого газового дросселя, положение которого может изменяться и фиксироваться в процессе пуско-наладки или перенастройки установки.
Установки для получения кислорода из атмосферного воздуха, работает следующим образом.
Воздушный компрессор 1 засасывает атмосферный воздух, сжимает его и подает на вход устройства осушки 2, в котором происходит отделение влаги и масла. Требования к устройству осушки не являются жесткими. Главным является то, что устройство должно снизить объемную концентрацию паров воды до долей процента (не повлиять существенно на сорбционную емкость сорбентов), что реализуется достаточно просто фреонными осушителями с точкой росы на уровне нескольких °С выше нуля. Далее осушенный сжатый воздух поступает на вход адсорбционного блока. Блок управления 19 адсорбционного блока управляет клапанами 15-18 таким образом, что каждый из адсорберов 3, 4 попеременно проходит цикл сорбции-десорбции (регенерации), причем в момент, когда один из них находится в стадии сорбции, другой регенерируется. Одновременно открытыми или закрытыми могут быть пары клапанов 15-17 и 16-18. Например, если пара клапанов 15-17 открыта, то пара клапанов 16-18 закрыта и при этом в адсорбер 4 поступает сжатый воздух и в нем происходит сорбция азота и обогащение потока кислородом, а адсорбер 3 соединен с сбросным трубопроводом 14, давление в нем опускается до атмосферного и проходит процесс десорбции азота (регенерация адсорбента). При обратном переключении пар клапанов адсорберы 3 и 4 меняются местами по функциональному назначению. Процесс десорбции реализуется за счет сброса давления в соответствующем десорбере и, главным образом, за счет его продувки воздухом, обогащенным кислородом, поступающим из выхода соответствующего действующего адсорбера. Переключение пар клапанов происходит периодически через равные промежутки времени (время полуцикла в короткоцикловом процессе адсорбции). Обратные клапаны 22 и 23 установлены таким образом, что позволяют пропускать газ в ресивер только из адсорбера, находящегося под более высоким давлением. При этом другой адсорбер с низким давлением оказывается отсеченным от ресивера и от адсорбера с высоким давлением. Переключение обратных клапанов происходит автоматически при смене давления в адсорберах (при переключении пар клапанов 15-17 и 16-18, осуществляемого с помощью блока управления 19). Обратный клапан 24, установленный на входе в ресивер, позволяет предотвратить обратный поток газа из ресивера в адсорберы. В результате в ресивер 5 поступает поток воздуха, обогащенного кислородом, попеременно то из адсорбера 3, то из адсорбера 4. Основным назначением ресивера 5 является обеспечение относительно стабильного по давлению источника сжатого и обогащенного кислородом воздуха для его подачи в мембранный газоразделительный модуль 6. Воздух из ресивера поступает в объем 26 высокого давления мембранного модуля, который отделен от объема 27 низкого давления полупроницаемой селективной мембраной. Мембрана более проницаема для молекул кислорода и менее проницаема для молекул аргона и азота. В результате происходит дополнительное обогащение кислородом проникшего через мембрану воздуха, который из объема низкого давления отводится потребителю через выход 28. Непроникший через мембрану поток воздуха из объема высокого давления через выход 29, расходное устройство 30 и через трубопровод подается на адсорбер, который в течение данного полуцикла находится в стадии регенерации. Например, если в течение полуцикла открыта пара клапанов 15-17, то таким адсорбером должен быть адсорбер 3. Это достигается тем, что на трубопроводе 21 установлены два клапана управления газовыми потоками 31 и 32. В рассматриваемом примере открытым должен быть клапан 31, а в следующем полуцикле - клапан 32.
Управление клапанами может производиться общим блоком управления 19. При этом синхронно и с высокой точность должно проводиться попеременное открытие и закрытие троек клапанов 15-17-31 и 16-18-32.
В качестве клапанов 31 и 32 могут быть использованы обратные клапаны, что позволяет значительно упростить систему управления установкой.
Расходное устройство 30 является одним из основных управляющих элементов установки. Во-первых, оно задает уровень высокого давления в адсорберах и в мембранном модуле, и, во-вторых, оно параллельно определяет величины газовых потоков в установке. Это связано с тем, что, как указано ранее, расходные характеристики (давление-расход) компрессора и характеристики расходных устройств (в частности, дросселей) противоположны. В рабочем приближении можно считать, что пропускная способность компрессора обратно пропорциональна, а пропускная способность расходных элементов прямо пропорциональна перепаду давления. В зависимости от типа используемых устройств пропорциональность может быть линейной и нелинейной.
Кроме этого одним из факторов, определяющих характеристики установки является площадь и селективные свойства мембраны газоразделительного модуля 6. Пропускная способность (проницаемость) мембраны в мембранном модуле прямо пропорциональна рабочему давлению и площади мембраны.
При эксплуатации установки в адсорберах 3 и 4 попеременно происходит обогащение воздуха кислородом за счет преимущественной сорбции азота. Адсорберы попеременно проходят стадии сорбции и регенерации. Обогащенный кислородом воздух из активного адсорбера поступает в ресивер 5 высокого давления, откуда он поступает в мембранный газоразделительный модуль 6, где происходит его дополнительное обогащение кислородом, обеднение азотом и аргоном и подача потребителю. Непроникший через мембрану газ дросселируется устройством 30 (снижается его давление) и подается в колонну, находящуюся в данный момент времени в стадии десорбции (регенерации). Далее все меняется местами и многократно повторяется в циклах, имеющих одинаковую продолжительность периодов.
Одним из вариантов реализации устройства является устройство, в котором на сбросном трубопроводе установлено расходное устройство 33, например, в виде расходных шайб, регулируемых газовых дросселей, либо в виде любых других устройств, позволяющих устанавливать необходимый газовый расход и сбрасывать давление. Использование регулирования скорости истечения и скорости уменьшения давления выходящего из десорбера потока воздуха позволяет подобрать оптимальный режим десорбции, максимально согласованный с протекающими в десорбере переходными процессами.
2
Использование КЦА установки с дополнительным мембранным газоразделительным модулем позволяет повысить степень извлечения кислорода и производительность процесса при равных энергозатратах более, чем в 1,5 раза. Концентрация кислорода может превысить предельные 95% и достигать величин более 99%. Для этого в мембранном газоразделительном модуле необходимо использовать мембраны с высокой селективностью для пары компонентов O-Аr, например, мембраны, изготовленные на основании полимерного соединения типа поли(1-триметилсилил-1-пропин), поливинилтриметилсилана и др.