Азотная компрессорная установка

Заявляемая полезная модель относится к области машиностроения, а именно к компрессорным установкам для получения из атмосферного воздуха газовой смеси с высоким содержанием азота, используемой при выполнении технологических операций в различных отраслях промышленности.
В частности, настоящая полезная модель может применяться для получения азота высокого давления для наддува топливных баков и продувки топливных трубопроводов на авианесущих кораблях и судах.
Специфическими требованиями, предъявляемыми к таким азотным компрессорным установкам, являются:
- минимальные габаритные размеры для обеспечения размещения в ограниченном пространстве;
- компоновка на единой раме входящего в состав установки оборудования;
- осуществление привода компрессоров от электродвигателя;
- возможность получения на выходе установки азота как высокого до 25 МПа, так и низкого до 1,0 МПа давления;
- возможность автоматического управления технологическим процессом получения газообразного азота.
Известна передвижная азотная компрессорная станция, содержащая первый и второй компрессоры с дизельными приводами и газоразделительный блок, при этом выход первого компрессора соединен с входом второго компрессора через газоразделительный блок, первый компрессор выполнен винтовым, а второй компрессор выполнен многоступенчатым поршневым (патент РФ №114490, МПК F04B 41/00, публикация 2012 г.).
Известен генератор азота, содержащий винтовой компрессор с приводом в виде дизельного двигателя, систему подготовки воздуха с подогревателем и газоразделительный блок, при этом выход воздуха компрессора соединен с входом газоразделительного блока (патент РФ №135268, МПК B01D 53/00, публикация 2013 г.).
Известна азотная компрессорная станция СДА-50/25, содержащая первый и второй винтовые компрессоры с дизельными приводами, первую и вторую системы подготовки воздуха, первый и второй газоразделительные блоки. При этом выход воздуха первого компрессора соединен с входом воздуха первой системы подготовки воздуха, выход воздуха которой соединен со входом воздуха первого газоразделительного блока. Кроме того, выход воздуха второго компрессора соединен с входом воздуха второй системы подготовки воздуха. Кроме того, выход первого газоразделительного блока соединен с первым запорным клапаном, а выход второго газоразделительного блока соединен со вторым запорным клапаном (полезная модель к патенту РФ №161848, МПК F04B 41/00, публикация 2016 г.).
Недостатком известных устройств является применение для компрессоров дизельных приводов, потребность в наличии запаса дизельного топлива, необходимость обеспечения подачи воздуха для работы и охлаждения дизельных приводов, что ограничено применимо на судах, так как приводит к увеличению габаритных размеров, шума и усложняет эксплуатацию и обслуживание.
Известна азотная компрессорная станция, содержащая воздушную компрессорную установку с винтовым компрессором, присоединенные к его выходу последовательно маслоотделитель, блок подготовки воздуха и подключенный к выходу последнего мембранный газоразделительный блок с мембранными модулями, соединенными в отдельные секции, при этом блок подготовки воздуха содержит воздухоохладитель, водоотделитель, блок воздушных фильтров и масляный нагреватель воздуха, а газоразделительный блок содержит соединенные параллельно основную секцию и, по меньшей мере, одну дополнительную секцию (патент РФ №2539409, МПК F04B 41/00, публикация 2015 г.).
Известен генератор азота, содержащий последовательно соединенные компрессор и мембранный газоразделительный блок, при этом выход азота мембранного газоразделительного блока соединен с разветвленным трубопроводом, содержащим, по крайней мере, две ветви, причем первая ветвь соединена с входом компрессора, а вторая ветвь является выходом генератора азота, при этом упомянутые ветви снабжены запорными клапанами, а на выходе азота мембранного газоразделительного блока расположен газоанализатор (патент РФ №2450857, МПК B01J 7/00, С01В 21/00, публикация 2012 г.).
Недостатком известных устройств является отсутствие возможности получения и подачи потребителям азота высокого давления ввиду отсутствия в составе известных устройств дожимающего компрессора.
Задачей создания предлагаемой полезной модели является расширение арсенала технических средств, используемых для производства газообразного азота.
Технический результат заключается в реализации указанного назначения и создание эффективной в работе и удобной в эксплуатации конструкции устройства, используемого для получения газообразного азота из воздуха.
Указанный технический результат достигается использованием азотной компрессорной установки, которая включает в себя размещенные на единой раме винтовой и поршневой компрессоры с приводными электрическими двигателями, блок управления, блок подготовки воздуха с подогревателем, мембранный газоразделительный блок, на выходе которого установлен газоанализатор, при этом вход блока подготовки воздуха соединен с выходом винтового компрессора, а мембранный газоразделительный блок подключен к выходу блока подготовки воздуха, при этом выход мембранного газоразделительного блока сообщен трубопроводом через запорно-регулирующий клапан с размещенными на раме двумя параллельно подключенными емкостями для газообразного азота, первая из которых через запорно-регулирующий клапан сообщена с входом в поршневой компрессор и далее через фильтр с выходом азота высокого давления, а вторая через редукционный клапан и запорно-регулирующий клапан сообщена с выходом азота низкого давления.
Блок управления азотной компрессорной установки обеспечивает местный и дистанционный контроль и управление параметрами технологического процесса получения газообразного азота.
Мембранный газоразделительный блок имеет теплоизолирующий кожух для исключения влияния внешних воздействий и температуры на корпус элемента.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема азотной компрессорной установки, на фиг. 2 приведена азотная компрессорная установка вид спереди, на фиг. 3 - то же, вид сверху.
Азотная компрессорная установка предназначена для получения газообразного азота высокого и низкого давления из воздуха методом селективного разделения на полимерных мембранах с использованием двух компрессоров с электроприводом.
Азотная компрессорная установка (см. фиг. 1) включает винтовой компрессор 1, блок подготовки воздуха 2, мембранный газоразделительный блок 3, емкости для газообразного азота 4, поршневой многоступенчатый компрессор высокого давления 5. Все элементы установки расположены последовательно и соединены между собой трубопроводами, а емкости 4 соединены между собой параллельно. Для отвода продуктового азота низкого давления азотная компрессорная установка снабжена патрубком 6, а для отвода продуктового азота высокого давления - патрубком 7. Для отвода потока воздуха с высоким содержанием кислорода (пермеат) азотная компрессорная установка снабжена выходным патрубком 8, для отвода потока воздуха, обогащенного азотом (ретентат), установка снабжена выходным патрубком 9, для автоматического отвода конденсата патрубком 10.
На выходе мембранного газоразделительного блока 3 расположен трубопровод с газоанализатором 11, измеряющим состав газа на выходе газоразделительного блока, после газоанализатора 11 трубопровод сообщается через запорно-регулирующий клапан 12 с выходным патрубком 9 для сброса некондиционного азота, а через запорно-регулирующий клапан 13 с емкостями 4.
Выход емкостей 4 через запорно-регулирующий клапан 14 сообщен с входом дожимающего компрессора 5, который через фильтр 15 сообщен с патрубком выхода азота высокого давления 7.
Выход емкостей 4 также сообщен с выходным патрубком азота низкого давления 6 через редукционный клапан 16 и запорно-регулирующий клапан 17.
Все элементы азотной компрессорной установки закреплены на раме 18 (см. фиг. 2 и 3). Блок управления 19 обеспечивает местный и дистанционный контроль и управление параметрами технологического процесса получения газообразного азота.
Азотная компрессорная установка работает следующим образом.
Исходный воздух с помощью компрессора 1 сжимается и под давлением последовательно подается на блок подготовки воздуха 2, где происходит его очистка от паров масла, капельной влаги и твердых частиц, а также происходит стабилизация основных параметров воздуха (давление, температура).
Удаление конденсата из фильтров, входящих в блок подготовки воздуха 2, производится в автоматическом режиме через конденсатоотводчики (не показаны) и далее на выходной патрубок 10.
Из блока подготовки воздуха 2 сжатый воздух поступает на вход термостата (не показан), в котором он нагревается до температуры, соответствующей оптимальному режиму работы мембранного газоразделительного блока 3 (45-55°С). Поддержание требуемой температуры термостата с электронагревательным элементом осуществляется с помощью блока управления 19.
Очищенный и подогретый воздух подается в мембранный газоразделительный блок 3.
Проходя через мембранный газоразделительный блок 3, сжатый воздух разделяется на два потока: поток воздуха с высоким содержанием кислорода (пермеат) на выходе патрубка 8, и поток воздуха, обогащенный азотом (ретентат) на выходе патрубка 9. Разделение газов происходит за счет различных коэффициентов проницаемости азота и кислорода через полимерную мембрану газоразделительного блока 3. Движущей силой разделения является разность парциальных давлений газов на мембране.
Настройка основных рабочих параметров производится в блоке управления 19 и, при необходимости, может быть изменена.
В стадии выхода на рабочий режим газовая смесь азота контролируется газоанализатором 11 и, при не достижении целевой концентрации азота, сбрасывается через запорно-регулирующий клапан 12 и патрубок сброса 9. При достижении целевой концентрации азота, также контролируемой по газоанализатору 11, запорно-регулирующий клапан 12 закрывается, запорно-регулирующий клапан 13 открывается и газообразный азот с заданной концентрацией поступает в емкости 4.
С выходного коллектора емкостей 4 газообразный азот через запорно-регулирующий клапан 14 поступает на вход дожимающего компрессора 5 и далее через фильтр 15 на выходной патрубок высокого давления 7.
С выходного коллектора емкостей 4 газообразный азот также поступает через редукционный клапан 16 и запорно-регулирующий клапан 17 на выходной патрубок низкого давления 6.
Предусмотрены два режима работы азотной компрессорной установки:
- подача газовой смеси на основе азота под низким давлением (0,7 МПа) потребителю, при этом не включается дожимающий поршневой компрессор 5;
- подача газовой смеси на основе азота под высоким давлением (24,5 МПа), при этом работает дожимающий поршневой компрессор 5.
Блок управления 19 (фиг. 2, 3) осуществляет контроль основных параметров, визуализацию и автоматическое управление установкой.
3
3
В частности мембранная азотная установка компрессорная позволяет решать газоразделительные задачи производительностью до 21 м/ч по целевому продукту с чистотой азота до 99,5%, точкой росы до минус 60°С (до 80 м/ч перерабатываемого воздуха).
Настоящая полезная модель обеспечивает создание эффективной в работе и удобной в эксплуатации конструкции устройства, используемого для получения газообразного азота из воздуха, чем расширяет арсенал технических средств, используемых для производства газообразного азота применяемого на кораблях и судах и в других отраслях промышленности.