Устройство для выделения газообразного кислорода из смеси углекислого газа и кислорода
DEVICE FOR EXTRACTING OXYGEN GAS FROM MIXTURE OF CARBON DIOXIDE AND OXYGEN

Изобретение относится к области оборудования для химической и газовой промышленности, а также к системам жизнеобеспечения людей в замкнутых помещениях, изолированных объектах, бункерах, барокамерах, в космических и подводных аппаратах и касается способа магнитного выделения кислорода и устройства для его осуществления.
2
2
Настоящее изобретение может быть использовано в составе систем электрохимической регенерации воздуха для разделения бинарной смеси СО и О, с целью дальнейшей подачи кислорода для дыхания, а углекислого газа на утилизацию.
2
2
2
2
Сферами применения устройства для выделения газообразного кислорода из смеси углекислого газа и кислорода являются различные химические процессы и производства, в которых необходимо разделять бинарную смесь газов СО+О на кислород (О) и углекислый газ (СО), как правило при низком давлении и небольшой производительности и без шума. В частности, термомагнитный блок выделения кислорода может быть использован для подачи кислорода в системах электрохимической регенерации воздуха в различных объектах.
Основным источником азота и кислорода является атмосферный воздух. Для промышленного производства этих газов используются: метод криогенной ректификации, короткоцикловая безнагревная адсорбция (КБА) или мембранная технология. Криогенные установки позволяют осуществлять комплексное разделение воздуха с извлечением всех его компонентов при относительно небольших удельных затратах энергии. Метод криогенной ректификации целесообразно использовать при получении достаточно больших количеств азота, кислорода, аргона. При этом продукты разделения воздуха поступают к потребителю в газообразном или в жидком виде. Получаемый кислород имеет концентрацию в среднем - 99,5%. Основными недостатками этих установок являются: невозможность остановки оборудования при прекращении потребления получаемых продуктов и необходимость периодического отогрева оборудования для его ремонта и профилактики. Мембранные технологии используются для получения кислорода чистотой не более 40%. В основе мембранных систем лежит разница в скорости проникновения компонентов газа через специальные мембраны. Существенным недостатком мембранных установок является процесс деградации мембран, т.е. снижение производительности мембранного картриджа. В первый год эксплуатации снижение составляет до 10%, далее скорость деградации незначительно снижается. К дополнительным недостаткам мембранной технологии можно отнести относительно низкую чистоту получаемых азота и кислорода, более низкую энергоэффективность в сравнении с адсорбционной технологией. На цеолитовых молекулярных ситах адсорбционная емкость по азоту примерно в 2 раза выше емкости по кислороду, на этом основаны схемы получения кислорода методом адсорбции, производящих кислород чистотой от 90 до 95%, который широко используется в разнообразных отраслях промышленности. (Журнал Экспозиция Нефть газ, октябрь, 6 (59), 2016, Акулов А.К., Производство азота и кислорода методом короткоцикловой безнагревной адсорбции).
Известны многочисленные патенты на способы мембранного и адсорбционного получения кислорода из воздуха или смеси газов (патенты США №4704148, №3898047, №3687634, №6475265, №5226993, патент Японии №6340704).
2
2
2
2
2
2
2
2
Для разделения бинарной смеси газов СО+О в отличие от воздушной смеси N+O отсутствует технология эффективного разделения. Молекулы СО и О не отличаются по размеру, проницаемость в полимерных мембранах практически одинакова, разница в адсорбции СО и О незначительная, что усложняет процесс выделения кислорода.
O2
9
CO2
9
Парамагнетизм кислорода - единственное физическое свойство кислорода, резко отличающее кислород от других газов. Объемная магнитная восприимчивость (при температуре 20°С и нормальном давлении) кислорода χ=+142×10, углекислого газа χ=-0,93×10 (Александрова Г.Г., Вольфкович С.И., Кубасова Л.В., Практикум по химической технологии, М. Издательство московского университета, 1968, стр. 223).
Известно устройство для получения воздуха, обогащенного кислородом, содержащее установленные в корпусе насос, электродвигатель, источник питания, цилиндрический постоянный магнит с осевой намагниченностью (патент РФ №83243, МПК С01В 13/02, публ. 2009 г.).
Недостатком является низкая чистота получаемого кислорода, большая сложность, большой шум и вибрация, связанная с наличием дополнительных узлов (насос с электродвигателем), которые потребляют электроэнергию.
Известно устройство для осуществления способа термомагнитной сепарации воздуха (ТМСВ) на кислород и азот с остальными атмосферными газами, в котором перпендикулярно потоку воздуха, протекающему по немагнитному каналу (например, прямоугольной трубе), создаются градиенты полей (магнитного, температурного, гравитационного), под воздействием которых молекулы кислорода, являющиеся парамагнетиками, втягиваются в область сильного магнитного поля, которая образуется у стороны с магнитами, а молекулы азота и остальные газы, являющиеся диамагнетиками, выталкиваются к противоположной стороне, при этом атмосферный воздух разделяется на отдельные компоненты наноперегородкой из пористого немагнитного материала (патент РФ №2428242, МПК B01D 53/00, публ. 2011 г).
Недостатком известного устройства является сложность, большие габаритные размеры, низкая надежность, вызванная большим количеством элементов, отсутствие ремонтопригодности, а также большие потери электроэнергии на электромагниты и дополнительные модули охлаждения, что не позволяет эффективно использовать устройство для разделения бинарной газовой смеси углекислого газа с кислородом.
Задачей настоящего изобретения является создание бесшумного малогабаритного устройства, позволяющего обеспечить эффективное разделение смеси кислорода и углекислого газа путем использования свойства кислорода (парамагнетика) втягиваться в область сильного магнитного поля и свойства углекислого газа (диамагнетика) выталкиваться из области сильного магнитного поля.
Сущность предлагаемого технического решения состоит в следующем.
Устройство для выделения газообразного кислорода из смеси углекислого газа и кислорода содержит выполненный из немагнитного материала корпус, снабженный входным и выходными газовыми патрубками, при этом во внутренней полости корпуса установлена газопроницаемая пористая перегородка. Газопроницаемая пористая перегородка выполнена из магнитного материала и расположена во внутренней полости корпуса горизонтально, а на наружной поверхности корпуса установлен подключенный к источнику постоянного электрического тока соленоид, под действием которого в порах перегородки создается магнитное поле, направленное вертикально по оси внутренней полости, причем газовый патрубок для входа смеси кислорода и углекислого газа и выходной газовый патрубок для отвода углекислого газа расположены ниже перегородки, а выходной газовый патрубок для отвода кислорода расположен выше перегородки.
На чертеже представлена схема устройства для выделения газообразного кислорода из смеси углекислого газа и кислорода.
Устройство для выделения газообразного кислорода из смеси углекислого газа и кислорода содержит корпус 1, газопроницаемую магнитную перегородку 2, патрубок входа смеси газов 3, патрубок выхода кислорода 4, патрубок выхода углекислого газа 5, соленоид 6 для создания магнитного поля и намагничивания перегородки 2.
Устройство для выделения газообразного кислорода из смеси углекислого газа и кислорода работает следующим образом.
Смесь газов входит в полость корпуса 1 через входной патрубок 3, первоначально происходит падение скорости газа, связанное с увеличением проходного сечения, далее смесь газов перетекает в полости корпуса от периферии к центру вдоль перегородки 2, под действием магнитного поля от соленоида 6 в порах пористой перегородки создается направленное вертикально по оси канала магнитное поле, через поры парамагнитный кислород (молекулы которого имеют меньшую массу) поднимается верх, перетекает в полость над перегородкой и выходит через патрубок 4.
Углекислый газ, молекулы которого имеют большую массу, на который магнитное поле не оказывает влияние, проходит вдоль перегородки к центру полости корпуса и через центральный патрубок отводится в нижнюю полость и выходит через патрубок 5.
Предложенное техническое решение позволяет создать простое, бесшумно работающее малогабаритное устройство, обеспечивающее надежное разделение смеси кислорода и углекислого газа.