УСТАНОВКА МЕМБРАННОГО ГАЗОРАЗДЕЛЕНИЯ

Область техники.
Заявляемое техническое решение относится к области мембранного газоразделения.
Уровень техники.
Известна, например, группа азотных компрессорных станций (патент РФ №113312 на полезную модель, МПК F04B 41/00, 2012 [1]; патент РФ на ПМ №114489 на полезную модель, МПК F04B 41/00, F04B 45/00, 2012 [2]; патент РФ на ПМ №128258 на полезную модель, МПК F04B 41/00, F04B 41/06, F04B 25/02, 2013, [3]). Как и в заявляемой установке указанные аналоги содержат многоступенчатый компрессор. При этом выход промежуточной ступени компрессора соединен со входом газоразделительного блока, а выход газоразделительного блока соединен со входом ступени компрессора, следующей за промежуточной ступенью.
Недостатком указанных устройств является то, что первая и промежуточные ступени имеют ограниченную производительность по условиям всасывания и не могут обеспечить повышенный объем воздуха, поступающего на газоразделение. Следовательно, указанные станции имеют ограниченную производительность.
Известна также система трехступенчатого мембранного газоразделения (патент США №5102432 на изобретение, МПК B01D 53/22, 1992, [4]). Как и в заявляемой установке указанный аналог [4] содержит несколько ступеней сжатия газа, выполненных в компрессорах, и газоразделительные мембраны. При этом выход пермеата мембраны третьей ступени соединен с компрессором второй ступени сжатия через компрессор.
Первым недостатком аналога [4] является то, что устройством, повышающим давление пермеата, является компрессор. Это усложняет схему системы газоразделения, повышает энергетические затраты и соответственно снижает эффективность газоразделения. Вторым недостатком аналога [4] является соединение каждого компрессора с мембраной соответствующей ступени. Это усложняет конструкцию системы мембранного газоразделения.
Указанный аналог [4] является по совокупности существенных признаков наиболее близким аналогом того же назначения к заявляемой системе газоразделения. Поэтому он принят в качестве прототипа.
3
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении технического решения, является необходимость увеличения производительности установки мембранного газоразделения по азоту с концентрацией не менее 90% до 600 н.м/час, при использовании двухрядного пятиступенчатого оппозитного компрессора базы 2 ГМ 2,5 с цилиндрами одинарного действия.
Раскрытие сущности технического решения.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым техническим решением, является увеличение количества газовой смеси, подаваемой в газоразделительное устройство.
Сущность заявленного технического решения состоит в том, что установка мембранного газоразделения содержит многоступенчатый компрессор и газоразделительное устройство. При этом выход газовой смеси промежуточной ступени компрессора соединен со входом газовой смеси газоразделительного устройства. При этом выход пермеата газоразделительного устройства соединен с промежуточной ступенью компрессора, предшествующей газоразделительному устройству, через средство повышения давления. Отличается тем, что:
- средство повышения давления представляет собой первое запорно-регулирующее устройство;
- выход ретентата промежуточной ступени сжатия после газоразделительного устройства дополнительно соединен со входом газа газоразделительного устройства.
Вышеуказанная сущность является совокупностью существенных признаков заявленного технического решения, обеспечивающих достижение заявленного технического результата.
В частных случаях допустимо выполнять техническое решение следующим образом.
Установка преимущественно снабжена линией отвода части пермеата из газоразделительного устройства. При этом на линии отвода части пермеата установлено второе запорно-регулирующее устройство.
Компрессор выполнен предпочтительно пятиступенчатым. При этом выход газовой смеси третьей ступени сжатия соединен со входом газовой смеси газоразделительного устройства. Кроме того, выход пермеата газоразделительного устройства соединен со входом второй ступени сжатия компрессора.
Выход ретентата предпочтительно четвертой ступени сжатия соединен со входом газа газоразделительного устройства.
Авторами заявленного технического решения изготовлен опытный образец этого решения, испытания которого подтвердили достижение технического результата.
Краткое описание чертежей.
На фигуре показана схема установки мембранного газоразделения. Осуществление технического решения.
Установка для мембранного газоразделения (фиг.) содержит многоступенчатый поршневой компрессор (1), газоразделительное устройство (5), первое запорно-регулирующее устройство (6), охладитель (7) и циклонный сепаратор (8).
Многоступенчатый поршневой компрессор (1) преимущественно выполнен на базе двухрядного пятиступенчатого оппозитного компрессора 2 ГМ 2,5 с цилиндрами одинарного действия.
Выход газовой смеси промежуточной, предпочтительно третьей ступени сжатия (4) соединен со входом газовой смеси газоразделительного устройства (5).
Газоразделительное устройство (5) предназначено для разделения потока газовой смеси на два: поток, не пропущенный мембраной, - ретентат, и поток, проникший через мембрану, - пермеат. Пермеат представляет собой поток газа, обогащенный кислородом и молекулами воды, а ретентат представляет собой поток газа, обогащенный азотом.
Выход ретентата газоразделительного устройства (5) соединен с четвертой ступенью сжатия (12) компрессора (1).
С целью повышения количества исходной газовой смеси, поступающей на газоразделение, выход пермеата газоразделительного устройства (5) соединен со входом второй ступени сжатия (3) компрессора (1) через первое запорно-регулирующее устройство (6), охладитель (7), циклонный сепаратор (8), кран (9) и обратный клапан (10). Кроме того, выход ретентата промежуточной ступени сжатия после газоразделительного устройства (5) дополнительно соединен со входом газа газоразделительного устройства (5). Например, выход ретентата четвертой ступени сжатия (12) дополнительно соединен со входом газа газоразделительного устройства (5) через запорное устройство (14). Запорное устройство (14) выполнено в виде игольчатого вентиля.
Первое запорно-регулирующее устройство (6) повышает давление пермеата приблизительно до давления всасывания второй ступени сжатия (3), равное 0,3-0,31 МПа. Первое запорно-регулирующее устройство (6) представляет собой игольчатый вентиль.
Охладитель (7) предназначен для охлаждения пермеата до требуемой температуры.
Циклонный сепаратор (8) предназначен для максимального удаления воды из пермеата.
Установка мембранного газоразделения снабжена линией отвода части пермеата после газоразделительного устройства (5). На линии отвода части пермеата установлено второе запорно-регулирующее устройство (11). Кроме того, на линии отвода части пермеата могут быть установлены элементы регулирования объема, сбрасываемого пермеата, например механизмы ручного управления, электропривод, редукторы ДО СЕБЯ и ПОСЛЕ СЕБЯ, предохранительные клапаны и т.д.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1. Со входом газовой смеси газоразделительного устройства (5) может быть соединен выход газовой смеси второй ступени сжатия (3) компрессора (1) (не показано). При этом выход пермеата газоразделительного устройства (5) соединен со входом второй ступени сжатия (3) компрессора (1).
3
3
3
Пример 2. В газоразделительном устройстве (5) использованы мембраны PA-6050N1 или РА-6050 Р3 производства AIR PRODUCTS. Со входом газовой смеси газоразделительного устройства (5) соединен выход газовой смеси третьей ступени сжатия (4) компрессора (1). Выход пермеата газоразделительного устройства (5) соединен со входом второй ступени сжатия (3) компрессора (1). Производительность первой ступени сжатия (2) компрессора (1) в равна 720 н.м/час, производительность второй и третьей ступеней сжатия (3, 4) равна 1050 н.м/час, производительность четвертой и пятой ступеней сжатия (12, 13) по азотной газовой смеси с концентрацией азота 90% равна 600 н.м/час каждая. Показатели мембранной установки в первом и втором циклах газоразделения приведены в таблицах 1 и 2.
Реализация заявляемой установки для мембранного газоразделения не ограничивается приведенными выше примерами.
Описание работы.
3
Исходную газовую смесь, преимущественно воздух сжимают, например, в трех ступенях поршневого компрессора (1), приблизительно до давления 2-2,9 МПа. При этом расход воздуха, приведенный к нормальным условиям, составляет 720 н.м/час. После третьей ступени сжатия (4) газ подают в газоразделительное устройство (5). В газоразделительном устройстве (5) происходит разделение потока газовой смеси на пермеат и ретентат.
Давление пермеата, покинувшего газоразделительное устройство (5), повышают до давления всасывания второй ступени (3) компрессора, равного 0,3-0,31 МПа, первым запорно-регулирующим устройством (6). В отличие от прототипа [4] в мембранной установке для сжатия пермеата используют не компрессор, а запорно-регулирующее устройство (6). Это позволяет:
- поддерживать давление потока пермеата после газоразделительного устройства (5) в пределах, достаточных для обеспечения возможности подачи пермеата во вторую ступень сжатия (3);
- упростить регулирование показателей установки газоразделения по концентрации ретентата;
- сократить затраты энергии на сжатие пермеата.
Затем поток пермеата поступает в охладитель (7) и циклонный сепаратор (8) для охлаждения и максимального удаления воды. Отсепарированный поток пермеата подают во вторую ступень (3) компрессора (1) через кран (9) и обратный клапан (10). Во второй ступени (3) происходит смешение пермеата с исходным газом.
3
3
3
После сжатия во второй (3) и третьей (4) ступенях компрессора (1) смесь газов с величиной расхода от 1000 до 1050 н.м/час вновь подают в газоразделительное устройство (5). Таким образом количество газовой смеси, подаваемой в газоразделительное устройство по сравнению с первым циклом увеличивается с 720 н.м/час до 1000-1050 н.м/час. После газоразделительного устройства (5) часть пермеата возвращают во вторую ступень сжатия (3) и выводят установку на стационарный режим по производительности и заданной концентрации азота.
С целью предотвращения циклического увеличения концентрации кислорода в потоке пермеата и, следовательно, во входящем потоке смеси газов в газоразделительное устройство (5), часть пермеата сбрасывают через второе запорно-регулирующее устройство (11). Пермеат сбрасывают с момента запуска установки в количестве до 40-50% от всего объема пермеата.
Давление ретентата на выходе из газоразделительного устройства (5) понижается, по сравнению с давлением на входе в газоразделительное устройство (5) на 0,1-0,2 бар. Обогащенный азотом до нужных концентраций поток после газоразделительного устройства (5) поступает в четвертую ступень сжатия (12) компрессора (1). После сжатия в четвертой (12) и пятой (13) ступенях компрессора (1) до давления 2,5 МПа ретентат поступает потребителю.
3
Часть ретентата, например, 50-100 н.м/час подают, например, после четвертой ступени сжатия (12) на вход газоразделительного устройства (5) через запорное устройство (14). Энергетически целесообразно отбор ретентата осуществлять после четвертой ступени (12) компрессора. Ретентат возвращают в газоразделительное устройство (5) тогда, когда завершена настройка стабильного во времени режима работы установки, но не достигнуты нужные параметры по концентрации ретентата. За счет такого регулирования увеличивают концентрацию ретентата. При этом производительность установки снижается незначительно.
Промышленная применимость.
Заявляемое техническое решение реализовано с использованием промышленно выпускаемых устройств и материалов, может быть применено на любом промышленном предприятии, где требуется получение и/или использование азота.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Передвижная азотная компрессорная станция [Текст]: пат. 113312 Рос. Федерация: МПК F04B 41/00/ Ворошилов И. В.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Краснодарский Компрессорный Завод". - №2011140499/06; заявл. 05.10.2011; опубл. 10.02.2012, Бюл. №4.
2. Передвижная азотная компрессорная станция [Текст]: пат. 114489 Рос. Федерация: МПК F04B 41/00, F04B 45/00/ Ворошилов И. В.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Краснодарский Компрессорный Завод". - №2011143262/06; заявл. 26.10.2011; опубл. 27.03.2012, Бюл. №9.
3. Азотная компрессорная станция для повышения нефтеотдачи пластов [Текст]: пат. 128258 Рос. Федерация: МПК F04B 41/00, F04B 41/06, F04B 25/02/ Мальцев Г. И., Ворошилов И. В.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Краснодарский Компрессорный Завод". - №2012152158/06; заявл. 04.12.2012; опубл. 20.05.2013, Бюл. №14.
4. Three-stage membrane gas separation process and system [Text]: pat. 5102432 United States: Int. CL. B01D 53/22/ Ravi Prasad. - Assignee Union Carbide Industrial Gases Technology Corporation. - № US 19900624969; filed Dec. 10,1990; date of patent Apr. 7, 1992.