ГЕНЕРАТОР АЗОТА

Область техники.
Заявляемое техническое решение относится к системам генерирования инертной газовой среды с высоким содержанием азота и предназначено для получения газообразного азота из воздуха для нужд потребителя в любых отраслях промышленности, где требуется использование азота.
Предшествующий уровень техники.
Известен генератор азота (патент РФ №135268 на полезную модель, МПК B01D 53/00, 2013). Как и в заявляемом техническом решении указанный аналог содержит компрессор с приводом, систему подготовки воздуха с подогревателем и газоразделительный блок. При этом выход воздуха компрессора соединен со входом системы подготовки воздуха, выход воздуха подогревателя которой соединен со входом газоразделительного блока. Система подготовки воздуха содержит сепаратор-маслоотделитель, который предназначен для отделения основной части масла от сжатого газа.
У указанного аналога приводом компрессора является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Привод компрессора содержит вход и выход охлаждающей жидкости, а подогреватель содержит вход и выход жидкого теплоносителя. Вход жидкого теплоносителя подогревателя соединен с выходом охлаждающей жидкости привода компрессора. Выход жидкого теплоносителя подогревателя соединен со входом охлаждающей жидкости привода компрессора.
Недостатком указанного аналога является необходимость использования в качестве привода компрессора только двигатель внутреннего сгорания. Эта необходимость вызвана тем, что жидким теплоносителем подогревателя воздуха является охлаждающая жидкость двигателя. Использование охлаждающей жидкости двигателя в качестве теплоносителя усложняет регулировку и поддержание постоянной температуры подогреваемого воздуха, в связи с зависимостью температуры охлаждающей жидкости двигателя от его нагрузки и температуры окружающей среды. Кроме того охлаждающая жидкость быстро остывает, и ее использование приводит к коррозии трубопроводов.
Раскрытие заявляемого технического решения.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является снижение энергозатрат на получение азота.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым техническим решением, является снижение энергозатрат на получение азота за счет утилизации тепла, отводимого от системы смазки компрессора.
Сущность заявленного технического решения состоит в том, что генератор азота содержит компрессор, выход воздуха которого соединен со входом воздуха сепаратора-маслоотделителя, последовательно соединенного с подогревателем сжатого воздуха и газоразделительным блоком. Отличается тем, что дополнительно выход основной части масла сепаратора-маслоотделителя соединен со входом теплоносителя подогревателя сжатого воздуха, выход теплоносителя которого соединен со входом масла компрессора.
Вышеуказанная сущность является совокупностью существенных признаков заявленного технического решения, обеспечивающих достижение заявленного технического результата.
В частных случаях допустимо выполнять техническое решение следующим образом.
Компрессор может быть выполнен винтовым.
Выход теплоносителя подогревателя сжатого воздуха соединен со входом масла компрессора через термостат, охладитель масла с вентилятором и блок масляных фильтров, при этом вход термостата соединен с выходом теплоносителя подогревателя сжатого воздуха, при этом первый выход термостата соединен с блоком масляных фильтров, а второй выход термостата соединен с охладителем масла, выход которого соединен с блоком масляных фильтров.
Авторами заявленного технического решения изготовлен опытный образец этого решения, испытания которого подтвердили достижение технического результата.
Краткое описание чертежей.
На фигуре показана схема генератора азота.
Осуществление технического решения.
Генератор азота содержит компрессор (1) с приводом (2), впускной фильтр (3), систему подготовки воздуха, подогреватель сжатого воздуха (15), газоразделительный блок (4) и систему подготовки масла.
Компрессор (1) предназначен для сжатия атмосферного воздуха с целью создания движущей силы процесса мембранного разделения воздуха на составляющие компоненты. Компрессор (1) предпочтительно выполнен винтовым.
Привод (2) компрессора может быть выполнен в виде электродвигателя, при этом вал двигателя соединен с валом компрессора (1) посредством эластичной муфты (5).
Впускной фильтр (3) размещен на входе воздуха в компрессор (1) и предназначен для предварительной очистки поступающего на сжатие воздуха от механической пыли. Между впускным фильтром (3) и компрессором (1) установлен впускной клапан (6) с исполнительным механизмом (7).
Система подготовки воздуха содержит соединенные последовательно сепаратор-маслоотделитель (8), клапан минимального давления (9), охладитель сжатого воздуха (10), сепаратор-влагоотделитель (11), фильтр грубой очистки (12), фильтр тонкой очистки (13), угольный фильтр (14) и подогреватель сжатого воздуха (15). Вход системы подготовки газа соединен с выходом компрессора (1) через обратный клапан (16).
Сепаратор-маслоотделитель (8) предназначен для отделения основной части масла от сжатого газа. Вход воздуха сепаратора-маслоотделителя (8) является входом воздуха системы подготовки воздуха. Сепаратор-маслоотделитель (8) содержит вход масла (17), по крайней мере один фильтрующий элемент (18), выход основной части масла (19) и выход остатка масла (20). Выход остатка масла (20) соединен со входом масла (21) компрессора (1) через обратный клапан (22).
Клапан минимального давления (9) отключает подачу сжатого воздуха из сепаратора-маслоотделителя (8), если давление на выходе из сепаратора-маслоотделителя (8) ниже минимально требуемого, во избежание поломки приемного оборудования.
Охладитель сжатого воздуха (10) предназначен для охлаждения сжатого и нагретого компрессором (1) воздуха. Вход охладителя сжатого воздуха (10) соединен с выходом клапана минимального давления (9). После охладителя сжатого воздуха (10) установлен предохранительный клапан (23), который защищает пневмосистему от превышения давления сжатого воздуха. Охладитель сжатого воздуха (10) продувается вентилятором (24).
Сепаратор-влагоотделитель (11) предназначен для удаления конденсата и механических примесей из охлажденного в охладителе сжатого воздуха (10).
Фильтр грубой очистки (12) предназначен для очистки воздушного потока от мелких механических примесей, масляных аэрозолей и капельной жидкости.
Фильтр тонкой очистки (13) предназначен для отделения не задержанных фильтром грубой очистки (12) микрочастиц влаги и масла в виде очень мелкой аэрозоли.
Угольный фильтр (14) предназначен для адсорбции паров масла и жидкости, не сконденсированных в охладителе сжатого воздуха (10) и не задержанных в сепараторе-влагоотделителе (8) и фильтрах грубой (12) и тонкой (13) очистки.
Подогреватель сжатого воздуха (15) предназначен для увеличения температуры сжатого воздуха до значения, соответствующего оптимальному значению при газоразделении. Подогрев воздуха необходим для предотвращения конденсации не задержанной жидкости на мембранах газоразделительного блока (4). Подогреватель сжатого воздуха (15) содержит вход (25) и выход (26) теплоносителя, который нагревает сжатый воздух. Вход теплоносителя (25) соединен с выходом основной части масла (19) сепаратора-маслоотделителя (8). Выход теплоносителя (26) соединен со входом масла (21) компрессора (1) через систему подготовки масла. Таким образом тепло, отведенное от нагретого в компрессоре (1) масла используется для нагрева сжатого воздуха в подогревателе сжатого воздуха (15). При этом в отличие от аналога неважно какой тип привода используется для приведения в действие компрессора (1). С целью регулирования степени подогрева сжатого воздуха между входом и выходом воздуха подогревателя (15) установлен байпас (27), вход которого соединен с трехходовым вентилем (28), размещенным на входе воздуха подогревателя (15). Выход воздуха подогревателя (15) соединен со входом газоразделительного блока (4).
Газоразделительный блок (4) предназначен для получения азота из воздуха. Газоразделительный блок (4) содержит картриджи с полимерными половолоконными мембранами, выход азота (29) и выход газов с высоким содержанием кислорода - пермеат (30).
Система подготовки масла содержит термостат (31), охладитель масла (32) с вентилятором (33) и блок масляных фильтров (34).
Термостат (31) предназначен для управления потоком масла. Вход термостата (31) соединен с выходом теплоносителя (26) подогревателя сжатого воздуха (15). Первый выход (35) термостата (31) соединен с блоком масляных фильтров (34). Второй выход (36) термостата (31) соединен с охладителем масла (32).
Охладитель масла (32) предназначен для отвода части тепла от масла, поступающего с выхода теплоносителя (26) подогревателя сжатого воздуха (15). Вентилятор (33) предназначен для интенсификации охлаждения масла в охладителе масла (32). Выход охладителя масла (32) соединен со входом блока масляных фильтров (34).
Блок масляных фильтров (34) предназначен для очистки масла. Выход блока масляных фильтров (34) является выходом масла системы подготовки масла и соединен со входом масла (21) компрессора (1).
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1. Подогреватель сжатого воздуха (15) представляет собой пластинчато-ребристый теплообменник.
Пример 2. Приводом вентилятора (24) охладителя сжатого воздуха (10) является электродвигатель.
Пример 3. Приводом вентилятора (33) охладителя масла (32) является электродвигатель.
Реализация заявляемого технического решения не ограничивается приведенными выше примерами. Описание работы.
Компрессор (1) приводится электродвигателем (2) через эластичную муфту (5). Компрессор (1) всасывает атмосферный воздух через воздушный фильтр (3) и впускной клапан (6) с исполнительным механизмом (7), а затем сжимает. При этом сжимаемый воздух смешивается с маслом. Затем масловоздушная смесь имеющая температуру 100-120°С проходит через обратный клапан (16) и поступает в сепаратор-маслоотделитель (8), где основная часть масла задерживается фильтрующим элементом (18). Остатки масла стекают на дно сепаратора-маслоотделителя (8) и через обратный клапан (22) поступают на вход масла (21) компрессора (1). Эта часть масла используется для смазки подшипников компрессора.
Сжатый горячий воздух из сепаратора-маслоотделителя (8) через клапан минимального давления (9) поступает в охладитель сжатого воздуха (10), который продувается вентилятором (24). В охладителе сжатого воздуха (10) воздух максимально охлаждается. При этом в сжатом воздухе выпадает большое количество капельной влаги - конденсата. Далее, сжатый воздух проходит осушку и очистку в сепараторе-влагоотделителе (11), фильтре грубой очистки (12), фильтре тонкой очистки (13) и угольном фильтре (14). При этом предохранительный клапан (23) защищает пневмосистему от превышения давления сжатого воздуха. После фильтров сжатый воздух нагревается в подогревателе (15) до температуры соответствующей оптимальному значению при газоразделении. При этом масло компрессора (1) из сепаратора-маслоотделителя (8) поступает в подогреватель сжатого воздуха (15), где отдает часть своего тепла сжатому воздуху, нагревая его. При этом температура масла снижается. Затем масло поступает к термостату (31), который в зависимости от температуры масла, направляет его полностью или частично в охладитель масла (32). Охладитель масла (32) продувается вентилятором (33). Если температура масла выше требуемой, то все масло или его часть поступает в охладитель масла (32), а затем в блок масляных фильтров (34). Если температура масла соответствует требуемой, то масло, минуя охладитель масла (32), поступает в блок масляных фильтров (34). В блоке масляных фильтров (34) масло очищается, и затем поступает в компрессор (1).
Подогретый же воздух поступает в газоразделительный блок (4). Регулировка степени подогрева сжатого воздуха в подогревателе (15) осуществляется с помощью трехходового вентиля (28), который часть сжатого воздуха направляет по байпасу (27) на вход газоразделительного блока (4), в обход подогревателя сжатого воздуха (15). В газоразделительном блоке (4) происходит разделение потока сжатого воздуха на два: поток газов с высоким содержанием кислорода - пермеат, и поток газов, обогащенных азотом. Разделение газов происходит за счет различных коэффициентов проницаемости азота и кислорода через полимерную мембрану. Движущей силой разделения является разность парциальных давлений газов на мембране. Поток газов, проникших через мембрану - пермеат, находится при атмосферном давлении. Не проникшая через мембрану инертная газовая смесь на основе азота находится под давлением выше атмосферного. Пермеат с выхода пермеата (30) сбрасывается в атмосферу, а поток газов обогащенных азотом с выхода азота (29) подается потребителю.
Промышленная применимость.
Заявляемое техническое решение реализовано с использованием промышленно выпускаемых устройств и материалов, может быть собрано на любом машиностроительном предприятии и найдет широкое применение в областях химической, угольной и горнодобывающей промышленности, областях добычи, переработки, транспортировки и сбыта нефтяных и газовых продуктов.