ПОРТАТИВНЫЙ МЕМБРАННО-АДСОРБЦОННЫЙ КОНЦЕНТРАТОР КИСЛОРОДА

Полезная модель относится к мембранно-адсорбционным устройствам получения кислородо обогащенного газа из атмосферного воздуха методами короткоцикловой безнагревной адсорбции и мембранного газоразделения, используемым в лечебной терапии в больницах и поликлиниках, а так же за их пределами, преимущественно для обеспечения кислородом людей страдающих от негативных последствий гипоксии.
Из уровня техники известно эжекторное мембранно-сорбционное устройство для разделения газовых смесей, описанное в патенте РФ №139877, содержащее, по меньшей мере, два адсорбера, заполненных твердым адсорбентом, компрессор, выходной патрубок которого соединен с адсорберами через регулируемые клапаны и с входом в эжекционный смеситель, выход которого подключен через первый распределительный клапан к входным патрубкам адсорберов, а выходы адсорберов снабжены управляющими клапанами для отвода газа из адсорберов в сбросной трубопровод и подключены через второй распределительный клапан к мембранному фильтру, один из патрубков отвода которого соединен с потребителем, а второй с эжекционным смесителем. Основным недостатком данного устройства является организация регенерации используемого адсорбента методом прямоточного снижения давления, который не позволяет достичь глубокой регенерации адсорбента и как следствие получить высокие концентрации кислорода [Глупанов В.Н. и др. Получение кислорода и азота адсорбционным разделением воздуха // М.: ЦИНТИНЕФТЕМАШ. - 1991., Tishin A.A. et al. Use of a Hybrid Membrane-Sorption System with Three Adsorbers for Producing Oxygen-Enriched Air // Petroleum Chemistry. - 2018. - T. 58. - №. 4. - C. 338-345.]. Кроме того, в установке для снижения давления реализована сложная система эжекционной откачки, сбрасываемый газ сперва поступает в ресивер, а затем газ из ресивера через эжектор должен увлечь за собой газ из адсорбера, которая исходя из анализа литературных данных [Макеев Е.А., Зеленко В.Л., Хейфец Л.И. Повышение чистоты продукта за счет энергии сбросового газа в процессе короткоцикловой адсорбции // Вестник Московского университета. Серия 2. Химия. - 2007. - Т. 48. - №. 3., Макеев Е.А. Влияние макроструктуры слоя адсорбента на эффективность разделения газовых смесей. Москва: Дис. физ.-мат. наук, 2007.] дальнейшего распространения не получила.
Из уровня техники также известно эжекторное мембранно-сорбционное устройство для разделения газовых смесей, описанное в патенте РФ №2625983, содержащее, по меньшей мере, два адсорбера, заполненных твердым адсорбентом, компрессор, выходной патрубок которого соединен с адсорберами через регулируемые клапаны и с входом в эжекционный смеситель, выход которого подключен через первый распределительный клапан к входным патрубкам адсорберов, а выходы адсорберов снабжены управляющими клапанами для отвода газа из адсорберов в сбросной трубопровод и подключены через второй распределительный клапан к мембранному фильтру, один из патрубков отвода которого соединен с потребителем, а второй с эжекционным смесителем, при этом на выходе эжекционного смесителя установлен регулятор расхода газа, на трубопроводе, соединяющем компрессор с регулируемыми клапанами установлен регулятор давления газа, а на сбросном трубопроводе установлен распределительный клапан с двумя выходами, первый выход соединен с атмосферой, второй с десорбционным эжектором, который соединен также с компрессором через регулятор давления. Основными недостатками которого являются использование для регенерации адсорбента эжекционного устройства, питаемого частью потока компрессора установки и смесительного эжекционного устройства которое в силу своего устройства создает значительное дополнительное сопротивление потоку, выходящему из компрессора, в сумме два этих недостатка приводят к значительным энергозатратам.
Из уровня техники также известен концентратор кислорода, описанный в патенте РФ №149979, содержащий соединенные трубопроводами компрессор с выходным фильтром, два параллельных адсорбера и ресивер кислорода, блок управления электропневмоавтоматикой, помещенные в корпус, при этом каждый адсорбер внутри оснащен подпружиненным перфорированным диском. Основным недостатком данного устройства является невозможность организации постоянного по давлению и величине продуктового потока кислорода без использования дополнительных ресиверов, кроме того для очистки продуктового потока от продуктов истирания сорбента используется дополнительный фильтр.
Наиболее близким по конструктивному исполнению и принятым за прототип является установка для получения кислорода из атмосферного воздуха, описанная в патенте РФ №101646. Данное устройство состоит из блока подачи сжатого воздуха, включающего воздушный компрессор и устройство осушки воздуха, 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, причем первый выходной трубопровод соединен с входом в ресивер и снабжен двумя обратными клапанами для переключения газовых потоков между адсорберами и ресивером, снабжена соединенным газовой коммуникацией с выходом из ресивера мембранным газоразделительным модулем, выполненным в виде разделенных селективной мембраной двух технологических объемов высокого и низкого давлений, выход из объема низкого давления которого соединен с потребителем, а выход из объема высокого давления через расходное устройство соединен со вторым выходным трубопроводом, на котором установлены два выходных клапана управления газовыми потоками для переключения газового потока между газоразделительным модулем и адсорберами, а перед входом ресивера установлен обратный клапан. Основными недостатками такой установки являются, во-первых, невозможность организации стационарного по величине и давлению потока питания мембранного модуля, во-вторых, использование обогащенного целевым компонентом потока не прошедшего через мембрану при продувке адсорберов, что способствует снижению коэффициента извлечения.
Технической задачей предложенной полезной модели является усовершенствование короткоцикловых адсорбционных устройств для разделения воздуха при производстве кислорода.
Технический результат, достигаемый при реализации заявленной полезной модели, заключается в увеличении производительности, степени извлечения и концентрации кислорода в получаемом продукте.
Указанный технический результат достигается созданием концентратора кислорода, состоящего из блока подачи сжатого воздуха, включающего воздушный компрессор и устройство осушки воздуха, адсорбционного блока, содержащего ресивер для приема, обогащенного кислородом воздуха, адсорберы заполненные сорбентом, 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, входные 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, причем первый выходной трубопровод соединен с входом в ресивер и снабжен обратными клапанами для переключения газовых потоков между адсорберами и ресивером, выходной патрубок которого соединен газовой коммуникацией с мембранным газоразделительным модулем, выполненным в виде разделенных селективной мембраной двух технологических объемов высокого и низкого давлений, выход из объема низкого давления, которого соединен с потребителем, а выход из объема высокого давления через расходное устройство соединен со вторым выходным трубопроводом, на котором установлены выходные клапана управления газовыми потоками для переключения газового потока между газоразделительным модулем и адсорберами, он снабжен тремя адсорберами, заполненными твердым адсорбентом, на сбросном трубопроводе которых установлен обратный клапан, а воздушный компрессор является двухступенчатым вакуум-компрессором, выходной патрубок первой ступени которого через устройство осушки воздуха подключен к трубопроводу питания адсорберов, входной патрубок первой ступени и выходной патрубок второй ступени соединены с атмосферой, а входной патрубок второй ступени подключен к сбросному трубопроводу адсорберов через клапан управления газового потока перед обратным клапаном, шестью клапанами управления газовыми потоками на шести патрубках двух параллельных входных трубопроводов.
Концентратор кислорода может быть дополнительно снабжен клапанами управления газовыми потоками, соединенными с блоком управления.
Заявленная полезная модель поясняется чертежом (Фиг. 1), на котором представлена принципиальная схема портативного мембранно-адсорбционного концентратора кислорода и чертежом (Фиг. 2), на котором представлена циклограмма работы адсорберов и стадии через которые проходит каждый из адсорберов в процессе работы в осях давления от времени. Схема выполнена в виде графических условных обозначений элементов, связанных функционально линиями перемещения потоков воздуха, азота и кислорода.
Концентратор включает в себя двухступенчатый вакуум-компрессор 1, выходной патрубок первой ступени которого, через осушитель 25, подключен к входному патрубку адсорберов 2, 3, 4, заполненных твердым адсорбентом, например, гранулированным цеолитом, перед каждым, из которых установлены клапана управления газовым потоком 5, 6, 7. Кроме того к входным патрубкам адсорберов через клапана управления газовым потоком 15, 16, 17 подключен сбросной трубопровод один выход которого через обратный клапан 18 соединен с атмосферой, а второй подключен к входному патрубку второй ступени двухступенчатого вакуум-компрессора, через клапан управления газовым потоком 19. Выходные патрубки адсорберов через обратные клапана 8, 9, 10 подключены к входному патрубку накопительного ресивера 11, и через клапана управления газовым потоком 12, 13, 14 и устройство регулирования расхода 24, подключены к выходному патрубку области высокого давления 22 мембранного модуля 4, входной патрубок которого подключен к выходному патрубку накопительного ресивера 11, а область низкого давления 23 мембранного модуля через выходной патрубок соединена с потребителем продукта. Управление клапанами 5-7, 12-17, 19 производится общим блоком управления 26.
Портативный мембранно-адсорбционный концентратор кислорода работает следующим образом. Атмосферный воздух подается первой ступенью 20 вакуум-компрессора 1, через осушитель 25 и клапана управления газовым потоком 5, 6, 7 в один из адсорберов 2, 3, 4. Пусть в рассматриваемый момент времени газ из вакуум-компрессора через клапан управления газовым потоком 5 (открыт) поступает в адсорбер 2, клапана управления газовым потоком 6 и 7 закрыты. В адсорбере 2 происходи избирательная сорбция азота и на выходе из него продуцируется газовая смесь с повышенным содержанием кислорода. Из адсорбера 2 газовая смесь через обратный клапан 8 поступает в ресивер 11. При этом клапана управления газовым потоком 12 и 15 закрыты. Газовая смесь из ресивера 11 поступает в объем 22 высокого давления мембранного модуля 4, который отделен от объема 23 низкого давления селективной мембраной. Мембрана является более проницаемой средой для молекул кислорода, чем для молекул азота, в результате чего происходит дообогащение кислородом газа проникшего через мембрану. Кроме того мембрана очищает подаваемый на нее поток газа от продуктов истирания сорбента. Проникший через мембрану газ обогащенный кислородом выводится потребителю, а не проникший газ и продукты истирания сорбентов через устройство регулирования расхода 24 направляется в адсорбер 3, через открытый клапан 13. В адсорбере 3 происходит регенерация адсорбента методом противоточной продувки, газ поступающий с мембранного модуля и все еще имеющий концентрацию кислорода выше атмосферной, проходит через слой адсорбента и вызывает десорбцию азота с его поверхности, десорбированный азот выводится из адсорбера через открытый клапан управления газовым потоком 16 и обратный клапан 18. В это же время в адсорбере 4, клапан управления газовым потоком 14 закрыт, через клапан управления газовым потоком 17 и обратный клапан 18 происходит сброс отработанного газа в атмосферу. Через некоторое время клапан управления газовым потоком 16 перекрывается и в адсорбере 3 начинается повышение давления до давления адсорбции, а клапан управления газовым потоком 19 открывается и из адсорбера 4 через вторую ступень 21 вакуум-компрессора 1 начинает откачиваться газ - в адсорбере начинается вакуумная регенерация адсорбента. После того как давление в адсорбере 3 достигает давления адсорбции адсорберы меняются выполняемыми функциями: в адсорбере в котором проходила стадия адсорбции происходит сброс и вакуумная регенерация сорбента, в адсорбере в котором проходила вакуумная регенерация начинается противоточная продувка и заполнение, а в адсорбере после заполнения начинается адсорбция.
Циклическая работа адсорберов сорбционного блока портативного мембранно-адсорбционного концентратора кислорода представлена в виде циклограммы на чертеже (Фиг. 2). Каждый из адсорберов проходит три последовательных стадии. Стадию продуцирования или адсорбции, в процессе которой в адсорбер поступает газ с вакуум-компрессора для первичного обогащения по кислороду. Стадию регенерации сорбента вакуумной регенерации, в процессе которой газ из адсорбера сбрасывается в атмосферу, после чего в адсорбер с помощью вакуум-компрессора откачивается. Стадию регенерации сорбента противоточной продувкой и заполнения, на этой стадии поток газа с мембранного модуля не прошедший через селективную мембрану подается в адсорбер изначально проточно проходя через слой сорбента и вызывая десорбцию азота, далее для повышения давления в адсорбере до давления адсорбции. Работа сорбционного блока организована таким образом, что в каждый момент времени один из адсорберов проходит стадию продуцирования, что обеспечивает мембранный блок системы необходимым постоянным потоком питания. Кроме того в каждый момент времени один из адсорберов проходит стадию противоточной продувки и заполнения, что обеспечивает постоянный отвод не прошедшего через селективную мембрану газа из области высокого давления мембранного модуля. Сброс газа из одного адсорбера в атмосферу и противоточная продувка другого адсорбера со сбросом потока в атмосферу совмещены по времени и осуществляются через общий обратный клапан.
Примеры реализации.
Пример 1.
Как в прототипе, так и в настоящей полезной модели используются общие устройства:
- адсорбционные колонны, заполненные твердым цеолитом;
- мембранный модуль;
- двухступенчатый вакуум-компрессор;
- ресивер;
Целью является получение воздуха, обогащенного по кислороду до заданной объемной концентрации не ниже 50%.
В прототипе предполагается для достижения поставленной задачи использование цеолита HF-512 О или цеолита NaX с селективностями по паре разделяемых компонентов азот-кислород равными 2.7 и 2.2 соответственно при давлениях до 2 Атм.
В примере, основанном на экспериментальных исследованиях, в качестве мембранного фильтра использован половолоконный мембранный модуль, в качестве полимера мембраны выбран полимер полифениленоксид (ПФО). В качестве сорбента использован цеолит HF-512 О. В качестве компрессора использован компрессор фирмы YLKTECH модель DA60EE.